FI98337C - Menetelmä ja laite aivojen herätevasteiden ja spontaanitoiminnan sekä sydämestä mitattujen signaalien eri komponenttien erottelemiseksi toisistaan - Google Patents

Description

98337

Menetelmä ja laite aivojen herätevasteiden ja spontaanitoiminnan sekä sydämestä mitattujen signaalien eri komponenttien erottelemiseksi toisistaan

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetel-5 mä sähköisten ja magneettisten herätevasteiden, aivojen spontaanitoiminnan sekä sydämestä mitattujen signaalien eri lähteistä peräisin olevien komponenttien erottelemiseksi toisistaan vähentämällä joidenkin tai kaikkien mittauskanavien signaaleista joidenkin tai kaikkien mittauskanavien signaaleista muodostettuja lineaarikombinaatioita.

10

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 9 johdannon mukainen laite.

Elimistön toimintaa voidaan tutkia mittaamalla sähkökenttää E ja magneetti- 15 kenttää B. Sähkökenttää mitataan yleensä kiinnittämällä iholle elektrodeja, joiden välisiä potentiaalieroja mitataan. Magneettikenttää mitataan yleensä suprajohtavilla SQUID-magnetometreillä. Aivojen sähkökenttien mittaamista aivojen ulkopuolelta kutsutaan usein elektroenkefalografiaksi eli EEG:ksi, aivojen magneettikenttien mittaamista MEG:ksi sekä sydämen synnyttämien 20 sähkökenttien mittaamista elektrokardiografiaksi eli EKG:ksi ja sydämen magneettikenttien mittaamista magnetokardiografiaksi eli MKG:ksi [Kts.

esim. J. Nenonen and T. Katila, "Noninvasive Functional Localization by V I Biomagnetic Methods", J. Clin. Eng. 16, 423-434 ja 495-503 (1991)].

• ·« *./ Sekä sähköisissä että magneettisissa mittauksissa mittaussignaali on pai- 25 notettu summa kudoksessa esiintyvästä aktiivisesta virrasta, jota kutsutaan primäärivirraksi fir.t). Jos yhden mittauskanavan (indeksi i) ulostuloa merki- • · ·:·. tään symbolilla X,, voidaan kirjoittaa: X,(t) =fv L^SirAdv + ntf). (1) 30 98337 2 missä integrointi suoritetaan vähintään lähdealueen eli primäärivirta-alueen yli ja missä mittauskanavan i herkkyysfunktio primäärivirtatiheydelle pisteessä r on Lj(r). Tätä herkkyysfunktiota kutsutaan usein mittauskanavan kytkentäkentäksi, sillä se ilmoittaa, millä painolla primäärivirtajakauma kytkeytyy 5 kyseiseen mittaussignaaliin. Kaavassa (1) oleva termi n,(t) edustaa kohinan vaikutusta kanavan / ulostuloon. Eri kanavien signaalit muodostavat ajasta riippuvan signaalivektorin X(t) = (X,U), X2(t),..., X„(t))\ (2) 10 missä N on kanavien lukumäärä ja T tarkoittaa transpoosia. Signaalivektorin voidaan ajatella olevan avaruudessa, jossa kutakin mittauskanavaa vastaa yksi dimensio ja kantavektori. Tätä avaruutta kutsutaan signaaliavaruudeksi. Tyypillisesti mittauskanavia tämän keksinnön kohteena olevissa EEG-mittauk-sissa on 16-128 kappaletta, MEG-mittauksissa 19-122, sekä MKG-mittauk-15 sissa samaa suuruusluokkaa, joskin kanavien lukumäärät kasvavat teknologian kehittyessä.

Usein tutkijaa kiinnostava primäärivirtajakauma koostuu joukosta erillisiä komponentteja, jotka syntyvät eri paikoissa olevista primäärivirtatihentymis-20 tä. Komponentilla tässä tarkoitetaan lähdettä, joka pysyy yhdessä paikassa ja saman suuntaisena, mutta jonka amplitudi muuttuu ajan funktiona. Komponentti ilmentyy samanlaisena aikakäyttäytymisenä kaikissa mittaus- • · · ·· · kanavissa, mutta eri kanavissa eri painokertoimilla riippuen siitä, miten kukin • · • · · '·'* kanava on kytkeytynyt ko. lähdekomponenttiin kaavan (1) mukaisesti, ts.

• · · 25 sen mukaan, millainen on kanavan kytkentäkenttä eli herkkyysfunktio £,(/) .. . siinä paikassa, missä lähde on. Kun nämä komponentit ovat ajallisesti pääl- • · · • · lekkäisiä ja summautuvat toisiinsa eri mittauskanavissa, on mittaustulosten • · · • · · perusteella usein vaikea päätellä sitä, missä paikassa kukin komponentti on • · • · · ’· syntynyt tai edes sitä, kuinka monta ja millaista komponenttia mitatuissa 30 signaaleissa on. Vaikeus johtuu siitä, että useat eri lähteet summautuvat kaavan (1) mukaisesti eri mittauskanaviin eikä mittaustuloksista ole täten helppoa nähdä eri komponenttien osuutta kokonaisvasteesta.

98337 3

Ennestään tunnetusti voidaan monta komponenttia sisältävä vaste tulkita siten, että haetaan esimerkiksi iteratiivisesti sellainen alkeisprimäärivirtakuvi-oiden joukko, jotka selittävät mittaustulokset. Vaikeutena tällaisessa lähestymistavassa on usein se, että iteraatioprosessi ajautuu paikalliseen minimiin ja 5 saadaan väärä tulos.

Keksinnön kohteena olevalla menetelmällä ja laitteella käyttäjä valitsee graafisesti esitetystä monikanavaisesta signaalista ajanhetken, aikavälin, taajuuden tai taajuusvälin, jota vastaavan signaalin hän uskoo aiheutuvan vain 10 yhdestä tai muutamasta lähdekomponentista. Jos valittu ajanhetki on tu muodostetaan signaalivektori X„ = (Χ,(ί,), X2(t}),..., XN(t^))J, jota seuraavas-sa kutsutaan templaattivektoriksi. Jos valitaankin aikaväli, tv..t2, muodostetaan templaattivektori X, aikavälin päätepisteiden signaaliarvojen erotuksista:

Xs = X2(t2)—X2(ti),..., XN(t2)-XN{t,))\ Jos taas valitaan taa- 15 juus tai taajuuskaista, suodatetaan signaali kaistanpäästösuodattimella, joka on keskittynyt valitun yksittäistaajuuden ympärille tai käsittää valitun taajuuskaistan; templaattivektori muodostetaan näin suodatetun signaalin yhdestä ajanhetkestä tai suoraan Fourier-komponenteista. Xs voidaan muodostaa myös yhdistämällä taajuuden ja ajan eri komponenttien valintoja. Voidaan 20 esim. ensin suodattaa signaalit kaistanpäästösuodattimella ja sen jälkeen valita jokin aikaväli, jonka signaaleista otetaan keskiarvo Xs:n valitsemiseksi.

• · .·, : Valittua templaattivektoria X, vastaa kaavan (1) mukaisesti tietty lähdevirta- • · jakauma Jp[r), joka sen on synnyttänyt: 25 Λ*; X„· = fvLM)*Jsplr)dv. (3) • « · • P · .» · : Tässä on yksinkertaisuuden vuoksi jätetty kohinatermi pois. J,p[r) on yleensä • · tuntematon, mutta keksinnön mukaisessa ratkaisussa sitä ei tarvitsekaan 30 tuntea. Oleellista on se, että jos virtajakauman Jp(r) amplitudi muuttuu jakauman muodon muuttumatta, muuttuu vastaava signaalivektori samassa suhteessa amplitudiltaan, mutta ei suunnaltaan. Tämä antaa mahdollisuuden 98337 4 keksinnön mukaisen projektiömenetelmän käyttöön lähdekomponenttien erottelemiseksi kuten seuraavasta käy ilmi. Todettakoon, että vektorien projisointi ja lineaarikombinaatioiden vähentäminen monikanavaisista signaaleista on ennestään tunnettua [Esim. saksalainen patenttihakemus Klaus 5 Abraham-Fuchs et ai., DE 41 18 126A1].

Projisoidaan alkuperäinen signaali X,:n suuntaiselle yksikkövektorille, jolloin saadaan projisoitu vektori Xp: 10 XPM = X(f) · X,/ ! jX.ll, missä ! |X,| | on Xe:n normi ja X(f) · X, = Σ; Xj(f)Xei on X(f):n ja Xe:n pistetulo ja | jXJ j2 = X, · Xs. Projisoitu vektori Xp(f) ja jäljelle jäänyt signaalin osa X'(f) = X(f) — Xp(r) muodostavat nyt alkuperäisen signaalin hajotelman, 15 jonka jälkimmäisen osa X'(t} ei enää sisällä J„p(r):n eikä sen amplitudimuu-tosten vaikutusta. Valitun templaattivektorin synnyttäneen virtakuvion vaikutus on siis suodatettu pois alkuperäisestä signaalista kaikilla ajan hetkillä tuloksen ollessa X'(f). Jäljempänä X'(f):tä kutsutaan myös suodatetuksi signaaliksi.

20

Mainittu toimenpide voidaan toistaa X'(f):lle niin monta kertaa kuin halutaan.

Joka kerta saadaan signaalista erotettua aina haluttu uusi komponentti.

• · ♦ « · * *« .·:·] Mikäli mittaussignaalit ovat kohinaisia, on templaattivektori kohinan vääristä- • * · 25 mä. Tästä johtuen suodatettu signaali X'(f) on myöskin vääristynyt siten, että siitä on vähennetty myös jonkin verran sellaisia komponentteja, joita ei olisi vähennetty, jos kohinaa ei olisi ollut. Tämän haitallisen ilmiön lieventä- . miseksi on edullista vähennettäessä painottaa projisoitua vektoria Xp(f) teki- • · jällä, joka on Xp(i):n signaali—kohinasuhteen monotoninen funktio, toisin 30 sanoen mikäli signaali—kohinasuhde on pieni ja täten Xp(f) suuresti kohinan vääristämä, vähennetään Xp(f) ykköstä pienemmällä painokertoimella painotettuna.

Il 98337 5 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteelle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on 5 esitetty patenttivaatimuksen 9 tunnusmerkkiosassa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla kuvioon 1, joka esittää kaaviokuvaa yhdestä keksinnön mukaisesta laitteistosta.

10 Kuviosta 1 näkyy eräs keksinnön mukainen laitekokonaisuus, joskaan keksintö ei rajoitu tämän esimerkin sovellutuksiin. Koehenkilölle P esitetään valoärsyke 1, joka aiheuttaa aivoihin sähköisen aktiviteetin 2. Tätä aktiviteettia mitataan magneettisesti SQUID-antureilla 3, jotka on sijoitettu jäähdy-tysastiana käytettävään dewariin 4. SQUID-antureiden signaalit vahvistetaan 15 vahvistimilla 5 ja johdetaan tiedonkeruulaitteeseen 6. Aktiviteettia mitataan sähköisesti elektrodeilla 7, joista saadut signaalit vahvistetaan vahvistimilla 8, joista ne edelleen johdetaan tiedonkeruulaitteeseen 6. Tie-donkeruulaitteesta signaalit saadaan laskentalaitteelle tai tietokoneelle 9, joka ohjaa grafiikkanäyttöä 10, jolla signaalit esitetään käyttäjälle. Tietoko-20 neelle yhdistetyllä ohjauslaitteella 11, joka voi olla esim. näppäimistö tai hiiri, valitaan näytettyjen signaalien jonkin selvästi erottuvan piirteen perusteella . .·, jokin ajanhetki, aikaväli tai taajuuskaista, jonka perusteella laskentalaite t « '· * . ·. : muodostaa templaattivektorin, projisoidun signaalin ja suodatetun signaalin.

• * * · · » · · • · · < 25 Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnölli-sen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja * 4 Γ: poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä suoritusmuodosta.

♦ t · • ·

Claims (10)

98337

1. Menetelmä sähköisten ja magneettisten herätevasteiden, aivojen spontaani-toiminnan sekä sydämestä mitattujen signaalien eri lähteistä peräisin olevien 5 komponenttien erottelemiseksi toisistaan vähentämällä eri mittauskanavien signaaleista joidenkin tai kaikkien mittauskanavien signaaleista muodostettuja line-aarikombinaatioita, tunnettu siitä, että i) vastaanotetaan käyttäjän määrittelemä, mitattua signaalia koskeva aika tai aikaväli, taajuus tai taa-juusväli taikka näiden kombinaatio tai laitteeseen on ohjelmoitu automaattinen 10 valinta-algoritmi tähän tarkoitukseen, il) muodostetaan templaattivektori valitun ajanhetken signaaliarvoista tai aikavälin signaaliarvojen muutoksista tai valitun taajuuden tai taajuusvälin taajuuskomponenteista, iii) projisoidaan alkuperäinen monikanavainen signaali näin muodostetun templaattivektorin suuntaiselle yk-sikkövektorille, jolloin projektiona saadaan alkuperäisestä signaalista eroteltu 15 komponentti ajan funktiona eri kanavilla, iv) vähennetään mainittu projektio alkuperäisistä signaaleista, jolloin jäljelle jäävissä signaaleissa ei enää esiinny valinnan perusteella muodostetun templaattivektorin aiheuttaneen lähdejakauman aiheuttamaa signaalia. . 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että taajuuskaistan, aikavälin tai ajanhetken valintaa varten esitetään käyttäjälle : signaalit tai osa niistä graafisesti tietokoneen (9) näytöllä (10), joka tietokone tai • I * ; laskentalaite on varustettu näppäimillä ja/tai osoittimella (11), jolla voidaan sig- • «I • « naalista valita tietty aikaväli. • · · 25

: : ; 3. Jonkin patenttivaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, t u n - :T. n e t t u siitä, että taajuuskaistan, aikavälin tai ajanhetken valinnan suorit- .·’ ; taa tietokoneelle ohjelmoitu algoritmi. • · · ; 30 98357

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että templaattivektori valitaan eri aikana tai eri kokeessa mitatusta monikanavaisesta signaalista.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että alkuperäisestä signaalista ei vähennetä valitun signaa-livektorin suunnalle laskettua komponenttia kokonaisuudessaan vaan ykköstä pienemmällä painokertoimella, joka on valitun templaattivektorin määräämisessä saavutetun signaalikohinasuhteen monotonisesti kasvava funktio. 10

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalin vähennyksessä käytetään painokerrointa, joka on ajan tai taajuuden funktio. 1 5

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että patenttivaatimuksen 1 kohtien i-iv mukaiset toimenpiteet suoritetaan eri ajanhetkille, aikaväleille, taajuuksille ja taajuusväleille tai niiden kombinaatioille niin monta kertaa kuin käyttäjä haluaa. < « ...20

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että templaattivektori valitaan näyttölaitteella (10) näky- • ;': vistä, häiriöistä johtuvista signaalikomponenteista, esimerkiksi aivomittauksissa • · · · silmän liikkeistä tai sydämen sähköisestä toiminnasta tahi ulkoisista häiriöistä. • · • · · • · · • ·

9. Laite sähköisten ja magneettisten herätevasteiden, aivojen spontaanitoimin- : nan sekä sydämestä mitattujen signaalien eri lähteistä peräisin olevien kom- • · · v · ponenttien erottelemiseksi toisistaan vähentämällä eri mittauskanavien signaa-leista joidenkin tai kaikkien mittauskanavien signaaleista muodostettuja lineaari-kombinaatioita, tunnettu siitä, että laite käsittää elimet i) käyt-30 täjän määrittelemän, mitattua signaalia koskevan ajan tai aikavälin, taajuuden « «· tai taajuusvälin taikka näiden kombinaation vastaanottamiseksi tai laitteeseen on ohjelmoitu automaattinen valinta-algoritmi tähän tarkoitukseen, ii) templaatti- 98337 vektorin muodostamiseksi valitun ajanhetken signaaliarvoista tai aikavälin signaaliarvojen muutoksista tai valitun taajuuden tai taajuusvälin taajuuskom-ponenteista, iii) alkuperäisen monikanavaisen signaalin projisoimiseksi näin muodostetun templaattivektorin suuntaiselle yksikkövektorille, jolloin projektiona 5 saadaan alkuperäisestä signaalista eroteltu komponentti ajan funktiona eri kanavilla, iv) mainitun projektion vähentämiseksi alkuperäisistä signaaleista, jolloin jäljelle jäävissä signaaleissa ei enää esiinny valinnan perusteella muodostetun, templaattivektorin aiheuttaneen lähdejakauman aiheuttamaa signaalia.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että näyttölaite (10) käsittää elimet alkuperäisestä signaalivektorista projisoidun vektorin komponenttien sekä projektiovektorin vähentämisen jälkeen jäävien sig-naalivektorin komponenttien esittämiseksi graafisesti ajan funktiona. • I c • ·« · • · • 1 · « · · « · · » « · « · · • · • . 1 * c · « · • · · • ·♦ 98337