Αντίστροφα προβλήματα στη μαθηματική θεωρία της ηλεκτρο-μαγνητο-εγκεφαλογραφίας

Abstract

The electromagnetic activity of the human brain is studying via the non invasive methods of Electroencephalography and Magnetoencephalography. It is well known that an electrochemically generated current in the interior of the brain generates an electric and a magnetic field, both in the interior and exterior of the brain. The resulting electric and magnetic fields are measured on the surface and the exterior of the head via the EEG and MEG, respectively. In the present thesis we study direct and inverse EEG and MEG problems in order to identify and characterize the source. In the First Part we describe the morphology and the functionality of the human brain and we state the physical and geometrical models that we use. In the Second Part we solved the direct problem of EEG for the spherical homogeneous model of the brain in the case of a continuously distributed neuronal current. It turns out that the electric potential is independent of the solenoid part of the tangential component of the neuronal current. Consequently, the corresponding inverse problem is not uniquely solvable. Hence, we demand that the current has minimum and in this case we ended up with the complete expansions of the visible part of the current from the knowledge of the electric field. In the Third Part we studied direct problems of MEG in ellipsoidal geometry. In particular we evaluated the octapolic term of the magnetic induction field which it’s produced in the exterior of the ellipsoidal model of the brain-head system. This term provides the highest order terms that can be expressed in closed form. It is shown numerically that the silent source of the quadrupolic term of the magnetic induction field does contribute to the octapolic term. Therefore, the knowledge of the quadrupolic and octapolic terms provides enough data to construct an effective algorithm for inversion. Finally, the direct problem of MEG is presented, in the case where the cerebral tissue is considered as an ellipsoidal conductor and surrounds a fluid ellipsoidal core of different conductivity. The fluid core is occupied by the cerebrospinal fluid and the source lies in the cerebral shell. The electric field in every region and the exterior magnetic induction field are obtained. Furthermore, we compare analytically and numerically the results of the inhomogeneous model with the homogeneous ellipsoidal model. We observed that both the inhomogeniety inside the cerebral tissue and the location of the source appear in the magnetic induction field of the inhomogeneous model. Τhe existence of the fluid core effects the monotonicity of the components of the magnetic field as well as its magnitude.

Η ηλεκτρομαγνητική δραστηριότητα του εγκεφάλου μελετάται με τη βοήθεια των μη παρεμβατικών μεθόδων της Ήλεκτροεγκεφαλογραφίας και της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας. Ειδικότερα, κάθε ηλεκτροχημικά παραγόμενο ρεύμα στο εσωτερικό του εγκεφάλου δημιουργεί ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο, στο εσωτερικό και στο εξωτερικό του εγκεφάλου αντίστοιχα. Τα πεδία αυτά καταγράφονται στην επιφάνεια και στον εξωτερικό χώρο του κρανίου και δίνουν το Ηλεκτροεγκεφαλόγραφημα (EEG) και το Μαγνητοεγκεφαλόγραφημα (MEG) αντίστοιχα, τα οποία μεταφέρουν πληροφορίες για τη λειτουργία του εγκεφάλου τη χρονική στιγμή της καταγραφής. Η παρούσα διατριβή αφορά στη μαθηματική ανάλυση ευθέων και αντίστροφων προβλημάτων που συνδέονται με τις μεθόδους αυτές με σκοπό τον εντοπισμό και το χαρακτηρισμό της πηγής που παρήγαγε τα μετρούμενα πεδία. Στο Μέρος Ι μελετάται αναλυτικά η δομή και λειτουργία του εγκεφάλου, περιγράφεται το φυσικό πρότυπο που χρησιμοποιούμε και γίνεται αναφορά τόσο στη σφαιρική όσο και στην ελλειψοειδή γεωμετρία που αποτελούν τα γεωμετρικά υπόβαθρα. Στο Μέρος ΙΙ επιλύεται το ευθύ πρόβλημα του Βιοηλεκτρισμού στην περίπτωση του σφαιρικού ομογενούς προτύπου για τον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου η πηγή είναι αυθαίρετη κατανομή ρεύματος. Αποδεικνύεται ό,τι, στο εξωτερικό ηλεκτρικό δυναμικό δεν εμπεριέχεται η συνεισφορά του σωληνοειδούς μέρους της εφαπτομενικής συνιστώσας του ρεύματος και συνεπώς το αντίστοιχο αντίστροφο πρόβλημα είναι μη μοναδικό. Με την απαίτηση το ρεύμα να ελαχιστοποιεί την , το αντίστροφο πρόβλημα επιλύεται μοναδικά και προσδιορίζονται οι συνιστώσες του νευρωνικού ρεύματος από γνωστές μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού. Τα κύρια χαρακτηριστικά καθώς και οι περιορισμοί που επιβάλλουν το φυσικό και το γεωμετρικό πρόβλημα αναλύονται λεπτομερώς. Στο Μέρος ΙΙΙ επιλύονται ευθέα προβλήματα του Βιοηλεκτρομαγνητισμού σε ελλειψοειδή γεωμετρία και αντλούμε χρήσιμα συμπεράσματα για την αντιστροφή των προβλημάτων MEG. Συγκεκριμένα υπολογίστηκε η οκταπολική προσέγγιση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται στο εξωτερικό του πλέον ρεαλιστικού ομογενούς προτύπου για τον ανθρώπινο εγκέφαλο, που είναι το ελλειψοειδές, συναρτήσει των ελλειψοειδών αρμονικών τρίτου βαθμού. Η βελτίωση αυτή είναι σημαντική καθώς αποδεικνύεται αριθμητικά ότι η μαγνητικά «σιωπηλή» πηγή της τετραπολικής προσέγγισης συνεισφέρει στις μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου. Ως εκ τούτου, η νέα αυτή προσέγγιση του μαγνητικού πεδίου παρέχει αρκετές πληροφορίες για την πιθανή αντιστροφή του προβλήματος. Στη συνέχεια επιλύθηκε το ευθύ πρόβλημα του Βιοηλεκτρομαγνητισμού στην περίπτωση που ο εγκεφαλικός ιστός περιλαμβάνει περιοχή υγρού πυρήνα διαφορετικής αγωγιμότητας. Ο πυρήνας αυτός πληρούται από εγκεφαλονωτιαίο υγρό ενώ η πηγή βρίσκεται στον φλοιό του εγκεφαλικού ιστού. Υπολογίζεται το ηλεκτρικό δυναμικό και το μαγνητικό πεδίο στο εξωτερικό του αγωγού και τα αποτελέσματα συγκρίνονται αναλυτικά και αριθμητικά με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του ομογενούς προτύπου του εγκέφαλου. Από την σύγκριση αυτή προκύπτει ότι τόσο η ανομοιογένεια εντός του εγκεφαλικού ιστού όσο και η θέση της πηγής υπεισέρχονται με καθοριστικό τρόπο στο μαγνητικό πεδίο του υπό μελέτη προτύπου.