The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements

The human brain is an extremely complex organ for which the knowledge we have so far is minimal. This complexity is due to the vast number of nerve cells it contains. The brain neurons compose an enormous electric circuit in which ionic currents of biochemical origin flow. The presence of primary an...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Γιάνναρη, Δάφνη
Άλλοι συγγραφείς: Giannari, Dafni
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2020
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14005
id nemertes-10889-14005
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Human brain
Magnetoencephalography
Spherical harmonics
Ellipsoidal harmonics
Mathematical modeling
Ανθρώπινος εγκέφαλος
Μαγνητοεγκεφαλογραφία
Σφαιρικές αρμονικές συναρτήσεις
Ελλειψοειδείς αρμονικές συναρτήσεις
Μαθηματική μοντελοποίηση
spellingShingle Human brain
Magnetoencephalography
Spherical harmonics
Ellipsoidal harmonics
Mathematical modeling
Ανθρώπινος εγκέφαλος
Μαγνητοεγκεφαλογραφία
Σφαιρικές αρμονικές συναρτήσεις
Ελλειψοειδείς αρμονικές συναρτήσεις
Μαθηματική μοντελοποίηση
Γιάνναρη, Δάφνη
The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
description The human brain is an extremely complex organ for which the knowledge we have so far is minimal. This complexity is due to the vast number of nerve cells it contains. The brain neurons compose an enormous electric circuit in which ionic currents of biochemical origin flow. The presence of primary and induced electric currents in stimulated areas within the brain, leads to the generation of an electromagnetic field that can be detected externally. In particular, the weak external magnetic field is measured by the Magnetoencephalography method. In the present work, the brain, together with the scull which surrounds it, is considered as a single, homogeneous and isotropic conductor, while the source of the externally measured electromagnetic field is modeled as a single dipole located at a specific point inside the conductor. At this point it is noted that the size of the human brain and the values of the physical parameters describing the propagation of the electromagnetic wave within the brain, allow the use of the quasi – static theory of Maxwell’ s equations to describe the propagation of the electromagnetic field, that is generated by the brain’s function. The geometric model used for the conductor, in this work, is the spherical and the ellipsoidal one. The spherical geometry is based on spherical symmetry and although it is not a realistic description of the brain, it is widely used for the interpretation of encephalographs. On the other hand, the ellipsoidal geometry embodies the anisotropy of the three – dimensional space and better fits to the brain anatomy, but leads to significantly more complicated equations. Taking into account the above assumptions and using certain vector analysis techniques, the forward Magnetoencephalography problem is solved. Namely, the magnetic field generated outside the brain, is calculated. In the case of the spherical conductor, the magnetic field can be calculated analytically as an expansion of spherical harmonic functions, but also in a closed form, whereas in the case of the ellipsoidal conductor, the magnetic field is calculated as an expansion of ellipsoidal harmonic functions. The result for the ellipsoidal conductor can produce, with the help of certain techniques, the result obtained for the spherical conductor, indicating that the ellipsoid is a superset of the sphere. In addition, the results reveal the effect that each geometry has on the exterior magnetic field and provide information for it, which can contribute to the solution of the inverse Magnetoencephalography problem.
author2 Giannari, Dafni
author_facet Giannari, Dafni
Γιάνναρη, Δάφνη
author Γιάνναρη, Δάφνη
author_sort Γιάνναρη, Δάφνη
title The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
title_short The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
title_full The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
title_fullStr The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
title_full_unstemmed The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
title_sort effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements
publishDate 2020
url http://hdl.handle.net/10889/14005
work_keys_str_mv AT giannarēdaphnē theeffectofbraingeometryonmagnetoencephalographicmeasurements
AT giannarēdaphnē epidrasētēsgeōmetriastouenkephaloustismagnētoenkephalographikesmetrēseis
AT giannarēdaphnē effectofbraingeometryonmagnetoencephalographicmeasurements
_version_ 1771297151049007105
spelling nemertes-10889-140052022-09-05T05:38:29Z The effect of brain geometry on magnetoencephalographic measurements Επίδραση της γεωμετρίας του εγκεφάλου στις μαγνητοεγκεφαλογραφικές μετρήσεις Γιάνναρη, Δάφνη Giannari, Dafni Human brain Magnetoencephalography Spherical harmonics Ellipsoidal harmonics Mathematical modeling Ανθρώπινος εγκέφαλος Μαγνητοεγκεφαλογραφία Σφαιρικές αρμονικές συναρτήσεις Ελλειψοειδείς αρμονικές συναρτήσεις Μαθηματική μοντελοποίηση The human brain is an extremely complex organ for which the knowledge we have so far is minimal. This complexity is due to the vast number of nerve cells it contains. The brain neurons compose an enormous electric circuit in which ionic currents of biochemical origin flow. The presence of primary and induced electric currents in stimulated areas within the brain, leads to the generation of an electromagnetic field that can be detected externally. In particular, the weak external magnetic field is measured by the Magnetoencephalography method. In the present work, the brain, together with the scull which surrounds it, is considered as a single, homogeneous and isotropic conductor, while the source of the externally measured electromagnetic field is modeled as a single dipole located at a specific point inside the conductor. At this point it is noted that the size of the human brain and the values of the physical parameters describing the propagation of the electromagnetic wave within the brain, allow the use of the quasi – static theory of Maxwell’ s equations to describe the propagation of the electromagnetic field, that is generated by the brain’s function. The geometric model used for the conductor, in this work, is the spherical and the ellipsoidal one. The spherical geometry is based on spherical symmetry and although it is not a realistic description of the brain, it is widely used for the interpretation of encephalographs. On the other hand, the ellipsoidal geometry embodies the anisotropy of the three – dimensional space and better fits to the brain anatomy, but leads to significantly more complicated equations. Taking into account the above assumptions and using certain vector analysis techniques, the forward Magnetoencephalography problem is solved. Namely, the magnetic field generated outside the brain, is calculated. In the case of the spherical conductor, the magnetic field can be calculated analytically as an expansion of spherical harmonic functions, but also in a closed form, whereas in the case of the ellipsoidal conductor, the magnetic field is calculated as an expansion of ellipsoidal harmonic functions. The result for the ellipsoidal conductor can produce, with the help of certain techniques, the result obtained for the spherical conductor, indicating that the ellipsoid is a superset of the sphere. In addition, the results reveal the effect that each geometry has on the exterior magnetic field and provide information for it, which can contribute to the solution of the inverse Magnetoencephalography problem. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο όργανο, για το οποίο οι γνώσεις που διαθέτουμε έως και σήμερα είναι ελάχιστες. Αυτή η πολυπλοκότητα οφείλεται στον τεράστιο αριθμό νευρικών κυττάρων που περιέχει. Οι νευρώνες του εγκεφάλου συνθέτουν ένα αχανές ηλεκτρικό κύκλωμα εντός του οποίου ρέουν ιοντικά ρεύματα βιοχημικής προέλευσης. Η παρουσία κύριων και επαγόμενων ηλεκτρικών ρευμάτων σε διεγερμένες περιοχές στο εσωτερικό του εγκεφάλου, οδηγεί στη δημιουργία ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που μπορεί να ανιχνευθεί εξωτερικά. Συγκεκριμένα, η μέτρηση του ασθενούς εξωτερικού μαγνητικού πεδίου γίνεται με τη μέθοδο της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας. Στην παρούσα εργασία, ο εγκέφαλος μαζί με το κρανίο που τον περιβάλλει θεωρείται ως ένας ενιαίος, ομογενής και ισότροπος αγωγός, ενώ η πηγή του εξωτερικά μετρούμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μοντελοποιείται ως ένα σημειακό δίπολο που βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο εντός του αγωγού. Σε αυτό το σημείο επισημαίνεται ότι το μέγεθος του ανθρώπινου εγκεφάλου και οι τιμές των φυσικών παραμέτρων που περιγράφουν τη διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος εντός του εγκεφάλου, επιτρέπουν τη χρήση της σχεδόν στατικής θεώρησης των εξισώσεων του Maxwell για την περιγραφή της διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που παράγεται από τη λειτουργία του εγκεφάλου. Το γεωμετρικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τον αγωγό, στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, είναι το σφαιρικό και το ελλειψοειδές. Η σφαιρική γεωμετρία στηρίζεται στη σφαιρική συμμετρία και παρόλο που δεν αποτελεί ρεαλιστική περιγραφή του εγκεφάλου, χρησιμοποιείται ευρέως για την ερμηνεία των εγκεφαλογραφημάτων. Αντίθετα, η ελλειψοειδής γεωμετρία ενσωματώνει την ανισοτροπία του τρισδιάστατου χώρου και περιγράφει καλύτερα την ανατομία του εγκεφάλου, αλλά οδηγεί σε αρκετά πολυπλοκότερες εξισώσεις. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παραδοχές και ορισμένες τεχνικές διανυσματικής ανάλυσης, επιλύεται το ευθύ πρόβλημα της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας, δηλαδή υπολογίζεται το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται εξωτερικά του εγκεφάλου. Στην περίπτωση του σφαιρικού αγωγού, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά ως ανάπτυγμα σφαιρικών αρμονικών συναρτήσεων, αλλά και σε κλειστή μορφή, ενώ στην περίπτωση του ελλειψοειδούς αγωγού, το μαγνητικό πεδίο υπολογίζεται ως ανάπτυγμα ελλειψοειδών αρμονικών συναρτήσεων. Το αποτέλεσμα για τον ελλειψοειδή αγωγό μπορεί να δώσει, με τη χρήση ορισμένων τεχνικών, το αποτέλεσμα για το σφαιρικό αγωγό, γεγονός που υποδηλώνει ότι το ελλειψοειδές είναι ένα υπερσύνολο της σφαίρας. Επιπλέον, τα αποτελέσματα φανερώνουν την επίδραση της εκάστοτε γεωμετρίας στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και δίνουν πληροφορίες για αυτό, οι οποίες μπορούν να συνεισφέρουν στην επίλυση του αντίστροφου προβλήματος της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας. 2020-10-08T12:12:47Z 2020-10-08T12:12:47Z 2017-10 http://hdl.handle.net/10889/14005 en application/pdf