DE19817094A1

DE19817094A1 - Method of producing an electrocephalogram in magnetic resonance imaging e.g. for brain diagnosis

Info

Publication number: DE19817094A1
Application number: DE19817094A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-10-21
Also published as: EP1071368A1; WO1999053836A1; DE19980653D2

Abstract

During image generation, a circularly polarized alternating radio frequency field (3) is generated to stimulate nuclear resonance. Three switched magnetic gradient fields are generated (1) for location coding of the resonance signal in the three spatial directions. EEG signals from head electrodes (4) are filtered to eliminate disturbances by spectral analysis. Signals of all channels are filtered through a low pass filter and a Butterworth filter at the input of the EEG amplifier (5).

Description

Seit einigen Jahren gibt es Bestrebungen, ein Elektroenze phalogramm (EEG) im Kernspintomograph (MRT) abzuleiten. Die klinischen Bereiche sowohl der Hirnforschung als auch der Hirndiagnostik sind an einem gleichzeitigen Einsatz von EEG und MRT interessiert. Dies beruht darauf, daß sich bei Unter suchung und Darstellung von Vorgängen im Gehirn EEG und MRT optimal ergänzen können.For several years there have been efforts to become an electroence derived phalogram (EEG) in an MRI scanner. The clinical areas of both brain research and Brain diagnostics are at the same time using EEG and MRI interested. This is due to the fact that under search and display of processes in the brain EEG and MRI can optimally complement.

Die funktionelle Bildgebung mit dem MRT liefert zwar eine unübertroffene räumliche Auflösung der aktiven Regionen des Gehirns, hat aber den Nachteil, daß die Bildgebung zeitverzö gert erfolgt und daher schnelle Abläufe im Gehirn nur unzu reichend untersucht werden können. Dies rührt auch daher, daß die Vorgänge, auf welche die Bildgebung mit dem MRT an spricht, nämlich die Durchblutung jeweils aktiver Regionen im Gehirn bei Aktivierung zeitverzögert eintritt.Functional imaging with the MRI delivers one unsurpassed spatial resolution of the active regions of the Brain, but has the disadvantage that the imaging is time-delayed This is why there are rapid processes in the brain can be examined sufficiently. This is also due to the fact that the processes to which imaging with the MRI depends speaks, namely the blood circulation of active regions in the Brain occurs with a delay when activated.

Das EEG hingegen liefert ein Echtzeit-Signal, mit dem also auch schnelle Vorgänge augenblicklich erfaßt werden können, aber die Ortsauflösung, vor allem die Auflösung der Tiefe des Ursprungs, ist aufgrund der Signalableitung mit Oberflächen elektroden gegenüber der mit dem MRT erreichten räumlichen Auflösung deutlich eingeschränkt. Das EEG ermöglicht auch funktionelle Untersuchungen, in dem man evozierte Potentiale erfassen kann, also Antwortpotentiale auf einen erzeugten äußeren Reiz (beispielsweise ein Geräusch). The EEG, on the other hand, delivers a real-time signal, with that rapid processes can also be detected instantly, but the spatial resolution, especially the resolution of the depth of the Origin, is due to the signal derivative with surfaces electrodes compared to the spatial one achieved with the MRT Resolution significantly restricted. The EEG also makes it possible functional studies in which evoked potentials can capture, so response potentials to a generated external stimulus (for example a sound).

Deshalb könnten sich die beiden großen diagnostischen Verfah ren der Neurologie mit MRT und EEG in vieler Hinsicht ergän zen, wenn eine Ableitung eines EEGs im MRT möglich wäre. Bis her war es jedoch nicht möglich, mit einem gleichzeitigen Einsatz von EEG und MRT brauchbare Ergebnisse zu erhalten. Dies liegt in der Arbeitsweise von MRT und EEG begründet, die zum besseren Verständnis zunächst kurz umrissen werden soll.Therefore, the two major diagnostic procedures complement neurology with MRI and EEG in many ways if an EEG could be derived on MRI. See you However, it was not possible with a simultaneous Use of EEG and MRI to get useful results. This is due to the way MRT and EEG work, which for a better understanding it should first be briefly outlined.

Der MRT arbeitet zur Bildgebung mit einem statischen Hochma gnetfeld, um die Kernspins auszurichten, weiter mit einem zirkular polarisierten Wechselfeld im Radiofrequenzbereich, um die Kernspins anzuregen, und schließlich mit drei ge schalteten magnetischen Gradientenfeldern für die Ortsko dierung des Kernresonanzsignals in allen Raumrichtungen. Das statische Hochmagnetfeld ist auch bei inaktivem MRT vorhan den.The MRI uses a static maximum for imaging gnetfeld to align the nuclear spins, continue with one circularly polarized alternating field in the radio frequency range, to excite the nuclear spins, and finally with three ge switched magnetic gradient fields for the Ortsko the nuclear magnetic resonance signal in all spatial directions. The Static high magnetic field is also present when the MRI is inactive the.

Das EEG entsteht aus Spannungsschwankungen im Bereich vom 50 Mikrovolt an der Kopfoberfläche, die durch synchrone Aktivi tät vieler Nervenzellen in der Hirnrinde erzeugt werden. Die se werden abgeleitet und einem Verstärker zugeführt. Wegen der äußerst geringen Größe dieser EEG-Signale sind diese na türlich gegen äußere Störfelder außerordentlich empfindlich.The EEG arises from voltage fluctuations in the range of 50 Microvolts on the surface of the head caused by synchronous activi activity of many nerve cells in the cerebral cortex. The They are derived and fed to an amplifier. Because of the extremely small size of these EEG signals means that they are na extremely sensitive to external interference fields.

Andererseits kann auch der MRT, um ein genügendes Sig nal/Rausch-Verhältnis zu erreichen, nur in einem perfekten Faraday'schen Käfig arbeiten, der keinesfalls durch hindurch geführte elektrische Leitungen verletzt werden darf. Deshalb werden auch alle Signale vom EEG-Verstärker durch Lichtleiter und nicht über elektrische Leitungen aus dem geschirmten Raum übertragen. Auch dürfen die Elektroden zur Ableitung des EEG keinerlei ferro- oder diamagnetische Stoffe enthalten, damit sie das homogene Magnetfeld im MRT nicht stören. Aber selbst Wirbelströme, die durch die geschalteten Gradientenfelder des MRTs in elektrisch leitenden Flächen, also in EEG-Elektroden, induziert werden, erzeugen schon ein Gegenfeld, welches das homogene Feld ebenso stört und zu Artefakten in der Daten zeile des entsprechenden Gradienten führen. On the other hand, the MRI can also be used to obtain a sufficient sig nal / noise ratio to achieve, only in a perfect Faraday's cage does not work through it guided electrical cables may be injured. Therefore all signals from the EEG amplifier are also through fiber optics and not via electrical cables from the shielded room transfer. The electrodes for deriving the EEG may also be used contain no ferro- or diamagnetic substances, so they do not interfere with the homogeneous magnetic field in the MRI. But yourself Eddy currents through the switched gradient fields of the MRTs in electrically conductive surfaces, i.e. in EEG electrodes, induced, already generate an opposing field, which the homogeneous field also interferes and artefacts in the data line of the corresponding gradient.

Die Ableitung eines EEG im MRT war bisher selbst im inaktiven MRT unbefriedigend. Dies rührt daher, daß auch im inaktiven MRT dessen statisches Hochmagnetfeld vorhanden ist und die pulsierenden Blutströme Störsignale erzeugen, welche die EEG- Signale überlagern und stören. Diese Störungen sind als Puls artefakte bekannt. Diese können zunächst in Form von Bewe gungsartefakten auftreten, da der pulsierende Blutstrom korrespondierende pulsierende Kopfbewegungen des Patienten im MRT auslöst, die sich in einem leichten pulssynchronen Kopf nicken äußern können. Dies bedingt wiederum eine entsprech ende leichte Bewegung der am Kopf angebrachten EEG-Elektroden mit den zugehörigen Leitungen in dem statischen Magnetfeld, wodurch Störspannungen induziert werden und pulssynchron im EEG-Signal erscheinen. Zusätzlich treten Pulsartefakte noch in einer zweiten, nachstehend noch im einzelnen beschriebenen Form aufgrund von Ionentrennungsvorgängen in den pulsbedingt schwankenden Blutströmungen auf. Aufgrund der so überlagerten Pulsartefakte ist das EEG-Signal weitgehend unbrauchbar. Der Ableitung eines EEGs im inaktiven MRT kommt aber bereits wesentliche diagnostische Bedeutung zu, wie unten noch an einem Beispiel verdeutlicht werden wird.The derivation of an EEG in the MRI was previously inactive MRI unsatisfactory. This is because even in the inactive MRI whose static high magnetic field is present and the pulsating blood streams generate interference signals which the EEG Overlay and disrupt signals. These disorders are called a pulse known artifacts. These can initially be in the form of Artifacts occur because of the pulsating blood flow corresponding pulsating head movements of the patient in the MRI triggers itself in a light pulse-synchronous head can nod. This in turn requires a corresponding end slight movement of the EEG electrodes attached to the head with the associated lines in the static magnetic field, whereby interference voltages are induced and pulse synchronous in EEG signal appear. In addition, pulse artifacts occur in a second, described in detail below Shape due to ion separation processes in the pulse fluctuating blood flows. Because of the overlaid The EEG signal is largely unusable due to pulse artifacts. Of the Derivation of an EEG in the inactive MRT is already coming essential diagnostic importance as below an example will be illustrated.

Bei zusätzlich messendem MRT war aber bisher das EEG völlig gestört, weil die geschalteten Gradienten während der Bildge bung durch den MRT zur völligen Unlesbarkeit des EEGs führen.With an additional MRI measurement, the EEG has so far been complete disturbed because the switched gradients during the image MRI exercise can lead to the complete illegibility of the EEG.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einerseits eine Möglich keit zu schaffen, die Störeinflüsse des messenden MRT auf die Qualität eines EEGs nach Möglichkeit zu eliminieren, und andererseits den Einfluß von Pulsartefakten auf ein EEG nach Möglichkeit zu eliminieren, um dadurch MRT und EEG gleich zeitig zum Einsatz bringen zu können und auch im inaktiven MRT ein EEG von diagnostischer Qualität ableiten zu können.The object of the invention is therefore, on the one hand, a possibility to create the interference of the measuring MRI on the Eliminate the quality of an EEG if possible, and on the other hand, the influence of pulse artifacts on an EEG Possibility to eliminate, thereby making MRI and EEG the same to be able to deploy early and also inactive MRI to be able to derive an EEG of diagnostic quality.

Zwei Beispiele soll die Bedeutung dieser Aufgabestellung verdeutlichen:
Starke oft auftretende Epilepsien sind häufig fokalen Ur sprungs, d. h. sie gehen von einem bestimmten Punkt im Gehirn aus, und sie können meist nur dadurch behandelt werden, daß man den Fokus im Gehirn möglichst genau bestimmt und dann operativ reduziert. Diese Fokusregionen erzeugen für die Epilepsie typische Spikes im EEG und lassen sich so identi fizieren. Ein epileptischer Anfall kündigt sich im EEG schon früher an als er durch andere äußere Merkmale zu identifizie ren wäre. Um die Ortsauflösung des Ursprungs dieser Signale zu erhöhen, verwendet man 64 Elektroden und mehr. Eine Kom bination von EEG mit gleichzeitiger funktioneller Bildgebung im MRT kann die Lokalisierung eines epileptischen Fokus noch zuverlässiger machen und vor allem den Zeitpunkt zur Erfas sung eines Anfalls bestimmen. Versuche dazu wurden bereits durchgeführt, aber während der Datenerfassung durch den MRT war das EEG durch die geschalteten Gradienten völlig gestört.Two examples should clarify the importance of this task:
Strong, often occurring epilepsy is often a focal origin, ie it starts from a certain point in the brain, and it can usually only be treated by determining the focus in the brain as precisely as possible and then reducing it surgically. These focus regions generate spikes typical of epilepsy in the EEG and can thus be identified. An epileptic seizure announces itself earlier in the EEG than would be identifiable by other external features. In order to increase the spatial resolution of the origin of these signals, 64 electrodes and more are used. A combination of EEG with simultaneous functional imaging in MRI can make the localization of an epileptic focus even more reliable and, above all, determine the time for the detection of a seizure. Attempts have already been made to do this, but the EEG was completely disrupted by the switched gradients during data acquisition by the MRI.

Aus dem eben genannten Umstand, daß ein epileptischer Anfall sich im EEG schon frühzeitig ankündigt, wird auch insbeson dere die Bedeutung der Ableitung eines diagnostisch brauch baren EEGs im inaktiven MRT deutlich. Über ein im noch in aktiven MRT abgeleitetes EEG kann man den Beginn eines epi leptischen Anfalls genau bestimmen und dann die Bildgebung durch den MRT zuschalten, um dann während des epileptischen Anfalls durch kombinierte Messung mit MRT und EEG den epilep tischen Fokus hochgenau bestimmen und damit Grundlagen für die exakte chirurgische Behandlung gewinnen zu können. Bei dem EEG-Signal überlagerten Pulsartefakten wäre hingegen der Beginn eines epileptischen Anfalls aus dem EEG-Signal nicht erkennbar. From the just mentioned fact that an epileptic seizure announcing itself early on in the EEG is also particularly important the importance of deriving a diagnostic need clear EEGs in inactive MRI. About an im still in active MRI derived EEG can be the beginning of an epi precisely determine leptic seizure and then imaging by switching on the MRI to then during the epileptic The epilep is caused by combined measurement with MRI and EEG Determine the table focus with high precision and thus the basis for to be able to win the exact surgical treatment. At The pulse artifacts superimposed on the EEG signal, however, would be No onset of an epileptic seizure from the EEG signal recognizable.

Ein weiteres Beispiel ist die Hirnforschung. Bei Vorgängen im Gehirn, beispielsweise bei Denkvorgängen, bei der Reaktion auf irgendwelche äußere Reize der Sinnesorgane usw., werden die dabei aktivierten Hirnregionen erheblich stärker durch blutet. Mit dem EEG kann man die im Gehirn ablaufenden Vor gänge erfassen und ungefähr örtlich lokalisieren; mit dem MRT kann man die Bereiche verstärkter Durchblutung mit hoher räumlicher Auflösung sehr exakt lokalisieren. So kann ein kombinierter Einsatz von MRT und EEG detailgenauen Aufschluß über für bestimmte Funktionen und Vorgänge zuständige Hirn bereiche bringen.Another example is brain research. For events in Brain, for example in thinking, in reaction to any external stimuli of the sense organs, etc. the activated brain regions much stronger bleeds. With the EEG you can see what happens in the brain capture and localize corridors approximately; with the MRI you can see the areas of increased blood flow with high localize spatial resolution very precisely. So one can Combined use of MRI and EEG detailed information about brains responsible for certain functions and processes bring areas.

Die Erfindung löst die dargestellte Aufgabe durch ein Verfah ren und eine Einrichtung, wie sie in den Patentansprüchen an gegeben sind. Demnach arbeitet die Erfindung mit einer Besei tigung der Störungen im EEG durch digitale Signalverarbeitung mit Spektralanalyse und Filterung der EEG-Signale und mit ge triggerter Subtraktion der Pulsartefakte, um diese zu elimi nieren und dadurch ein EEG im MRT mit diagnostischer Qualität zu schaffen.The invention solves the problem presented by a method ren and a device as in the claims given are. Accordingly, the invention works with a Besei interference in the EEG through digital signal processing with spectral analysis and filtering of the EEG signals and with ge triggered subtraction of the pulse artifacts in order to elimate them kidneys and therefore an EEG in MRI with diagnostic quality to accomplish.

Die Erfindung wird nachstehend in ihren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen erläutert, in denen zeigt:The invention is described in detail below Reference to the accompanying drawings in more detail explains in which shows:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der apparativen Einrichtung zur Ableitung eines EEGs im MRT, Fig. 1 shows a schematic representation of the automated means for deriving an EEG in MRT,

Fig. 2 einige Pulsformen und ihre diskreten Spektren, Fig. 2 shows some pulse shapes and their discrete spectra,

Fig. 3 ein Spektrum eines oft verwende ten trapezförmigen Gradienten, Fig. 3 a spectrum of often use th trapezoidal gradient,

Fig. 4 eine Gegenüberstellung eines un gefilterten und eines gefilter ten EEG-Signals aus dem MRT, Fig. 4 shows a comparison of an un-filtered and a Filtered th EEG signal from the MRI,

Fig. 5 Signalbilder, welche die Redu zierung von Pulsartefakten ver deutlichen. Fig. 5 signal images which illustrate the reduction of pulse artifacts ver.

Fig. 1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine bevorzug te Anordnung zur Ausführung der EEG-Ableitung im MRT. Die MRT-Röhre 1 ist in einem abgeschirmten Tomographenraum 2 an geordnet. In der MRT-Röhre 1 wirkt ein statisches Hochmagnet feld, das durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Kopf des Patienten in der MRT-Röhre befindet sich innerhalb einer HF- Kopfspule 3, über welche das Hochfrequenz-Wechselfeld zur An regung der Kernspins erzeugt wird. Weitere, der Einfachheit der Darstellung halber nicht dargestellte Spulen in der MRT- Röhre 1 dienen zur Erzeugung der geschalteten Gradientenfel der für die drei Raumkoordinaten zur Ortskodierung der Kern resonanzsignale in den drei Raumrichtungen. Die Leitungen der einzelnen EEG-Ableitelektroden 4 auf der Kopfoberfläche des Patienten werden beispielsweise mit einer Haube auf dem Kopf fixiert und zentral am Kopf gebündelt und möglichst nah am Zentrum der MRT-Röhre 1 zu einem EEG-Verstärker 5 geführt. Vom EEG-Verstärker 5 werden die Signale über einen Lichtlei ter 6 aus dem geschirmten Tomographenraum heraus zu einem Lichtempfänger 7 geleitet, der die Lichtsignale wieder in elektrische Signale umsetzt und einem EEG-Schreiber 8 zu führt, an welchen ein PC 9 angeschlossen ist. Fig. 1 shows a very schematic representation of a preferred te arrangement for performing the EEG derivation in the MRI. The MRI tube 1 is arranged in a shielded tomography room 2 . In the MRI tube 1, a static high magnetic field acts, which is indicated by an arrow. The patient's head in the MRI tube is located within an RF head coil 3 , via which the high-frequency alternating field is generated to excite the nuclear spins. Further coils in the MRT tube 1, which are not shown for the sake of simplicity of illustration, are used to generate the switched gradient field of the resonance signals in the three spatial directions for the three spatial coordinates for spatial coding of the core. The lines of the individual EEG lead electrodes 4 on the head surface of the patient are, for example, fixed on the head with a hood and bundled centrally on the head and routed as close as possible to the center of the MRT tube 1 to an EEG amplifier 5 . From the EEG amplifier 5 , the signals are passed via a Lichtlei ter 6 from the shielded tomograph room to a light receiver 7 , which converts the light signals back into electrical signals and leads an EEG recorder 8 to which a PC 9 is connected.

Die Bündelung der Leitungen am Kopf und die Vermeidung von Leiterschleifen reduziert die Fläche, in welche die Gradien ten oder der magnetische Anteil der Hochfrequenz sich ein koppeln können. Führt man die Leitungen vom Rand der MRT- Röhre entfernt, ist der Einfluß durch die geschalteten Gra dienten geringer.Bundling the cables at the head and avoiding Conductor loops reduce the area in which the gradients ten or the magnetic part of the high frequency can couple. If you run the lines from the edge of the MRI Tube removed, is the influence by the switched Gra served less.

Der EEG-Verstärker 5 muß sich im statischen Hochmagnetfeld der MRT-Röhre 1 magnetisch neutral verhalten, d. h. die Feld linien müssen den Verstärker im wesentlichen unverändert pas sieren können und dürfen nicht verzerrt werden. Daher müssen ferro- oder diamagnetische Stoffe in den Bauteilen des Ver stärkers 5 vermieden werden. Ebenso dürfen die Elektroden keine ferro- oder diamagnetischen Stoffe enthalten, um das homogene Magnetfeld nicht zu stören, denn durch Überlagerung eines definiert inhomogenen Gradientenfelds wird der Ort der Kernresonanz über die veränderte Resonanzfrequenz kodiert. Da auch Wirbelströme, die durch die geschalteten Gradientenfel der in leitenden Flächen induziert wird, ein das homogene Ma gnetfeld störendes Gegenfeld erzeugen, sind die Elektroden vorzugsweise aus amorphem gesinterten Ag-AgCl mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet, um die Ausbildung von Wirbelströmen zu erschweren.The EEG amplifier 5 must behave magnetically neutral in the static high magnetic field of the MRT tube 1 , ie the field lines must be able to pass the amplifier essentially unchanged and must not be distorted. Therefore ferro- or diamagnetic substances in the components of the amplifier 5 must be avoided. Likewise, the electrodes must not contain any ferromagnetic or diamagnetic substances in order not to disturb the homogeneous magnetic field, because by superimposing a defined inhomogeneous gradient field, the location of the nuclear magnetic resonance is encoded via the changed resonance frequency. Since eddy currents, which are induced by the switched gradient fields in the conductive surfaces, also generate an opposing field which disturbs the homogeneous magnetic field, the electrodes are preferably made of amorphous sintered Ag-AgCl with low electrical conductivity in order to make the formation of eddy currents more difficult.

Die Eingänge des EEG-Verstärkers 5 sind durch Verwendung eines FET sehr hochohmig, so daß praktisch kein Stromfluß entsteht. Durch den FET ist ein hoher Widerstand mit geringem thermischem Rauschen möglich. Die an den Elektroden abgelei teten Potentiale werden im EEG-Verstärker 5 entsprechend ver stärkt und im Multiplexverfahren einem A/D-Wandler zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal in den Lichtleiter 6 einge speist und dem Lichtempfänger 7 zugeführt wird.The inputs of the EEG amplifier 5 are very high-resistance due to the use of an FET, so that there is practically no current flow. The FET enables a high resistance with low thermal noise. The potentials derived from the electrodes are correspondingly strengthened in the EEG amplifier 5 and fed to an A / D converter in the multiplexing process, the digital output signal of which is fed into the light guide 6 and is fed to the light receiver 7 .

Wie eingangs erläutert wurde, sind es zwei grundsätzliche Störeinflüsse auf die EEG-Ableitung im MRT, die das EEG- Meßergebnis unbrauchbar machen.As explained at the beginning, there are two basic ones Interferences on the EEG derivation in MRI, which the EEG Make the measurement result unusable.

Den einen Störfaktor bilden die im aktiven MRT geschalteten Feldgradienten zur Ortsauflösung in dem xyz-Koordiriatenraum, die dem EEG-Ausgangssignal überlagerte Störsignale bewirken.The one interference factor is the one switched in the active MRI Field gradients for spatial resolution in the xyz coordinate space, which cause interference signals superimposed on the EEG output signal.

Der zweite Störfaktor sind Pulsartefakte aufgrund der pulsie renden Blutströme im Kopf des Patienten, deren Ursache bisher nicht verstanden war. Diese Pulsartefakte haben bisher auch im inaktiven MRT die EEG-Ergebnisse weitgehend unbrauchbar gemacht. Man hat angenommen, daß diese Pulsartefakte eigent lich nur Bewegungsartefakte sind, die durch ballistokardio gene Bewegung des Kopfes aufgrund der Pulsation des Blutflus ses in den großen Arterien hervorgerufen werden. Es hat sich aber gezeigt, daß auch bei Anwendung von Kunstgriffen echte Bewegungsartefakte zwar stark reduziert werden konnten, die Pulsartefakte jedoch weiterhin auftraten.The second disruptive factor is pulse artifacts due to the pulsie flow of blood in the patient's head, the cause of which so far was not understood. So far, these pulse artifacts also have EEG results largely unusable in inactive MRI made. It has been assumed that these pulse artifacts are proper are only movement artifacts caused by ballistocardio Genetic movement of the head due to the pulsation of the blood flow it is caused in the large arteries. It has but showed that even when using artificial handles Although motion artifacts could be greatly reduced, the However, pulse artifacts continued to occur.

Diese weitere Ursache der Pulsartefakte, die mit einer Kopf bewegung nichts zu tun haben, liegt darin, daß in Blutge fäßen mit einer Fließgeschwindigkeitskomponente senkrecht zum statischen Hochmagnetfeld im MRT durch das Hochmagnetfeld eine Ionentrennung entsteht, wodurch Spannungen induziert werden, die von Gefäßdurchmesser, Stromdichte, Ladungsträger konzentration im Blutstrom und dem pro Zeiteinheit transpor tierten Blutvolumen abhängig ist. Beispielsweise tritt zwischen den Gefäßwänden eines Blutgefäßes mit einem Innendurchmesser von etwa 1 mm und einer angenommenen maximalen Fließgeschwindigkeit des Bluts von 10 cm/s in einem Magnetfeld von 1,5 T ein maximaler Spannungswert von etwa 150 Mikrovolt auf, der Pulsartefakte erzeugt.This further causes the pulse artifacts with a head movement has nothing to do with being in Blutge barrels with a flow velocity component perpendicular to the static high magnetic field in the MRI through the high magnetic field ion separation occurs, which induces voltages be that of vessel diameter, current density, charge carriers concentration in the bloodstream and the per unit time transport blood volume is dependent. For example, occurs between the walls of a blood vessel with a Inside diameter of about 1 mm and an assumed one maximum blood flow rate of 10 cm / s in one Magnetic field of 1.5 T a maximum voltage value of about 150 Microvolt, which generates pulse artifacts.

Pulsartefakte sind einer Alpha-Aktivität im EEG sehr ähnlich, denn diese Alpha-Aktivität liegt im gleichen Frequenz- und Amplitudenbereich wie ein Pulsartefakt und ist nur länger ausgeprägt. Daher können Pulsartefakte im EEG-Signal keines falls akzeptiert werden, wenn die EEG-Ableitung aufschluß reich sein soll.Pulse artifacts are very similar to alpha activity in the EEG, because this alpha activity lies in the same frequency and Amplitude range like a pulse artifact and is only longer pronounced. Therefore pulse artifacts in the EEG signal cannot if accepted, if the EEG derivation reveals should be rich.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die beiden erläuterten Störfaktoren in der EEG-Ableitung durch digitale Signalaufbe reitung der abgeleiteten EEG-Signale eliminiert und dadurch das reine unverfälschte EEG-Signal sichtbar gemacht.With the present invention, the two are explained Interference factors in the EEG derivation through digital signal processing derived EEG signals eliminated and thereby the pure, unadulterated EEG signal is made visible.

Die den EEG-Signalen durch die geschalteten Feldgradienten im aktiven MRT aufgeprägten Störungen werden durch Spektral analyse und Filterung eliminiert. Zunächst sind die Frequen zen zu bestimmen, die durch die geschalteten Gradienten in das EEG eingekoppelt werden. Das Nyquist-Theorem besagt, daß die maximale sichtbare Frequenz durch die halbe Abtastrate bestimmt wird. Die EEG-Abtastrate beträgt beispielsweise 500 Az. Eine harmonische Schwingung, deren Frequenz höher ist als die halbe Abtastrate, erscheint durch die Abtastung wieder als harmonische Schwingung niedrigerer Frequenz. Dieser Effekt wird durch einen Tiefpaß am Eingang des EEG-Verstär kers 5 vermieden, dessen Grenzfrequenz unter der halben Abtastrate liegt. Bei der Spektralanalyse ist es auch wichtig, daß der zu analysierende Zeitausschnitt mit einer Fensterfunktion gefaltet wird. Dadurch wird der Ausschnitt stetig periodisch fortsetzbar, was eine Bedingung für eine Fouriertransformation ist. Die Auflösung der Frequenz ist
The disturbances impressed on the EEG signals by the switched field gradients in the active MRT are eliminated by spectral analysis and filtering. First, the frequencies are to be determined, which are coupled into the EEG by the switched gradients. The Nyquist theorem states that the maximum visible frequency is determined by half the sampling rate. The EEG sampling rate is, for example, 500 Az. A harmonic oscillation, the frequency of which is higher than half the sampling rate, reappears as a harmonic oscillation of a lower frequency. This effect is avoided by a low-pass filter at the input of the EEG amplifier 5 , whose cut-off frequency is below half the sampling rate. With spectral analysis it is also important that the time segment to be analyzed is folded with a window function. As a result, the section can be continuously continued periodically, which is a condition for a Fourier transformation. The resolution of the frequency is

Δ f = 1/ΔT
Δ f = 1 / ΔT

wobei ΔT der analysierte Zeitbereich ist.where ΔT is the analyzed time range.

Übliche Gradientenformen sind Dreiecke, Trapeze und harmoni sche Schwingungen. Da die Schaltungen periodisch erfolgen, besitzen sie ein zweites Spektrum. Der Abstand dieser Peaks wird durch die Wiederholrate der einzelnen Impulse bestimmt; die Amplitude ergibt sich aus der wiederholten Impulsform, wobei einzelne Peaks ganz ohne Leistungsanteil sein können.Common gradient shapes are triangles, trapezoids and harmonies vibrations. Since the circuits are periodic, they have a second spectrum. The distance between these peaks is determined by the repetition rate of the individual pulses; the amplitude results from the repeated pulse shape, where individual peaks can be without any power component.

Fig. 2 zeigt einige Impulsformen und ihre diskreten Spektren. Dabei ist ω_p die Frequenz, mit welcher sich die Impulsform periodisch wiederholt. In Fig. 2 ist jeweils die betreffende Impulsform (linke Darstellung) der zugehörigen Spektralanaly se (rechte Darstellung) gegenübergestellt. Fig. 2 shows some waveforms and their discrete spectra. Here ω _{p is} the frequency with which the pulse shape is repeated periodically. In Fig. 2 the respective pulse shape (left representation) of the associated spectral analysis se (right representation) is compared.

Fig. 3 zeigt ein Spektrum eines oft verwendeten trapezför migen Gradienten. Im Bereich von 0 bis 40 Hz ist der Anteil des EEGs sichtbar; deutlich sieht man den Anteil der Alpha- Aktivität um 12 Hz. Das diskrete Spektrum besteht aus Vielfa chen von 33,3 Hz; also werden die einzelnen Gradientenimpulse mit 33,3 Hz periodisch wiederholt. Über die Amplituden der einzelnen Peaks definiert sich die trapezförmige Impulsform. In der Praxis werden drei Gradienten geschaltet, deren Bei träge sich addieren. Um ein EEG durch Filterung in seiner eigentlichen Form sichtbar zu machen, sollte die Wiederhol rate also nicht unter 30 Hz liegen. Fig. 3 shows a spectrum of a trapezoidal gradient often used. The share of the EEG is visible in the range from 0 to 40 Hz; the proportion of alpha activity around 12 Hz can be clearly seen. The discrete spectrum consists of multiples of 33.3 Hz; so the individual gradient pulses are repeated periodically at 33.3 Hz. The trapezoidal pulse shape is defined by the amplitudes of the individual peaks. In practice, three gradients are switched, whose contributions add up. In order to make an EEG visible in its actual form by filtering, the repetition rate should not be below 30 Hz.

Zur Filterung können beispielsweise Butterworthfilter 10. Ordnung oder höherer Ordnung verwendet werden. Butterworth filter besitzen eine geringe Welligkeit im Frequenzgang, müs sen aber in einer höheren Ordnung verwendet werden, um die Störungen möglichst scharf an der Grenze des Frequenzbe reichs des EEGs abzuschneiden. Die in konventionellen EEG- Verstärkern verwendeten Filter sind niedriger Ordnung und können die hohen Leistungen der dicht am EEG liegenden Stör frequenz nicht unterdrücken.For example, Butterworth filter 10 can be used for filtering. Order or higher order can be used. Butterworth filters have a low ripple in the frequency response, but must be used in a higher order in order to cut the interference as sharply as possible at the limit of the frequency range of the EEG. The filters used in conventional EEG amplifiers are of a low order and cannot suppress the high power of the interference frequency close to the EEG.

Alle Kanäle des EEG werden gleichzeitig durch ein gleiches Filter gefiltert.All channels of the EEG are simultaneously replaced by one Filtered filters.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Filterung, wobei das obere Diagramm das ungefilterte EEG-Signal und das untere Diagramm das gefiltere EEG-Signal zeigt. Der durch die Filterung be wirkte Effekt ist augenfällig. FIG. 4 shows an example of filtering, the upper diagram showing the unfiltered EEG signal and the lower diagram showing the filtered EEG signal. The effect caused by the filtering is striking.

Der durch die Pulsartefakte begründete Störfaktor wird durch getriggerte Substraktion der Pulsartefakte eliminiert. Um ein Pulsartefakt beseitigen zu können, muß zunächst klar sein, welcher Anteil des Signals das EEG ist und welcher Anteil die Störung darstellt. Die zeitlich begrenzte Wellenform des Ar tefakts wird durch eine Mittelung bestimmt.The interference factor caused by the pulse artifacts is determined by triggered subtraction of the pulse artifacts eliminated. To a To be able to remove pulse artifact, it must first be clear which part of the signal is the EEG and which part is the Represents disorder. The Ar's time-limited waveform tefacts is determined by averaging.

Dies beruht darauf, daß das EEG-Signal ein nicht determinier tes stationäres Signal ist. Es setzt sich aus vielen harmoni schen Schwingungen zusammen, deren Leistungsanteile sich un periodisch und durch die jeweilige Situation beinflußt ver ändern (nichtdeterminiert), die Gesamtleistung bleibt aber größtenteils konstant (stationär). Wegen dieser Nichtdeter miniertheit reduziert sich bei n Mittelungen der Pulsarte fakte der Einfluß des EEG auf den Wellenzug
This is due to the fact that the EEG signal is an undetermined stationary signal. It is composed of many harmonic vibrations, the power components of which change periodically and influenced by the respective situation (not determined), but the overall power remains largely constant (stationary). Because of this undeterriety, the influence of the EEG on the wave train is reduced with n averages of the pulse types

Bei der Mittelung ist wichtig, daß die einzelnen Wellenzüge zeitgenau addiert werden. Da die Pulsartefakte in Amplitude und Frequenz dem EEG ähnlich sind, kann der genaue Zeitpunkt des Ereignisses nicht aus der Überlagerung beider Signale be stimmt werden. Es muß daher ein zweiter Kanal verwendet wer den, mit dem nur der Puls mit einem zeitlich scharfen Signal registriert wird. Dazu wird gleichzeitig ein EKG abgeleitet. Die spitze R-Zacke im EKG, die auch im MRT gut zu sehen ist, hat sich dabei bewährt. Da die Pulsfrequenz des Herzens leicht schwankt, muß der minimale Abstand zwischen zwei R- Zacken bestimmt werden, woraus sich die Länge des Bereichs ergibt, der gemittelt wird. Dieser Zeitbereich wird so über jedes Pulsartefakt gelegt, daß es in der Mitte liegt. Diese gleich langen Bereiche werden dann einer Kohärenzanalyse unterzogen und der Kohärenzeffizienz ausgegeben. So kann überprüft werden, ob eine anschließende Mittelung sinnvoll ist oder ob sich durch starke EEG-Aktivität oder durch Bewegungsartefakte die einzelnen Bereiche stark voneinander unterscheiden. Nach der Mittelung über eine ausreichende Anzahl von beispielsweise ca. 15 Ereignissen wird die erhaltene Wellenform anschließend mit einer Fensterfunktion gefaltet, und somit wird sowohl der Beginn wie auch das Ende des Pulsartefakts auf Null reduziert.When averaging, it is important that the individual wave trains be added in time. Because the pulse artifacts are in amplitude and frequency are similar to the EEG, the exact time of the event not from the overlay of both signals be true. A second channel must therefore be used the one with which only the pulse with a temporally sharp signal is registered. An EKG is derived at the same time. The pointed R-wave in the EKG, which can also be clearly seen on the MRI, has proven itself. Because the heart's pulse rate fluctuates slightly, the minimum distance between two R- Jags are determined from which the length of the area is derived results, which is averaged. This time period is so over each pulse artifact placed that it lies in the middle. This areas of equal length are then subjected to a coherence analysis subjected and spent on coherence efficiency. So can checked whether a subsequent averaging makes sense is or whether by strong EEG activity or by Movement artifacts the individual areas strongly from each other differentiate. After averaging over a sufficient For example, the number of approximately 15 events obtained waveform with a window function folded, and thus becomes both the beginning and the end of the pulse artifact reduced to zero.

Dadurch werden bei der anschließenden Subtraktion keine Stu fen erzeugt. Den Bereichen, die zur Mittelung herangezogen wurden, wird anschließend der gemittelte Wellenzug abgezogen und das EEG-Signal bleibt zurück. Alpha-Aktivitäten und ande re EEG-Formen können wieder klar erkannt werden, was vor der Subtraktion nicht möglich war.This means that no stu fen generated. The areas used for averaging the averaged wave train is then subtracted and the EEG signal remains. Alpha activities and others re EEG forms can be clearly recognized again, what happened before Subtraction was not possible.

Praktisch erfolgt die pulsgetriggerte Subtraktion von Pulsar tefakten in zwei Arbeitsschritten, nämlich einer Eichroutine und einer Online-Subtraktion.Pulse-triggered subtraction from Pulsar is practical facts in two steps, namely a calibration routine and an online subtraction.

Bei der Eichroutine werden während einer Periode von bei spielsweise 30 Sekunden EEG-Signale aller Kanäle und ein EKG- Signal bei geöffneten Augen des Patienten aufgezeichnet und dargestellt. Dabei muß mit einem Hochpaßfilter von 0,1 Hz oder mehr gefiltert werden. Der Anwender kann dann an schließend entscheiden, für welche Kanäle (je nach Störein fluß von Pulsartefakten) der pulssynchrone Anteil ermittelt und später online subtrahiert werden soll.In the calibration routine, during a period of for example 30 seconds EEG signals of all channels and an EKG Signal recorded with the patient's eyes open and shown. A high-pass filter of 0.1 Hz or more can be filtered. The user can then finally decide for which channels (depending on the interference flow of pulse artifacts) the pulse-synchronous portion is determined and later to be subtracted online.

Das Triggerereignis ist der Signalanstieg in dem parallel zum EKG aufgezeichneten EKG-Signal bei der R-Zacke. Der Durch schnitt (D) und das Maximum (M) der über die Periode von 30 Sekunden aufgezeichneten EKG-Signale werden ermittelt. An schließend wird der Mittelwert (T) aus dem Maximum (M) und dem Durchschnitt (D) des EKG-Abschnitts berechnet. T ist die den Trigger auslösende Amplitude der R-Zacke des EKGs. Das EKG wird hierzu von Beginn der 30-Sekunden-Periode an mit T verglichen. Sobald ein Wert größer als T ist, ist dieser Zeitpunkt ein Triggerereignis (E). Während der nachfolgenden 300 Millisekunden wird das EKG nicht mit T verglichen; dann wird der Vergleich mit T wieder fortgesetzt und das nächste Triggerereignis ermittelt. Das erste und das letzte bestimmte Triggerereignis werden verworfen.The trigger event is the signal increase in parallel to the ECG recorded ECG signal at the R wave. The through cut (D) and the maximum (M) over the period of 30 Seconds of recorded ECG signals are determined. On finally the mean (T) from the maximum (M) and the average (D) of the ECG section. T is the trigger amplitude of the R wave of the EKG. The For this purpose, ECG is started with T from the beginning of the 30-second period compared. As soon as a value is greater than T, it is Time of a trigger event (E). During the following For 300 milliseconds, the ECG is not compared to T; then the comparison with T is continued and the next Trigger event determined. The first and the last determined Trigger events are discarded.

Die Ermittlung des pulssynchronen Störanteils im EEG erfolgt nun dadurch, daß der minimale zeitliche Abstand zweier Trig gersignale (E) berechnet wird. Diese Zeit wird nochmals um etwa 10% verkürzt. Dadurch ist die maximale Länge (L) des pulssynchronen Störanteils bestimmt, der subtrahiert werden kann.The pulse-synchronous interference component is determined in the EEG now that the minimum time interval between two trig gersignals (E) is calculated. This time will be over again shortened by about 10%. This makes the maximum length (L) of the pulse synchronous interference component determined, which are subtracted can.

In jedem vom Anwender gewählten EEG-Kanal werden die Pulsab schnitte der Länge L von jedem Triggerereignis (E) an mit einer Kohärenzanalyse untereinander verglichen. Überschreitet die Varianz einen bestimmten Wert, muß die Eichroutine wie derholt werden. Ansonsten werden die Pulsabschnitte addiert und durch die Anzahl der ermittelten E geteilt. Der gemittel te Pulsabschnitt wird mit einer Fensterfunktion gefaltet. Das so ermittelte Störsignal (P) wird für die spätere Online- Subtraktion verwendet.In each EEG channel selected by the user, the pulses are cuts the length L from every trigger event (E) compared with each other in a coherence analysis. Exceeds If the variance is a certain value, the calibration routine must like be repeated. Otherwise the pulse sections are added and divided by the number of E determined. The mean The pulse section is folded using a window function. The interference signal (P) determined in this way is used for the later online Subtraction used.

Der Ablauf der Eichroutine ist aus dem nachstehenden Flußdia gramm nochmals deutlich ersichtlich:
The flow of the calibration routine is clearly shown in the following flow chart:

Nunmehr erfolgt die Oneline-Subtraktion der Pulsartefakte. Sobald die Oneline-Subtraktion nach der Eichroutine gestattet wird, entsteht jeweils dann ein Triggersignal, wenn der Sig nalwert des EKG den Wert T, der in der Eichroutine ermittelt wurde, überschreitet. Ab diesem Zeitpunkt wird von jedem ge wählten EEG-Kanal-Signal P über die Länge L jeweils Daten punkt für Datenpunkt subtrahiert und man erhält das bereinig te EEG-Signal. The on-line subtraction of the pulse artifacts now takes place. As soon as the oneline subtraction is allowed after the calibration routine a trigger signal is generated when the Sig value of the EKG is the value T, which is determined in the calibration routine was exceeded. From this point on, everyone will be ge chose EEG channel signal P over the length L each data Subtracted point by data point and you get that clean te EEG signal.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Reduzierung von Pulsartefak ten. Dabei zeigt Fig. 5 shows an example of a reduction in pulse artifacts

- the diagram a) the EEG signal with superimposed pulse type facts,
Diagram b) an EKG derived on MRI,
Diagram c) the interference signal component to be subtracted, and
- the diagram d) the pure EEG signal after elimination of the Pulse artifacts.

Die Erfindung zeigt den kausalen Zusammenhang zwischen den geschalteten Gradienten und den Frequenzanteilen im Spektrum des gestörten EEG auf. Eine Beseitigung der Störungen durch die geschalteten Gradienten kann schon während der Aufnahme durch den Signalprozessor erfolgen. Für die jeweiligen Se quenzen, die zur Bildgebung im MRT verwendet werden sollen, lassen sich entsprechende Tiefpaßfilter programmieren. Da die Ursachen und die Zusammehänge aufgezeigt sind, kann auch bei der Wahl einer Sequenz zur Bildgebung auf die EEG-Ableitung Rücksicht genommen werden. Damit ist das EEG auch während dar langen Datenerfassungszeiten des MRT sofort auswertbar.The invention shows the causal relationship between the switched gradients and the frequency components in the spectrum of the disturbed EEG. Eliminate the interference by the switched gradient can already be during the recording done by the signal processor. For the respective Se sequences that are to be used for MRI imaging, corresponding low-pass filters can be programmed. Since the Causes and the connections are shown, can also with the choice of a sequence for imaging on the EEG derivation Be considered. So the EEG is also during Long MRI data acquisition times can be evaluated immediately.

Auch die Ursachen der Pulsartefakte sind aufgezeigt. Diese entstehen durch Tonentrennung des pulsierenden Bluts im Hoch magnetfeld des MRT. Will man sich bei der Positionierung der Elektroden für die EEG-Ableitung nicht auf blutgefäßfreie bzw. blutgefäßarme Kopfzonen einschränken, lassen sich die Pulsartefakte nur durch die digitale Signalverarbeitung be seitigen. Mit der erfindungsgemäß aufgezeigten pulsgetrigger ten Subtraktion wird eine wirkungsvolle und zuverlässige Me thode angeboten, die Pulsartefakte zu eliminieren. Dadurch erlangt das EEG im MRT wieder diagnostische Qualität.The causes of the pulse artifacts are also shown. This are created by the separation of the pulsating blood in the high magnetic field of the MRI. Do you want to position yourself in the Electrodes for EEG recording not on blood vessel-free or restrict head zones with little blood vessels, the Pulse artifacts can only be caused by digital signal processing sided. With the pulse trigger shown according to the invention subtraction becomes an effective and reliable measurement offered to eliminate the pulse artifacts. Thereby The EEG regains diagnostic quality on MRI.

Claims

1. A method for deriving an electroencephalogram in a magnetic resonance tomograph, in which a static high magnetic field is generated for aligning the nuclear spins and in imaging operation a circularly polarized alternating field in the radio frequency range for exciting the nuclear spins as well as three switched magnetic gradient fields for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signal in the three Spatial directions are generated, characterized in that the EEG signals derived from EEG lead electrodes from the patient's head within the magnetic resonance imaging tube to eliminate the interference of a spectral analysis imprinted in the active magnetic resonance tomograph by the switched field gradients by passing the EEG signals of all signal channels through a low pass at the input of the EEG amplifier, whose cut-off frequency is below half the EEG sampling rate, and by means of digital signal processing a filtering by the same Butterworth filter at least z ninth order to be filtered.

2. The method according to claim 1, characterized in that the EEG signals through an eleventh-order Butterworth filter be filtered.

3.Method for deriving an electroencephalogram in an MRI scanner, in which a static high magnetic field is generated for aligning the nuclear spins and in imaging operation a circular polarized alternating field in the radio frequency range for exciting the nuclear spins as well as three switched magnetic gradient fields for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signal in the three Spatial directions are generated
characterized in that

a) an ECG signal is recorded as a trigger signal in parallel with the EEG signals,
b) a periodically occurring, time-sharp signal element is selected as a trigger event from the EKG signal,
c) a time length L corresponding to the minimum time interval between successive trigger events is determined,
d) in each EEG channel selected by the user, EEG signal sections of the length L from each trigger event are compared with one another with a coherence analysis and an averaged pulse artifact interference signal is determined,
e) the averaged pulse artifact interference signal obtained is traced by oneline subtraction from each trigger event in each selected EEG channel signal over the length of time L sub in order to obtain a pulse artifact-adjusted EEG signal.

4. The method according to claim 2, characterized in that as Trigger event of the signal increase of the R wave in the EKG signal is chosen.

5. The method according to claim 4, characterized in that the Trigger event is determined by the fact that from the over a certain period of time recorded average ECG signals and maximum of the amplitude determined and then the mean calculated from the maximum and the average and the The mean value of the amplitude is selected as the trigger event.

6. Device for carrying out the method according to claim 1 or 2, with a magnetic resonance scanner with means for generating a static high magnetic field within a tomographic graphene tube ( 1 ), an RF head coil ( 3 ) for generating a high-frequency alternating field for excitation of the nuclear spins and Coils for generating switched gradient fields for the three spatial coordinates for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals, further with EEG lead electrodes ( 4 ), an EEG amplifier ( 5 ) arranged inside the tomograph tube ( 1 ), and a signal processing device ( 7 ) located outside the shielded tomograph room , 8 , 9 ) ver binding light guide ( 6 ), characterized by a low-pass filter at the input of the EEG amplifier ( 5 ), whose cut-off frequency is below half the EEG sampling rate, and by a Butter worth filter at least tenth order, by which all EEG signal channels are guided.

7. Device for carrying out the method according to one of claims 3 to 6, with a magnetic resonance scanner with means for generating a static high magnetic field within a tomography tube ( 1 ), an RF head coil ( 3 ) for generating a high-frequency alternating field for excitation of the nuclear spins and Coils for generating switched gradient fields for the three spatial coordinates for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals, further with EEG lead electrodes ( 4 ), an EEG amplifier ( 5 ) arranged inside the tomograph tube ( 1 ), and a signal processing device ( 7 ) located outside the shielded tomograph room , 8 , 9 ) ver binding light guide ( 6 ), characterized in that an additional channel for recording an EKG signal is provided and a digital signal processing device is provided for carrying out the procedural measures b) to e).