DE3725532A1 - Locating source of electrical activity in human body - measuring biomagnetic signals taken without contact from which location of source is computed and on basis of model postulates sphere - Google Patents
Locating source of electrical activity in human body - measuring biomagnetic signals taken without contact from which location of source is computed and on basis of model postulates sphereInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lokalisierung einer Quelle elektrischer Aktivität im menschlichen Körper durch Messung biomagnetischer Signale, wobei die biomagneti schen Signale am Körper berührungslos abgenommen werden, wobei aus diesen Signalen der Ort der Quelle unter Zugrundelegung ei nes Modells berechnet wird, bei welchem Modell eine kugelförmi ge Gestalt vorausgesetzt wird, deren Zentrum bestimmt wird.The invention relates to a method for localization a source of electrical activity in the human body by measuring biomagnetic signals, the biomagneti The signals on the body are removed without contact, whereby from these signals the location of the source based on ei nes model is calculated, in which model a spherical shape is assumed, the center of which is determined.
In der elektrophysiologischen Funktionsdiagnostik, insbesondere in der biomagnetischen Diagnostik, wird aus außerhalb des menschlichen Körpers gemessenen Magnetfeldern und/oder aus der auf einer Oberfläche gemessenen Potentialverteilung auf die La ge und Art einer Quelle elektrischer Aktivität (auch als "Stromquelle" oder "Dipol" bezeichnet) innerhalb des Körpers mit Hilfe eines "inversen Algorithmus" zurückgerechnet (Williamson, Romani, Kaufman, Modena, "Biomagnetism: An inter disciplinary approach", NATO ASI Series A: Life Sciences, Vol. 66, Plenum Press, New York, 1982; Cuffin, N.B., "A comparison of moving dipole inverse solutions using EEGs and MEGs", IEEE Trans. Biomed. Engng. 32/11, S. 905-910, 1985; Cuffin, N.B., "Effects of fissures in the brain on EEGs and MEGs", J. Appl. Phys. 57 (1), S. 146, 1985). Für diese "inverse Lösung" muß ein Modell des Körpers erstellt werden, das die Geometrie und die elektrische Leitfähigkeit im untersuchten Körper beschreibt.In electrophysiological functional diagnostics, in particular in biomagnetic diagnostics, is from outside the human body measured magnetic fields and / or from the potential distribution on the surface measured on a surface ge and type of source of electrical activity (also called Called "power source" or "dipole") within the body calculated back with the help of an "inverse algorithm" (Williamson, Romani, Kaufman, Modena, "Biomagnetism: An inter disciplinary approach ", NATO ASI Series A: Life Sciences, Vol. 66, Plenum Press, New York, 1982; Cuffin, N.B., "A comparison of moving dipole inverse solutions using EEGs and MEGs ", IEEE Trans. Biomed. Narrow 32/11, pp. 905-910, 1985; Cuffin, N.B., "Effects of fissures in the brain on EEGs and MEGs", J. Appl. Phys. 57 (1), p. 146, 1985). For this "inverse solution" a must Model of the body can be created, the geometry and the describes electrical conductivity in the examined body.
Im Falle der Magneto-Enzephalographie (MEG) wird meist eine ho mogen leitfähige Kugel als Modell verwendet (Williamson et al., supra). Die Aufgabenstellung für die Modellerstellung beim in versen Problem des Magnetoenzephalogramms lautet: "Finde eine Kugel, so daß das Magnetfeld bestmöglich reproduziert wird, das ein elektrischer Dipol im Innern des menschlichen Kopfes am Ort der Meßsonde, z.B. eines Gradiometer-Arrays, erzeugt". Das ge suchte Kugelmodell wird bisher folgendermaßen bestimmt: Der lo kale Krümmungsradius des Kopfes des Probanden in der Nähe der einzelnen Meßorte wird gemessen, und zwar entweder mit geome trischen Meßvorrichtungen, die beispielsweise in Form eines Helms mit Abstandanzeigern vorliegen, oder er wird aus MR- oder CT-Schnittbildern des Kopfes bestimmt. Der durch den Krümmungs radius bestimmten lokalen Krümmung wird sodann eine Kugel ein beschrieben, so daß deren Oberfläche von der lokalen Oberfläche des Kopfes möglichst wenig abweicht. Diese Anpassung kann ins besondere nach der Methode der kleinsten quadratischen Abwei chungen vorgenommen werden. Für die Anpassung ("fit") kann da bei der nicht-lineare Optimierungs-Algorithmus von Levenberg- Marquard eingesetzt werden (Marquard, D.W., "An algorithm for least squares estimation of non-linear parameters", J. Soc. Indust. Appl. Math. 6/1963, 11/2, S. 431-441). Bei den somit bekannten Verfahren zur Auffindung der gesuchten Kugel wird al so bisher stets eine äußere geometische Anpassung durchgeführt.In the case of magneto-encephalography (MEG) usually a ho may use conductive sphere as a model (Williamson et al., supra). The task for model creation at in verse problem of the magnetoencephalogram is: "Find one Sphere, so that the magnetic field is reproduced as well as possible an electrical dipole inside the human head in place the measuring probe, e.g. of a gradiometer array. " searched spherical model is so far determined as follows: The lo kale radius of curvature of the subject 's head near the individual measuring locations is measured, either with geome cal measuring devices, for example in the form of a Helmets with distance indicators are available, or it is made of MR or CT sectional images of the head determined. The one by the curvature radius local curvature is then a sphere described, so that their surface from the local surface of the head deviates as little as possible. This adjustment can be ins especially according to the method of the smallest square deviation be carried out. For the adjustment ("fit") can be there in Levenberg's non-linear optimization algorithm Marquard can be used (Marquard, D.W., "An algorithm for least squares estimation of non-linear parameters ", J. Soc. Industrial Appl. Math. 6/1963, 11/2, pp. 431-441). So with the known method for finding the ball sought is al So far, an external geometic adaptation has always been carried out.
Es hat sich nun in theoretischen Untersuchungen gezeigt, daß bei dem bisher verwendeten Verfahren die Kugel durch ihre Ober flächenkrümmung definiert wird, woraus neben dem Ort des Mit telpunkts der Kugel auch deren Radius bestimmt wird, obwohl dieser Radius kein Modellparameter und damit willkürlich ist. Es hat sich weiter gezeigt, daß die bei diesem Verfahren er zielbare Genauigkeit der Anpassung und damit die Genauigkeit bei der Bestimmung der Art und Lage der Quelle elektrischer Ak tivität im menschlichen Körper zu wünschen übrig läßt.It has now been shown in theoretical studies that in the previously used method, the ball through its upper surface curvature is defined, from which in addition to the location of the Mit point of the sphere also its radius is determined, though this radius is not a model parameter and is therefore arbitrary. It has also been shown that he in this process targetable accuracy of the adjustment and thus the accuracy in determining the type and location of the source of electrical Ak activity in the human body leaves something to be desired.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge nannten Art so auszugestalten, daß eine genauere Lokalisierung der Quelle elektrischer Aktivität möglich ist.The object of the invention is to provide a method of ge named type so that a more accurate localization the source of electrical activity is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ku gelförmige Gestalt durch das Symmetriezentrum der Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit desjenigen Teils des Körpers, in dem die dominierenden Ströme fließen, bestimmt wird. This object is achieved in that the ku gel-like shape through the center of symmetry of the distribution the electrical conductivity of that part of the body in where the dominant currents flow is determined.
Diese Lösung beruht auf der theoretisch gefundenen Erkenntnis, daß der Ort des Mittelpunkts der Kugel der einzige Modellpara meter ist. Dieser muß mit dem Ort des Symmetriezentrums der elektrischen Leitfähigkeit zusammenfallen. Als "Symmetriezen trum" wird hierbei entweder das genaue Symmetriezentrum oder aber das Zentrum der maximal möglichen Symmetrie verstanden. Das Symmetriezentrum ist im Prinzip, d.h. bei genügendem Vor wissen über die Anatomie des untersuchten Körpers, aus Schnitt bildern bestimmbar. Solche Schnittbilder können beispielsweise in einem kernspintomographischen Verfahren (MR-Bilder) oder in einem Computertomographie-Verfahren (CT-Bilder) gewonnen sein.This solution is based on the theoretically found knowledge, that the location of the center of the sphere is the only model para meter is. This must match the location of the center of symmetry electrical conductivity coincide. As "symmetries "either the exact center of symmetry or but understood the center of the maximum possible symmetry. The center of symmetry is in principle, i.e. with enough advance know about the anatomy of the examined body, from section images can be determined. Such sectional images can, for example in a magnetic resonance imaging procedure (MR images) or in a computer tomography method (CT images).
Wie das Symmetriezentrum bestimmt wird, hängt vom Einzelfall der Messung ab. Bei einer MEG-Messung hängt es insbesondere von der Leitfähigkeit derjenigen anatomischen Teile des Gehirns ab, die sich in unmittelbarer Nähe der Quelle befinden.How the center of symmetry is determined depends on the individual case the measurement. With a MEG measurement, it depends in particular on the conductivity of those anatomical parts of the brain, which are in the immediate vicinity of the source.
Für eine Quelle elektrischer Aktivität im Cortex (Gehirnrinde), deren primäre und sekundäre Stromverteilung vorrangig innerhalb der grauen und weißen Hirnmasse lokalisiert ist, wird angenom men, daß das gesuchte Symmetriezentrum mit dem physikalischen Schwerpunkt der Gehirnmasse zusammenfällt. Dieser Schwerpunkt oder, was dasselbe ist, dieses Symmetriezentrum der Gehirnmasse wird beispielsweise aus einer CT-Aufnahme, bevorzugt aber aus einer dreidimensionalen MR-Aufnahme des Kopfes, bestimmt. Ein solches Verfahren kann z.B. in der Diagnose eines epillepti schen Zentrums wertvolle Dienste leisten.For a source of electrical activity in the cortex (cortex), their primary and secondary power distribution primarily within the gray and white brain mass is localized men that the searched center of symmetry with the physical Focus of brain mass coincides. This focus or, what is the same, this center of symmetry of the brain mass is, for example, from a CT scan, but preferably from a three-dimensional MR image of the head. A such a process can e.g. in the diagnosis of an epillepti the center.
Ausführungbeispiele und Hintergründe der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:Execution examples and backgrounds of the invention are in the following explained with reference to two figures. Show it:
Fig. 1 einen Untersuchungskörper mit einbeschriebener Modell kugel mit Symmetriezentrum der elektrischen Leitfähig keit gemäß der Erfindung im Schnitt, wobei in einer perspektivischen Ansicht auch ein Meßsystem eingezeich net ist, und Fig. 1 shows an examination body with an inscribed model sphere with center of symmetry of the electrical conductivity according to the invention in section, with a measuring system is also shown in a perspective view, and
Fig. 2 einen Untersuchungskörper mit einbeschriebener Modell kugel mit Zentrum, das nach der lokalen Krümmung gemäß dem Stand der Technik ermittelt wurde, ebenfalls in ei ner Schnittdarstellung. Fig. 2 shows an examination body with an inscribed model sphere with center, which was determined according to the local curvature according to the prior art, also in a sectional view.
In den Fig. 1 und 2 sind das vorliegend angewendete Anpas sungskriterium bzw. das bekannte Anpassungskriterium gegenüber gestellt. Die später angegebenen Zahlenergebnisse sind durch analytische Simulation gewonnen worden. Dabei ist in beiden Fällen derselbe geometrische Körper B zugrundegelegt, in den ein karthesisches Koordinatensystem x, y, z eingeschrieben ist. Dieser Körper B ist in seinen Außenkonturen nicht ganz regel mäßig geformt. Er enthält eine Quelle Q elektrischer Aktivität in der eingezeichneten Richtung. Bei der analytischen Simula tion ist davon ausgegangen, daß der elektrische Dipol oder die Quelle Q an einem Ort mit den Koordinaten 0; 0; 5,5 (alle Koor dinaten jeweils in cm) gelegen ist. Der Ort ist mit D bezeich net.In Figs. 1 and 2, the presently applied ANPAS are sungskriterium or made the known matching criterion opposite. The numerical results given later have been obtained by analytical simulation. In both cases the same geometric body B is used, in which a Cartesian coordinate system x , y , z is inscribed. This body B is not quite regularly shaped in its outer contours. It contains a source Q of electrical activity in the direction shown. In the analytical simulation it is assumed that the electrical dipole or the source Q at a location with the coordinates 0; 0; 5.5 (all coordinates in cm). The place is marked with D.
Der Körper B wird hier durch ein Gebiet mit kleiner elektri scher Leitfähigkeit δ 2 definiert. Er hat eine genaue Kugelform in der Nähe des Ortes D der Dipol-Quelle Q, und er hat eine nur angenäherte Kugelform in einiger Entfernung davon. Das letztere Gebiet ist mit b bezeichnet. Das Zentrum C 2 des Teils der Ober fläche, die genau kugelförmig ist, besitzt die karthesischen Koordinaten 0; 0; 0. Der Körper B enthält einen angenähert ku gelförmigen Körper B 1 von hoher elektrischer Leitfähigkeit δ 1. Es soll gelten: δ 1 ist viel größer als δ 2. Es ist angenommen, daß dieser angenähert kugelförmige Körper B 1 seinen Schwerpunkt oder sein Zentrum C 1 an einer Stelle mit den karthesischen Koordinaten 2; 0; 2 besitzt. Diese Stelle markiert also das Symmetriezentrum der Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit δ 1.The body B is defined here by an area with low electrical conductivity δ 2 . It has an exact spherical shape near the location D of the dipole source Q , and it has an approximate spherical shape some distance away. The latter area is denoted by b . The center C 2 of the part of the surface, which is exactly spherical, has the Cartesian coordinates 0; 0; 0. The body B contains an approximately spherical body B 1 of high electrical conductivity δ 1 . The following applies: δ 1 is much larger than δ 2 . It is assumed that this approximately spherical body B 1 has its center of gravity or its center C 1 at a point with the Cartesian coordinates 2; 0; 2 owns. This point thus marks the center of symmetry of the distribution of the electrical conductivity δ 1 .
Der Körper B kann hierbei den Kopf eines Probanden und der kleinere Körper B 1 dessen Hirn symbolisieren. The body B can symbolize the head of a test person and the smaller body B 1 the brain.
Zur Abtastung biomagnetischer Signale, die von der Quelle Q ausgehen, ist ein Meßgerät M vorgesehen. Im vorliegenden Fall ist das Meßgerät M ein MEG-Meßgerät, speziell eine Sonde mit mehreren SQUID-Gradiometern. In der dargestellten Ausführung ist das Array dieser Gradiometer parallel zur xy-Ebene angeord net.A measuring device M is provided for scanning biomagnetic signals originating from the source Q. In the present case, the measuring device M is a MEG measuring device, specifically a probe with several SQUID gradiometers. In the embodiment shown, the array of these gradiometers is arranged parallel to the xy plane.
Wie bereits ausgeführt, ist angenommen, daß die elektrische Leitfähigkeit δ 1 des inneren Körpers B 1 viel größer ist als die Leitfähigkeit δ 2 der darum herumliegenden Struktur. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß in diesem Fall eine Modellkugel K 1 mit einem Zentrum C 1 an der Stelle 2; 0; 2 verwendet wird, um das magne tische Feld zu berechnen, welches durch die elektrische Dipol- Quelle Q erzeugt wird. In Fig. 2 ist zum Vergleich dargestellt, daß im Stande der Technik für die Lokalisierung der Dipol-Quel le Q eine Kugel K 2 benutzt wird, die etwa im Zentrum des Kör pers B, bei MEG-Messungen also im Zentrum des Kopfes, liegt. Die beiden Kugeln K 1 und K 2 sind in die Fig. 1 und 2 durch gestrichelte Kreise um die Zentren C 1 bzw. C 2 angedeutet. Ein Vergleich zeigt die grundlegende Aussage für MEG-Messungen: Wenn die Geometrie des Gehirns mit einer einzigen Kugel optimal angenähert werden soll, dann nicht durch die Anpassung einer Kugel K 2 an die Krümmung in der Nähe des Meßortes wie in Fig. 2, sondern durch die Wahl des Kugelmittelpunktes C 1 im Schwer punkt der Gehirnmasse. Die Gehirnmasse B 1 repräsentiert damit gleichzeitig denjenigen Teil des Körpers B, in dem die dominie renden Ströme fließen. Der Schwerpunkt der Gehirnmasse läßt sich als geometrisches Mittel der Koordination von Punkten auf der Oberfläche des Gehirns bestimmen. Diese Punkte, d.h. die Kontur der Oberfläche, ergibt sich aus einer CT- oder MR- Messung. Algorithmen hierfür sind bekannt.As already stated, it is assumed that the electrical conductivity δ 1 of the inner body B 1 is much greater than the conductivity δ 2 of the structure surrounding it. From Fig. 1 it follows that in this case a model ball K 1 with a center C 1 at position 2; 0; 2 is used to calculate the magnetic field generated by the electrical dipole source Q. In Fig. 2 it is shown for comparison that a ball K 2 is used in the prior art for the localization of the dipole source Q , which is approximately in the center of the body B , ie in MEG measurements in the center of the head . The two balls K 1 and K 2 are indicated in FIGS. 1 and 2 by dashed circles around the centers C 1 and C 2 . A comparison shows the basic statement for MEG measurements: If the geometry of the brain is to be optimally approximated with a single sphere, then not by adapting a sphere K 2 to the curvature in the vicinity of the measurement location as in FIG. 2, but by the choice of the center of the sphere C 1 in the focus of the brain mass. The brain mass B 1 thus simultaneously represents that part of the body B in which the dominant currents flow. The focus of the brain mass can be determined as a geometric means of coordinating points on the surface of the brain. These points, ie the contour of the surface, result from a CT or MR measurement. Algorithms for this are known.
In einer Simulationsrechnung wurden die Signale berechnet, die mit einem Gradiometer-Array in den beiden Kugelmodellen an den 16 angedeuteten Meßpunkten der Meßeinrichtung M gemessen werden würden. Sodann wurde ein weißes Rauschen zu dem Signal hinzu addiert, und zwar so, daß das Signal-Rausch-Verhältnis etwa 170 betrug. Sodann wurden durch die bekannte "inverse Lokalisie rung", die eingangs genannt wurde, d.h. durch Anpassung nach dem Verfahren der kleinsten quadratischen Abweichung mit Hilfe des nicht-linearen Optimierungs-Algorithmus von Levenberg- Marquard, die Orte D′ bzw. D′′ der Dipol-Quellen Q bestimmt. Dies Verfahren nach dem Stand der Technik wird auch als "moving dipole algorithm"-Verfahren bezeichnet.The signals that would be measured with a gradiometer array in the two spherical models at the 16 indicated measuring points of the measuring device M were calculated in a simulation calculation. White noise was then added to the signal so that the signal-to-noise ratio was about 170. Then, by the well-known "inverse localization", which was mentioned at the outset, ie by adaptation by the method of the smallest square deviation using the non-linear optimization algorithm from Levenberg-Marquard, the locations D 'and D ''of Dipole sources Q determined. This prior art method is also referred to as a "moving dipole algorithm" method.
Bei Verwendung der Modellkugel K 1 mit Zentrum C 1, wie in Fig. 1 nach dem Kriterium des "Symmetriezentrums der Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit" bestimmt, wird die Lage D′ der Dipol-Quelle Q an der Stelle 0,2; 0; 5,5 gefunden. Diese Stelle D′ ist in Fig. 1 durch ein kleines Quadrat angedeutet. Die Ab weichung Δ r Q zur wahren Dipol-Stelle D ist also etwa 0,2 cm. Dies ist etwa das Ergebnis, das man erwarten würde, wenn der Fehler nur durch das gegebene Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 170 bestimmt wäre.When using the model sphere K 1 with center C 1 , as determined in FIG. 1 according to the criterion of the "center of symmetry of the distribution of electrical conductivity", the position D 'of the dipole source Q at position 0.2; 0; 5.5 found. This point D 'is indicated in Fig. 1 by a small square. The deviation Δ r Q from the true dipole point D is therefore approximately 0.2 cm. This is about the result you would expect if the error were only determined by the given signal-to-noise ratio of approx. 170.
Wenn man jedoch gemäß Fig. 2 eine Kugel K 2 im Zentrum C 2 bei dem Lokalisierungs-Verfahren zugrundelegt, wie es im Stande der Technik geschieht, und zwar durch räumliche Anpassung an die Krümmung des Körpers B nahe der wahren Dipol-Stelle D, so fin det man die Dipol-Stelle an einer Stelle D′′ mit den Koordina ten 0,7; 0; 5,8. Dies ergibt einen Fehler Δ r Q von ungefähr 0,8 cm zum wahren Ort D des Dipols Q. Erkennbar ist der Fehler bei Verwendung des Verfahrens nach dem Stande der Technik gemäß Fig. 2 wesentlich größer als beim Verfahren nach Fig. 1; im vorliegenden Fall ist er etwa viermal so groß.However, if, according to FIG. 2, a sphere K 2 in the center C 2 is used in the localization method, as is done in the prior art, by spatial adaptation to the curvature of the body B near the true dipole position D , see above one finds the dipole point at a point D ′ ′ with the coordinates 0.7; 0; 5.8. This results in an error Δ r Q of approximately 0.8 cm to the true location D of the dipole Q. The error is recognizable when using the method according to the state of the art according to FIG. 2 is significantly larger than with the method according to FIG. 1; in the present case it is about four times as large.
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|---|---|---|---|
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