Bachelor's Thesis

Tool for artefact suppression in EEG data acquired in a magnetic resonance environment

Final Thesis 6.16 MB Appendix 1.14 MB

Author of thesis: Júlia Vlčanová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Tomáš Jordánek

Reviewer: Ing. Martin Lamoš, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis addresses the preprocessing of electroencephalographic (EEG) signals recorded simultaneously with functional magnetic resonance imaging (fMRI) and the comparison of two independent component analysis methods for artefact reduction.
A literature review covers the principles of simultaneous EEG-fMRI acquisition, the types of artefacts arising in the magnetic resonance (MR) environment, and available correction methods. Based on these findings, a preprocessing pipeline was designed and applied to data from 22 participants, comprising gradient and pulse artefact removal, manual annotation of motion artefacts, frequency filtering, and independent component analysis (ICA). The thesis presents a graphical user interface implemented in MATLAB App Designer, which integrates individual preprocessing steps, including both standard ICA and joint ICA, into a single controllable environment with support for batch processing of multiple subjects.
Both methods were evaluated using spectral analysis and quantitative signal quality metrics: RMS (root mean square), maximum gradient, and signal-to-noise ratio (SNR), where EEG data acquired in a shielded cabin outside of the MR environment were used as a reference for data obtained in the MR environment. Joint ICA achieved statistically significantly better results than standard ICA for the data from the MR environment (p < 0.001): the RMS median decreased by 29.6%, the maximum gradient by 30.9%, and SNR improved by 36.6%, while biologically relevant alpha activity was preserved, indicating successful processing.

Keywords:

EEG, fMRI, simultaneous EEG-fMRI, artefacts, gradient artefact, ballistocardiogram artefact, EEG signal preprocessing, ICA, joint ICA, graphical user interface, MATLAB

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Jakubíčková položila otázku, proč byl pro řešení práce zvolen MATLAB namísto Pythonu, zda toto řešení nepřinášelo určitá omezení a zda je výsledná aplikace uživatelsky přívětivá. Doc. Kudrna položil otázku k použitým zdrojům a možnostem dalšího rozšíření práce. Ing. Smital položil otázku, v jakém úseku signálu jsou vyhledávány poškozené části signálu a z jakého časového úseku je počítáno výkonové spektrum. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Kudrna, Ph.D. (předseda)
Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Zuzana Nováková, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D. (člen)
Ing. Larisa Chmelíková, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Tomáš Jordánek

Bakalářská práce studentky Júlie Vlčanové s názvem „Nástroj pro redukci artefaktů v EEG datech nahraných v prostředí magnetické rezonance“ se zaměřuje na problematiku snímání a analýzu simultánních EEG/fMRI dat. EEG data nahraná v prostředí magnetické rezonance obsahují celou řadu artefaktů. Běžně používané metody pro jejich redukci se ukazují jako nedostatečné a po jejich aplikaci zůstávají v datech reziduální artefakty. Cílem této bakalářské práce je vytvořit grafické uživatelské prostředí, které bude sloužit pro předzpracování EEG signálu, navíc s možností pokročilejšího odstranění reziduálních MR artefaktů v podobě společné ICA dekompozice EEG dat nahraných v magnetické rezonanci a mimo ni.
Struktura předkládané práce je logická a přehledná. Hlavní text je napsaný na 46 stranách a je rozdělený do osmi kapitol včetně diskuze a závěru. Jednotlivé kapitoly na sebe plynule navazují a provází čtenáře postupně tématem práce. V teoretické části se studentka věnuje elektroencefalografii, simultánnímu měření a popisuje metody pro zpracování a analýzu dat. V praktické části popisuje, jaká měla k dispozici data a jak je předzpracovala. V samotné kapitole potom představuje vytvořené grafické uživatelské prostředí. V závěru práce studentka kvantitativně porovnává kvalitu MR EEG dat předzpracovaných standardními algoritmy, dále s využitím společné ICA dekompozice a EEG dat mimo prostředí magnetické rezonance. Dosažené výsledky vhodně komentuje v diskuzi včetně limitací použitých algoritmů.
Studentka cituje 59 zdrojů, čerpala především z odborných článků v recenzovaných časopisech a v textu na ně správně odkazuje. Práce je po formální i obsahové stránce na výborné úrovni. Vytvořené grafické uživatelské prostředí funguje velmi dobře, je přehledné, uživatelsky přívětivé a bude využíváno pro zpracování EEG dat v neurovědním prostředí. Studentka k řešení bakalářské práce přistupovala svědomitě, začala pracovat už v průběhu letních prázdnin, během semestru pravidelně využívala konzultací, na které přicházela s konkrétními dotazy. Pozitivně hodnotím také naměření vlastních simultánních EEG/fMRI dat, což jí pomohlo k lepšímu porozumění problematiky simultánního EEG/fMRI měření. Z celkového hlediska považuji práci za zdařilou, doporučuji ji k obhajobě a hodnotím 97 body, stupněm A. Points proposed by supervisor: 97

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Lamoš, Ph.D.

Multimodální přístup kombinující funkční magnetickou rezonanci (fMRI) a elektroencefalografii (EEG) je v neurozobrazování technologickou výzvou. V bakalářské práci měla studentka nelehký úkol nastudovat značně rozsáhlou teorii elektrofyziologie, MR zobrazování, specifika simultánního měření, artefaktů a zpracování dat. Se vším se vypořádala velmi dobře a výsledkem práce je tak zdařilý nástroj umožňující pokročilé předzpracování EEG záznamu z prostředí magnetické rezonance.
Až na několik drobností v teoretické části (např. materiál elektrod, vysvětlení BOLD efektu) a u popisu experimentálních dat (chybějící demografie souboru) nemám z odborného pohledu připomínek. Je tak škoda, že vysokou kvalitu práce snižuje její formální stránka. Obrázky v teoretické části práce nejsou příliš kvalitní, jsou špatně čitelné a bylo by vhodné, kdyby byly ve stejném jazyce jako zbytek práce. Kapitola EEG montáží se zdá být zbytečnou vzhledem k tomu, že se dále těchto informací nijak nevyužívá. V kapitole 2.3 by bylo vhodné pro názornost vždy uvést obrázek s vyznačením, jak v EEG záznamu daný artefakt vypadá. Grafům v kapitole 4 by slušely popisy os, aby např. bylo jasné, o jaké časové měřítko se jedná. Přehledu funkcí a jejich návaznostem v kapitole 5.5 by slušelo spíše schéma než popis textem. V krabicových grafech na obrázku 6.2-1 by bylo vhodné vyznačit statistické významnosti.
Celkově však práci hodnotím jako zdařilou a navrhuji hodnocení A, 90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. 1. V kapitole 3.4 je uvedeno, že nesprávná identifikace komponenty a její následné odstranění může vést k odstranění i relevantních neurálních signálů. Je možné, že dojde k odstranění relevantních dat i při odstranění správně identifikované komponenty? Za jakých podmínek?
  2. 2. V kapitole 4.5 je uvedeno, že proběhla automatická detekce špatných kanálů a časových úseků. Jaké bylo kritérium označení kanálu či časového úseku jako špatného?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová