CN101744619A - 一种去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法 - Google Patents
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Abstract
一种去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，属于生物信息技术领域。在同步进行脑电测试和功能磁共振测试的前提下，测量脑电极信号V的同时采用三个相互垂直的线圈在脑电极位置测量磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz；然后利用一组脑电极信号V的测量数据V′和三组磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz的测量数据VBx′、VBy′和VBz′构建线性方程组V′＝aVBx′+bVBy′+cVBz′，并求解得到系数a、b和c；再利用系数a、b和c以及磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz，合成磁共振梯度噪声信号VB＝aVBx+bVBy+cVBz；最后从脑电极信号V中减去磁共振梯度噪声信号VB，得到去除了磁共振梯度噪声的脑电信号。本发明具有时钟同步特性和可实时计算的特点；无需对磁共振设备进行硬件改造；可应用于人脑功能及与人脑相关疾病的研究与诊断。
Description
技术领域
本发明属于生物信息技术领域，涉及脑电噪声的去除方法，主要应用于人脑功能及与人脑相关疾病的研究与诊断。
背景技术
为了获取脑电与功能磁共振的各自优点(脑电时间分辨率较高，而空间分辨率较低；磁共振空间分辨率较高，而时间分辨率较低)，目前许多研究采用同步测量脑电(EEG)和功能磁共振(fMRI)数据。但是在同步测量脑电和磁共振时，磁共振设备会给脑电信号带来极大的干扰噪声。干扰噪声包括：磁共振本身磁场周期性变化引起的梯度场噪声，人体微小运动引起的运动相关噪声，血流产生的相关噪声。在这些干扰噪声中，磁共振梯度磁场产生的噪声最大，比脑电信号高出近两个数量级。目前磁共振相容的脑电采集设备(电极帽+放大器)并不能对这种干扰进行很好的抑制，简单的滤波不能消除噪声，因为噪声频谱与信号频谱有重叠。
当前有很多种方法来消除脑电中的磁共振梯度噪声，最为常用的是平均噪声相减法(Philip J.Allen，Giovanni Polizzi，Karsten Krakow，David R.Fish，and Louis Lemieux，1998，Identification of EEG Events in the MR Scanner：The Problem of Pulse Artifact and a Method forIts Subtraction，NeuroImage vol.8，229-239)，硬件时钟同步法进行时钟校正(Mandelkow H，Halder P，Boesiger P，Brandeis D.2006，Synchronization facilitates removal of MRI artefacts fromconcurrent EEG recordings and increases usable bandwidth.Neuroimage.32(3)：1120-1126.)；还有基于频域滤波(Hoffmann A，Jager L，Werhahn KJ，Jaschke M，Noachtar S，Reiser M，2000，Electroencephalo-graphy during functional echo-planar imaging：detection of epileptic spikes usingpost-processing methods.Magn.Reson.Med.44：791-798.)等方法。下表反映了上述三种方法的各自优缺点。
| 优点 | 缺点 | |
| 平均噪声相减法 | 比较简单，采用了主成分分析方法，处理比较方便 | 构造的模板受时钟不同步影响不够精确 |
| 硬件时钟同步法 | 噪声去除效果比较好 | 需要对磁共振设备进行修改，安装极为不方便 |
| 优点 | 缺点 | |
| 频域滤波法 | 能够大致去除噪声，方法简单，只需要在频域设定滤波范围。 | 受到振铃效应的影响精度不高 |
发明内容
本发明提供一种去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，采用三个相互垂直线圈记录梯度磁场三个方向的变化情况，并通过线性方程组求解的方法求出每一导联的混合系数，然后合成磁共振梯度噪声信号，最后利用脑电极信号减去合成的磁共振梯度噪声信号，从而去除除脑电信号中的磁共振梯度噪声。本发明具有天然的时钟同步性，不需要插值校正延时及复杂的后处理过程，提高了实时性，也避免了对磁共振硬件进行修改；同时，本发明把个体的差异考虑到噪声去除的过程中，能获得更加符合脑电生理条件的去噪结果。
本发明详细技术方案为：
一种去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，如图1所示，在同步进行脑电测试和功能磁共振测试的前提下，包括以下步骤：
步骤1：利用脑电测试装置测量脑电极信号V，同时采用三个相互垂直的线圈在脑电极位置测量功能磁共振测试过程所产生的磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz。
步骤2：将脑电极信号V近似为磁共振梯度噪声信号VB，利用一组脑电极信号V的测量数据V′和三个相互垂直的线圈同时测量的三组磁共振梯度噪声的信号分量VBx′、VBy′和VBz′构建线性方程组V′＝aVBx′+bVBy′+cVBz′。
步骤3：求解线性方程组V′＝aVBx′+bVBy′+cVBz′，得到系数a、b和c的值。
步骤4：利用步骤3求出的系数a、b和c以及步骤1所得的磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz，合成磁共振梯度噪声信号VB＝aVBx+bVBy+cVBz。
步骤5：从将脑电极信号V中减去步骤4所得磁共振梯度噪声信号VB，得到去除了磁共振梯度噪声的脑电信号。
噪声消除原理：
本发明去除的噪声主要是磁共振仪器产生的梯度噪声。梯度噪声来源于磁共振的三个方向上的磁场变化引起的电磁感应。这三个方向相互垂直，可以用欧氏空间坐标系(x，y，z方向)来表示。在脑电测量区域以及在脑电测量的每个时间段内，每个方向上磁场变化率保持不变。
磁共振下进行脑电测量时，脑电极所测量的信号V＝VB+VEEG+Vo，其中VB为磁共振梯度噪声信号，VEEG为脑电信号，Vo为其他干扰信号。其中磁场强度变化所产生的磁共振梯度噪声信号VB是磁共振对脑电的最大干扰。磁共振的磁场是一个三维的磁场，每个方向的磁场都会发生变化。相对应的，梯度噪声VB可视为三维欧氏空间中三个分量的矢量叠加，即VB＝aVBx+bVBy+cVBz。因此，在磁共振下进行脑电测量时，根据法拉第磁感应定律，我们可利用三个相互垂直的线圈在脑电极位置处测量因功能磁共振测试过程所产生的磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz。又由于通常磁共振梯度噪声信号VB要比脑电信号VEEG大两个数量级，因此V≈VB。基于V≈VB＝aVBx+bVBy+cVBz，可利用一组脑电极信号V的测量数据V′和三个相互垂直的线圈同时测量的三组磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz的测量数据VBx′、VBy′和VBz′构建线性方程组V′＝aVBx′+bVBy′+cVBz′，然后求解方程组，即可确定系数a、b和c的值，最后根据公式V＝VB+VEEG+Vo变形得到VEEG+V0＝V-VB＝V-(a×VBx+b×VBy+c×VBz)，从而成功去除磁共振梯度噪声。
需要注意的是：
步骤1中的三个相互垂直的线圈应采取措施固定于相应的载体上(如正方体的三个垂直面)，以减少或避免磁共振设备震动造成的干扰。三个相互垂直的线圈采用正方形线圈。为限制线圈回路中的感应电流大小，可在线圈回路中加入限流电阻，该限流电阻也能减小由于共用参考电极那部分双绞线引起的串扰。
步骤2构建方程组数据的选择原则为：该点处梯度伪迹值较大，最好超过脑电信号的50倍以上。步骤3确定系数a、b和c时，可构建多个方程组并求解，然后对各个方程组所确定的a、b和c进行平均。
本发明的有益效果：
相比较以前的方法而言，该方法主要有以下的优点：1.具有时钟同步特性，不需要插值等方法进行时钟校正，提高了算法实时性；不需要对磁共振设备进行修改减少产品安装的技术要求；2.由磁共振梯度噪声的高幅度及多次平均共同作用使得本方法的磁共振梯度噪声去除效果优于目前算法。
附图说明
图1本发明流程示意图。
图2对本发明进行仿真验证时，采用三角函数(sin)构建的VBx，VBy，VBz。
图3对本发明进行仿真验证时，构建的VB。
图4对本发明进行仿真验证时，采用随机函数构建的V0+VEEG。
图5对本发明进行仿真验证时，构建的脑电极信号V。
图6对本发明进行仿真验证时，重新构造(合成)的VB。
图7对本发明进行仿真验证时，除噪结果V-VB与用随机函数构建的V0+VEEG的比较。
图8对本发明进行仿真验证时，除噪结果V-VB与用随机函数构建的V0+VEEG的差值。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行仿真验证。
先用三角函数(sin)构建VBx，VBy，VBz(见图2)。用随机数随机选择了3个数a′，b′，c′，根据公式VB＝a′VBx+b′VBy+c′VBz，构建VB(见图3)。用随机函数构建V0+VEEG(见图4)。根据公式V＝VB+V0+VEEG，构建脑电极信号V(见图5)。
由于VB＞＞V0+VEEG，用近似得到V≈VB＝aVBx+bVBy+cVBz建立方程组，采用随机选取300点，重复3次的方法可以求解得到a，b，c，用VBx，VBy，VBz和a，b，c可以重新构造VB(见图6)。
除噪结果V-VB与用随机函数构建的V0+VEEG的比较(见图7)，两者的差值见图8。由图8可以看出，采用本发明提供的去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法去除磁共振梯度噪声后的结果与脑电信号(包括其他误差信号)V0+VEEG之间相差不到10％，能够达到从脑电极信号中将原本被磁共振梯度噪声淹没的脑电信号(包括其他误差信号)V0+VEEG提取出来的目的。
Claims (5)
1.一种去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，在同步进行脑电测试和功能磁共振测试的前提下，包括以下步骤：
步骤1：利用脑电测试装置测量脑电极信号V，同时采用三个相互垂直的线圈在脑电极位置测量功能磁共振测试过程所产生的磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz；
步骤2：将脑电极信号V近似为磁共振梯度噪声信号VB，利用一组脑电极信号V的测量数据V′和三个相互垂直的线圈同时测量的三组磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz的测量数据VBx′、VBy′和VBz′构建线性方程组V′＝aVBx′+bVBy′+cVBz′；
步骤3：求解线性方程组V′＝aVBx′+bVBy′+cVBz′，得到系数a、b和c的值；
步骤4：利用步骤3求出的系数a、b和c以及步骤1所得的磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz，合成磁共振梯度噪声信号VB＝aVBx+bVBy+cVBz；
步骤5：从将脑电极信号V中减去步骤4所得磁共振梯度噪声信号VB，得到去除了磁共振梯度噪声的脑电信号。
2.根据权利要求1所述的去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，其特征在于，步骤1中的三个相互垂直的线圈采用正方形线圈并固定于正方体的三个垂直面上，以减少或避免磁共振设备震动造成的干扰。
3.根据权利要求1所述的去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，其特征在于，在三个相互垂直的线圈回路中加入限流电阻，以减小由于共用参考电极那部分双绞线引起的串扰。
4.根据权利要求1所述的去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，其特征在于，步骤2构建方程组时，所选择的磁共振梯度噪声的信号分量VBx、VBy和VBz的测量数据VBx′、VBy′和VBz′估计超过脑电信号的50倍以上。
5.根据权利要求1所述的去除脑电信号中磁共振梯度噪声的方法，其特征在于，步骤3确定系数a、b和c时，构建多个方程组并求解，然后对各个方程组所确定的a、b和c进行平均。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN104095632A (zh) * | 2013-04-07 | 2014-10-15 | 常州博睿康科技有限公司 | 一种核磁下脑电噪声处理方法 |
| CN104334078A (zh) * | 2012-05-24 | 2015-02-04 | 皇家飞利浦有限公司 | 使用导联信息从心电图上减少mri干扰 |
| CN111839511A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-10-30 | 浙江大学 | 一种磁兼容神经探针及其制备方法 |
| CN113100780A (zh) * | 2021-03-04 | 2021-07-13 | 北京大学 | 同步脑电-功能磁共振数据的自动化处理方法 |
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2010
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