DE4118126A1 - Actively suppressing magnetic noise in bio-magnetic signals - subtracting weighted correction values from each signal - Google Patents
Actively suppressing magnetic noise in bio-magnetic signals - subtracting weighted correction values from each signalInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Unterdrückung von magnetischen Störfeldern bei einer Anordnung zum Messen biomagnetischer Signale nach dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1.The invention relates to a method for active suppression of magnetic interference fields in an arrangement for measuring biomagnetic signals according to the preamble of claim ches 1.
Eine Einrichtung zur Messung biomagnetischer Felder ist bei spielsweise aus der EP-A-03 59 864 bekannt. Eine solche Ein richtung dient dazu, zerebrale oder koronare Magnetfelder räum lich/zeitlich derart zu vermessen, daß durch iterative Auswer tung der gewonnenen Meßwerte die räumliche Lage und die zeit liche Aktivität der das Magnetfeld verursachenden elektrischen Quelle, z. B. eines elektrischen Stromdipols, bestimmt werden können. Dazu sind Vielkanal-Sensoranordnungen entwickelt wor den, die es gestatten, die räumliche Verteilung der Feldstärke des zu messenden Feldes gleichzeitig zu ermitteln, diese Meß werte zu speichern und daraus iterativ die räumliche Lage der das Magnetfeld verursachenden Quelle zu bestimmen. Die Sensor anordnung besteht aus einer Anzahl von N in einer Ebene ange ordneter Gradiometer, denen je ein SQUID (Super Conducting Quantum Interference Device) zugeordnet ist, die in einem Kryostaten so niedriger Temperatur angeordnet sind, daß Supraleitung herrscht.A device for measuring biomagnetic fields is at known for example from EP-A-03 59 864. Such a one direction serves to space cerebral or coronary magnetic fields Lich / temporally measured so that iterative Auswer The spatial position and the time of the measured values obtained activity of the electric field causing the magnetic field Source, e.g. B. an electrical current dipole can. For this purpose, multi-channel sensor arrangements have been developed those who allow it, the spatial distribution of the field strength to determine the field to be measured simultaneously, this measurement save values and from it iteratively the spatial position of the to determine the source causing the magnetic field. The sensor Arrangement consists of a number of N arranged in one level ordered gradiometer, each with a SQUID (Super Conducting Quantum Interference Device) which is assigned in a Cryostats are arranged so low that Superconductivity prevails.
Eine solche Einrichtung muß wegen der extrem geringen Feld stärke der zu messenden biomagnetischen Felder in der Größen ordnung von 10-12 T gegen äußere elektromagnetische Störfelder sorgfältig abgeschirmt werden. Zu diesem Zweck werden Patient, Sensoranordnung und alle für die Lagerung des Patienten sowie die Einstellung der Sensoranordnung relativ zum Patienten er forderlichen Anlagenteile gemeinsam in einer Abschirmkammer untergebracht, welche die äußeren magnetischen Störfelder so weit wie möglich von Innenraum fern hält. Dies gelingt aller dings bei vertretbarem Aufwand nur unvollständig. Insbesondere in Verbindung mit Gradiometern erster Ordnung, wie sie übli cherweise verwendet werden, ist das Verhältnis von Stör- zu Nutzfeldstärke noch zu hoch, um die schwachen biomagnetischen Quellen in jedem Falle eindeutig zu bestimmen. Die an sich mög liche Verwendung von Gradiometern höherer Ordnung würde den Aufwand für den Abgleich bei Vielkanalanordnungen sehr stark erhöhen. Diese sogenannten passiven Methoden der Störfeldab schirmung können ergänzt werden durch die Erzeugung und Steue rung eines aktiven Gegenfeldes zu dem zu kompensierenden Stör feld. Dieses Gegenfeld muß an jeder Stelle des zu schützenden Raumes nach Größe, Richtung und zeitlichem Verlauf dem Störfeld entgegengesetzt gerichtet sein. Eine Einrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der DE-A-37 31 144 bekannt. Der Aufwand für die Erzeugung eines solchen aktiven Gegenfeldes ist beträcht lich.Such a device must be carefully shielded against external electromagnetic interference because of the extremely low field strength of the biomagnetic fields to be measured in the order of 10 -12 T. For this purpose, the patient, sensor arrangement and all necessary for the positioning of the patient and the setting of the sensor arrangement relative to the patient he necessary system parts are housed together in a shielding chamber, which keeps the external magnetic interference fields as far as possible from the interior. However, this is only incomplete with reasonable effort. Particularly in connection with first order gradiometers, as they are usually used, the ratio of interference to useful field strength is still too high to unambiguously determine the weak biomagnetic sources in any case. The possible use of higher order gradiometers would greatly increase the effort for the adjustment in multi-channel arrangements. These so-called passive methods of interference field shielding can be supplemented by generating and controlling an active opposing field to the interference field to be compensated. This opposing field must be directed opposite to the interference field at every point in the area to be protected in terms of size, direction and temporal course. A device of this type is known for example from DE-A-37 31 144. The effort for the generation of such an active counter field is considerable Lich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vielkanal system zur Messung biomagnetischer Signale die Gradiometer selbst zur optimalen Störunterdrückung bei geringstmöglichem Verlust an Nutzsignal heranzuziehen, um auf diese Weise die von einem Störfeld herrührenden Signale elektronisch zu kompen sieren.The invention has for its object in a multi-channel system for measuring biomagnetic signals the gradiometer even for optimal interference suppression with the least possible Loss of useful signal in order to avoid the loss of to electronically compensate signals originating from an interference field sieren.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Er findung gelöst. Dadurch ist erreicht, daß unter Vermeidung von Gradiometern höherer Ordnung und der Erzeugung von den Stör feldern entgegengesetzt gerichteten Kompensationsfeldern oder einer Kombination dieser beiden Maßnahmen mit rein elektroni schen und wenig aufwendigen Mitteln eine für die praktischen Bedürfnisse ausreichende Störfeldunterdrückung möglich ist.This object is achieved by the He specified in claim 1 finding solved. This ensures that while avoiding Gradiometers of higher order and the generation of the sturgeon fields of oppositely directed compensation fields or a combination of these two measures with purely electronic and less expensive means one for the practical Needs sufficient interference suppression is possible.
Durch eine unterschiedliche Gewichtung der Kanäle gemäß Patent anspruch 2 ist erreicht, daß im Hinblick auf ihren relativen Anteil an den Feldstärkewerten des Nutzsignales das Störsignal besser erfaßt werden kann. By different weighting of the channels according to the patent Claim 2 is achieved in terms of their relative Share of the field strength values of the useful signal the interference signal can be better grasped.
Durch die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 3 ist es möglich, das Nutzsignal vom Störsignal zeitlich zu differenzieren, so daß von Fall zu Fall eine bessere Auflösung zwischen Nutz- und Störsignal zu erreichen ist.Through the training according to claim 3, it is possible to differentiate the useful signal from the interference signal in time, so that from case to case a better resolution between useful and Interference signal can be reached.
Gemäß der Ausbildung nach Patentanspruch 4 besteht die Möglich keit, bei einem bekannten Verlauf des Störsignales dieses durch eine an dessen Verlauf angepaßte Verzögerung selektiv zu er fassen.According to the training according to claim 4, there is the possibility speed, with a known course of the interference signal to selectively adapt a delay to its course grasp.
Bei Anwendung der Verfahrensvariante nach Anspruch 5 ist er reicht, daß für die räumlich zeitliche Gewichtung anstelle fester oder zeitlich veränderbarer, von außen eingegebener Werte diese in Verbindung mit dem iterativen Prozeß der Quel lenlokalisation zu schätzen oder optimiert zu bestimmen sind.When using the method variant according to claim 5, it is is enough that for the spatial temporal weighting instead fixed or changeable in time, entered from outside Evaluate this in connection with the iterative process of the source oil location must be estimated or determined in an optimized manner.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem folgen den Ausführungsbeispiel.Further details of the invention result from the following the embodiment.
Die in der Figur gezeigte Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zeigt schematisch eine biomagnetische Meßein richtung mit einer Anzahl von axialen Gradiometern erster Ord nung 1, 2 bis N. Diese besitzen je eine Feldspule 11, 21 bis N1 und eine Kompensationsspule 12, 22 bis N2, die gegensinnig zu der entsprechenden Feldspule gewickelt sind und die eine ge meinsame Mittelachse aufweisen. Die Kompensationsspulen 12, 22 bis N2 sind in einer zu derjenigen der Feldspulen parallelen Ebene angeordnet. Jedes Gradiometer bildet mit einer zugeord neten Koppelspule 13, 23 bis N3 einen Stromkreis. Die Koppel spulen dienen der induktiven Kopplung mit je einem DC-SQUID 14, 24 bis N4. Feldspulen, Kompensationsspulen, Koppelspulen und SQUIDS sind in einem Kryostaten 10 untergebracht, der eine sol che Temperatur aufweist, daß die genannten Elemente sich in supraleitendem Zustand befinden.The circuit arrangement shown in the figure for carrying out the method schematically shows a biomagnetic measuring device with a number of axial gradiometers of the first order 1 , 2 to N. These each have a field coil 11 , 21 to N 1 and a compensation coil 12 , 22 to N. 2 , which are wound in opposite directions to the corresponding field coil and which have a common central axis. The compensation coils 12 , 22 to N 2 are arranged in a plane parallel to that of the field coils. Each gradiometer forms a circuit with an assigned coupling coil 13 , 23 to N 3 . The coupling coils are used for inductive coupling with one DC-SQUID 14 , 24 to N 4 each. Field coils, compensation coils, coupling coils and SQUIDS are accommodated in a cryostat 10 which has a temperature such that the elements mentioned are in a superconducting state.
Die Ausgänge der SQUIDS sind mit je einer elektronischen Schal tungsanordnung 15, 25 bis N5 verbunden, die im wesentlichen Konstantpegelverstärker, Isolationsverstärker, verschiedene Filter sowie eine sample and hold-Schaltung enthält. Die ge samte Elektronik ist in der EP-A-03 59 864 näher beschrieben. Die Ausgänge der Elektronikschaltungen 15, 25 bis N5 sind mit je einem Subtraktionsglied 16, 26 bis N6 verbunden.The outputs of the SQUIDS are each connected to an electronic circuit arrangement 15 , 25 to N 5 , which essentially contains constant level amplifiers, isolation amplifiers, various filters and a sample and hold circuit. The entire electronics is described in EP-A-03 59 864 in more detail. The outputs of the electronic circuits 15 , 25 to N 5 are each connected to a subtraction element 16 , 26 to N 6 .
Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, die Unter drückung von Reststörsignalen am Ausgang der Gradiometer da durch zu kompensieren, daß jeweils für einen bestimmten Zeit punkt eines Zeitraumes aus den Signalen aller N-Gradiometer oder aus den Signalen einer ausgewählten Gruppe von Gradio metern ein gewichtetes Summensignal gebildet und von den Signalen der Einzelkanäle subtrahiert wird.The basic idea of the invention is now the sub pressing residual interference signals at the output of the gradiometer by compensating for that each for a certain time point of a period from the signals of all N-gradiometers or from the signals of a selected group of gradio a weighted sum signal formed and from the Signals of the individual channels is subtracted.
Für das kompensierte Signal S*i des Kanals i gilt allgemein:The following generally applies to the compensated signal S * i of channel i:
S*i = Si - Σ kj(i) · Sj S * i = S i - Σ k j (i) · S j
mit j = 1 bis N und Σ kj(i) = 1with j = 1 to N and Σ k j (i) = 1
Dabei ist Si das unkorrigierte Signal des Kanals i und kj(i) ist der aus der Gesamtzahl der Kanäle j gebildete Korrekturfak tor des Kanals i. Diese Faktoren bilden eine quadratische Ma trix mit j als Spaltenvektor und i als Zeilenvektor. Für den Korrekturvorgang werden die Signale der N-Meßkanäle als Spal tenvektor j der Gewichtung zugeführt und die dort erzeugten Korrekturterme als Zeilenvektor i von den ursprünglichen Signalen subtrahiert.S i is the uncorrected signal of channel i and kj (i) is the correction factor of channel i formed from the total number of channels j. These factors form a quadratic matrix with j as the column vector and i as the row vector. For the correction process, the signals of the N measuring channels are fed to the weighting as column vector j and the correction terms generated there are subtracted as line vector i from the original signals.
Mit der üblichen Annahme, daß das Störsignal σ, das sowohl von einem Grundfeld als auch von einem Feld mit Gradienten unterschiedlicher Ordnung verursacht werden kann, im Bereich der Anordnung der Sensorspulen räumlich konstant ist, d. h.With the usual assumption that the interference signal σ that both from a basic field as well as from a field with gradients different order can be caused in the area the arrangement of the sensor coils is spatially constant, d. H.
Si = Qi + σS i = Q i + σ
mit Qi als Signalbeitrag der körpereigenen Quelle, können dann z. B. mit einer Anordnung von Gradiometern Störungen mit kon stanter Flußdichte oder mit Gradiometern erster Ordnung in Richtung der Gradiometer orientierte konstante Gradienten der Flußdichte unterdrückt werden. Die nach der Gewichtung korri gierten Signale können dann in der üblichen Weise weiterver arbeitet und ausgewertet werden, wobei die spezielle Bildung der einzelnen Signale beachtet werden muß, z. B. müssen bei einer iterativen Quellenlokalisation die aus dem Modell be rechneten Feldwerte mit denselben Korrekturfaktoren kj gewich tet werden, wie die entsprechenden gemessenen Signale S.with Q i as a signal contribution from the body's own source, z. B. with an arrangement of gradiometers interference with constant flux density or with gradiometers of the first order in the direction of the gradiometer oriented constant gradient of the flux density can be suppressed. The signals corrected after weighting can then be processed and evaluated in the usual manner, whereby the special formation of the individual signals must be taken into account, for. B. in an iterative source localization, the field values calculated from the model must be weighted with the same correction factors k j as the corresponding measured signals S.
Für die Wahl der Korrekturfaktoren kj(i) bieten sich mehrere Möglichkeiten an:There are several options for choosing the correction factors k j (i):
- 1. Für den Spezialfall, daß eine individuelle Gewichtung nicht vorgenommen wird, d. h. alle Korrekturfaktoren jeweils glei che Werte erhalten, ergibt sich für den Kanal i: Da die Korrektur eines Kanals mit sich selbst im allgemeinen nicht sinnvoll ist, ist j ungleich i.1. For the special case that an individual weighting is not carried out, ie all correction factors each receive the same values, the following results for channel i: Since the correction of a channel with itself generally makes no sense, j is not equal to i.
- 2. Diejenigen Kanäle, deren Signale nur relativ geringe Bei träge der körpereigenen Quelle Qi enthalten, werden bei der Signalunterdrückung stärker gewichtet.2. Those channels whose signals contain only relatively small amounts of the body's own source Q i are weighted more strongly in signal suppression.
- 3. Die Korrekturfaktoren werden während des ausgewerteten Zeit raumes entsprechend den Signalen bzw. der Lage der Quellen des körpereigenen Magnetfeldes zeitlich variiert, d. h. S*i(t) = Si(t) - Σ kj(i, t) Sj(t) mit kj(i) = kj(i, t)3. The correction factors are varied over time during the evaluated period according to the signals or the location of the sources of the body's own magnetic field, ie S * i (t) = S i (t) - Σ k j (i, t) S j ( t) with kj (i) = kj (i, t)
- 4. Wenn der Zeitverlauf einer Störung bekannt ist, insbesondere bei einer über einen gewissen Zeitraum konstanten Störung, können für die Korrektur die Signale zu einem anderen, z. B. früheren Zeitpunkt t-Δt herangezogen werden: S*i(t) = Si(t) - Σ kj(i, t) Sj(t - Δt)4. If the time course of a disturbance is known, in particular in the case of a disturbance that is constant over a certain period of time, the signals can be corrected for another, eg B. earlier point in time t-Δt can be used: S * i (t) = S i (t) - Σ k j (i, t) S j (t - Δt)
- 5. Für die Korrekturfaktoren kj(i, t) werden keine festen oder zeitlich veränderlichen Werte von außen vorgegeben, sondern aus den Meßdaten geschätzt oder einige oder alle Werte wer den in Verbindung mit dem iterativen Prozeß der Quellen lokalisation optimiert bestimmt.5. For the correction factors k j (i, t), no fixed or time-variable values are specified from the outside, but are estimated from the measurement data or some or all of the values are determined in conjunction with the iterative process of source localization.
Um ein solches Verfahren schaltungsmäßig zu realisieren, ist die Schaltungsanordnung mit einer Gewichtungselektronik 27 und einer Korrekturelektronik 28 ausgestattet. Die Gewichtungs elektronik besitzt jedem Gradiometerkanal zugeordnete Gewich tungsbaugruppen K1, K2 bis KN. Deren Eingänge sind mit den Aus gängen der Gradiometerkanäle, die die Signale S1, S2 bis SN liefern, verbunden. Die Ausgänge der Gewichtungsbaugruppen sind einem Summenglied 29 zugeführt, dessen Ausgang über eine Zeit verzögerungsstufe 30 an eine Verteilerstufe 31 gelangt, die das am Ausgang des Summengliedes ggf. zeitverzögerte Signal den einzelnen Subtraktionsgliedern 16, 26 bis N6 zugeführt. Die Ge wichtungsbaugruppen K1, K2 bis KN sind von der Korrekturelek tronik 28 derart gesteuert, daß jeder Gradiometerkanal mit dem gewichteten Korrekturfaktor kj(i, t) beaufschlagt wird. Dies geschieht in der Weise, daß die Korrektur eines Kanals mit sich selbst vermieden wird, d. h. j ist ungleich i. Nach Durchführung der Korrektur der einzelnen Kanäle in den SubtraktionsgliedernIn order to implement such a method in terms of circuitry, the circuit arrangement is equipped with weighting electronics 27 and correction electronics 28 . The weighting electronics have weighting modules K 1 , K 2 to KN assigned to each gradiometer channel. Their inputs are connected to the outputs of the gradiometer channels that deliver the signals S 1 , S 2 to SN. The outputs of the weighting modules are fed to a summation element 29 , the output of which reaches a distribution stage 31 via a time delay stage 30 , which supplies the signal, which may be time-delayed at the output of the summation element, to the individual subtraction elements 16 , 26 to N 6 . The weighting assemblies K 1 , K 2 to KN are controlled by the correction electronics 28 such that each gradiometer channel is subjected to the weighted correction factor k j (i, t). This is done in such a way that the correction of a channel with itself is avoided, ie j is not equal to i. After the correction of the individual channels in the subtraction elements
entstehen die korrigierten Signale S*₁, S*₂ bis S*N. Diese wer den einer Datenverarbeitungsanlage 32 für die Lokalisation der körpereigenen Quelle zugeführt. Ebenso werden die Faktoren kj(i, t) im allgemeinen der Datenverarbeitungsanlage zugeführt bzw. dort abgespeichert. arise the corrected signals S * ₁, S * ₂ to S * N. These who the a data processing system 32 for the localization of the body's source supplied. Likewise, the factors kj (i, t) are generally fed to the data processing system or stored there.
Die Korrekturfaktoren kj können der Korrekturelektronik 28 ent weder als feste oder über das Verzögerungsglied 30 zeitlich verzögerte Werte vorgegeben werden oder es können einige oder alle Werte in Verbindung mit dem iterativen Prozeß der Quel lenlokalisation von der Datenverarbeitungsanlage 32 iterativ bestimmt werden.The correction factors k j can be given to the correction electronics 28 either as fixed values or values delayed via the delay element 30 , or some or all of the values in connection with the iterative process of source localization can be determined iteratively by the data processing system 32 .
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekann ten Verfahren, bei denen vom Signal eines Kanals jeweils nur das Signal eines einzelnen anderen Kanals subtrahiert wird, be steht darin, daß das synthetisch gebildete Korrektursignal ein geringeres Rauschen enthält als ein Einzelsignal und daß ferti gungsbedingte geometrische Unterschiede zwischen den einzelnen Gradiometerspulen ausgeglichen werden.The advantage of the method according to the invention over procedures in which only one channel signal is used the signal of a single other channel is subtracted, be is that the synthetically formed correction signal contains less noise than a single signal and that ferti geometric differences between the individual Gradiometer coils are balanced.
Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP90112704 | 1990-07-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE4118126A1 true DE4118126A1 (en) | 1992-01-09 |
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ID=8204167
Family Applications (1)
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| DE4118126A Withdrawn DE4118126A1 (en) | 1990-07-03 | 1991-06-03 | Actively suppressing magnetic noise in bio-magnetic signals - subtracting weighted correction values from each signal |
Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE4118126A1 (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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