EP1071368A1

EP1071368A1 - Verfahren und einrichtung zum ableiten eines elektroenzephalogramms im kernspintomograph

Info

Publication number: EP1071368A1
Application number: EP99926257A
Authority: EP
Inventors: Alexander Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2001-01-31
Also published as: WO1999053836A1; DE19817094A1; DE19980653D2

Abstract

Verfahren und Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomographen, in welchem ein statisches Hochmagnetfeld zum Ausrichten der Kernspins, ein zirkular polarisiertes Wechselfeld im Radiofrequenzbereich zum Anregen der Kernspins sowie drei geschaltete magnetische Gradientenfelder für die Ortskodierung des Kernresonanzsignals in den drei Raumrichtungen erzeugt werden. Die über die EEG-Ableitelektroden (4) vom Kopf des Patienten innerhalb der Kernspintomographenröhre (1) abgeleiteten EEG-Signale werden einer Spektralanalyse und einer Filterung im Wege digitaler Signalverarbeitung unterzogen zur Eliminierung der im aktiven Kernspintomographen durch die geschalteten Feldgradienten aufgeprägten Störungen.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomograph

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 Untersuchung und Darstellung von Vorgängen im Gehirn EEG und MRT optimal ergänzen können.

Die funktioneile 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 unzureichend untersucht werden können. Dies rührt auch daher, daß die Vorgänge, auf welche die Bildgebung mit dem MRT anspricht, nämlich die Durchblutung jeweils aktiver Regionen im Gehirn bei Aktivierung zeitverzögert eintritt.

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). - 2 -

Deshalb könnten sich die beiden großen diagnostischen Verfahren der Neurologie mit MRT und EEG in vieler Hinsicht ergänzen, wenn eine Ableitung eines EEGs im MRT möglich wäre. Bisher 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.

Der MRT arbeitet zur Bildgebung mit einem statischen Hochma- gnetfeld, um die Kernspins auszurichten, weiter mit einem zirkulär polarisierten Wechselfeld im Radiofrequenzbereich, um die Kernspins anzuregen, und schließlich mit drei geschalteten magnetischen Gradientenfeldern für die Ortskodierung des Kernresonanzsignals in allen Raumrichtungen. Das statische Hochmagnetfeld ist auch bei inaktivem MRT vorhanden .

Das EEG entsteht aus Spannungsschwankungen im Bereich vom 50 Mikrovolt an der KopfOberfläche , die durch synchrone Aktivi- tat vieler Nervenzellen in der Hirnrinde erzeugt werden. Diese werden abgeleitet und einem Verstärker zugeführt. Wegen der äußerst geringen Größe dieser EEG-Signale sind diese natürlich gegen äußere Störfelder außerordentlich empfindlich.

Andererseits kann auch der MRT, um ein genügendes Signal/Rausch-Verhältnis zu erreichen, nur in einem perfekten Faraday ' sehen Käfig arbeiten, der keinesfalls durch hindurchgeführte 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 Datenzeile des entsprechenden Gradienten führen. 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 Pulsartefakte bekannt. Diese können zunächst in Form von Bewegungsartefakten 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 entsprechende leichte Bewegung der am Kopf angebrachten EEG-Elektroden mit den zugehörigen Leitungen in dem statischen Magentfeld, 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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einerseits eine Möglichkeit 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 gleichzeitig zum Einsatz bringen zu können und auch im inaktiven MRT ein EEG von diagnostischer Qualität ableiten zu können.

Zwei Beispiele soll die Bedeutung dieser Aufgabestellung verdeutlichen :

Starke oft auftretende Epilepsien sind häufig fokalen Ur- - 4 -

εprungs, 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 identifizieren. Ein epileptischer Anfall kündigt sich im EEG schon früher an als er durch andere äußere Merkmale zu identifizieren 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 Erfassung eines Anfalls bestimmen. Versuche dazu wurden bereits durchgeführt, aber während der Datenerfassung durch den MRT war das EEG durch die geschalteten Gradienten völlig gestört.

Aus dem eben genannten Umstand, daß ein epileptischer Anfall sich im EEG schon frühzeitig ankündigt, wird auch insbesondere die Bedeutung der Ableitung eines diagnostisch brauch- baren EEGs im inaktiven MRT deutlich. Über ein im noch inaktiven MRT abgeleitetes EEG kann man den Beginn eines epileptischen 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. - 5 -

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 Vorgänge 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 Hirnbereiche bringen.

Die Erfindung löst die dargestellte Aufgabe durch ein Verfahren und eine Einrichtung, wie sie in den Patentansprüchen an- gegeben sind. Demnach arbeitet die Erfindung mit einer Beseitigung der Störungen im EEG durch digitale Signalverarbeitung mit Spektralanalyse und Filterung der EEG-Signale und mit ge- triggerter Subtraktion der Pulsartefakte, um diese zu eliminieren und dadurch ein EEG im MRT mit diagnostischer Qualität zu schaffen.

Die Erfindung wird nachstehend in ihren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen erläutert, in denen zeigt:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der apparativen Einrichtung zur Ableitung eines EEGs im MRT,

Fig. 2 einige Pulsformen und ihre diskreten Spektren,

Fig. 3 ein Spektrum eines oft verwendeten trapezförmigen Gradienten,

Fig. 4 eine Gegenüberstellung eines ungefilterten und eines gefilterten EEG-Signals aus dem MRT, Fig. 5 Signalbilder, welche die Reduzierung von Pulsartefakten verdeutlichen.

Fig. 1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine bevorzugte Anordnung zur Ausführung der EEG-Ableitung im MRT. Die MRT-Röhre 1 ist in einem abgeschirmten Tomographenraum 2 angeordnet. In der MRT-Röhre 1 wirkt ein statisches Hochmagnetfeld, 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 Anregung 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 Kernresonanzsignale 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 Lichtleiter 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.

Die Bündelung der Leitungen am Kopf und die Vermeidung von Leiterschleifen reduziert die Fläche, in welche die Gradienten 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 Gradienten geringer.

Der EEG-Verstärker 5 muß sich im statischen Hochmagnetfeld der MRT-Röhre 1 magnetisch neutral verhalten, d.h. die Feldlinien müssen den Verstärker im wesentlichen unverändert passieren können und dürfen nicht verzerrt werden. Daher müssen ferro- oder diamagnetische Stoffe in den Bauteilen des Ver- - 7 -

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 Gradientenfelder in leitenden Flächen induziert wird, ein das homogene Magnetfeld störendes Gegenfeld erzeugen, sind die Elektroden vorzugsweise aus amorphem gesinterten Ag-AgCl mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet, um die Ausbildung von Wirbelströmen zu erschweren.

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 abgeleiteten Potentiale werden im EEG-Verstärker 5 entsprechend verstärkt und im Multiplexverfahren einem A/D-Wandler zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal in den Lichtleiter 6 einge- speist und dem Lichtempfänger 7 zugeführt wird.

Wie eingangs erläutert wurde, sind es zwei grundsätzliche Störeinflüsse auf die EEG-Ableitung im MRT, die das EEG- Meßergebnis unbrauchbar machen.

Den einen Störfaktor bilden die im aktiven MRT geschalteten Feldgradienten zur Ortsauflösung in dem xyz-Koordinatenraum, die dem EEG-Ausgangssignal überlagerte Störsignale bewirken.

Der zweite Störfaktor sind Pulsartefakte aufgrund der pulsierenden 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- lieh nur Bewegungsartefakte sind, die durch ballistokardio- gene Bewegung des Kopfes aufgrund der Pulsation des Blutflusses 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.

Diese weitere Ursache der Pulsartefakte, die mit einer Kopf- bewegung nichts zu tun haben, liegt darin, daß in Blutgefäßen 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 transportierten 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.

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 keinesfalls akzeptiert werden, wenn die EEG-Ableitung aufschlußreich sein soll.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die beiden erläuterten Störfaktoren in der EEG-Ableitung durch digitale Signalaufbereitung der abgeleiteten EEG-Signale eliminiert und dadurch das reine unverfälschte EEG-Signal sichtbar gemacht.

Die den EEG-Signalen durch die geschalteten Feldgradienten im aktiven MRT aufgeprägten Störungen werden durch Spektralanalyse und Filterung eliminiert. Zunächst sind die Frequenzen zu bestimmen, die durch die geschalteten Gradienten in das EEG eingekoppelt werden. Das Nyquist-Theore besagt, daß die maximale sichtbare Frequenz durch die halbe Abtastrate bestimmt wird. Die EEG-Abtastrate beträgt beispielsweise 500 Hz. Eine harmonische Schwingung, deren Frequenz höher ist als die halbe Abtastrate, erscheint durch die Abtastung wieder - 9 -

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

4 Δ f Δ T wobei lT der analysierte Zeitbereich ist.

Übliche Gradientenformen sind Dreiecke, Trapeze und harmoni- sehe 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.

Fig. 2 zeigt einige Impulsformen und ihre diskreten Spektren. Dabei ist ö 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. 3 zeigt ein Spektrum eines oft verwendeten trapezförmigen 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 Vielfachen 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 Wiederholrate also nicht unter 30 Hz liegen. - 10 -

Verwendet man am Eingang des EEG-Verstärkers nur einen Tiefpaß zum Ausfiltern der den EEG-Signalen durch die geschalteten Feldgradienten im aktiven MRT aufgeprägten Störfrequenzen, muß die Grenzfrequenz des Tiefpasses relativ niedrig ge- wählt werden. Das hat aber auch seine Nachteile. Denn obwohl der relevante Bereich der mit dem EEG zu erfassenden Hirn- ströme im Frequenzbereich von 0 bis 40 Hz liegt, ist es nicht wünschenswert, alle höheren Frequenzen durch einen Tiefpaß abzuschneiden. Denn das hat zur Folge, daß eventuell doch interessante höherfrequente Bereiche im EEG-Signal unterdrückt werden und daß insbesondere die bei epileptischen Anfällen typischen, durch ihre Spitzen gekennzeichneten Spikes verschwommen erscheinen, weil ihre charakteristischen Spitzen dann im gefilterten Signal abgerundet erscheinen und nicht mehr hinreichend hervortreten, so daß ein derart gefiltertes EEG-Signal nur einen wesentlich geringeren Diagnosewert hat.

Es ist deshalb anzustreben, für einen am EEG-Verstärkerein- gang angeordneten Tiefpaß eine möglichst hohe Grenzf equenz wählen zu können, ohne aber eine anderweitige Verfälschung der EEG-Signale durch MRT-eigene Störfrequenzen zu verfälschen .

Dies gelingt dadurch, daß eine Kombination eines Tiefpasses mit höherer Grenzfrequenz mit sehr schmalbandigen Bandsperren eingesetzt wird, was mit digitaler Datenverarbeitung realisiert werden kann. Dazu sind die durch den MRT-Betrieb bedingten Störfrequenzen zu ermitteln. Welche Störfrequenzen das sind, ergibt sich aus Ablauf und Schachtelungen des den Meßablauf des MRT bestimmenden Programms. Dabei sind insbesondere die Programmschleifen für die Abtastschichten, die Bildzeilen und die Anzahl der Bilderfassungen von Bedeutung. Beispielsweise entstehen so als Störfrequenzen die schon erwähnte Frequenz von 33 Hz und Vielfache davon durch das Fre- quenzprogramm sowie von 7 Hz durch programminterne Schaltvorgänge . - 11 -

Das Filterproblem läßt sich also lösen, indem innerhalb des Durchlaßbereichs des Tiefpasses zusätzliche Bandsperren mit engen Sperrfrequenzbändern um die jeweils identifizierten Störfrequenzen herum eingesetzt werden.

Statt mehrerer Bandsperren lassen sich auch andere Filter verwenden, deren Charakteristik die Vielfachen einer Grundstörfrequenz unterdrücken.

Zur Filterung können beispielsweise Butterworthfilter 10. Ordnung oder höherer Ordnung verwendet werden. Butterworth- filter besitzen eine geringe Welligkeit im Frequenzgang, müssen 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 Störfrequenz nicht unterdrücken.

Alle Kanäle des EEG werden gleichzeitig durch ein gleiches Filter gefiltert.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Filterung, wobei das obere Diagramm das ungefilterte EEG-Signal und das untere Diagramm das gefilterte EEG-Signal zeigt. Der durch die Filterung bewirkte Effekt ist augenfällig.

Freilich können prinzipiell auch Butterworthfilter mit geringerer Ordnung eingesetzt werden, jedoch erhält man bei höhe- rer Ordnung der Filter im allgemeinen bessere Ergebnisse.

Statt Butterworthfilter können auch Fourier-Filter verwendet werden .

Die Beseitigung der Störfrequenzen kann auch direkt im

Fourier-Spektrum des Signal erfolgen. Dazu wird das Spektrum - 12 -

der Aufnahmesequenz zuvor genau bestimmt. Die störenden Frequenzen können direkt und mit einer Genauigkeit, die proportional zur Länge des Fourier-transformierten Signals ist, im Fourier-Spektrum beseitigt werden. Durch eine Rücktransforma- tion erhält man das Signal ohne Störanteile.

Bei Online-Signalverarbeitung ist der Einsatz von Filtern günstiger. Bei der Signalnachbearbeitung, wo es auf eine zeitliche Verzögerung nicht ankommt, ist die letztere Mög- lichkeit der Beseitigung der Störfrequenzen im Fourier-Spektrum wegen der noch besseren Filterqualität günstiger.

Der durch die Pulsartefakte begründete Störfaktor wird durch getriggerte Subtraktion 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 Artefakts wird durch eine Mittelung bestimmt.

Dies beruht darauf, daß das EEG-Signal ein nicht determiniertes stationäres Signal ist. Es setzt sich aus vielen harmonischen Schwingungen zusammen, deren Leistungsanteile sich unperiodisch und durch die jeweilige Situation beeinflußt verändern ( nichtdeterminiert ) , die Gesamtleistung bleibt aber größtenteils konstant (stationär). Wegen dieser Nichtdeterminiertheit reduziert sich bei n Mittelungen der Pulsartefakte der Einfluß des EEG auf den Wellenzug

mit dem Faktor 1 FΓ

Bei der Mittelung ist wichtig, daß die einzelnen Wellenzüge zeitgenau addiert werden. Da die Pulsartefakte in Amplitude - 13 -

und Frequenz dem EEG ähnlich sind, kann der genaue Zeitpunkt des Ereignisses nicht aus der Überlagerung beider Signale bestimmt werden. Es muß daher ein zweiter Kanal verwendet werden, 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 ge ittelt 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 stärkt 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.

Dadurch werden bei der anschließenden Subtraktion keine Stufen erzeugt. Den Bereichen, die zur Mittelung herangezogen wurden, wird anschließend der gemittelte Wellenzug abgezogen und das EEG-Signal bleibt zurück. Alpha-Aktivitäten und andere EEG-Formen können wieder klar erkannt werden, was vor der Subtraktion nicht möglich war.

Praktisch erfolgt die pulsgetriggerte Subtraktion von Pulsartefakten in zwei Arbeitsschritten , nämlich einer Eichroutine und einer Online-Subtraktion.

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- - 14 -

schließend entscheiden, für welche Kanäle (je nach Störeinfluß von Pulsartefakten der pulssynchrone Anteil ermittelt und später online subtrahiert werden soll.

Das Triggerereignis ist der Signalanstieg in dem parallel zum EKG aufgezeichneten EKG-Signal bei der R-Zacke. Der Durchschnitt (D) und das Maximum (M) der über die Periode von 30 Sekunden aufgezeichneten EKG-Signale werden ermittelt. Anschließend 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.

Die Ermittlung des pulssynchronen Störanteils im EEG erfolgt nun dadurch, daß der minimale zeitliche Abstand zweier Triggersignale (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.

In jedem vom Anwender gewählten EEG-Kanal werden die Pulsabschnitte der Länge L von jedem Triggerereignis (E) an mit einer Kohärenzanalyse untereinander verglichen. Überschreitet die Varianz einen bestimmten Wert, muß die Eichroutine wiederholt werden. Ansonsten werden die Pulsabschnitte addiert und durch die Anzahl der ermittelten E geteilt. Der gemittelte Pulsabschnitt wird mit einer Fensterfunktion gefaltet. Das so ermittelte Störsignal (P) wird für die spätere Online- Subtraktion verwendet.

Der Ablauf der Eichroutine ist aus dem nachstehenden Flußdiagramm nochmals deutlich ersichtlich: - 15

Eichroutine

30 s EEG und EKG weiden aufgezeichnet

1

Bestimmen der Tnggersch eile aus dem EKG

Suche der Tπggerzeitpunkte

Verw erfen des ersten und letzten Tπggerzeitpunktes

1

Ermittlung des minimalen zeitlichen Abstandes z eier Trigger

KoharenzanaK se dei Storsignale

Mittelung der Pulse

Faltung mit Fensterfuπktion

Nunmehr erfolgt die Oneline-Subtraktion der Pulsartefakte .

Sobald die Oneline-Subtraktion nach der Eichroutine gestattet wird, entsteht jeweils dann ein Triggersignal, wenn der Signalwert 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 Datenpunkt für Datenpunkt subtrahiert und man erhält das bereinigte EEG-Signal. - 16 -

Statt mittels einer separat und vor der eigentlichen Messung durchgeführten Eichroutine können die EKG-synchronen Pulsar- tefakte auch im Wege einer laufenden Eichung ermittelt werden. Dazu werden während der laufenden Messung die jeweils letzten 10 bis 20 Pulsartefakte mittels EKG-Trigger gemittelt und von dem dann folgenden Pulεartefakt subtrahiert. Der Bereich, der zur Mittelung verwendet wird, wandert so über das EEG-Signal mit und ergibt somit stets die aktuelle Form des Artefakts.

Bei diesem Verfahren zur EKG-synchronen Ermittlung der Pulsartefakte ist natürlich die Länge L der Pulsabschnitte variabel .

Diese letztere Möglichkeit der Ermittlung der Pulsartefakte gleicht sich auch selbsttätig an etwaige Veränderungen der Herzfrequenz an und erreicht dadurch eine höhere Genauigkeit. Statt der Durchführung eines separaten Eichroutine-Verfahrens vor Beginn der Messung kann bei der laufenden Pulsartefakt- Ermittlung nach der letztgenannten Methode bei Beginn der Messung auch mit einem Vorlauf über eine Periode von 10 bis 20 Pulsschlägen gearbeitet werden, über welche diese erfaßt werden, bevor der eigentliche Meßvorgang beginnt, um dann sogleich bei der Messung die Online-Subtraktion der Pulsarte- fakte vom EEG-Signal vornehmen zu können.

Es kann auch eine Variation des Pulsartefakts mit der Schlagfrequenz des Herzens berücksichtigt werden. Die Zeit des Blutausstosses des Herzens ist durch eine Formel mit der Schlagfrequenz verknüpft. Die Schlagfrequenz des Herzens wird über den R-Zacken-Abstand im EKG ermittelt. Streckt oder staucht man die Pulsartefakte mittels Interpolation anhand dieser Formel vor der Mittelung, läßt sich eine zeitliche Verschmierung des Artefakts vermeiden. Zur Subtraktion von EEG-Signal wird das gemittelte Artefakt wieder auf die entsprechende Länge interpoliert. - 17 -

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Reduzierung von Pulsartefakten. Dabei zeigt

- das Diagramm a) das EEG Signal mit überlagerten Pulsarte- fakten,

- das Diagramm b) ein im MRT abgeleitetes EKG,

- das Diagramm c) den zu subtrahierenden Störsignalanteil, und

- das Diagramm d) das reine EEG-Signal nach Eliminierung der Pulsartefakte.

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 bzw. Filterfunktionen nach Maßgabe der vorstehenden Beschreibung programmieren. Da die Ursachen und die Zusammenhänge aufgezeigt sind, kann auch bei der Wahl eine Sequenz zur Bildgebung auf die EEG-Ableitung Rücksicht genommen werden. Damit ist das EEG auch während der langen Datenerfassungszeiten des MRT sofort auswertbar.

Auch die Ursachen der Pulsartefakte sind aufgezeigt. Diese entstehen durch Ionentrennung des pulsierenden Bluts im Hochmagnetfeld 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- seifigen. Mit der erfindungsgemäß aufgezeigten pulsgetrigger- ten Subtraktion wird eine wirkungsvolle und zuverlässige Methode angeboten, die Pulsartefakte zu eliminieren. Dadurch erlangt das EEG im MRT wieder diagnostische Qualität. - 18 -

Was die Filterung der abgeleiteten EEG-Signale im MRT betrifft, braucht die beschriebene aufwendige digitale Verarbeitung zur Beseitigung der Störungen durch den MRT Betrieb nur dann stattzufinden, wenn der MRT auch tatsächlich in Be- trieb ist. Im nicht messenden MRT stellen, wie eingangs erläutert, lediglich die Pulsartefakte Störungen dar, die sich aufgrund des auch im nicht messenden MRT herrschenden statischen Hochmagnetfeld erheblich auswirken.

Die Anordnung kann also so getroffen werden, daß die digitale Filterung des EEG-Signals nur erfolgt, während der MRT sich im Meßbetrieb befindet, also die MRT-Funktionen mit dem geschalteten Feldgradienten usw. ein Störspektrum erzeugen. Dies kann im Rahmen der Signalauswertung selbsttätig erfol- gen, indem das EEG-Signal entsprechend ausgewertet wird, um den Zeitbereich der Störung durch die Aktivität des Kernspintomographen zu erkennen, oder es kann der Zeitraum, während welchem der Kernspintomograph aktiv ist, auch durch einen externen Trigger bei der EEG-AufZeichnung bestimmt wer- den. Damit kann die EEG-Signalfilterung selbsttätig zu- und abgeschaltet werden.

Da die digitale Filterung des EEG-Signals zur Beseitigung der durch den MRT-Betrieb bedingten Störungen das EEG-Signal natürlich schwächt, kann durch entsprechende Verstärkungsregelung oder dgl. dafür gesorgt werden, daß nach einer Bearbeitung des EEG-Signals durch Filterung in dem betreffenden Zeitraum oder Fourier-Raum der Energieinhalt des bearbeiteten EEG-Signals wieder an den Energieinhalt eines ungestörten und unbearbeiteten EEG-Signals angepaßt wird. Das EEG-Signal wird also in diesem Zeitraum oder Fourier-Raum um einen entsprechenden Faktor angehoben. Auch diese Verstärkungsregelung kann in gleicher Weise automatisch bewerkstelligt werden. Man erreicht damit, daß ein über inaktive und aktive Zeiträume des MRT durchlaufend abgeleitetes EEG-Signal erscheint, das von Störungen gereinigt ist und ohne Intensitätssprünge kontinuierlich verläuft.

Claims

- 19 -Patentansprüche

1. Verfahren zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomographen, in welchem ein statisches Hochmagnetfeld zum Ausrichten der Kernspins erzeugt wird und im Bildgebungs- betrieb weiter ein zirkulär polarisiertes Wechselfeld im Radiofrequenzbereich zum Anregen der Kernspins sowie drei geschaltete magnetische Gradientenfelder für die Ortskodierung des Kernresonanzsignals in den drei Raumrichtungen erzeugt werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die über die EEG-Ableitelektroden vom Kopf des Patienten innerhalb der Kemspintomographenröhre abgeleiteten EEG-Signale zur Eliminierung der im aktiven Kernspintomographen durch die geschalteten Feldgradienten aufgeprägten Störungen einer Spektralanalyse und einer Filterung im Wege digitaler Signalverarbeitung unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung der EEG-Signale in einem Tiefpaßfilter geringer

Welligkeit und höherer Ordnung, beispielsweise einem Butter- worth-Filter , erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur

Filterung der EEG-Signale digitale Bandsperren oder digitale

Filter verwendet werden, die aufgrund ihrer Charakteristik die Vielfachen einer Frequenz unterdrücken, um die anhand der

Spektralanalyse ermittelten Störfrequenzbereiche auszublenden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filterung der EEG-Signale digitale Fourier-Filter verwendet werden, um die Beseitigung der Störfrequenzen direkt im Fourier-Spektrum des Signals zu bewirken.

5. Verfahren zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomographen, in welchem ein statisches Hochmagnetfeld zum Ausrichten der Kernspins erzeugt wird und im Bildgebungs- betrieb weiter ein zirkulär polarisiertes Wechselfeld im Radiofrequenzbereich zum Anregen der Kernspins sowie drei geschaltete magnetische Gradientenfelder für die Ortskodierung des Kernresonanzsignals in den drei Raumrichtungen erzeugt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) parallel zu den EEG-Signalen ein EKG-Signal als Triggersignal aufgezeichnet wird,

b) aus dem EKG-Signal ein periodisch auftretendes, zeitlich scharfes Signalelement als Triggerereignis ausgewählt wird,

c) eine dem minimalen zeitlichen Abstand zwischen aufeinan- derfolgenden Triggerereignissen entsprechende Zeitlänge L bestimmt wird,

d) in jedem vom Anwender gewählten EEG-Kanal EEG-Signalab- schnitte der Zeitlänge L von jedem Triggerereignis an mit einer Kohärenzanalyse untereinander verglichen werden und ein gemitteltes Pulsartefakt-Störsignal ermittelt wird,

e) das erhaltene gemittelte Pulsartefakt-Störsignal im Wege der Oneline-Subtraktion von jedem Triggerereignis an in jedem gewählten EEG-Kanal-Signal über die Zeitlänge L subtrahiert wird, um ein Pulsartefakt-bereinigtes EEG- Signal zu erhalten. - 21 -

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Triggerereignis der Signalanstieg der R-Zacke im EKG-Signal gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Triggerereignis dadurch bestimmt wird, daß aus den über eine gewisse Zeitperiode aufgezeichneten EKG-Signalen Durchschnitt und Maximum der Amplitude ermittelt und sodann der Mittelwert aus dem Maximum und den Durchschnitt berechnet und der Mittelwert der Amplitude als Triggerereignis gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) entweder im Wege eines gesonderten Eichroutine-Verfahrens vor Beginn der EEG-Ableitung oder laufend während der EEG-Ableitung aus dem parallel aufgezeichneten EKG-Signal und jeweils einer bestimmten Anzahl der letzten Triggerereignisse ausgeführt wird.

9. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Kernspintomographen mit Mitteln zum Erzeugen eines statischen Hochmagnetfelds innerhalb einer Tomographenröhre (1), einer HF-Kopfspule (3) zur Erzeugung eines Hochfrequenz- Wechselfelds zur Anregung der Kernspins und Spulen zur Erzeugung geschalteter Gradientenfelder für die drei Raumkoor- dinaten zur Ortskodierung der Kernresonanzsignale, weiter mit EEG-Ableitelektroden (4), einem innerhalb der Tomographenröhre (1) angeordneten EEG-Verstärker (5), und außerhalb des geschirmten Tomographenraums befindlichen Signalverarbeitungseinrichtungen (7, 8, 9), die über einem Lichtleiter (6)mit dem EEG-Verstärker verbunden sind, gekennzeichnet durch einen Tiefpaß am Eingang des EEG-Verstärkers (5), dessen Grenzfrequenz unter der halben EEG-Abtastrate liegt, und durch ein Butterworth-Filter mindestens zehnter Ordnung, durch das alle EEG-Signalkanäle geführt sind.

10. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Kernspintomographen mit Mitteln zum Erzeugen eines statischen Hochmagnetfelds innerhalb einer Tomographen- - 22 -

röhre (1), einer HF-Kopfspule (3) zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Wechselfelds zur Anregung der Kernspins und Spulen zur Erzeugung geschalteter Gradientenfelder für die drei Raumkoordinaten zur Ortskodierung der Kernresonanzsig- nale, weiter mit EEG-Ableitelektroden (4), einem innerhalb der Tomographenröhre (1) angeordneten EEG-Verstärker (5), und mit außerhalb des geschirmten Tomographenraums befindlichen Signalverarbeitungseinrichtungen (7, 8, 9), die über einen Lichtleiter (6) mit dem EEG-Verstärker verbunden sind, ge- kennzeichnet durch einen Tiefpaß in Verbindung mit digitalen Bandsperren zum Ausblenden der Störfrequenzbereiche zur Filterung des EEG-Signals oder durch ein Filter, dessen Charakteristik die Vielfachen einer Frequenz unterdrückt, zur Ausblendung einer Störgrundfrequenz mit ihren Vielfachen.

11. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Kernspintomographen mit Mitteln zum Erzeugen eines statischen Hochmagnetfelds innerhalb einer Tomographenröhre (1), einer HF-Kopfspule (3) zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Wechselfelds zur Anregung der Kernspins und Spulen zur Erzeugung geschalteter Gradientenfelder für die drei Raumkoordinaten zur Ortskodierung der Kernresonanzsignale, weiter mit EEG-Ableitelektroden (4), einem innerhalb der Tomographenröhre (1) angeordneten EEG-Verstärker (5), und mit außerhalb des geschirmten Tomographenraums befindlichen Signalverarbeitungseinrichtungen (7, 8, 9), die über einen Lichtleiter (6) mit dem EEG-Verstärker verbunden sind, gekennzeichnet durch ein Fourier-Filter zur Beseitigung der Störfrequenzen im Fourier-Spektrum des EEG-Signals.

12. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Anprüche 5 bis 8, mit einem Kernspintomographen mit Mitteln zum Erzeugen eines statischen Hochmagnetfelds innerhalb einer Tomographenröhre (1), einer HF-Kopfspule (3) zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Wechselfelds zur Anregung der Kernspins und Spulen zur Erzeugung geschalteter Gradientenfelder für die drei Raumkoordinaten zur Ortskodierung der Kernresonanzsignale, weiter mit EEG-Ableitelektroden (4), einem innerhalb - 23 -

der Tomographenröhre (1) angeordneten EEG-Verstärker (5), und mit außerhalb des geschirmten Tomographenraums befindlichen Signalverarbeitungseinrichtungen (7, 8, 9), die über einen Lichtleiter (6) mit dem EEG-Verstärker verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Kanal zur Aufzeichnung eines EKG-Signals vorgesehen ist und eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zur Ausführung der Verfahrensmaßnahmen b) bis e) vorgesehen ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung des EEG-Signals jeweils nur während derjenigen Zeiträume erfolgt, während welcher der Kernspintomograph aktiv ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiträume aktiven Kernspintomographenbetriebs automatisch durch entsprechende Beobachtung und Auswertung des abgeleiteten EEG-Signals oder mittels eines externen Triggers erfaßt werden und Beginn und Ende der Filterung des EEG-Signals je- weils automatisch geschaltet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkungsregelung des abgeleiteten EEG-Signals in der Weise erfolgt, daß der durch den Filtervorgang geschwächte Energieinhalt des gefilterten EEG-Signals durch Wiederanheben an den Energieinhalt eines bei inaktivem Kernspintomographen abgeleiteten ungestörten und ungefilterten EEG-Signals angepaßt wird.