Analysis and Correction of Ballistocardiogram Contamination of EEG Recordings in MR

Zusammenfassung

Ziel: Ziel der Studie war es, den Einfluss der von der Herzaktivität abhängigen Kopfbewegungen und den Einfluss von Pulsfrequenzänderungen auf das im Hochmagnetfeld aufgezeichnete Elektroenzephalogramm (EEG) zu untersuchen. Zudem sollte ein Nachverarbeitungsalgorithmus entwickelt werden, um die von Herzaktivität abhängigen EEG-Artefakte zu eliminieren. Material und Methoden: Bei 20 gesunden Probanden wurde im und außerhalb des Magnetresonanztomographen (MR-Tomographen) der Einfluss von atemabhängigen Thoraxbewegungen, Pulsänderungen sowie passiven Kopfbewegungen auf ein 21-Kanal Oberflächen-EEG untersucht. Basierend auf der Korrelation zwischen der Auswurfzeit des linken Ventrikels (left ventricular ejection time = LVET) und der Herzrate wurde ein Nachverarbeitungsalgorithmus entwickelt, um eine von der Herzrate abhängige Subtraktion des ballistokardiogenen Artefaktsignals vom EEG zu erzielen. Die Qualität der nachverarbeiteten EEGs wurde durch die Erkennung von Alpha-Wellen in den EEGs vor und nach Artefaktsubtraktion getestet. Ergebnisse: Passive Kopfbewegungen korrelierten signifikant zu den ballistokardiogenen EEG-Artefakten, atemabhängige Thoraxbewegungen jedoch nicht. Pulsänderungen führten zu einer Formveränderung der ballistokardiogenen EEG-Artefakte. Der implementierte Nachverarbeitungsalgorithmus ermöglichte eine vollständige Entfernung der ballistokardiogenen EEG-Artefakte und EEGs in diagnostischer Qualität wurden erzielt, so dass Alpha-Aktivitäten erkannt wurden, die sich in den EEGs ohne Nachverarbeitung nicht darstellten. Schlussfolgerung: Die von der Herzrate abhängige Subtraktion ballistokardiogener EEG-Artefakte ermöglicht die Aufzeichnung von EEGs im MR-Tomographen in diagnostischer Qualität.

Abstract

Purpose: To examine the influence of cardiac activity-related head movements and varying blood pulse frequencies on the shape of electroencephalography (EEG) recordings in a high magnetic field, and to implement a post-processing technique to eliminate cardiac activity-related artifacts. Material and Methods: Respiratory thoracic movements, changes of blood pulse frequency and passive head movements of 20 healthy subjects were examined outside and inside an MR magnet at rest in a simultaneously recorded 21-channel surface EEG. An electrocardiogram (ECG) was recorded simultaneously. On the basis of the correlation of the left ventricular ejection time (LVET) with the heart-rate, a post-processing heart-rate dependent subtraction of the cardiac activity-related artifacts of the EEG was developed. The quality of the post-processed EEG was tested by detecting alpha-activity in the pre- and post-processed EEGs. Results: Inside the magnet, passive head motion but not respiratory thoracic movements resulted in EEG artifacts that correlated strongly with cardiac activity-related artifacts of the EEG. The blood pulse frequency influenced the appearance of the cardiac activity-related artifacts of the EEG. The removal of the cardiac activity-related artifacts of the EEG by the implemented post-processing algorithm resulted in an EEG of diagnostic quality with detected alpha-activity. Conclusion: When recording an EEG in MR environment, heart rate-dependent subtraction of EEG artifacts caused by ballistocardiogram contamination is essential to obtain EEG recordings of diagnostic quality and reliability.

Key words

EEG - MR - ballistocardiogram - artifacts

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