DE19817094A1 - Verfahren und Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomograph - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im KernspintomographInfo
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Abstract
Verfahren und Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomographen, wobei Störeinflüsse der Gradientenfelder im Kernspintomographen durch Spektralanalyse und Filterung der EEG-Signale in einem Butterworth-Filter mindestens zehnter Ordnung eliminiert und Pulsartefakte durch EKG-getriggerte Oneline-Subtraktion des ermittelten periodischen Pulsartefaktanteils eliminiert werden.
Description
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 Unter
suchung und Darstellung von Vorgängen im Gehirn EEG und MRT
optimal ergänzen können.
Die funktionelle 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 unzu
reichend untersucht werden können. Dies rührt auch daher, daß
die Vorgänge, auf welche die Bildgebung mit dem MRT an
spricht, nämlich die Durchblutung jeweils aktiver Regionen im
Gehirn bei Aktivierung zeitverzögert eintritt.
Das EEG hingegen liefert ein Echtzeit-Signal, mit dem also
auch schnelle Vorgänge augenblicklich erfaßt werden können,
aber die Ortsauflösung, vor allem die Auflösung der Tiefe des
Ursprungs, ist aufgrund der Signalableitung mit Oberflächen
elektroden gegenüber der mit dem MRT erreichten räumlichen
Auflösung deutlich eingeschränkt. Das EEG ermöglicht auch
funktionelle Untersuchungen, in dem man evozierte Potentiale
erfassen kann, also Antwortpotentiale auf einen erzeugten
äußeren Reiz (beispielsweise ein Geräusch).
Deshalb könnten sich die beiden großen diagnostischen Verfah
ren der Neurologie mit MRT und EEG in vieler Hinsicht ergän
zen, wenn eine Ableitung eines EEGs im MRT möglich wäre. Bis
her war es jedoch nicht möglich, mit einem gleichzeitigen
Einsatz von EEG und MRT brauchbare Ergebnisse zu erhalten.
Dies liegt in der Arbeitsweise von MRT und EEG begründet, die
zum besseren Verständnis zunächst kurz umrissen werden soll.
Der MRT arbeitet zur Bildgebung mit einem statischen Hochma
gnetfeld, um die Kernspins auszurichten, weiter mit einem
zirkular polarisierten Wechselfeld im Radiofrequenzbereich,
um die Kernspins anzuregen, und schließlich mit drei ge
schalteten magnetischen Gradientenfeldern für die Ortsko
dierung des Kernresonanzsignals in allen Raumrichtungen. Das
statische Hochmagnetfeld ist auch bei inaktivem MRT vorhan
den.
Das EEG entsteht aus Spannungsschwankungen im Bereich vom 50
Mikrovolt an der Kopfoberfläche, die durch synchrone Aktivi
tät vieler Nervenzellen in der Hirnrinde erzeugt werden. Die
se werden abgeleitet und einem Verstärker zugeführt. Wegen
der äußerst geringen Größe dieser EEG-Signale sind diese na
türlich gegen äußere Störfelder außerordentlich empfindlich.
Andererseits kann auch der MRT, um ein genügendes Sig
nal/Rausch-Verhältnis zu erreichen, nur in einem perfekten
Faraday'schen Käfig arbeiten, der keinesfalls durch hindurch
geführte 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 Daten
zeile 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 Puls
artefakte bekannt. Diese können zunächst in Form von Bewe
gungsartefakten 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 entsprech
ende leichte Bewegung der am Kopf angebrachten EEG-Elektroden
mit den zugehörigen Leitungen in dem statischen Magnetfeld,
wodurch Störspannungen induziert werden und pulssynchron im
EEG-Signal erscheinen. Zusätzlich treten Pulsartefakte noch
in einer zweiten, nachstehend noch im einzelnen beschriebenen
Form aufgrund von Ionentrennungsvorgängen in den pulsbedingt
schwankenden Blutströmungen auf. Aufgrund der so überlagerten
Pulsartefakte ist das EEG-Signal weitgehend unbrauchbar. Der
Ableitung eines EEGs im inaktiven MRT kommt aber bereits
wesentliche diagnostische Bedeutung zu, wie unten noch an
einem Beispiel verdeutlicht werden wird.
Bei zusätzlich messendem MRT war aber bisher das EEG völlig
gestört, weil die geschalteten Gradienten während der Bildge
bung durch den MRT zur völligen Unlesbarkeit des EEGs führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einerseits eine Möglich
keit 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 gleich
zeitig zum Einsatz bringen zu können und auch im inaktiven
MRT ein EEG von diagnostischer Qualität ableiten zu können.
Zwei Beispiele soll die Bedeutung dieser Aufgabestellung
verdeutlichen:
Starke oft auftretende Epilepsien sind häufig fokalen Ur sprungs, 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 identi fizieren. Ein epileptischer Anfall kündigt sich im EEG schon früher an als er durch andere äußere Merkmale zu identifizie ren 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 Erfas sung eines Anfalls bestimmen. Versuche dazu wurden bereits durchgeführt, aber während der Datenerfassung durch den MRT war das EEG durch die geschalteten Gradienten völlig gestört.
Starke oft auftretende Epilepsien sind häufig fokalen Ur sprungs, 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 identi fizieren. Ein epileptischer Anfall kündigt sich im EEG schon früher an als er durch andere äußere Merkmale zu identifizie ren 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 Erfas sung eines Anfalls bestimmen. Versuche dazu wurden bereits durchgeführt, aber während der Datenerfassung durch den MRT war das EEG durch die geschalteten Gradienten völlig gestört.
Aus dem eben genannten Umstand, daß ein epileptischer Anfall
sich im EEG schon frühzeitig ankündigt, wird auch insbeson
dere die Bedeutung der Ableitung eines diagnostisch brauch
baren EEGs im inaktiven MRT deutlich. Über ein im noch in
aktiven MRT abgeleitetes EEG kann man den Beginn eines epi
leptischen 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.
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 Vor
gänge 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 Hirn
bereiche bringen.
Die Erfindung löst die dargestellte Aufgabe durch ein Verfah
ren und eine Einrichtung, wie sie in den Patentansprüchen an
gegeben sind. Demnach arbeitet die Erfindung mit einer Besei
tigung der Störungen im EEG durch digitale Signalverarbeitung
mit Spektralanalyse und Filterung der EEG-Signale und mit ge
triggerter Subtraktion der Pulsartefakte, um diese zu elimi
nieren und dadurch ein EEG im MRT mit diagnostischer Qualität
zu schaffen.
Die Erfindung wird nachstehend in ihren Einzelheiten unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen
erläutert, in denen zeigt:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung
der apparativen Einrichtung zur
Ableitung eines EEGs im MRT,
Fig. 2 einige Pulsformen und ihre
diskreten Spektren,
Fig. 3 ein Spektrum eines oft verwende
ten trapezförmigen Gradienten,
Fig. 4 eine Gegenüberstellung eines un
gefilterten und eines gefilter
ten EEG-Signals aus dem MRT,
Fig. 5 Signalbilder, welche die Redu
zierung von Pulsartefakten ver
deutlichen.
Fig. 1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine bevorzug
te Anordnung zur Ausführung der EEG-Ableitung im MRT. Die
MRT-Röhre 1 ist in einem abgeschirmten Tomographenraum 2 an
geordnet. In der MRT-Röhre 1 wirkt ein statisches Hochmagnet
feld, 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 An
regung 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 Kern
resonanzsignale 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 Lichtlei
ter 6 aus dem geschirmten Tomographenraum heraus zu einem
Lichtempfänger 7 geleitet, der die Lichtsignale wieder in
elektrische Signale umsetzt und einem EEG-Schreiber 8 zu
führt, an welchen ein PC 9 angeschlossen ist.
Die Bündelung der Leitungen am Kopf und die Vermeidung von
Leiterschleifen reduziert die Fläche, in welche die Gradien
ten 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 Gra
dienten geringer.
Der EEG-Verstärker 5 muß sich im statischen Hochmagnetfeld
der MRT-Röhre 1 magnetisch neutral verhalten, d. h. die Feld
linien müssen den Verstärker im wesentlichen unverändert pas
sieren können und dürfen nicht verzerrt werden. Daher müssen
ferro- oder diamagnetische Stoffe in den Bauteilen des Ver
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 Gradientenfel
der in leitenden Flächen induziert wird, ein das homogene Ma
gnetfeld störendes Gegenfeld erzeugen, sind die Elektroden
vorzugsweise aus amorphem gesinterten Ag-AgCl mit geringer
elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet, um die Ausbildung von
Wirbelströmen zu erschweren.
Die Eingänge des EEG-Verstärkers 5 sind durch Verwendung
eines FET sehr hochohmig, so daß praktisch kein Stromfluß
entsteht. Durch den FET ist ein hoher Widerstand mit geringem
thermischem Rauschen möglich. Die an den Elektroden abgelei
teten Potentiale werden im EEG-Verstärker 5 entsprechend ver
stärkt und im Multiplexverfahren einem A/D-Wandler zugeführt,
dessen digitales Ausgangssignal in den Lichtleiter 6 einge
speist und dem Lichtempfänger 7 zugeführt wird.
Wie eingangs erläutert wurde, sind es zwei grundsätzliche
Störeinflüsse auf die EEG-Ableitung im MRT, die das EEG-
Meßergebnis unbrauchbar machen.
Den einen Störfaktor bilden die im aktiven MRT geschalteten
Feldgradienten zur Ortsauflösung in dem xyz-Koordiriatenraum,
die dem EEG-Ausgangssignal überlagerte Störsignale bewirken.
Der zweite Störfaktor sind Pulsartefakte aufgrund der pulsie
renden 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
lich nur Bewegungsartefakte sind, die durch ballistokardio
gene Bewegung des Kopfes aufgrund der Pulsation des Blutflus
ses in den großen Arterien hervorgerufen werden. Es hat sich
aber gezeigt, daß auch bei Anwendung von Kunstgriffen echte
Bewegungsartefakte zwar stark reduziert werden konnten, die
Pulsartefakte jedoch weiterhin auftraten.
Diese weitere Ursache der Pulsartefakte, die mit einer Kopf
bewegung nichts zu tun haben, liegt darin, daß in Blutge
fäßen 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 transpor
tierten Blutvolumen abhängig ist. Beispielsweise tritt
zwischen den Gefäßwänden eines Blutgefäßes mit einem
Innendurchmesser von etwa 1 mm und einer angenommenen
maximalen Fließgeschwindigkeit des Bluts von 10 cm/s in einem
Magnetfeld von 1,5 T ein maximaler Spannungswert von etwa 150
Mikrovolt auf, der Pulsartefakte erzeugt.
Pulsartefakte sind einer Alpha-Aktivität im EEG sehr ähnlich,
denn diese Alpha-Aktivität liegt im gleichen Frequenz- und
Amplitudenbereich wie ein Pulsartefakt und ist nur länger
ausgeprägt. Daher können Pulsartefakte im EEG-Signal keines
falls akzeptiert werden, wenn die EEG-Ableitung aufschluß
reich sein soll.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die beiden erläuterten
Störfaktoren in der EEG-Ableitung durch digitale Signalaufbe
reitung der abgeleiteten EEG-Signale eliminiert und dadurch
das reine unverfälschte EEG-Signal sichtbar gemacht.
Die den EEG-Signalen durch die geschalteten Feldgradienten im
aktiven MRT aufgeprägten Störungen werden durch Spektral
analyse und Filterung eliminiert. Zunächst sind die Frequen
zen zu bestimmen, die durch die geschalteten Gradienten in
das EEG eingekoppelt werden. Das Nyquist-Theorem besagt, daß
die maximale sichtbare Frequenz durch die halbe Abtastrate
bestimmt wird. Die EEG-Abtastrate beträgt beispielsweise 500 Az.
Eine harmonische Schwingung, deren Frequenz höher ist als
die halbe Abtastrate, erscheint durch die Abtastung wieder
als harmonische Schwingung niedrigerer Frequenz. Dieser
Effekt wird durch einen Tiefpaß am Eingang des EEG-Verstär
kers 5 vermieden, dessen Grenzfrequenz unter der halben
Abtastrate liegt. Bei der Spektralanalyse ist es auch
wichtig, daß der zu analysierende Zeitausschnitt mit einer
Fensterfunktion gefaltet wird. Dadurch wird der Ausschnitt
stetig periodisch fortsetzbar, was eine Bedingung für eine
Fouriertransformation ist. Die Auflösung der Frequenz ist
Δ f = 1/ΔT
wobei ΔT der analysierte Zeitbereich ist.
Übliche Gradientenformen sind Dreiecke, Trapeze und harmoni
sche Schwingungen. Da die Schaltungen periodisch erfolgen,
besitzen sie ein zweites Spektrum. Der Abstand dieser Peaks
wird durch die Wiederholrate der einzelnen Impulse bestimmt;
die Amplitude ergibt sich aus der wiederholten Impulsform,
wobei einzelne Peaks ganz ohne Leistungsanteil sein können.
Fig. 2 zeigt einige Impulsformen und ihre diskreten Spektren.
Dabei ist ωp die Frequenz, mit welcher sich die Impulsform
periodisch wiederholt. In Fig. 2 ist jeweils die betreffende
Impulsform (linke Darstellung) der zugehörigen Spektralanaly
se (rechte Darstellung) gegenübergestellt.
Fig. 3 zeigt ein Spektrum eines oft verwendeten trapezför
migen 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 Vielfa
chen 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 Wiederhol
rate also nicht unter 30 Hz liegen.
Zur Filterung können beispielsweise Butterworthfilter 10. Ordnung
oder höherer Ordnung verwendet werden. Butterworth
filter besitzen eine geringe Welligkeit im Frequenzgang, müs
sen 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 Stör
frequenz nicht unterdrücken.
Alle Kanäle des EEG werden gleichzeitig durch ein gleiches
Filter gefiltert.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Filterung, wobei das obere
Diagramm das ungefilterte EEG-Signal und das untere Diagramm
das gefiltere EEG-Signal zeigt. Der durch die Filterung be
wirkte Effekt ist augenfällig.
Der durch die Pulsartefakte begründete Störfaktor wird durch
getriggerte Substraktion 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 Ar
tefakts wird durch eine Mittelung bestimmt.
Dies beruht darauf, daß das EEG-Signal ein nicht determinier
tes stationäres Signal ist. Es setzt sich aus vielen harmoni
schen Schwingungen zusammen, deren Leistungsanteile sich un
periodisch und durch die jeweilige Situation beinflußt ver
ändern (nichtdeterminiert), die Gesamtleistung bleibt aber
größtenteils konstant (stationär). Wegen dieser Nichtdeter
miniertheit reduziert sich bei n Mittelungen der Pulsarte
fakte der Einfluß des EEG auf den Wellenzug
Bei der Mittelung ist wichtig, daß die einzelnen Wellenzüge
zeitgenau addiert werden. Da die Pulsartefakte in Amplitude
und Frequenz dem EEG ähnlich sind, kann der genaue Zeitpunkt
des Ereignisses nicht aus der Überlagerung beider Signale be
stimmt werden. Es muß daher ein zweiter Kanal verwendet wer
den, 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 gemittelt wird. Dieser Zeitbereich wird so über
jedes Pulsartefakt gelegt, daß es in der Mitte liegt. Diese
gleich langen Bereiche werden dann einer Kohärenzanalyse
unterzogen und der Kohärenzeffizienz ausgegeben. So kann
überprüft werden, ob eine anschließende Mittelung sinnvoll
ist oder ob sich durch starke EEG-Aktivität oder durch
Bewegungsartefakte die einzelnen Bereiche stark voneinander
unterscheiden. Nach der Mittelung über eine ausreichende
Anzahl von beispielsweise ca. 15 Ereignissen wird die
erhaltene Wellenform anschließend mit einer Fensterfunktion
gefaltet, und somit wird sowohl der Beginn wie auch das Ende
des Pulsartefakts auf Null reduziert.
Dadurch werden bei der anschließenden Subtraktion keine Stu
fen erzeugt. Den Bereichen, die zur Mittelung herangezogen
wurden, wird anschließend der gemittelte Wellenzug abgezogen
und das EEG-Signal bleibt zurück. Alpha-Aktivitäten und ande
re EEG-Formen können wieder klar erkannt werden, was vor der
Subtraktion nicht möglich war.
Praktisch erfolgt die pulsgetriggerte Subtraktion von Pulsar
tefakten in zwei Arbeitsschritten, nämlich einer Eichroutine
und einer Online-Subtraktion.
Bei der Eichroutine werden während einer Periode von bei
spielsweise 30 Sekunden EEG-Signale aller Kanäle und ein EKG-
Signal bei geöffneten Augen des Patienten aufgezeichnet und
dargestellt. Dabei muß mit einem Hochpaßfilter von 0,1 Hz
oder mehr gefiltert werden. Der Anwender kann dann an
schließend entscheiden, für welche Kanäle (je nach Störein
fluß von Pulsartefakten) der pulssynchrone Anteil ermittelt
und später online subtrahiert werden soll.
Das Triggerereignis ist der Signalanstieg in dem parallel zum
EKG aufgezeichneten EKG-Signal bei der R-Zacke. Der Durch
schnitt (D) und das Maximum (M) der über die Periode von 30
Sekunden aufgezeichneten EKG-Signale werden ermittelt. An
schließend wird der Mittelwert (T) aus dem Maximum (M) und
dem Durchschnitt (D) des EKG-Abschnitts berechnet. T ist die
den Trigger auslösende Amplitude der R-Zacke des EKGs. Das
EKG wird hierzu von Beginn der 30-Sekunden-Periode an mit T
verglichen. Sobald ein Wert größer als T ist, ist dieser
Zeitpunkt ein Triggerereignis (E). Während der nachfolgenden
300 Millisekunden wird das EKG nicht mit T verglichen; dann
wird der Vergleich mit T wieder fortgesetzt und das nächste
Triggerereignis ermittelt. Das erste und das letzte bestimmte
Triggerereignis werden verworfen.
Die Ermittlung des pulssynchronen Störanteils im EEG erfolgt
nun dadurch, daß der minimale zeitliche Abstand zweier Trig
gersignale (E) berechnet wird. Diese Zeit wird nochmals um
etwa 10% verkürzt. Dadurch ist die maximale Länge (L) des
pulssynchronen Störanteils bestimmt, der subtrahiert werden
kann.
In jedem vom Anwender gewählten EEG-Kanal werden die Pulsab
schnitte der Länge L von jedem Triggerereignis (E) an mit
einer Kohärenzanalyse untereinander verglichen. Überschreitet
die Varianz einen bestimmten Wert, muß die Eichroutine wie
derholt werden. Ansonsten werden die Pulsabschnitte addiert
und durch die Anzahl der ermittelten E geteilt. Der gemittel
te Pulsabschnitt wird mit einer Fensterfunktion gefaltet. Das
so ermittelte Störsignal (P) wird für die spätere Online-
Subtraktion verwendet.
Der Ablauf der Eichroutine ist aus dem nachstehenden Flußdia
gramm nochmals deutlich ersichtlich:
Nunmehr erfolgt die Oneline-Subtraktion der Pulsartefakte.
Sobald die Oneline-Subtraktion nach der Eichroutine gestattet
wird, entsteht jeweils dann ein Triggersignal, wenn der Sig
nalwert 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 Daten
punkt für Datenpunkt subtrahiert und man erhält das bereinig
te EEG-Signal.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Reduzierung von Pulsartefak
ten. Dabei zeigt
- - das Diagramm a) das EEG-Signal mit überlagerten Pulsarte fakten,
- - das Diagramm b) ein im MRT abgeleitetes EKG,
- - das Diagramm c) den zu subtrahierenden Störsignalanteil, und
- - das Diagramm d) das reine EEG-Signal nach Eliminierung der Pulsartefakte.
Die Erfindung zeigt den kausalen Zusammenhang zwischen den
geschalteten Gradienten und den Frequenzanteilen im Spektrum
des gestörten EEG auf. Eine Beseitigung der Störungen durch
die geschalteten Gradienten kann schon während der Aufnahme
durch den Signalprozessor erfolgen. Für die jeweiligen Se
quenzen, die zur Bildgebung im MRT verwendet werden sollen,
lassen sich entsprechende Tiefpaßfilter programmieren. Da die
Ursachen und die Zusammehänge aufgezeigt sind, kann auch bei
der Wahl einer Sequenz zur Bildgebung auf die EEG-Ableitung
Rücksicht genommen werden. Damit ist das EEG auch während dar
langen Datenerfassungszeiten des MRT sofort auswertbar.
Auch die Ursachen der Pulsartefakte sind aufgezeigt. Diese
entstehen durch Tonentrennung des pulsierenden Bluts im Hoch
magnetfeld 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
seitigen. Mit der erfindungsgemäß aufgezeigten pulsgetrigger
ten Subtraktion wird eine wirkungsvolle und zuverlässige Me
thode angeboten, die Pulsartefakte zu eliminieren. Dadurch
erlangt das EEG im MRT wieder diagnostische Qualität.
Claims (7)
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 zirkular polarisiertes Wechselfeld im
Radiofrequenzbereich zum Anregen der Kernspins sowie drei
geschaltete magnetische Gradientenfelder für die Ortskodie
rung des Kernresonanzsignals in den drei Raumrichtungen
erzeugt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die über EEG-Ableitelektroden vom Kopf des Patienten
innerhalb der Kernspintomographenröhre abgeleiteten EEG-Sig
nale zur Eliminierung der im aktiven Kernspintomographen
durch die geschalteten Feldgradienten aufgeprägten Störungen
einer Spektralanalyse durch Hindurchleiten der EEG-Signale
aller Signalkanäle durch einen Tiefpaß am Eingang des EEG-
Verstärkers, dessen Grenzfrequenz unterhalb der halben EEG-
Abtastrate liegt, und im Wege digitaler Signalverarbeitung
einer Filterung durch den gleichen Butterworth-Filter min
destens zehnter Ordnung gefiltert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
EEG-Signale durch einen Butterworth-Filter elfter Ordnung
gefiltert werden.
3. Verfahren zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im
Kernspintomographen, in welchem ein statisches Hochmagnetfeld
zum Ausrichten der Kernspins erzeugt wird und im Bildgebungs
betrieb weiter ein zirkular polarisiertes Wechselfeld im
Radiofrequenzbereich zum Anregen der Kernspins sowie drei
geschaltete magnetische Gradientenfelder für die Ortskodie
rung des Kernresonanzsignals in den drei Raumrichtungen
erzeugt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) parallel zu den EEG-Signalen ein EKG-Signal als Trigger signal aufgezeichnet wird,
- b) aus dem EKG-Signal ein periodisch auftretendes, zeitlich scharfes Signalelement als Triggerereignis ausgewählt wird,
- c) eine dem minimalen zeitlichen Abstand zwischen aufeinan derfolgenden Triggereignissen entsprechende Zeitlänge L bestimmt wird,
- d) in jedem vom Anwender gewählten EEG-Kanal EEG-Signalab schnitte der Zeitlänge L von jedem Triggerereignis an mit einer Kohärenzanalyse untereinander verglichen werden und ein gemitteltes Pulsartefakt-Störsignal ermittelt wird,
- e) das erhaltene gemittelte Pulsartefakt-Störsignal im Wege der Oneline-Subtraktion von jedem Triggerereignis an in jedem gewählten EEG-Kanal-Signal über die Zeitlänge L sub trahiert wird, um ein Pulsartefakt-bereinigtes EEG-Signal zu erhalten.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Triggerereignis der Signalanstieg der R-Zacke im EKG-Signal
gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Triggereignis 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.
6. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1
oder 2, mit einem Kernspintomographen mit Mitteln zum Erzeu
gen eines statischen Hochmagnetfelds innerhalb einer Tomo
graphenröhre (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),
einem diesen mit außerhalb des geschirmten Tomographenraums
befindlichen Signalverarbeitungseinrichtungen (7, 8, 9) ver
bindenden Lichtleiter (6), gekennzeichnet durch einen Tiefpaß
am Eingang des EEG-Verstärkers (5), dessen Grenzfrequenz
unter der halben EEG-Abtastrate liegt, und durch ein Butter
worth-Filter mindestens zehnter Ordnung, durch das alle EEG-
Signalkanäle geführt sind.
7. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 3 bis 6, 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 Kernresonanz
signale, weiter mit EEG-Ableitelektroden (4), einem innerhalb
der Tomographenröhre (1) angeordneten EEG-Verstärker (5),
einem diesen mit außerhalb des geschirmten Tomographenraums
befindlichen Signalverarbeitungseinrichtungen (7, 8, 9) ver
bindenden Lichtleiter (6), dadurch gekennzeichnet, daß ein
zusätzlicher Kanal zur Aufzeichnung eines EKG-Signals vorge
sehen ist und eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung
zur Ausführung der Verfahrensmaßnahmen b) bis e) vorgesehen
ist.
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