DE4304516A1 - Determining characteristic field distribution of interference source - using measurement signal e.g. from multi-channel SQUID gradiometer to form average and correlation values, and normalising - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Feldverteilung einer ortsfesten Stör­ quelle aus Meßsignalen, die mit einer Vielkanal-Meßanord­ nung über einen Zeitraum ermittelt wurden, wobei sich jedes Meßsignal aus einem Nutzsignal und einem Störsignal zusam­ mensetzt und wobei die Ähnlichkeit zwischen dem räumlichen und zeitlichen Nutzsignal- und Störsignalmuster in dem Zeitraum gering ist.

Medizinische Vielkanal-Meßanordnungen werden seit langem zur Diagnose pathologischer Veränderungen im menschlichen Körper herangezogen. Weit verbreitet sind Elektrokardio­ graphie und Elektroenzephalographiegeräte, mit denen der Verlauf von elektrophysiologischen Aktivitäten gemessen werden kann. Neuerdings wird auch das von der elektro­ physiologischen Aktivität erzeugte Magnetfeld gemessen. Da das Magnetfeld weniger Verzerrungen durch die Anatomie er­ fährt als das elektrische Feld, kann aus der Feldverteilung mit relativ großer Genauigkeit der Ort der Aktivitäten be­ stimmt werden. Bei der Auswertung der entsprechenden Meß­ werte treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn dem Nutz­ signal ein Störsignal überlagert ist. Störungen lassen sich unter bestimmten Voraussetzungen aus dem Meßsignal elimi­ nieren, wenn Vorwissen über potentionelle Störquellen vor­ handen ist. Dazu gehört die Kenntnis der charakteristischen Feldverteilung der Störquelle.

Eine Einrichtung zur Messung von biomagnetischen Feldern ist beispielsweise aus der EP-A-03 59 864 bekannt. Mit dieser Einrichtung können zerebrale oder kardiale Magnet­ felder räumlich und zeitlich vermessen werden, so daß durch iterative Auswertung der gewonnenen Meßwerte die räumliche Lage und der zeitliche Verlauf der das Magnetfeld verur­ sachenden elektrischen Quelle, z. B. eines elektrischen Stromdipols, bestimmt werden kann. Dabei werden Vielkanal- Meßanordnungen verwendet, die es gestatten, die räumliche Verteilung des zu messenden Feldes gleichzeitig zu ermit­ teln, diese Meßwerte zu speichern und daraus iterativ die räumliche Lage der das Magnetfeld verursachenden Quelle zu bestimmen. Durch die Verwendung von Gradiometern anstatt Magnetometern kann das Störfeld von ortsfesten und weit­ entfernten Störern unterdrückt werden. Das Magnetfeld der elektrophysiologischen Aktivität muß dann jedoch haupt­ sächlich ein Gradientenfeld sein, was in der Praxis voraus­ gesetzt werden kann.

Bei einem in der DE-A-41 18 126 angegebenen Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen, die mit einem Vielkanal­ system gemessen wurden, zeigt ein gutes Störunterdrückungs­ verhalten, wenn das Störfeld im Bereich der Anordnung der Sensorspulen räumlich nahezu konstant ist. Der Grundgedanke bei der Bestimmung der Störsignale besteht dort darin, daß jeweils für einen bestimmten Zeitpunkt eines Zeitraums aus den Signalen aller Meßsensoren oder aus den Signalen einer ausgewählten Gruppe von Meßsensoren ein gewichtetes Summen­ signal gebildet und von den Signalen der Einzelkanäle sub­ trahiert wird. Dabei werden diejenigen Signale, die nur einen geringen Signalanteil der Körpereigenen Quelle ent­ halten stärker gewichtet. Mit anderen Worten: Es werden vorzugsweise die Kanäle zur Bestimmung des Störsignals angezogen, die nur ein kleines Nutzsignal messen. Wenn der Zeitverlauf der Störung bekannt ist und insbesondere über einen gewissen Zeitraum konstant bleibt, kann der charak­ teristische Feldverlauf der Störung zu einem anderen Zeit­ punkt ermittelt werden als die Nutzsignale. Beide Verfahren zur Ermittlung der Feldverteilung einer Störquelle sind jedoch dadurch eingeschränkt, daß eine große Vorkenntnis über den Verlauf des Störsignals oder des Nutzsignals er­ forderlich ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die charakte­ ristische Feldverteilung mindestens einer ortsfesten Stör­ quelle aus Meßsignalen, die einen Nutzsignalanteil und einen Störsignalanteil umfassen, zu bestimmen, wenn die Störsignalfeldverteilung im Bereich der Vielkanal-Meßan­ ordnung nicht räumlich konstant sind.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Referenzsignal aus dem Mittelwert aller Meßsignale zu jedem Zeitpunkt gebildet wird, daß für jedes Meßsignal für den Zeitraum ein Ähnlich­ keitsmaß vom Zeitverlauf des Meßsignals in jedem Kanal und vom Referenzsignal gebildet wird, daß jedes Ähnlichkeitsmaß auf die Quadratsumme aller Ähnlichkeitsmaße normiert wird und daß die normierten Ähnlichkeitsmaße für die charakteri­ stische Feldverteilung des Störsignals bezeichnend sind. Es wird somit der Zeitverlauf des Störsignals zu jedem Zeit­ punkt zur Bestimmung der räumlichen Feldverteilung herange­ zogen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht das Nutz­ signal einer von einer elektrophysiologischen Aktivität erzeugten Feldgröße. Da die Feldgrößen von elektrophysio­ logischen Aktivitäten sehr klein sind, kommt der Bestimmung der Feldverteilung von Störsignalen hier eine besondere Be­ deutung zu.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand einer Figur erläutert.

Das Verfahren zur Bestimmung der charakteristischen Feld­ verteilung wird hier in einem biomagnetischen Meßsystem ein­ gesetzt, mit dem elektrophysiologische Aktivitäten über eine Magnetfeldmessung lokalisiert werden. Dabei können Störungen sowohl außerhalb als auch innerhalb des Patienten selbst erzeugt werden. In der Figur ist schematisch eine magnetische Abschirmkammer 2 dargestellt, mit der außerhalb erzeugte Störfelder zu einem großen Teil abgeschirmt wer­ den. Ein zu untersuchender Patient 4 befindet sich auf einer in der Abschirmkammer 2 angeordneten Patientenliege 6. Elektrophysiologische Aktivitäten, die hier durch einen Pfeil 8 symbolisiert sind, erzeugen eine elektrische und magnetische Feldverteilung, wobei hier nur die magnetische Feldverteilung 10 ausgewertet wird. Dazu wird das Magnet­ feld mit einer Vielkanal-Meßanordnung 12 oberhalb des Pa­ tienten 4 gemessen. Die Vielkanal-Meßanordnung 12 umfaßt eine Vielkanal-Gradiometeranordnung 14 mit räumlich ge­ trennt angeordneten Gradiometern, die lediglich den Gra­ dienten der Magnetfeldverteilung erfassen und somit schon bei der Messung homogene Störfelder unterdrücken. Hier ist aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Vielkanal-Gradio­ meteranordnung 14 mit 15 einzelnen Gradiometern darge­ stellt, jedoch werden in der Praxis Vielkanal-Gradiometer­ anordnungen 14 mit mehr als 30 Kanälen verwendet. Die Gra­ diometer in der Vielkanal-Gradiometeranordnung 14 sind jeweils mit einem SQUID (Super Conducting Quantum Inter­ ference Device) verbunden. Die Vielkanal-SQUID- Anordnung 16 und die Vielkanal-Gradiometeranordnung 14 sind in einem Kryostaten angeordnet und dort auf so niedrige Temperatur gehalten, daß Supraleitung vorherrscht.

Die Vielkanal-Meßanordnung 12 ist mittels eines Stativs in einer Untersuchungsposition arretierbar. Die Untersuchungs­ position gibt die Meßorte der Gradiometer vor. Die an den Meßorten gemessenen Meßsignale als vieldimensionaler Meß­ signalvektor (t) darstellbar, dessen Dimension der Anzahl (n) der Meßkanäle (i) der Vielkanal-Meßanordnung 12 ent­ spricht. Die Meßsignale M_i(t) in den einzelnen Kanälen bil­ den die Komponenten des räumlichen Meßsignalvektors (t) zu jedem Zeitpunkt t.

Der Meßsignalvektor (t) umfaßt einen Nutzsignalanteil, der Feldgrößen der elektrophysiologischen Aktivität an den Meß­ orten entspricht und einen Störsignalanteil, dessen charak­ teristisches Feldmuster bestimmt werden soll.

Das Feldmuster wird aus den Meßsignalen M_i(t) selbst ermit­ telt, unter der Voraussetzung, daß der Störsignalanteil nur eine geringe Ähnlichkeit mit dem Nutzsignal aufweist, was in der Praxis oft der Fall ist. Bei der Bestimmung des Feldmusters wird dann lediglich vorausgesetzt, daß der oder die Störer während der Messung als ortsfest angesehen wer­ den kann. Es ist jedoch zugelassen, daß die Amplitude des Störfeldes mit der Zeit variiert. Damit ändert sich die charakteristische Feldverteilung im Meßzeitraum nicht.

Die Richtung des Störsignalvektors, d. h. die charakteristi­ sche Feldverteilung der Störung wird aus dem Meßsignal­ vektor (t) in zwei Schritten ermittelt.

Im ersten Schritt wird ein Referenzsignal RS(t) aus dem Mittelwert der Komponenten _i(t) des Meßsignalvektors (t) für jeden Zeitaugenblick innerhalb eines Untersuchungszeit­ raums t1 bis t2 gebildet. Das Referenzsignal ergibt sich somit zu

mit n Anzahl der Meßkanäle.

In der Figur ist dieser Verfahrensschritt mit dem Bezugs­ zeichen 20 gekennzeichnet.

Mit diesem Referenzsignal RS(t) wird nun für jedes Meß­ signal M_i(t) ein Ähnlichkeitsmaß W_i vom Zeitverlauf des Meßsignals M_i(t) in jedem Kanal i und Referenzsignal RS(t) gebildet. Als Ähnlichkeitsmaß wird der Korrelationkoeffi­ zient von Meßsignal M_i(t) und Referenzsignal RS(t) für den Zeitraum t1 bis t2 ermittelt. Das Ähnlichkeitsmaß ergibt sich somit, wie im Verfahrensschritt 22 in der Figur an­ gegeben zu

Die Richtung des Störsignalvektors R(t) stellt der auf 1 normierte Vektor des Ähnlichkeitsmaßes dar mit den Kompo­ nenten

W_i′ = W_i/Σ (W_i)²

Dies ist in der Figur durch den Verfahrensschritt 24 ge­ kennzeichnet.

Dieser Einheitsvektor ′ mit seinen Komponenten W_i′ ist von der Zeit unabhängig, d. h. die Störfeldverteilung ist zeit­ lich konstant und ist eine Beschreibungsform der charakte­ ristischen Feldverteilung unabhängig von der Amplitude. Im darauffolgenden Verfahrensschritt 26 wird nun von dem Meß­ signalvektor (t) die Komponente in Richtung ′ des Stör­ signalvektors abgezogen. Als Ergebnis erhält man einen korrigierten Meßsignalvektor ′(t), dessen Komponenten M_i′(t) sich nach den Regeln der Vektorrechnung wie folgt ergeben

Nachstehend ist beschrieben, wie unter Kenntnis der charak­ teristischen Feldverteilung eine Lokalisierung der elektro­ physiologischen Aktivität durchgeführt wird.

Bei der Bestimmung des Ortes und/oder der Richtung der elektrophysiologischen Aktivität 8 wird in einem iterativen Berechnungsverfahren eine Ersatzquelle gesucht, die an den Meßorten die gleiche Feldverteilung erzeugt, wie die ge­ messene Feldverteilung der elektrophysiologischen Aktivi­ tät. Da jedoch die im Verfahrensschritt 26 durchgeführte Korrektur der Meßwerte auch Anteile des Nutzsignals aus dem Meßsignalvektor (t) beseitigen kann, darf bei der darauf­ folgenden Quellenlokalisation auch nur die Komponente ′(t) im Quellensignalvektor (t) berücksichtigt werden, die orthogonal zur Richtung des Störsignalvektors W′ ist. Aus dem Quellensignalvektor (t) wird im Verfahrensschritt 28 die Komponente in Richtung des Störsignalvektors entfernt. Die einzelnen Komponenten _i′ des korrigierten Quellen­ signalvektors ′(t) ergeben sich

Beim Vergleich der Meßwerte mit den errechneten Feldwerten wird von dem korrigierten Meßsignalvektor ′(t) und dem korrigierten Quellensignalvektor Q′(t) ausgegangen. Im Verfahrensschritt 30 wird nun ein korrigierter Quellsignal­ vektor ′(t) gesucht, dessen Abweichung zum korrigierten Meßsignalvektor ′(t) minimiert ist. Das dazu verwendete Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate vergleicht die ein­ zelnen Komponenten der beiden Vektoren ′(t) und ′(t), wobei der Quellenvektor (t) so lange variiert wird, bis die Summe der Fehlerquadrate ein Minimum erreicht hat. Die Komponenten der beiden Vektoren werden dabei nach der folgenden Beziehung verglichen

Der Ort und die Richtung der Ersatzquelle, z. B. des Strom­ dipols, bei der im Verfahrensschritt 30 das Minimum ge­ funden wurde, wird dem Ort und der Richtung der elektro­ physiologen Aktivität gleichgesetzt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Feld­ verteilung einer ortsfesten Störquelle aus Meßsignalen (M_i(t)), die mit einer medizinischen Vielkanal-Meßanordnung (12) über einen Zeitraum (t1 bis t2) ermittelt wurden, wobei sich jedes Meßsignal (M_i(t)) aus einem Nutzsignal und einem Störsignal zusammensetzt und wobei die Ähnlichkeit zwischen dem räumlichen und zeitlichen Nutzsignal- und Störsignalmuster in dem Zeitraum (t1 bis t2) gering ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzsignal (RS(t)) aus dem Mittelwert aller Meßsignale (M_i(t)) zu jedem Zeitpunkt (t) gebildet wird, daß für jedes Meßsignal (M_i(t)) für den Zeitraum (t1 bis t2) ein Ähn­ lichkeitsmaß (W_i) vom Zeitverlauf des Meßsignals (M₁(t)) in jedem Kanal (i) und vom Referenzsignal (RS(t)) gebildet wird, daß jedes Ähnlichkeitsmaß (W_i) auf die Quadratsumme aller Ähnlichkeitsmaße (W_i) normiert wird und daß die normierten Ähnlichkeitsmaße (W_i′) für die charakteristische Feldverteilung des Störsignals bezeichnend sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ähnlichkeitsmaß der Korrelationskoeffizient von dem entsprechenden Meßsignal und dem Referenzsignal ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Nutzsignal einer von einer elektrophysiologen Aktivität erzeugten Feldgröße ent­ spricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feldgröße eine Magnet­ feldgröße ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetfeldgröße der Gradient des Magnetfeldes ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Viel­ kanal-Meßanordnung (12) ein Vielkanal-SQUID-Gradiometer (14, 16) ist.