The dependence of the neuromagnetic source localization accuracy on the volume conductor model was studied by the analysis of measured magnetic fields generated by tangentially oriented dipoles in a realistically shaped skull phantom. When using a homogeneous sphere model in the localization procedure, the errors were found to increase from about 3 mm to about 9 mm when the distance between the dipoles and the inner surface of the skull increased from 1 cm to 3 cm, whereas when using a true, realistic model in the inverse procedure the localization errors were only about 2-3 mm, independent of dipole depth. To account for the realistic geometry of the inner surface of the skull, the Boundary Element Method, based on a surface discretization in terms of about 300 triangles, proved to be sufficient. In addition to these analyses of experimental data, simulations were carried out to study the localization errors in the case of the spherical approximation for a dipole orientation changing from tangential to radial. For the latter orientation, errors of up to a few centimeters were found.
Summary: Sources of the somatosensory evoked fields (SEF) for one subject were estimated using constraints from the magnetic resonance images (MRI) of the same subject. A realistic volume conductor model was shaped corresponding to the inside of the skull. Sources were restricted to a dipole patch riding on the surface of the cortex, reconstructed from the individual MRI. Such a patch can be considered as a uniformly activated cortical area giving rise to distributed currents which flow perpendicular to the cortical surface. Source locations obtained for the SEF in response to separate stimulations of lower lip, first and fifth digit, and collarbone followed the course of the contralateral central sulcus. The order of the estimated source locations was in agreement with the somatosensory homunculus of Penfield and Rasmussen. Similar results were obtained with the simple model of a current dipole in a homogeneous sphere. In contrast, combining a current dipole model with a realistic volume conductor model was rather problematic as it overesthnates the radial dipole component by an order of magnitude.
Zusammenfassung: Unter Zugrundelegung von Magnetfeldmessungen an einem realistisch geformten Schädelphantom wurde untersucht, in welchem Maße die Genauigkeit der Quellenlokalisierung auf der Basis neuromagnetischer Messungen von der Wahl des Volumenleitermodells abhängt. Im Falle eines homogenen Kugelmodells war bei Anwachsen der Dipoltiefe von 1,2 cm auf 3,3 cm (gerechnet von der inneren Schädeloberfache) eine Zunahme des Lokalisierfehlers von 3,7 mm auf 7,9 mm zu verzeichnen. Im Gegensatz dazu lag der Lokalisierfehler bei Verwendung eines die innere Schädeloberfläche nachbildenden Oberflächenelementemodells bei etwa 2mm.In jüngster Zeit gewinnt die Frage, welches Volumenleitermodell für die Quellenlokalisierung auf der Basis neuromagnetischer Messungen herangezogen werden sollte, zunehmend an Bedeutung. Einerseits ist es klar, daß das derzeit noch übliche Modell einer homogenen Kugel nur sehr unzureichend die Geometrie des Kopfes approximiert. Es überrascht daher nicht, daß Modellsimulationen (Meijs, 1988, Hämäläinen und Sarvas, 1989 systematische Fehler für die unter Annahme eines Kugelmodells geschätzten Quellenpositionen ergaben, die mit wachsender Tiefe zunahmen. Auf der anderen Seite erfordert ein komplexeres Modell einen wesentlich höheren technischen Aufwand (Erstellung eines Magnetresonanztomogramms, höhere Rechenzeit). Diese Problematik wurde in der vorliegenden Studie aufgegriffen. Anhand von Messungen des Magnetfeldes, das von jeweils einer dipolaren Quelle in einem mit Salzlösung gefüllten Schädelphantom erzeugt wurde, wurde die Quellenlokalisierung auf der Basis eines homogenen Kugelmodells mit der Quellenlokalisierung unter Berücksichtigung der tatsächlichen Volumenleitergeometrie verglichen. Methoden S chädelphantom Ein Phantom eines menschlichen Schädels, dessen Wände aus nichtleitendem Kunststoff bestehen und in das künstliche Stromdipole in Tiefen von 1,2 bis 3,3 cm (gerechnet von der inneren Schädeloberfläche) eingebaut sind, wurde mit Salzlösung gefüllt. Die tatsächlichen Dipolorte und die Gestalt der inneren Oberfläche des Schädelphantoms wurden mit Hilfe eines "Source Positioning Indicator"(SPI) vermessen. Die Ausdehnung der einzelnen Dipole betrug zwischen 4,5 und 5,5 mm; das SPI ist mit einem Fehler von 1-3 mm behaftet. r-, 10 E " 8 o v o 4 « 15 2 o V) .Q sphere model reol.model, 440 triongles II A 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 dipole depth [cm] 3.5 'Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Klinische Forschergruppe Biomagnetismus und Biosignalanalyse). Abbildung 1: Absoluter Lokalisierfehler für verschiedene Abstände zwischen Dipol und innerer Schädeloberfläche (Tiefe). Es wurden drei unabhängige Magnetfeldmessungen analysiert. Magnetfeldmessung Die Magnetfeldmessungen wurden mit einem 37-Kanal-Gradiometer erster Ordnung (Biomagnetic Technologies, San Diego) in einer magnetisch abgeschirmten Kammer ausgeführt. Die Dipole wurden nacheinander durch sinusförmige Stromimpulse (10 Hz) aktiviert. Die aus 64 Mittelungen resultierenden Felder hatten Spitzenwerte zwischen 150 fT und 850 fT. Lok...
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