New finite element methods for solving the MEG and the combined MEG/EEG forward problem

Diese Arbeit umfasst zwei Hauptthemen. (1) Das Studium neuer Finite-Elemente-Methoden (FEMs), d.h. einer kontinuierlichen (CG-) und diskontinuierlichen (DG-) Galerkin-FEM, zur Lösung des Vorwärtsproblemes der Magnetoenzephalographie (MEG) und der Kombination von MEG und Elektroenzephalographie (EEG)...

Author: Piastra, Maria Carla
Further contributors: Engwer, Christian (Thesis advisor)
Division/Institute:FB 10: Mathematik und Informatik
Document types:Doctoral thesis
Media types:Text
Publication date:2019
Date of publication on miami:27.08.2019
Modification date:27.08.2019
Edition statement:[Electronic ed.]
Subjects:Elektroenzephalographie; Magnetoenzephalographie; Vorwärtsproblem; diskontinuierliche Galerkin Finite-Elemente-Methode; Finite-Elemente-Methode; Ladungserhaltung; Quellmodell Electroencephalography; magnetoencephalography; forward problem; discontinuous Galerkin finite element method; finite element methods; conservative flux; source model
DDC Subject:510: Mathematik
License:CC BY 4.0
Language:English
Format:PDF document
URN:urn:nbn:de:hbz:6-53199662090
Permalink:http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:6-53199662090
Digital documents:diss_piastra.pdf

Diese Arbeit umfasst zwei Hauptthemen. (1) Das Studium neuer Finite-Elemente-Methoden (FEMs), d.h. einer kontinuierlichen (CG-) und diskontinuierlichen (DG-) Galerkin-FEM, zur Lösung des Vorwärtsproblemes der Magnetoenzephalographie (MEG) und der Kombination von MEG und Elektroenzephalographie (EEG). Für die MEG/EEG-Quellenanalyse bietet DG-FEM eine interessante neue Alternative zur CG-FEM. (2) Die Analyse der MEG- und EEG-Sensitivität für kortikale und subkortikale Quellen durch Berechnung von Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Mappings basierend auf der FEM. Unsere Ergebnisse zeigen, dass MEG für kortikale Quellen höhere SNR-Werte erreicht als EEG. Die MEG-SNR-Werte variieren allerdings stark mit der Ausrichtung. Tiefe tangentiale Quellen können sowohl vom MEG als auch vom EEG erkannt werden. Die neuen Methoden wurden in der Toolbox duneuro implementiert. Diese Promotion ist Teil des ChildBrain-Projekts: einer Horizon2020 Marie Skłodowska-Curie Action.

This thesis covers two main topics. (1) The study of new finite element methods (FEMs), i.e., a continuous (CG-) and discontinuous (DG-) Galerkin FEM, to solve the magnetoencephalography(MEG) and the combined MEG/electroencephalography(EEG) forward problem, by validating them in both spherical and realistically shaped head models. For (combined) MEG/EEG source analysis, DG-FEM offers an interesting new alternative to CG-FEM. (2) The application of FEM to analyze MEG and EEG sensitivity to cortical and subcortical sources by computing signal-to-noise ratio (SNR) mappings. We conclude that: MEG SNR values are higher than the EEG ones for cortical sources; only MEG SNR values strongly vary with the orientation; deep tangential sources can be detected by both MEG/EEG. The newly implemented methods are in the duneuro toolbox. Finally, the PhD training is part of the ChildBrain project, a Horizon2020 Marie Skłodowska-Curie Action, and special emphasis was given to dissemination.