The main objective of this diploma thesis is to describe simultaneous electroencephalography-correlated functional magnetic resonance imaging analysis using EEG data processing. It includes basic characteristics of EEG and fMRI recording and analysis and their combination as simultaneous EEG/fMRI analysis and deals with obstructions during its processing. The thesis includes a design of an experiment used for recording and analysis of simultaneous EEG/fMRI data using EEG source reconstruction for regressor construction. Thesis incorporates a software solution used for extraction of signal describing a source activity interpolated by EEG source reconstruction. The signal is then processed and used to construct a basic regressor. The thesis also deals with the software solution being used for a study focused on intracranial epileptic discharges localization using a simultaneous EEG/fMRI analysis in which it reveals source activity during ongoing epileptic spike and summarizes the results.

The simultaneous acquisitions of electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) have been applied to improve the surgery planning of patients with drug resistant epilepsy. However, the classical approach of analyzing the EEG-fMRI data is inefficient in patients whom only few or non interictal epileptiforms discharges (IEDs) are detected during the simultaneous acquisition. Another issue of EEG-fMRI acquisition is related to its high sensitivity to motion, which decreases the quality of both data, even worse in non-cooperative patients. In this work we propose and discuss the application of two methods of analyzing fMRI data of patients with focal epilepsy: Independent component analysis (ICA) and two-dimensional temporal clustering (2dTCA). Each method was applied in a distinct group of patients and the results were compared to those obtained by the classic EEG-fMRI analysis. We have also proposed a method to improve the quality of EEG data using the head position measurements obtained, by a prospective motion correction (PMC) system, during the EEG-fMRI acquisitions. In the ICA study, we have used the electrical source images for selecting independent components (ICs) in EEG data of 13 patients with different spiking frequency. The method detected epilepsy-related BOLD activity in all the patients. Comparatively, the classic EEG-fMRI could be applied in 11 patients and epilepsy-related BOLD activities were found in seven of them. In the 2dTCA study, we have evaluated 20 patients and found epilepsy-related maps in 14 of them. Thirteen of the twenty patients have IEDs detected during the simultaneous acquisition; the classic EEG-fMRI provided maps related to the epileptogenic region in six of them. Finally we have verified in three health subjects that the proposed method for correcting motion-induced artefacts in the EEG data is effective for high amplitude and velocities (~1cm and 55mm/s). We concluded that the ICA and 2dTCA methods increase the sensitivity of using fMRI for mapping the epileptogenic region, mainly in patients presenting few or no IEDs in the EEG data simultaneously acquired to the fMRI. The PMC use during the fMRI acquisition does not degrade the quality of the EEG data acquired simultaneously. In fact, the motion information can be used for improving its quality by correcting motion-induced artefacts. / As aquisições simultâneas de dados de eletroencefalografia (EEG) e imagens funcionais por ressonância magnética (fMRI) vêm sendo utilizadas com intuito de melhorar o planejamento cirúrgico de pacientes com epilepsia refratária. Entretanto, o processamento classicamente usado nestes dados combinados não é possível em pacientes sem descargas epileptiformes interictais (IEDs) e possui baixa sensibilidade para aqueles em que poucas IEDs são detectadas durante a aquisição simultânea. Além disto, a técnica é sensível ao movimento dos pacientes durante as aquisições, o que reduz a qualidade dos dados, principalmente em pacientes não cooperantes. Neste trabalho é proposto e discutido o uso de dois métodos de processamento, baseados nas técnicas de análise de componentes independentes (ICA) e análise temporal de clusters em duas dimensões (2dtca), para se mapear regiões epileptogênicas. Cada método foi analisado em um conjunto diferente de pacientes e os resultados foram comparados com os obtidos pelo EEG-fMRI clássico. Finalmente, propomos um método que utiliza às medidas de posicionamento da cabeça, obtidas durante a aquisição das fMRI, para aumentar a qualidade dos dados de EEG adquiridos simultaneamente. No estudo usando ICA combinado com imagens de fontes elétricas analisamos os dados de 13 pacientes com diferentes frequências de descargas e observamos que este método encontrou ao menos uma componente independente relacionada à epilepsia em cada paciente. Comparativamente usando o processamento convencional foi possível avaliar 11 dos 13 pacientes, e em apenas sete deles os mapas resultantes foram considerados concordantes com a região epileptogênica (RE). No estudo utilizando 2dTCA avaliamos 20 pacientes e encontramos mapas relacionados com a RE em 14 deles. Neste conjunto de pacientes, 13 apresentaram IEDs durante as aquisições; neles o método clássico de processamento teve resultados concordantes com a RE em seis deles. Finalmente verificamos em três sujeitos saudáveis que o método aqui proposto para corrigir os artefatos induzidos no EEG devido ao movimento é efetivo para altas amplitudes e velocidades (~1cm e 55mm/s). Concluímos que os métodos ICA e 2dTCA aumentam a sensibilidade do uso de fMRI para mapear RE, principalmente em pacientes com baixa ou nenhuma detecção de IEDs durante às aquisições. Também concluímos que o uso da correção prospectiva de movimento em aquisições de fMRI não reduz a qualidade do dado de EEG adquirido simultaneamente e que às informações de movimento mensuradas podem melhorar a qualidade deste dado em situações de repouso e movimento do sujeito durante o experimento.

The simultaneous acquisitions of electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) have been applied to improve the surgery planning of patients with drug resistant epilepsy. However, the classical approach of analyzing the EEG-fMRI data is inefficient in patients whom only few or non interictal epileptiforms discharges (IEDs) are detected during the simultaneous acquisition. Another issue of EEG-fMRI acquisition is related to its high sensitivity to motion, which decreases the quality of both data, even worse in non-cooperative patients. In this work we propose and discuss the application of two methods of analyzing fMRI data of patients with focal epilepsy: Independent component analysis (ICA) and two-dimensional temporal clustering (2dTCA). Each method was applied in a distinct group of patients and the results were compared to those obtained by the classic EEG-fMRI analysis. We have also proposed a method to improve the quality of EEG data using the head position measurements obtained, by a prospective motion correction (PMC) system, during the EEG-fMRI acquisitions. In the ICA study, we have used the electrical source images for selecting independent components (ICs) in EEG data of 13 patients with different spiking frequency. The method detected epilepsy-related BOLD activity in all the patients. Comparatively, the classic EEG-fMRI could be applied in 11 patients and epilepsy-related BOLD activities were found in seven of them. In the 2dTCA study, we have evaluated 20 patients and found epilepsy-related maps in 14 of them. Thirteen of the twenty patients have IEDs detected during the simultaneous acquisition; the classic EEG-fMRI provided maps related to the epileptogenic region in six of them. Finally we have verified in three health subjects that the proposed method for correcting motion-induced artefacts in the EEG data is effective for high amplitude and velocities (~1cm and 55mm/s). We concluded that the ICA and 2dTCA methods increase the sensitivity of using fMRI for mapping the epileptogenic region, mainly in patients presenting few or no IEDs in the EEG data simultaneously acquired to the fMRI. The PMC use during the fMRI acquisition does not degrade the quality of the EEG data acquired simultaneously. In fact, the motion information can be used for improving its quality by correcting motion-induced artefacts. / As aquisições simultâneas de dados de eletroencefalografia (EEG) e imagens funcionais por ressonância magnética (fMRI) vêm sendo utilizadas com intuito de melhorar o planejamento cirúrgico de pacientes com epilepsia refratária. Entretanto, o processamento classicamente usado nestes dados combinados não é possível em pacientes sem descargas epileptiformes interictais (IEDs) e possui baixa sensibilidade para aqueles em que poucas IEDs são detectadas durante a aquisição simultânea. Além disto, a técnica é sensível ao movimento dos pacientes durante as aquisições, o que reduz a qualidade dos dados, principalmente em pacientes não cooperantes. Neste trabalho é proposto e discutido o uso de dois métodos de processamento, baseados nas técnicas de análise de componentes independentes (ICA) e análise temporal de clusters em duas dimensões (2dtca), para se mapear regiões epileptogênicas. Cada método foi analisado em um conjunto diferente de pacientes e os resultados foram comparados com os obtidos pelo EEG-fMRI clássico. Finalmente, propomos um método que utiliza às medidas de posicionamento da cabeça, obtidas durante a aquisição das fMRI, para aumentar a qualidade dos dados de EEG adquiridos simultaneamente. No estudo usando ICA combinado com imagens de fontes elétricas analisamos os dados de 13 pacientes com diferentes frequências de descargas e observamos que este método encontrou ao menos uma componente independente relacionada à epilepsia em cada paciente. Comparativamente usando o processamento convencional foi possível avaliar 11 dos 13 pacientes, e em apenas sete deles os mapas resultantes foram considerados concordantes com a região epileptogênica (RE). No estudo utilizando 2dTCA avaliamos 20 pacientes e encontramos mapas relacionados com a RE em 14 deles. Neste conjunto de pacientes, 13 apresentaram IEDs durante as aquisições; neles o método clássico de processamento teve resultados concordantes com a RE em seis deles. Finalmente verificamos em três sujeitos saudáveis que o método aqui proposto para corrigir os artefatos induzidos no EEG devido ao movimento é efetivo para altas amplitudes e velocidades (~1cm e 55mm/s). Concluímos que os métodos ICA e 2dTCA aumentam a sensibilidade do uso de fMRI para mapear RE, principalmente em pacientes com baixa ou nenhuma detecção de IEDs durante às aquisições. Também concluímos que o uso da correção prospectiva de movimento em aquisições de fMRI não reduz a qualidade do dado de EEG adquirido simultaneamente e que às informações de movimento mensuradas podem melhorar a qualidade deste dado em situações de repouso e movimento do sujeito durante o experimento.