DE4304516A1

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

Info

Publication number: DE4304516A1
Application number: DE4304516A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Abraham-Fuchs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-03-03
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1993-09-09

Abstract

The patient (4) placed within a screened room (2) on a couch (6). Electrical activity (arrow 8) generates electrical and magnetic fields, of which the magnetic field is measured. A multi-channel magnetic measurement system consisting of an array (14) of gradiometers connected to a multichannel SQUID (Super Conducting Quantum Interference Device) (16), both contained within a cryostat container (12). The output signals Mi(t) are processed as follows: a reference signal for each sampling internal in the measurement period t1 to t2 is generated (20), where n is the number of channels and RS(t) is the mean value. A correlation measure Wi for each measurement Mi with RS is calculated over the measurement period (22). The correlation measures Wi are then normalised (24). Noise components are then subtracted from the measurement vectors (M(t) (26) to give a corrected measurement Mi(t). Source signal vectors Qi(t) are then calculated (28) in which signals orthogonal to the interference vector W1 are generated. Finally a corrected source signal vector is calculated for a minimum deviation of the measurement signal (30). USE/ADVANTAGE - Detection of physiological electrical activity in low signal to noise conditions e.g. by measuring bio-magnetic fields. Allows measurement when interfering signal is not spatially constant.

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.The invention relates to a method for determining a characteristic field distribution of a fixed sturgeon source from measurement signals with a multi-channel measurement arrangement were determined over a period of time, with each Measurement signal from a useful signal and an interference signal together and the similarity between the spatial and temporal useful signal and interference signal patterns in the Period is short.

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. Medical multi-channel measuring arrangements have been around for a long time for the diagnosis of pathological changes in human Body used. Electrocardio are widespread graphics and electroencephalography equipment with which the Course of electrophysiological activities measured can be. Recently, the electro generated magnetic field measured physiological activity. There the magnetic field less distortion due to the anatomy drives as the electric field, can from the field distribution the location of the activities be relatively accurate be true. When evaluating the corresponding measurement However, values arise when the user signal an interference signal is superimposed. Faults can be under certain conditions from the measurement signal elimi kidney if prior knowledge of potential sources of interference is there. This includes knowledge of the characteristic Field distribution of the interference source.

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.A device for measuring biomagnetic fields is known for example from EP-A-03 59 864. With This facility can be cerebral or cardiac magnet fields are spatially and temporally measured, so that by iterative evaluation of the measured values obtained the spatial Location and the time course of the magnetic field relevant electrical source, e.g. B. an electrical Current dipoles can be determined. Multi-channel Measuring arrangements used that allow the spatial Distribution of the field to be measured at the same time to save these measured values and use it to iteratively spatial position of the source causing the magnetic field determine. By using gradiometers instead Magnetometers can keep the interference field from stationary and far distant interferers are suppressed. The magnetic field of the However, electrophysiological activity must then at all to be essentially a gradient field, which in practice is ahead can be set.

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.In a method specified in DE-A-41 18 126 Suppression of interference signals with a multi-channel system was measured shows a good interference suppression behave if the interference field in the area of the arrangement of the Sensor coils is spatially almost constant. The basic idea in determining the interference signals there is that each for a specific point in time of a period the signals of all measuring sensors or from the signals of one selected group of measuring sensors a weighted sum signal formed and from the signals of the individual channels sub is trawled. In doing so, those signals that are only ent a small signal portion of the body's own source keep weighted more. In other words: it will preferably the channels for determining the interference signal attracted who measure only a small useful signal. If the Time course of the fault is known and in particular about The charak can remain constant for a certain period of time Teristic field course of the disturbance at another time are determined as the useful signals. Both procedures to determine the field distribution of a source of interference however limited by the fact that a large previous knowledge on the course of the interference signal or the useful signal he is required.

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.The invention is based on the object, the character Statistical field distribution of at least one fixed sturgeon source from measurement signals that contain a useful signal and include an interference signal portion to determine if the Interference signal field distribution in the area of multichannel measuring order are not spatially constant.

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.The object is achieved in that a reference signal the average of all measurement signals at all times is that a similar for each measurement signal for the period measure of the time course of the measurement signal in each channel and is formed by the reference signal that each similarity measure is normalized to the sum of squares of all similarity measures and that the standardized similarity measures for the characteri tical field distribution of the interference signal are significant. It is the time course of the interference signal at any time point to determine the spatial field distribution pulled.

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.In an advantageous embodiment, the benefit corresponds signal one of an electrophysiological activity generated field size. Since the field sizes of electrophysio logical activities are very small, the determination comes the field distribution of interference signals is a special feature here interpretation to.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an hand einer Figur erläutert.An embodiment of the invention will follow hand explained a figure.

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. The method for determining the characteristic field distribution is used here in a biomagnetic measuring system with which electrophysiological activities are localized via a magnetic field measurement. Disturbances can be generated both outside and inside the patient. In the figure, a magnetic shielding chamber 2 is shown schematically, with the interference fields generated outside to a large extent shielded who. A patient 4 to be examined is located on a patient couch 6 arranged in the shielding chamber 2 . Electrophysiological activities, which are symbolized here by an arrow 8 , generate an electrical and magnetic field distribution, only the magnetic field distribution 10 being evaluated here. For this purpose, the magnetic field is measured with a multi-channel measuring arrangement 12 above the patient 4 . The multi-channel measuring arrangement 12 comprises a multi-channel gradiometer arrangement 14 with spatially separated gradiometers, which only detect the gradient of the magnetic field distribution and thus suppress homogeneous interference fields even during the measurement. Here, for reasons of clarity, a multichannel gradio meter arrangement 14 with 15 individual gradiometers is shown, but in practice multichannel gradiometer arrangements 14 with more than 30 channels are used. The Gra diometer in the multi-channel gradiometer arrangement 14 are each connected to a SQUID (Super Conducting Quantum Interference Device). The multichannel SQUID arrangement 16 and the multichannel gradiometer arrangement 14 are arranged in a cryostat and are kept there at such a low temperature that superconductivity prevails.

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.The multi-channel measuring arrangement 12 can be locked in an examination position by means of a tripod. The examination position specifies the measuring locations of the gradiometers. The measurement signals measured at the measurement locations can be represented as a multidimensional measurement signal vector (t), the dimension of which speaks to the number (n) of measurement channels (i) of the multichannel measurement arrangement 12 . The measurement signals M _i (t) in the individual channels form the components of the spatial measurement signal vector (t) at each time 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.The measurement signal vector (t) comprises a useful signal component, the Field sizes of the electrophysiological activity on the measurement corresponds to locations and an interference signal component, the character of which teristic field pattern should be determined.

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.The field pattern is determined from the measurement signals M _i (t) itself, provided that the interference signal component is only slightly similar to the useful signal, which is often the case in practice. When determining the field pattern, it is then only assumed that the interferer or interferers during the measurement can be regarded as being stationary. However, the amplitude of the interference field is allowed to vary with time. The characteristic field distribution does not change during the measurement period.

Die Richtung des Störsignalvektors, d. h. die charakteristi sche Feldverteilung der Störung wird aus dem Meßsignal vektor (t) in zwei Schritten ermittelt.The direction of the noise vector, i.e. H. the characteristics cal field distribution of the disturbance is from the measurement signal vector (t) determined in two steps.

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 zuIn the first step, a reference signal RS (t) is formed from the mean value of the components _i (t) of the measurement signal vector (t) for each instant of time within an examination period t1 to t2. The reference signal thus results in

mit n Anzahl der Meßkanäle.with n number of measuring channels.

In der Figur ist dieser Verfahrensschritt mit dem Bezugs zeichen 20 gekennzeichnet.In the figure, this process step is identified by the reference character 20 .

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 zuWith this reference signal RS (t), a similarity measure W _i is formed for each measurement signal M _i (t) from the time course of the measurement signal M _i (t) in each channel i and reference signal RS (t). As a measure of similarity, the correlation coefficient of measurement signal M _i (t) and reference signal RS (t) is determined for the period t1 to t2. The degree of similarity thus results, as indicated in method step 22 in the figure

Die Richtung des Störsignalvektors R(t) stellt der auf 1 normierte Vektor des Ähnlichkeitsmaßes dar mit den Kompo nentenThe direction of the interference signal vector R (t) is set to 1 normalized vector of the measure of similarity with the compo nenten

W_i′ = W_i/Σ (W_i)²W _i ′ = W _i / Σ (W _i ) ²

Dies ist in der Figur durch den Verfahrensschritt 24 ge kennzeichnet.This is identified in the figure by method step 24 .

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 ergebenThis unit vector 'with its components W _i ' is independent of time, ie the interference field distribution is constant over time and is a form of description of the characteristic field distribution independent of the amplitude. In the subsequent method step 26 , the component in the direction 'of the interference signal vector is now subtracted from the measurement signal vector (t). The result is a corrected measurement signal vector '(t), the components M _i ' (t) of which follow the rules of vector calculation as follows

Nachstehend ist beschrieben, wie unter Kenntnis der charak teristischen Feldverteilung eine Lokalisierung der elektro physiologischen Aktivität durchgeführt wird.The following describes how knowing the charak teristic field distribution a localization of the electro physiological activity is carried out.

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 sichWhen determining the location and / or the direction of the electrophysiological activity 8 , a replacement source is sought in an iterative calculation process, which generates the same field distribution at the measurement sites as the measured field distribution of the electrophysiological activity. However, since the correction of the measured values carried out in method step 26 can also remove portions of the useful signal from the measurement signal vector (t), only the component ′ (t) in the source signal vector (t) that is orthogonal to the direction of the Interference signal vector W '. In step 28, the component in the direction of the interference signal vector is removed from the source signal vector (t). The individual components _i 'of the corrected source signal vector' (t) result

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 verglichenWhen comparing the measured values with the calculated field values, the corrected measurement signal vector '(t) and the corrected source signal vector Q' (t) are assumed. In method step 30 , a corrected source signal vector '(t) is now sought, the deviation of which from the corrected measurement signal vector' (t) is minimized. The least squares method used for this compares the individual components of the two vectors '(t) and' (t), the source vector (t) being varied until the sum of the squares has reached a minimum. The components of the two vectors are compared according to the following relationship

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.The location and direction of the replacement source, e.g. B. the current dipole, in which the minimum was found in step 30 , the location and direction of the electro-physiological activity is equated.

Claims

1. A method for determining a characteristic field distribution of a fixed interference source from measurement signals (M _i (t)), which were determined with a medical multi-channel measuring arrangement ( 12 ) over a period of time (t1 to t2), each measurement signal (M _i (t)) is composed of a useful signal and an interference signal and the similarity between the spatial and temporal useful signal and interference signal pattern in the period (t1 to t2) is low, characterized in that a reference signal (RS (t)) from the mean value of all measurement signals (M _i (t)) is formed at every point in time (t) that for each measurement signal (M _i (t)) for the period (t1 to t2) a similarity measure (W _i ) of the time course of the measurement signal (M ₁ (t)) in each channel (i) and the reference signal (RS (t) is formed) is that each similarity measure is normalized (W _i) to the square sum of all degrees of similarity (W _i) and in that the normalized similarity measures (W _i ' ) for the characteristic F the distribution of the interference signal are significant.

2. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the similarity measure of the Correlation coefficient from the corresponding measurement signal and the reference signal.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the useful signal is one of an electrophysiological activity generated field size ent speaks.

4. The method according to claim 3, characterized ge indicates that the field size is a magnet field size is.

5. The method according to claim 4, characterized ge indicates that the magnetic field size of the Gradient of the magnetic field is.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the multi-channel measuring arrangement ( 12 ) is a multi-channel SQUID gradiometer ( 14 , 16 ).