The magnetostatic multipole expansion in biomagnetism: applications and implications
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2014-06-10
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 79/2014
Abstract
Magnetoencephalography (MEG) is a noninvasive functional imaging method, based on measuring neuronally generated magnetic fields outside the head. MEG has a very high temporal resolution, making it possible to track brain events on the millisecond level. Its main advantage over electroencephalography (EEG) is the simplicity of inverse modelling, enabling more accurate source localization with fewer assumptions. Previous research has shown that the extracranial magnetic fields can be completely described in terms of a magnetostatic multipole expansion derived from Laplace's equation. In recent years, the multipole expansion has found several applications in MEG, including efficient interference suppression and movement compensation; however, this approach places rather high requirements on the MEG device, demanding comprehensive spatial sampling and accurate calibration. In this thesis, we clarify the requirements the multipole-based approach places on the MEG device, in terms of calibration accuracy and other parameters. We propose novel sensor array geometries that would significantly enhance the performance of the method. We also demonstrate the effectiveness of this model by building a prototype device with diverse sensor orientations. Our results indicate improved efficiency in interference suppression as well as enhanced signal-to-noise ratio. The new developments also increase the robustness of MEG, which is particularly significant for clinical applications. The results are directly applicable to other biomagnetic measurements, such as magnetocardiography.Magnetoenkefalografia (MEG) on ei-invasiivinen funktionaalinen kuvantamismenetelmä, jossa mitataan aivojen synnyttämiä magneettikenttiä pään ulkopuolelta. MEG:n etuja ovat korkea aikaresoluutio esim. funktionaaliseen magneettiresonanssikuvaukseen verrattuna, ja toisaalta yksinkertaisempi ja tarkempi lähdemallinnus EEG:hen verrattuna. Aiemmin on osoitettu, että pään ulkoinen magneettikenttä voidaan täysin kuvata magnetostaattisen multipolikehitelmän avulla. Nykyaikaiset MEG-laitteet mittaavat kentän riittävän yksityiskohtaisesti, jotta kehitelmä voidaan määrittää luotettavasti. Multipolikehitelmää on viime vuosina sovellettu MEG:n häiriönpoistoon ja liikekorjaukseen. Tämä lähestymistapa asettaa kuitenkin korkeat vaatimukset käytettävälle MEG-laitteelle. Tässä työssä keskityttiin tutkimaan MEG-anturiston vaikutusta multipolimenetelmän käyttöön. Selvensimme vaatimuksia, joita menetelmä asettaa MEG-anturistolle kalibraation ja muiden parametrien suhteen. Etsimme myös uusia anturistogeometrioita, jotka parantavat menetelmän suorituskykyä. Lisäksi rakensimme prototyyppilaitteen, jolla testattiin työssä esitettyjä ideoita. Tulosten käytännöllinen merkitys on tehokkaampi ulkoisten häiriöiden vaimennus ja parempi signaali-kohinasuhde. Lisäksi uudet tulokset auttavat parantamaan MEG-mittausten luotettavuutta, millä on merkitystä etenkin kliinisessä käytössä. Tulokset ovat suoraan sovellettavissa myös muissa biomagneettisissa mittauksissa, esim. magnetokardiografiassa.Description
Supervising professor
Ilmoniemi, Risto, Prof., Aalto University, Department of Biomedical Engineering and Computational Science, FinlandThesis advisor
Taulu, Samu, Dr., University of Washington, USAKeywords
magnetoencephalography, MEG, brain imaging, signal space separation, SSS, biomagnetic instrumentation, sensor arrays, multichannel arrays, magnetoenkefalografia, aivokuvantaminen, biomagneettiset anturistot, monikanava-anturistot
Other note
Parts
- [Publication 1]: Nurminen J, Taulu S, Okada Y. Effects of sensor calibration, balancing and parametrization on the signal space separation method. Physics in Medicine and Biology, 53,1975–1987, 2008.
- [Publication 2]: Nurminen J, Taulu S, Okada Y. Improving the performance of the signal space separation method by comprehensive spatial sampling. Physics in Medicine and Biology, 55,1491–1503, 2010.
- [Publication 3]: Nenonen J, Nurminen J, Kičić D, Bikmullina R, Lioumis P, Jousmaki V, Taulu S, Parkkonen L, Putaala M, Kahkonen S. Validation of head movement correction and spatiotemporal signal space separation in magnetoencephalography. Clinical Neurophysiology, 123,2180–2191, 2012.
- [Publication 4]: Nurminen J, Taulu S, Nenonen J, Helle L, Simola J, Ahonen A. Improving MEG performance with additional tangential sensors. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 123,2180–2191, 2013.