WO1999053836A1 - Method and device for diverting an electroencephalogram in a nuclear spin tomograph - Google Patents

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    • A61B5/7207Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal of noise induced by motion artifacts

Definitions

  • EEG electroencephalogram
  • the functional imaging with the MRT provides an unsurpassed spatial resolution of the active regions of the brain, but has the disadvantage that the imaging takes place with a time delay and therefore fast processes in the brain can only be insufficiently examined. This is also due to the fact that the processes to which MRI imaging responds, namely the blood flow to active regions in the brain occur with a time delay when activated.
  • the EEG provides a real-time signal with which even fast processes can be detected instantaneously, but the spatial resolution, especially the resolution of the depth of origin, is clear compared to the spatial resolution achieved with the MRT due to the signal derivation with surface electrodes limited.
  • the EEG also enables functional examinations in which evoked potentials can be recorded, that is, response potentials to a generated external stimulus (e.g. a noise).
  • the MRT uses a static magnetic field to align the nuclear spins, a circularly polarized alternating field in the radio frequency range to excite the nuclear spins, and finally three switched magnetic gradient fields for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signal in all spatial directions.
  • the static high magnetic field is also present when the MRI is inactive.
  • the EEG arises from voltage fluctuations in the range of 50 microvolts on the head surface, which are generated by the synchronous activity of many nerve cells in the cerebral cortex. These are derived and fed to an amplifier. Because of the extremely small size of these EEG signals, they are of course extremely sensitive to external interference fields.
  • the MRI can only work in a perfect Faraday's cage, which in no case may be injured by electrical cables passed through it. For this reason, all signals from the EEG amplifier are transmitted from the shielded room through light guides and not via electrical cables.
  • the electrodes for deriving the EEG must not contain any ferro- or diamagnetic substances so that they do not interfere with the homogeneous magnetic field in the MRI. But even eddy currents, which are induced by the switched gradient fields of the MRT in electrically conductive surfaces, i.e.
  • EEG electrodes already generate an opposing field, which also disturbs the homogeneous field and leads to artifacts in the data line of the corresponding gradient.
  • the derivation of an EEG in MRI has so far been unsatisfactory even in inactive MRI. This is due to the fact that the static high magnetic field is also present in the inactive MRT and the pulsating blood currents generate interference signals which superimpose and disrupt the EEG signals. These disorders are known as pulse artifacts. These can initially occur in the form of movement artifacts, since the pulsating blood flow triggers corresponding pulsating head movements of the patient in the MRI, which can be expressed in a slight pulse-synchronous nod.
  • the object of the invention is therefore on the one hand to create a possibility to eliminate the interference of the measuring MRI on the quality of an EEG if possible, and on the other hand to eliminate the influence of pulse artifacts on an EEG if possible, in order to thereby use MRI and EEG simultaneously to bring and to be able to derive an EEG of diagnostic quality even in inactive MRI.
  • Severe and often occurring epilepsy are often focal - 4 -
  • an epileptic seizure announces itself early on in the EEG, the importance of the derivation of a diagnostically usable EEG in the inactive MRT becomes clear.
  • An EEG derived in the still inactive MRI can be used to precisely determine the onset of an epileptic seizure and then switch on the imaging by means of the MRI, in order to then determine the epileptic focus with great precision during the epileptic seizure by means of combined measurement with MRI and EEG and thus the basis for to be able to win the exact surgical treatment.
  • pulse artifacts superimposed on the EEG signal on the other hand, the beginning of an epileptic seizure would not be recognizable from the EEG signal.
  • brain research In brain processes, for example in thinking processes, in response to any external stimuli of the sensory organs etc., the activated brain regions are supplied with blood considerably more. With the EEG, the processes taking place in the brain can be recorded and localized approximately; With MRI, the areas of increased blood flow can be localized very precisely with high spatial resolution. A combined use of MRI and EEG can provide detailed information about brain areas responsible for certain functions and processes.
  • the invention achieves the object presented by a method and a device as specified in the patent claims. Accordingly, the invention works by eliminating the interference in the EEG by digital signal processing with spectral analysis and filtering of the EEG signals and with triggered subtraction of the pulse artifacts in order to eliminate them and thereby create an EEG in MRI with diagnostic quality.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the apparatus for deriving an EEG in the MRI
  • FIG. 4 shows a comparison of an unfiltered and a filtered EEG signal from the MRT
  • Fig. 5 signal images that illustrate the reduction of pulse artifacts.
  • the MRI tube 1 shows in a very schematic representation a preferred arrangement for performing the EEG derivation in the MRT.
  • the MRI tube 1 is arranged in a shielded tomography room 2.
  • a static high magnetic field acts in the MRT tube 1, which is indicated by an arrow.
  • the patient's head in the MRT tube is located within an RF head coil 3, via which the high-frequency alternating field is generated to excite the nuclear spins.
  • Further coils in the MRT tube 1, which are not shown for the sake of simplicity of illustration, are used to generate the switched gradient fields for the three spatial coordinates for spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals in the three spatial directions.
  • the lines of the individual EEG lead electrodes 4 on the head surface of the patient are, for example, fixed on the head with a hood and bundled centrally on the head and routed to an EEG amplifier 5 as close as possible to the center of the MRT tube 1. From the EEG amplifier 5, the signals are passed via an optical fiber 6 out of the shielded tomography room to a light receiver 7, which converts the light signals back into electrical signals and feeds them to an EEG recorder 8, to which a PC 9 is connected.
  • the bundling of the cables at the head and the avoidance of conductor loops reduce the area into which the gradients or the magnetic part of the high frequency can couple. If you move the cables away from the edge of the MRT tube, the influence of the switched gradients is less.
  • the EEG amplifier 5 must behave magnetically neutral in the static high magnetic field of the MRT tube 1, ie the field lines must be able to pass the amplifier essentially unchanged and must not be distorted. Therefore, ferro- or diamagnetic substances in the components of the - 7 -
  • the electrodes must not contain any ferromagnetic or diamagnetic substances in order not to disturb the homogeneous magnetic field, because by superimposing a defined inhomogeneous gradient field, the location of the nuclear magnetic resonance is encoded via the changed resonance frequency. Since eddy currents, which are induced by the switched gradient fields in conductive surfaces, also generate an opposing field that disturbs the homogeneous magnetic field, the electrodes are preferably formed from amorphous sintered Ag-AgCl with low electrical conductivity in order to make the formation of eddy currents more difficult.
  • the inputs of the EEG amplifier 5 are very high-resistance due to the use of an FET, so that there is practically no current flow.
  • the FET enables a high resistance with low thermal noise.
  • the potentials derived at the electrodes are amplified accordingly in the EEG amplifier 5 and fed to an A / D converter using the multiplex method, the digital output signal of which is fed into the light guide 6 and fed to the light receiver 7.
  • the one interference factor is the field gradients switched in the active MRT for spatial resolution in the xyz coordinate space, which cause interference signals superimposed on the EEG output signal.
  • the second disruptive factor is pulse artifacts due to the pulsating blood flows in the patient's head, the cause of which was previously unknown. These pulse artifacts have so far largely made the EEG results unusable even in inactive MRI. It has been assumed that these pulse artifacts are actually only movement artifacts caused by ballistocardial movement of the head due to the pulsation of the blood flow in the large arteries. However, it has been shown that even when using artificial handles real Although motion artifacts could be greatly reduced, the pulse artifacts continued to occur.
  • Pulse artifacts are very similar to an alpha activity in the EEG, because this alpha activity lies in the same frequency and amplitude range as a pulse artifact and is only longer pronounced. Therefore, pulse artifacts in the EEG signal cannot be accepted if the EEG derivation is to be informative.
  • the two explained interference factors in the EEG derivation are eliminated by digital signal processing of the derived EEG signals, thereby making the pure, unadulterated EEG signal visible.
  • the disturbances impressed on the EEG signals by the switched field gradients in the active MRT are eliminated by spectral analysis and filtering.
  • the Nyquist theorem states that the maximum visible frequency is determined by half the sampling rate.
  • the EEG sampling rate is, for example, 500 Hz.
  • a harmonic oscillation whose frequency is higher than half the sampling rate reappears as a result of the sampling - 9 -
  • Common gradient shapes are triangles, trapezoids and harmonic vibrations. Since the circuits are periodic, they have a second spectrum. The distance between these peaks is determined by the repetition rate of the individual pulses; the amplitude results from the repeated pulse shape, whereby individual peaks can be without any power component.
  • FIG. 3 shows a spectrum of a trapezoidal gradient that is often used.
  • the share of the EEG is visible in the range from 0 to 40 Hz; the proportion of alpha activity around 12 Hz can be clearly seen.
  • the discrete spectrum consists of multiples of 33.3 Hz; so the individual gradient pulses are repeated periodically at 33.3 Hz.
  • the trapezoidal pulse shape is defined by the amplitudes of the individual peaks.
  • three gradients are switched, the contributions of which add up.
  • the repetition rate should not be below 30 Hz. - 10 -
  • the cutoff frequency of the low pass must be chosen to be relatively low. But that also has its disadvantages. Because although the relevant range of brain waves to be recorded with the EEG is in the frequency range from 0 to 40 Hz, it is not desirable to cut off all higher frequencies by a low pass.
  • the interference frequencies caused by the MRI operation must be determined.
  • the interference frequencies are determined by the sequence and nesting of the program that determines the measurement sequence of the MRI.
  • the program loops for the scanning layers, the image lines and the number of image acquisitions are of particular importance. For example, the above-mentioned frequency of 33 Hz and multiples thereof arise as interference frequencies from the frequency program and from 7 Hz through switching processes within the program. - 11 -
  • the filter problem can therefore be solved by using additional bandstoppers with narrow blocking frequency bands around the respectively identified interference frequencies within the pass band of the low pass.
  • 10th-order or higher-order Butterworth filters can be used for filtering.
  • Butterworth filters have a low ripple in the frequency response, but must be used in a higher order in order to cut the interference as sharply as possible at the limit of the frequency range of the EEG.
  • the filters used in conventional EEG amplifiers are of a low order and cannot suppress the high power of the interference frequency close to the EEG.
  • All channels of the EEG are simultaneously filtered by an identical filter.
  • FIG. 4 shows an example of filtering, the upper diagram showing the unfiltered EEG signal and the lower diagram showing the filtered EEG signal. The effect caused by the filtering is striking.
  • the interfering frequencies can be eliminated directly and with an accuracy that is proportional to the length of the Fourier transformed signal in the Fourier spectrum.
  • the signal is obtained through a reverse transformation without interference.
  • the interference factor based on the pulse artifacts is eliminated by triggered subtraction of the pulse artifacts.
  • the temporal waveform of the artifact is determined by averaging.
  • the EEG signal is an undetermined stationary signal. It is made up of many harmonic vibrations, the power components of which change non-periodically and influenced by the respective situation (not determined), but the overall power remains largely constant (stationary). Because of this indeterminacy, the influence of the EEG on the wave train is reduced with n averaging of the pulse artifacts
  • Movement artifacts differentiate the individual areas. After averaging over a sufficient number of, for example, approximately 15 events, the waveform obtained is then folded using a window function, and thus both the beginning and the end of the pulse artifact are reduced to zero.
  • pulse-triggered subtraction of pulse artifacts takes place in two steps, namely a calibration routine and an online subtraction.
  • EEG signals from all channels and an EKG signal with the patient's eyes open are recorded and displayed for a period of, for example, 30 seconds. It must be filtered with a high pass filter of 0.1 Hz or more. The user can then - 14 -
  • the trigger event is the signal increase in the ECG signal recorded parallel to the ECG at the R wave.
  • the average (D) and maximum (M) of the ECG signals recorded over the period of 30 seconds are determined.
  • the mean (T) is then calculated from the maximum (M) and the average (D) of the ECG section.
  • T is the triggering amplitude of the R wave of the EKG.
  • the ECG is compared with T from the beginning of the 30-second period. As soon as a value is greater than T, this point in time is a trigger event (E). For the next 300 milliseconds, the EKG is not compared to T; then the comparison with T is continued again and the next trigger event is determined. The first and the last determined trigger event are discarded.
  • the pulse-synchronous interference component in the EEG is now determined by calculating the minimum time interval between two trigger signals (E). This time will be reduced by another 10%. This determines the maximum length (L) of the pulse-synchronous interference component that can be subtracted.
  • the pulse sections of length L are compared with each other with a coherence analysis from each trigger event (E). If the variance exceeds a certain value, the calibration routine must be repeated. Otherwise, the pulse sections are added and divided by the number of E determined. The averaged pulse section is folded using a window function. The interference signal (P) determined in this way is used for later online subtraction.
  • a trigger signal is generated whenever the signal value of the EKG exceeds the value T that was determined in the calibration routine. From this point in time, data point by data point is subtracted from each selected EEG channel signal P over the length L and the cleaned EEG signal is obtained.
  • the ECG-synchronous pulse artifacts can also be determined by means of ongoing calibration.
  • the last 10 to 20 pulse artifacts in each case are averaged by means of an ECG trigger and subtracted from the pulse artifact that then follows.
  • the area used for averaging thus migrates with the EEG signal and thus always gives the current form of the artifact.
  • the length L of the pulse sections is of course variable.
  • a variation of the pulse artifact with the heart rate can also be taken into account.
  • the time of the heart's blood output is linked to the beat frequency by a formula.
  • the heartbeat frequency is determined via the R-wave distance in the EKG. If the pulse artifacts are stretched or compressed by means of interpolation using this formula before averaging, a temporal smearing of the artifact can be avoided. To subtract the EEG signal, the averaged artifact is interpolated again to the appropriate length. - 17 -
  • the invention shows the causal relationship between the switched gradients and the frequency components in the spectrum of the disturbed EEG.
  • the interference by the switched gradients can be eliminated by the signal processor during the recording.
  • Corresponding low-pass filters or filter functions can be programmed in accordance with the above description for the respective sequences which are to be used for imaging in the MRT. Since the causes and the relationships are shown, a sequence for imaging can also be taken into account when deriving the EEG. This means that the EEG can be evaluated immediately even during the long data acquisition times of the MRI.
  • the causes of the pulse artifacts are also shown. These arise from the ion separation of the pulsating blood in the high magnetic field of the MRI. If one does not want to restrict the positioning of the electrodes for EEG recording to blood vessel-free or blood vessel-poor head zones, the pulse artifacts can only be soothed up by digital signal processing. With the pulse-triggered subtraction shown according to the invention, an effective and reliable method is offered to eliminate the pulse artifacts. As a result, the EEG regains diagnostic quality in MRI. - 18 -
  • the complex digital processing described above only needs to take place in order to eliminate the interference from the MRI operation when the MRI is actually in operation.
  • the pulse artifacts represent disturbances which have a considerable effect due to the static high magnetic field which also prevails in the non-measuring MRI.
  • the arrangement can thus be made such that the digital filtering of the EEG signal only takes place while the MRT is in the measuring mode, that is to say the MRI functions with the switched field gradient etc. generate an interference spectrum.
  • This can be done automatically as part of the signal evaluation by evaluating the EEG signal accordingly in order to recognize the time range of the disturbance due to the activity of the magnetic resonance tomograph, or the period during which the magnetic resonance tomograph is active can also be done by an external one Trigger during EEG recording can be determined. This allows the EEG signal filtering to be switched on and off automatically.
  • EEG signal Since the digital filtering of the EEG signal to eliminate the interference caused by the MRT operation naturally weakens the EEG signal, appropriate gain control or the like can be used to ensure that after processing the EEG signal by filtering in the period in question or Fourier space, the energy content of the processed EEG signal is adapted again to the energy content of an undisturbed and unprocessed EEG signal. The EEG signal is thus raised by a corresponding factor in this period or Fourier space. This gain control can also be carried out automatically in the same way. The result of this is that an EEG signal derived continuously over inactive and active periods of the MRT appears, which is cleaned of disturbances and runs continuously without jumps in intensity.

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Abstract

A method and device for diverting an electroencephalogram in nuclear spin tomographs, whereby a static high magnetic field is generated in order to align the nuclear spin, the nuclear spin is excited in a circular polarized field in the radio frequency range and three switched magnetic gradient fields are produced for local coding of the nuclear resonance signal in three directions in space. The EEG signals that are diverted from the head of the patient inside a nuclear spin tomograph tube (1) by means of EEG diverter electrodes (4) are subjected to spectral analysis and are filtered in a digital signal processing path in order to eliminate disturbances caused by the switched field gradients in the active nuclear spin tomograph.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomograph Method and device for deriving an electroencephalogram in an MRI scanner
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.For some years now, efforts have been made to derive an electroencephalogram (EEG) in an MRI scanner. The clinical areas of both brain research and brain diagnostics are interested in the simultaneous use of EEG and MRI. This is due to the fact that EEG and MRI can optimally complement each other when examining and displaying processes in the brain.
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.The functional imaging with the MRT provides an unsurpassed spatial resolution of the active regions of the brain, but has the disadvantage that the imaging takes place with a time delay and therefore fast processes in the brain can only be insufficiently examined. This is also due to the fact that the processes to which MRI imaging responds, namely the blood flow to active regions in the brain occur with a time delay when activated.
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 -The EEG, on the other hand, provides a real-time signal with which even fast processes can be detected instantaneously, but the spatial resolution, especially the resolution of the depth of origin, is clear compared to the spatial resolution achieved with the MRT due to the signal derivation with surface electrodes limited. The EEG also enables functional examinations in which evoked potentials can be recorded, that is, response potentials to a generated external stimulus (e.g. a noise). - 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.Therefore, the two major diagnostic methods of neurology with MRI and EEG could complement each other if an EEG could be derived in MRI. So far, however, it has not been possible to obtain useful results with the simultaneous use of EEG and MRI. This is due to the way the MRI and EEG work, which will be briefly outlined for a better understanding.
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 .For imaging, the MRT uses a static magnetic field to align the nuclear spins, a circularly polarized alternating field in the radio frequency range to excite the nuclear spins, and finally three switched magnetic gradient fields for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signal in all spatial directions. The static high magnetic field is also present when the MRI is inactive.
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.The EEG arises from voltage fluctuations in the range of 50 microvolts on the head surface, which are generated by the synchronous activity of many nerve cells in the cerebral cortex. These are derived and fed to an amplifier. Because of the extremely small size of these EEG signals, they are of course extremely sensitive to external interference fields.
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.On the other hand, in order to achieve a sufficient signal-to-noise ratio, the MRI can only work in a perfect Faraday's cage, which in no case may be injured by electrical cables passed through it. For this reason, all signals from the EEG amplifier are transmitted from the shielded room through light guides and not via electrical cables. The electrodes for deriving the EEG must not contain any ferro- or diamagnetic substances so that they do not interfere with the homogeneous magnetic field in the MRI. But even eddy currents, which are induced by the switched gradient fields of the MRT in electrically conductive surfaces, i.e. in EEG electrodes, already generate an opposing field, which also disturbs the homogeneous field and leads to artifacts in the data line of the corresponding gradient. The derivation of an EEG in MRI has so far been unsatisfactory even in inactive MRI. This is due to the fact that the static high magnetic field is also present in the inactive MRT and the pulsating blood currents generate interference signals which superimpose and disrupt the EEG signals. These disorders are known as pulse artifacts. These can initially occur in the form of movement artifacts, since the pulsating blood flow triggers corresponding pulsating head movements of the patient in the MRI, which can be expressed in a slight pulse-synchronous nod. This in turn requires a corresponding slight movement of the EEG electrodes attached to the head with the associated lines in the static magnetic field, as a result of which interference voltages are induced and appear in the EEG signal in a pulse-synchronous manner. In addition, pulse artifacts also occur in a second form, which will be described in detail below, due to ion separation processes in the blood flow, which fluctuates due to the pulse. Due to the superimposed pulse artifacts, the EEG signal is largely unusable. However, the derivation of an EEG in inactive MRT is of essential diagnostic importance, as will be illustrated below using an example.
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.In the case of an additional MRI measurement, however, the EEG was previously completely disturbed because the switched gradients during the imaging by the MRI lead to the complete illegibility of the EEG.
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.The object of the invention is therefore on the one hand to create a possibility to eliminate the interference of the measuring MRI on the quality of an EEG if possible, and on the other hand to eliminate the influence of pulse artifacts on an EEG if possible, in order to thereby use MRI and EEG simultaneously to bring and to be able to derive an EEG of diagnostic quality even in inactive MRI.
Zwei Beispiele soll die Bedeutung dieser Aufgabestellung verdeutlichen :Two examples should clarify the importance of this task:
Starke oft auftretende Epilepsien sind häufig fokalen Ur- - 4 -Severe and often occurring epilepsy are often focal - 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.jump, i.e. they start from a certain point in the brain and can usually only be treated by determining the focus in the brain as precisely as possible and then reducing it surgically. These focus regions generate spikes typical of epilepsy in the EEG and can thus be identified. An epileptic seizure announces itself earlier in the EEG than could be identified by other external characteristics. In order to increase the spatial resolution of the origin of these signals, 64 electrodes and more are used. A combination of EEG with simultaneous functional imaging in MRI can make the localization of an epileptic focus even more reliable and, above all, determine the time for the seizure to be recorded. Attempts have already been made to do this, but the EEG was completely disrupted by the switched gradients during data acquisition by the MRI.
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 -From the just mentioned fact that an epileptic seizure announces itself early on in the EEG, the importance of the derivation of a diagnostically usable EEG in the inactive MRT becomes clear. An EEG derived in the still inactive MRI can be used to precisely determine the onset of an epileptic seizure and then switch on the imaging by means of the MRI, in order to then determine the epileptic focus with great precision during the epileptic seizure by means of combined measurement with MRI and EEG and thus the basis for to be able to win the exact surgical treatment. In the case of pulse artifacts superimposed on the EEG signal, on the other hand, the beginning of an epileptic seizure would not be recognizable from the EEG signal. - 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.Another example is brain research. In brain processes, for example in thinking processes, in response to any external stimuli of the sensory organs etc., the activated brain regions are supplied with blood considerably more. With the EEG, the processes taking place in the brain can be recorded and localized approximately; With MRI, the areas of increased blood flow can be localized very precisely with high spatial resolution. A combined use of MRI and EEG can provide detailed information about brain areas responsible for certain functions and processes.
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.The invention achieves the object presented by a method and a device as specified in the patent claims. Accordingly, the invention works by eliminating the interference in the EEG by digital signal processing with spectral analysis and filtering of the EEG signals and with triggered subtraction of the pulse artifacts in order to eliminate them and thereby create an EEG in MRI with diagnostic quality.
Die Erfindung wird nachstehend in ihren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen erläutert, in denen zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung der apparativen Einrichtung zur Ableitung eines EEGs im MRT,1 shows a schematic representation of the apparatus for deriving an EEG in the MRI,
Fig. 2 einige Pulsformen und ihre diskreten Spektren,2 shows some pulse shapes and their discrete spectra,
Fig. 3 ein Spektrum eines oft verwendeten trapezförmigen Gradienten,3 shows a spectrum of a trapezoidal gradient that is often used,
Fig. 4 eine Gegenüberstellung eines ungefilterten und eines gefilterten EEG-Signals aus dem MRT, Fig. 5 Signalbilder, welche die Reduzierung von Pulsartefakten verdeutlichen.4 shows a comparison of an unfiltered and a filtered EEG signal from the MRT, Fig. 5 signal images that illustrate the reduction of pulse artifacts.
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.1 shows in a very schematic representation a preferred arrangement for performing the EEG derivation in the MRT. The MRI tube 1 is arranged in a shielded tomography room 2. A static high magnetic field acts in the MRT tube 1, which is indicated by an arrow. The patient's head in the MRT tube is located within an RF head coil 3, via which the high-frequency alternating field is generated to excite the nuclear spins. Further coils in the MRT tube 1, which are not shown for the sake of simplicity of illustration, are used to generate the switched gradient fields for the three spatial coordinates for spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals in the three spatial directions. The lines of the individual EEG lead electrodes 4 on the head surface of the patient are, for example, fixed on the head with a hood and bundled centrally on the head and routed to an EEG amplifier 5 as close as possible to the center of the MRT tube 1. From the EEG amplifier 5, the signals are passed via an optical fiber 6 out of the shielded tomography room to a light receiver 7, which converts the light signals back into electrical signals and feeds them to an EEG recorder 8, to which a PC 9 is connected.
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.The bundling of the cables at the head and the avoidance of conductor loops reduce the area into which the gradients or the magnetic part of the high frequency can couple. If you move the cables away from the edge of the MRT tube, the influence of the switched gradients is less.
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 -The EEG amplifier 5 must behave magnetically neutral in the static high magnetic field of the MRT tube 1, ie the field lines must be able to pass the amplifier essentially unchanged and must not be distorted. Therefore, ferro- or diamagnetic substances in the components of the - 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.starters 5 can be avoided. Likewise, the electrodes must not contain any ferromagnetic or diamagnetic substances in order not to disturb the homogeneous magnetic field, because by superimposing a defined inhomogeneous gradient field, the location of the nuclear magnetic resonance is encoded via the changed resonance frequency. Since eddy currents, which are induced by the switched gradient fields in conductive surfaces, also generate an opposing field that disturbs the homogeneous magnetic field, the electrodes are preferably formed from amorphous sintered Ag-AgCl with low electrical conductivity in order to make the formation of eddy currents more difficult.
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.The inputs of the EEG amplifier 5 are very high-resistance due to the use of an FET, so that there is practically no current flow. The FET enables a high resistance with low thermal noise. The potentials derived at the electrodes are amplified accordingly in the EEG amplifier 5 and fed to an A / D converter using the multiplex method, the digital output signal of which is fed into the light guide 6 and fed to the light receiver 7.
Wie eingangs erläutert wurde, sind es zwei grundsätzliche Störeinflüsse auf die EEG-Ableitung im MRT, die das EEG- Meßergebnis unbrauchbar machen.As explained at the beginning, there are two basic interferences on the EEG derivation in the MRT, which render the EEG measurement result unusable.
Den einen Störfaktor bilden die im aktiven MRT geschalteten Feldgradienten zur Ortsauflösung in dem xyz-Koordinatenraum, die dem EEG-Ausgangssignal überlagerte Störsignale bewirken.The one interference factor is the field gradients switched in the active MRT for spatial resolution in the xyz coordinate space, which cause interference signals superimposed on the EEG output signal.
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.The second disruptive factor is pulse artifacts due to the pulsating blood flows in the patient's head, the cause of which was previously unknown. These pulse artifacts have so far largely made the EEG results unusable even in inactive MRI. It has been assumed that these pulse artifacts are actually only movement artifacts caused by ballistocardial movement of the head due to the pulsation of the blood flow in the large arteries. However, it has been shown that even when using artificial handles real Although motion artifacts could be greatly reduced, the pulse artifacts continued to occur.
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.This further cause of the pulse artifacts, which have nothing to do with a head movement, lies in the fact that ion separation occurs in blood vessels with a flow velocity component perpendicular to the static high magnetic field in the MRI due to the high magnetic field, whereby voltages are induced which are dependent on the vessel diameter, current density, Charge carrier concentration in the blood stream and the volume of blood transported per unit of time is dependent. For example, a maximum voltage value of approximately 150 microvolts occurs between the vessel walls of a blood vessel with an inner diameter of approximately 1 mm and an assumed maximum flow rate of blood of 10 cm / s in a magnetic field of 1.5 T, which generates pulse artifacts.
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.Pulse artifacts are very similar to an alpha activity in the EEG, because this alpha activity lies in the same frequency and amplitude range as a pulse artifact and is only longer pronounced. Therefore, pulse artifacts in the EEG signal cannot be accepted if the EEG derivation is to be informative.
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.With the present invention, the two explained interference factors in the EEG derivation are eliminated by digital signal processing of the derived EEG signals, thereby making the pure, unadulterated EEG signal visible.
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 -The disturbances impressed on the EEG signals by the switched field gradients in the active MRT are eliminated by spectral analysis and filtering. First of all, you have to determine the frequencies that are coupled into the EEG by the switched gradients. The Nyquist theorem states that the maximum visible frequency is determined by half the sampling rate. The EEG sampling rate is, for example, 500 Hz. A harmonic oscillation whose frequency is higher than half the sampling rate reappears as a result of the sampling - 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 istas a harmonic vibration of lower frequency. This effect is avoided by a low-pass filter at the input of the EEG amplifier 5, the cut-off frequency of which is below half the sampling rate. With spectral analysis it is also important that the time segment to be analyzed is folded with a window function. As a result, the section can be continuously continued periodically, which is a condition for a Fourier transformation. The resolution of the frequency is
4 Δ f Δ T wobei lT der analysierte Zeitbereich ist.4 Δ f Δ T where lT is the analyzed time range.
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.Common gradient shapes are triangles, trapezoids and harmonic vibrations. Since the circuits are periodic, they have a second spectrum. The distance between these peaks is determined by the repetition rate of the individual pulses; the amplitude results from the repeated pulse shape, whereby individual peaks can be without any power component.
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.2 shows some pulse shapes and their discrete spectra. Here ö is the frequency with which the pulse shape is repeated periodically. The respective pulse shape (left representation) is compared with the associated spectral analysis (right representation) in FIG. 2.
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 -3 shows a spectrum of a trapezoidal gradient that is often used. The share of the EEG is visible in the range from 0 to 40 Hz; the proportion of alpha activity around 12 Hz can be clearly seen. The discrete spectrum consists of multiples of 33.3 Hz; so the individual gradient pulses are repeated periodically at 33.3 Hz. The trapezoidal pulse shape is defined by the amplitudes of the individual peaks. In practice, three gradients are switched, the contributions of which add up. In order to make an EEG visible in its actual form by filtering, the repetition rate should not be below 30 Hz. - 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.If only a low pass is used at the input of the EEG amplifier to filter out the interference frequencies impressed on the EEG signals by the switched field gradients in the active MRT, the cutoff frequency of the low pass must be chosen to be relatively low. But that also has its disadvantages. Because although the relevant range of brain waves to be recorded with the EEG is in the frequency range from 0 to 40 Hz, it is not desirable to cut off all higher frequencies by a low pass. This has the consequence that interesting higher-frequency areas in the EEG signal are suppressed and that the spikes, which are typical for epileptic seizures and are characterized by their peaks, appear blurred, because their characteristic peaks then appear rounded in the filtered signal and no longer appear sufficiently , so that an EEG signal filtered in this way has only a significantly lower diagnostic value.
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 .It is therefore desirable to be able to select the highest possible limit frequency for a low-pass filter arranged at the EEG amplifier input, but without falsifying any other falsification of the EEG signals by MRI-specific interference frequencies.
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 -This is achieved by using a combination of a low-pass filter with a higher cut-off frequency and very narrow-band bandstopper, which can be achieved with digital data processing. For this purpose, the interference frequencies caused by the MRI operation must be determined. The interference frequencies are determined by the sequence and nesting of the program that determines the measurement sequence of the MRI. The program loops for the scanning layers, the image lines and the number of image acquisitions are of particular importance. For example, the above-mentioned frequency of 33 Hz and multiples thereof arise as interference frequencies from the frequency program and from 7 Hz through switching processes within the program. - 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.The filter problem can therefore be solved by using additional bandstoppers with narrow blocking frequency bands around the respectively identified interference frequencies within the pass band of the low pass.
Statt mehrerer Bandsperren lassen sich auch andere Filter verwenden, deren Charakteristik die Vielfachen einer Grundstörfrequenz unterdrücken.Instead of several bandstops, other filters can be used, the characteristics of which suppress the multiple of a basic interference frequency.
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.For example, 10th-order or higher-order Butterworth filters can be used for filtering. Butterworth filters have a low ripple in the frequency response, but must be used in a higher order in order to cut the interference as sharply as possible at the limit of the frequency range of the EEG. The filters used in conventional EEG amplifiers are of a low order and cannot suppress the high power of the interference frequency close to the EEG.
Alle Kanäle des EEG werden gleichzeitig durch ein gleiches Filter gefiltert.All channels of the EEG are simultaneously filtered by an identical filter.
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.FIG. 4 shows an example of filtering, the upper diagram showing the unfiltered EEG signal and the lower diagram showing the filtered EEG signal. The effect caused by the filtering is striking.
Freilich können prinzipiell auch Butterworthfilter mit geringerer Ordnung eingesetzt werden, jedoch erhält man bei höhe- rer Ordnung der Filter im allgemeinen bessere Ergebnisse.In principle, Butterworth filters with a lower order can of course also be used, but generally higher results are obtained with a higher order of the filters.
Statt Butterworthfilter können auch Fourier-Filter verwendet werden .Fourier filters can also be used instead of Butterworth filters.
Die Beseitigung der Störfrequenzen kann auch direkt imThe elimination of the interference frequencies can also be done directly in the
Fourier-Spektrum des Signal erfolgen. Dazu wird das Spektrum - 12 -Fourier spectrum of the signal take place. This will be the spectrum - 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.the recording sequence previously determined. The interfering frequencies can be eliminated directly and with an accuracy that is proportional to the length of the Fourier transformed signal in the Fourier spectrum. The signal is obtained through a reverse transformation without interference.
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.The use of filters is cheaper for online signal processing. In signal post-processing, where a time delay is not important, the latter possibility of eliminating the interference frequencies in the Fourier spectrum is cheaper because of the even better filter quality.
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.The interference factor based on the pulse artifacts is eliminated by triggered subtraction of the pulse artifacts. In order to be able to eliminate a pulse artifact, it must first be clear which part of the signal is the EEG and which part is the disturbance. The temporal waveform of the artifact is determined by averaging.
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 WellenzugThis is due to the fact that the EEG signal is an undetermined stationary signal. It is made up of many harmonic vibrations, the power components of which change non-periodically and influenced by the respective situation (not determined), but the overall power remains largely constant (stationary). Because of this indeterminacy, the influence of the EEG on the wave train is reduced with n averaging of the pulse artifacts
mit dem Faktor 1 FΓwith the factor 1 FΓ
Bei der Mittelung ist wichtig, daß die einzelnen Wellenzüge zeitgenau addiert werden. Da die Pulsartefakte in Amplitude - 13 -When averaging, it is important that the individual wave trains are added up in time. Because the pulse artifacts are 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 durchand frequency are similar to the EEG, the exact time of the event cannot be determined from the superimposition of both signals. A second channel must therefore be used, with which only the pulse with a temporally sharp signal is registered. An EKG is derived at the same time. The pointed R-wave in the EKG, which can also be seen clearly on the MRI, has proven itself. Since the heart's pulse rate fluctuates slightly, the minimum distance between two R-waves must be determined, which gives the length of the area to be averaged. This time range is placed over each pulse artifact so that it lies in the middle. These areas of equal length are then subjected to a coherence analysis and the coherence efficiency is output. In this way, it can be checked whether a subsequent averaging is useful or whether it is due to strong EEG activity or through
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.Movement artifacts differentiate the individual areas. After averaging over a sufficient number of, for example, approximately 15 events, the waveform obtained is then folded using a window function, and thus both the beginning and the end of the pulse artifact are reduced to zero.
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.This means that no stages are created during the subsequent subtraction. The areas that were used for averaging are then subtracted from the averaged wave train and the EEG signal remains. Alpha activities and other forms of EEG can be clearly recognized again, which was not possible before subtraction.
Praktisch erfolgt die pulsgetriggerte Subtraktion von Pulsartefakten in zwei Arbeitsschritten , nämlich einer Eichroutine und einer Online-Subtraktion.In practice, pulse-triggered subtraction of pulse artifacts takes place in two steps, namely a calibration routine and an online subtraction.
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 -In the calibration routine, EEG signals from all channels and an EKG signal with the patient's eyes open are recorded and displayed for a period of, for example, 30 seconds. It must be filtered with a high pass filter of 0.1 Hz or more. The user can then - 14 -
schließend entscheiden, für welche Kanäle (je nach Störeinfluß von Pulsartefakten der pulssynchrone Anteil ermittelt und später online subtrahiert werden soll.finally decide for which channels (depending on the interference of pulse artifacts, the pulse-synchronous portion is to be determined and later subtracted online).
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.The trigger event is the signal increase in the ECG signal recorded parallel to the ECG at the R wave. The average (D) and maximum (M) of the ECG signals recorded over the period of 30 seconds are determined. The mean (T) is then calculated from the maximum (M) and the average (D) of the ECG section. T is the triggering amplitude of the R wave of the EKG. For this purpose, the ECG is compared with T from the beginning of the 30-second period. As soon as a value is greater than T, this point in time is a trigger event (E). For the next 300 milliseconds, the EKG is not compared to T; then the comparison with T is continued again and the next trigger event is determined. The first and the last determined trigger event are discarded.
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.The pulse-synchronous interference component in the EEG is now determined by calculating the minimum time interval between two trigger signals (E). This time will be reduced by another 10%. This determines the maximum length (L) of the pulse-synchronous interference component that can be subtracted.
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.In each EEG channel selected by the user, the pulse sections of length L are compared with each other with a coherence analysis from each trigger event (E). If the variance exceeds a certain value, the calibration routine must be repeated. Otherwise, the pulse sections are added and divided by the number of E determined. The averaged pulse section is folded using a window function. The interference signal (P) determined in this way is used for later online subtraction.
Der Ablauf der Eichroutine ist aus dem nachstehenden Flußdiagramm nochmals deutlich ersichtlich: - 15The flow of the calibration routine is clearly shown in the flow chart below: - 15th
EichroutineCalibration routine
30 s EEG und EKG weiden aufgezeichnet30 s EEG and EKG willows recorded
11
Bestimmen der Tnggersch eile aus dem EKGDetermine the speed rush from the EKG
Suche der TπggerzeitpunkteSearch for the times of the day
Verw erfen des ersten und letzten TπggerzeitpunktesDiscard the first and last point in time
11
Ermittlung des minimalen zeitlichen Abstandes z eier TriggerDetermination of the minimum time interval between z triggers
KoharenzanaK se dei StorsignaleKoharenzanaK se dei interference signals
Mittelung der PulseAveraging the pulses
Faltung mit FensterfuπktionFolding with window function
Nunmehr erfolgt die Oneline-Subtraktion der Pulsartefakte .The on-line subtraction of the pulse artifacts now takes place.
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 -As soon as oneline subtraction is permitted after the calibration routine, a trigger signal is generated whenever the signal value of the EKG exceeds the value T that was determined in the calibration routine. From this point in time, data point by data point is subtracted from each selected EEG channel signal P over the length L and the cleaned EEG signal is obtained. - 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.Instead of using a calibration routine carried out separately and before the actual measurement, the ECG-synchronous pulse artifacts can also be determined by means of ongoing calibration. For this purpose, the last 10 to 20 pulse artifacts in each case are averaged by means of an ECG trigger and subtracted from the pulse artifact that then follows. The area used for averaging thus migrates with the EEG signal and thus always gives the current form of the artifact.
Bei diesem Verfahren zur EKG-synchronen Ermittlung der Pulsartefakte ist natürlich die Länge L der Pulsabschnitte variabel .In this method for the ECG-synchronous determination of the pulse artifacts, the length L of the pulse sections is of course variable.
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.This latter possibility of determining the pulse artifacts also adjusts itself automatically to any changes in the heart rate and thereby achieves greater accuracy. Instead of carrying out a separate calibration routine method before the start of the measurement, it is also possible to work with a preliminary run over a period of 10 to 20 pulse beats during which the pulse artifact is determined using the latter method at the start of the measurement, over which period these are recorded before the The actual measuring process begins, in order to then be able to carry out the online subtraction of the pulse artifacts from the EEG signal immediately during the measurement.
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 -A variation of the pulse artifact with the heart rate can also be taken into account. The time of the heart's blood output is linked to the beat frequency by a formula. The heartbeat frequency is determined via the R-wave distance in the EKG. If the pulse artifacts are stretched or compressed by means of interpolation using this formula before averaging, a temporal smearing of the artifact can be avoided. To subtract the EEG signal, the averaged artifact is interpolated again to the appropriate length. - 17 -
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Reduzierung von Pulsartefakten. Dabei zeigt5 shows an example of a reduction in pulse artifacts. It shows
- das Diagramm a) das EEG Signal mit überlagerten Pulsarte- fakten,diagram a) the EEG signal with superimposed pulse artifacts,
- das Diagramm b) ein im MRT abgeleitetes EKG,diagram b) an EKG derived on MRI,
- das Diagramm c) den zu subtrahierenden Störsignalanteil, und- the diagram c) the interference signal component to be subtracted, and
- das Diagramm d) das reine EEG-Signal nach Eliminierung der Pulsartefakte.- the diagram d) the pure EEG signal after elimination of the pulse artifacts.
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.The invention shows the causal relationship between the switched gradients and the frequency components in the spectrum of the disturbed EEG. The interference by the switched gradients can be eliminated by the signal processor during the recording. Corresponding low-pass filters or filter functions can be programmed in accordance with the above description for the respective sequences which are to be used for imaging in the MRT. Since the causes and the relationships are shown, a sequence for imaging can also be taken into account when deriving the EEG. This means that the EEG can be evaluated immediately even during the long data acquisition times of the MRI.
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 -The causes of the pulse artifacts are also shown. These arise from the ion separation of the pulsating blood in the high magnetic field of the MRI. If one does not want to restrict the positioning of the electrodes for EEG recording to blood vessel-free or blood vessel-poor head zones, the pulse artifacts can only be soothed up by digital signal processing. With the pulse-triggered subtraction shown according to the invention, an effective and reliable method is offered to eliminate the pulse artifacts. As a result, the EEG regains diagnostic quality in MRI. - 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.As far as the filtering of the derived EEG signals in the MRT is concerned, the complex digital processing described above only needs to take place in order to eliminate the interference from the MRI operation when the MRI is actually in operation. In the non-measuring MRI, as explained at the beginning, only the pulse artifacts represent disturbances which have a considerable effect due to the static high magnetic field which also prevails in the non-measuring MRI.
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.The arrangement can thus be made such that the digital filtering of the EEG signal only takes place while the MRT is in the measuring mode, that is to say the MRI functions with the switched field gradient etc. generate an interference spectrum. This can be done automatically as part of the signal evaluation by evaluating the EEG signal accordingly in order to recognize the time range of the disturbance due to the activity of the magnetic resonance tomograph, or the period during which the magnetic resonance tomograph is active can also be done by an external one Trigger during EEG recording can be determined. This allows the EEG signal filtering to be switched on and off automatically.
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. Since the digital filtering of the EEG signal to eliminate the interference caused by the MRT operation naturally weakens the EEG signal, appropriate gain control or the like can be used to ensure that after processing the EEG signal by filtering in the period in question or Fourier space, the energy content of the processed EEG signal is adapted again to the energy content of an undisturbed and unprocessed EEG signal. The EEG signal is thus raised by a corresponding factor in this period or Fourier space. This gain control can also be carried out automatically in the same way. The result of this is that an EEG signal derived continuously over inactive and active periods of the MRT appears, which is cleaned of disturbances and runs continuously without jumps in intensity.

Claims

- 19 -Patentansprüche - 19 patent claims
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,1.Procedure for deriving an electroencephalogram in a magnetic resonance tomograph, in which a static high magnetic field is generated for aligning the nuclear spins and in imaging operation a circularly polarized alternating field in the radio frequency range for exciting the nuclear spins as well as three switched magnetic gradient fields for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signal in the three Spatial directions are generated
dadurch gekennzeichnet,characterized,
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.that the EEG signals derived from the patient's head inside the nuclear spin tomograph tube via the EEG lead electrodes are subjected to spectral analysis and filtering by means of digital signal processing in order to eliminate the interference imprinted in the active magnetic resonance tomograph by the switched field gradients.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung der EEG-Signale in einem Tiefpaßfilter geringer2. The method according to claim 1, characterized in that the filtering of the EEG signals in a low-pass filter less
Welligkeit und höherer Ordnung, beispielsweise einem Butter- worth-Filter , erfolgt.Waviness and higher order, for example a Butterworth filter.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur3. The method according to claim 1, characterized in that for
Filterung der EEG-Signale digitale Bandsperren oder digitaleFiltering the EEG signals digital bandstop or digital
Filter verwendet werden, die aufgrund ihrer Charakteristik die Vielfachen einer Frequenz unterdrücken, um die anhand derFilters are used which, due to their characteristics, suppress the multiples of a frequency by which the
Spektralanalyse ermittelten Störfrequenzbereiche auszublenden. Hide spectral analysis determined interference frequency ranges.
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.4. The method according to claim 1, characterized in that digital Fourier filters are used to filter the EEG signals in order to effect the elimination of the interference frequencies directly in the Fourier spectrum of the signal.
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,5.Method for deriving an electroencephalogram in an MRI scanner, in which a static high magnetic field is generated for aligning the nuclear spins and in imaging operation a circularly polarized alternating field in the radio frequency range for exciting the nuclear spins as well as three switched magnetic gradient fields for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signal in the three Spatial directions are generated
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
a) parallel zu den EEG-Signalen ein EKG-Signal als Triggersignal aufgezeichnet wird,a) an EKG signal is recorded as a trigger signal parallel to the EEG signals,
b) aus dem EKG-Signal ein periodisch auftretendes, zeitlich scharfes Signalelement als Triggerereignis ausgewählt wird,b) a periodically occurring, time-sharp signal element is selected as a trigger event from the EKG signal,
c) eine dem minimalen zeitlichen Abstand zwischen aufeinan- derfolgenden Triggerereignissen entsprechende Zeitlänge L bestimmt wird,c) a time length L corresponding to the minimum time interval between successive trigger events is determined,
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,d) in each EEG channel selected by the user, EEG signal sections of time length L from each trigger event are compared with one another with a coherence analysis and an average pulse artifact interference signal is determined,
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 -e) the averaged pulse artifact interference signal obtained is subtracted by means of the oneline subtraction from each trigger event in each selected EEG channel signal over the time length L in order to obtain a pulse artifact-adjusted EEG signal. - 21 -
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Triggerereignis der Signalanstieg der R-Zacke im EKG-Signal gewählt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the signal increase of the R wave in the EKG signal is selected as the trigger event.
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.7. The method according to claim 6, characterized in that the trigger event is determined in that the average and maximum of the amplitude are determined from the ECG signals recorded over a certain period of time and then the mean is calculated from the maximum and the average and the mean of the amplitude is selected as the trigger event.
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.8. The method according to any one of claims 5-7, characterized in that step c) either by means of a separate calibration routine method before the start of the EEG derivation or continuously during the EEG derivation from the ECG signal recorded in parallel and one each certain number of recent trigger events is executed.
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.9. Device for performing the method according to claim 1, with a magnetic resonance scanner with means for generating a static high magnetic field within a tomography tube (1), an RF head coil (3) for generating a high-frequency alternating field for exciting the nuclear spins and coils for generating switched Gradient fields for the three spatial coordinates for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals, further with EEG lead electrodes (4), an EEG amplifier (5) arranged inside the tomograph tube (1), and signal processing devices (7, 8, 9) located outside the shielded tomograph room , which are connected to the EEG amplifier via an optical fiber (6), characterized by a low-pass filter at the input of the EEG amplifier (5), the cut-off frequency of which is below half the EEG sampling rate, and by a Butterworth filter of at least tenth order, through which all EEG signal channels are routed.
10. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Kernspintomographen mit Mitteln zum Erzeugen eines statischen Hochmagnetfelds innerhalb einer Tomographen- - 22 -10. Device for performing the method according to claim 1, with a magnetic resonance tomograph with means for generating a static high magnetic field within a tomograph - 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.tube (1), an RF head coil (3) for generating a high-frequency alternating field for exciting the nuclear spins and coils for generating switched gradient fields for the three spatial coordinates for spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals, further with EEG lead electrodes (4), one inside EEG amplifier (5) arranged in the tomography tube (1), and with signal processing devices (7, 8, 9) located outside the shielded tomography room, which are connected to the EEG amplifier via an optical fiber (6), characterized by a low pass in conjunction with digital bandstops to mask out the interference frequency ranges for filtering the EEG signal or by a filter, the characteristics of which suppress the multiples of a frequency, for masking out a fundamental interference frequency with its multiples.
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.11. Device for carrying out the method according to claim 1, with a magnetic resonance scanner with means for generating a static high magnetic field within a tomograph tube (1), an RF head coil (3) for generating a high-frequency alternating field for exciting the nuclear spins and coils for generating switched Gradient fields for the three spatial coordinates for the spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals, further with EEG lead electrodes (4), an EEG amplifier (5) arranged inside the tomograph tube (1), and with signal processing devices (7, 8, 9) located outside the shielded tomograph room, which are connected to the EEG amplifier via an optical fiber (6), characterized by a Fourier filter for eliminating the interference frequencies in the Fourier spectrum of the EEG signal.
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 -12. Device for carrying out the method according to one of claims 5 to 8, with a magnetic resonance scanner with means for generating a static high magnetic field within a tomography tube (1), an RF head coil (3) for generating a high-frequency alternating field for exciting the nuclear spins and Coils for generating switched gradient fields for the three spatial coordinates for spatial coding of the nuclear magnetic resonance signals, further with EEG lead electrodes (4), one inside - 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.the EEG amplifier (5) arranged in the tomography tube (1), and with signal processing devices (7, 8, 9) located outside the shielded tomography room, which are connected to the EEG amplifier via an optical fiber (6), characterized in that an additional Channel for recording an EKG signal is provided and a digital signal processing device is provided for executing the method measures b) to e).
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.13. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the filtering of the EEG signal takes place only during those periods during which the magnetic resonance tomograph is active.
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.14. The method according to claim 13, characterized in that the periods of active magnetic resonance imaging are automatically detected by appropriate observation and evaluation of the derived EEG signal or by means of an external trigger and the start and end of the filtering of the EEG signal are each automatically switched.
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. 15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that a gain control of the derived EEG signal is carried out in such a way that the energy content of the filtered EEG signal weakened by the filtering process by raising to the energy content of an undisturbed and unfiltered derived with inactive magnetic resonance imaging EEG signal is adjusted.
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