Source characterization using linear transformation of multichannel biomagnetic recordings

Abstract

The biomagnetic measurements offer completely non-invasive and non-contact multichannel recordings with millisecond temporal resolution that provide the direct assessment of the functional dynamics of the brain, via magnetoencephalography (MEG), and heart, via magnetocardiography (MCG). Dense-array biomagnetometers have been recently designed for the investigation of the neurophysiological development of the fetus in utero. Fetal MCG offers accurate recordings of the fetal cardiac activity that allow to examine the effects of different maternal factors (such as smoking, exercise, fatty-acids diet supplements) on the fetal neurophysiological development using measures of heart rate and heart rate variability, and high-resolution measurement of the cardiac time intervals. However, the extraction of the fetal MCG signal relies on the identification and elimination of other signal contributions associated with the maternal cardiac activity or specific fetal behavioral patterns, such as fetal sucking and hiccup activity.The results of the present thesis demonstrate the potential of the linear transformations to generate data representations that enable straightforward and effective extraction and characterization of the biomagnetic signal components, and the elimination of the interference. The independent component analysis has been proven as an efficient signal separation and filtering technique for fetal biomagnetic recordings. ICA has been shown to provide adequate interference elimination of the maternal and fetal cardiac activity for the separation of the signal associated with distinct fetal behavioral patterns. Specifically, ICA has been applied to the extraction of the non-nutritive sucking pattern in the fetus. The recorded biomagnetic signal was characterized by the distinctive rhythmic pattern of bursts documented in the fetus using Doppler ultrasonography. The signal characteristics were consistent with the pacifier-induced non-nutritive sucking recorded in the infant using measurements of the sucking pressure variation and electromyography (EMG) recordings. Additionally, the measurements in fetuses have been confirmed by the biomagnetic recordings of the pacifier-induced non-nutritive sucking in infants. Correspondingly, the signal pattern associated with the fetal hiccup activity has been recorded and characterized using biomagnetic measurements in the fetus. The signal waveform was consistent with the adult EMG data of the diaphragm motor response to electrical or magnetic stimulation of the phrenic nerve. Additionally, the simultaneous recording of the fetal cardiac activity allows the estimation of the fetal heart rate signal. Thus, it has been possible to assess the interaction between the fetal behavior and the fetal heart rhythm.Although the linear transformations of the biomagnetic data, such as the signal subspace separation, beamforming or independent component analysis methods, do not provide direct information on the location of the sources, they generate data representations that enable the separation of the distinct signal components. The signal subspace separation method based on irreducible tensor representation approach may potentially allow to segregate and remove the contribution of the external interference sources, e.g. an active ultrasound device for real-time monitoring during fetal biomagnetic recording. The preliminary assessment indicates the ability of the irreducible tensor representation technique to provide an effective data transformation for the compensation of fetal movement during the recording that affects the accuracy of the averaged fetal cardiac signal. Additionally, the modified beamformers with suppression region that integrate a priori anatomical information in order to perform an adaptive suppression of the interferers may be proven more efficient for accurate signal estimation of the fetal spontaneous brain activity, and auditory and visual evoked responses.

Σύγχρονες μή-επεμβατικές τεχνικές καταγραφής πολυκαναλικού σήματος προσφέρουν, χωρίς άμεση επαφή, βιομαγνητικές μετρήσεις με υψηλότατη χρονική ανάλυση και επιτρέπουν την άμεση εκτίμηση των δυναμικών λειτουργιών του εγκεφάλου και της καρδιάς, μέσω του μαγνητοεγκεφαλογραφήματος (ΜΕΓ) και του μαγνητοκαρδιογραφήματος (ΜΚΓ) αντίστοιχα. Η χρήση πυκνών διατάξεων μαγνητομέτρων στην ευρύτερη κοιλιακή χώρα για την καταγραφή μαγνητικών πεδίων από το έμβρυο επιτρέπει τη μελέτη της νευροφυσιολογικής ανάπτυξης του εμβρύου καθ’ όλη τη διάρκεια της κύησης. Ειδικά το εμβρυϊκό ΜΚΓ επιτρέπει την εκτίμηση της καρδιακής λειτουργίας και την εξέταση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων όπως το κάπνισμα της μητέρας, η άσκησή της και η διατροφή της, χρησιμοποιώντας παράγωγα χαρακτηριστικά του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος (π.χ. ο καρδιακός ρυθμός και η μεταβλητότητά του). Η ανάκτηση του συγκεκριμένου σήματος προϋποθέτει τον εντοπισμό και εξουδετέρωση παρασιτικών σημάτων που σχετίζονται με το καρδιακή δραστηριότητα της μητέρας ή συγκεκριμένες συμπεριφορές του εμβρύου όπως η αναρρόφηση και η κατάποση.Τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής επιδεικνύουν τη δυνατότητα των γραμμικών μετασχηματισμών για αναπαραστάσεις που επιτρέπουν την άμεση και αποτελεσματική εκμαίευση και περιγραφή των σημαντικών συνιστωσών του βιομαγνητικού σήματος καθώς και την αναίρεση των ανεπιθύμητων παρεμβολών. Η ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες (ΑΑΣ) κρίθηκε ιδιαίτερα αποδοτική στην ανάδειξη της χρήσιμης πληροφορίας από εμβρυϊκές βιομαγνητικές καταγραφές και συνέβαλε στην εξουδετέρωση των σημάτων καρδιακής δραστηριότητας του εμβρύου και της μητέρας. Η κατάλληλη χρησιμοποίησή της ουσιαστικά εξασφάλισε το διαχωρισμό του σήματος που σχετίζεται με συγκεκριμένα πρότυπα συμπεριφοράς του εμβρύου. Ειδικότερα επέτρεψε την παρακολούθηση της συμπεριφοράς αυτόνομου θηλασμού (που είναι ασυσχέτιστη με την διατροφική διαδικασία). Το ανακτημένο σήμα χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα ρυθμική δραστηριότητα που περιλαμβάνει ώσεις γνωστές και από τις απεικονίσεις μέσω του υπερηχογραφήματος Doppler. H συμπεριφορά που το σήμα αντικατοπτρίζει είναι εντελώς συμβατή με αυτή που εμφανίζεται αυτόματα στα νεογνά με την προσαρμογή πιπίλας στη στοματική τους κοιλότητα, και η οποία συνήθως μελετάται μέσω των μεταβολών πίεσης στο σχετικό ηλεκτρομυογράφημα. Η συγκεκριμένη συσχέτιση επιβεβαιώθηκε -και πειραματικά- με την καταγραφή βιομαγνητικών πεδίων από νεογνά κατά τη διάρκεια αυθόρμητου θηλασμού (δηλ. με πιπίλα). Αντίστοιχα, το ανακτημένο σήμα που σχετίζεται με τον εμβρυϊκό λόξυγκα βρίσκεται σε απόλυτη συνέπεια με τις κυματομορφές της ηλεκτρομυογραφικής απόκρισης από το διάφραγμα ενηλίκων σε ηλεκτρική ή μαγνητική διέγερση του φρενικού νεύρου. Επίσης η εξαγωγή του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος επέτρεψε τον ακριβή υπολογισμό των μεταβολών του αντίστοιχου ρυθμού και τον συσχετισμό τους με τα διάφορα πρότυπα συμπεριφορά (θηλασμό, λόξυγκα κτλ.).Παρόλο που γραμμικοί μετασχηματισμοί των βιομαγνητικών δεδομένων (όπως τεχνικές υποχώρων, χωρικά φίλτρα επιλεκτικής κατεύθυνσης και ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες) δεν παρέχουν άμεση πληροφορία για τον εντοπισμό των πηγών του σήματος, προσφέρουν αναπαραστάσεις των δεδομένων όπου η συνεισφορά των επιμέρους πηγών είναι καλά διαχωρισμένη. Η τεχνική διαχωρισμού υποχώρων (βασισμένη στην προσέγγιση αναπαράστασης μέσω μή αναγώγιμου τανυστή) δυνητικά μπορεί να επιτρέψει τη διάκριση και απομάκρυνση εξωγενών σημάτων όπως αυτά που προέρχονται από τις παρακείμενες συσκευές υπερηχογραφήματος που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση του εμβρύου σε πραγματικό χρόνο. Η προκαταρκτική αξιολόγηση έδειξε την δυνατότητα της τεχνικής αυτής να μετασχηματίζει τα δεδομένα με τρόπο που να βελτιώνει την ακρίβεια του εμβρυϊκού συμψηφιστικού καρδιογραφήματος (κυρίως χάριν στην αντιστάθμιση της αναπόφευκτης μετακίνησης του εμβρύου σε σχέση με του αισθητήρες). Επιπρόσθετα η εναρμόνιση της τεχνικής αυτής με την ανατομία του προβλήματος ενέχει την δυνατότητα προσαρμοστικής επεξεργασίας σήματος και αναμένεται να συμβάλει στην εκτίμηση της αυθόρμητης εγκεφαλικής δραστηριότητας του εμβρύου καθώς και των αντίστοιχων εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εξωτερικά ερεθίσματα.