Оперативная реконструкция источника для электроэнцефалографии/магнетоэнцефалографии и электрокардиографии/магнетокардиографии
Изобретение относится к области визуализации источника электромагнитной активности, в частности к группе изобретений для оперативной реконструкции источника для непрерывно захватываемых электромагнитных сигналов. В одном варианте осуществления настоящее изобретение содержит электроэнцефалографическую систему, содержащую датчики, которые используют для захвата электромагнитного сигнала у пациента; систему обработки сигнала и вычислительную систему. Вычислительная система конфигурирована для поддержания многочисленных цепочек выполнения взаимосвязанных программ. Вычислительная система инициирует первую цепочку выполнения взаимосвязанных программ, измерительный модуль, где данные фильтруют и в некоторых случаях усредняют. Как правило, данные фильтруются в течение особого времени ожидания. Как только данные отфильтрованы и усреднены, результат передается во вторую цепочку выполнения взаимосвязанных программ, модуль реконструкции источника, который затем приступает к генерированию реконструкции источника для испытания. После этого измерительный модуль захватывает и обрабатывает новые электромагнитные данные из нового испытания, в то время как реконструкция источника выполняется на самом последнем испытании. По результатам реконструкции источника осуществляют настройку для тестирования. Изобретение обеспечивает повышение надежности воспроизведения источника. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В общем, настоящее изобретение относится к области визуализации источника. Более конкретно, настоящее изобретение относится к выполнению оперативной реконструкции источника для непрерывно захватываемых электромагнитных сигналов.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Исследователи и доктора часто пытаются локализовать источник электромагнитной активности в невральной или сердечной ткани для диагностики заболевания или определения динамических моделей. Процесс реконструкции источника, как правило, используют для локализации этой электромагнитной активности. Этот процесс, в общем, предусматривает улавливание электромагнитных сигналов из невральной или сердечной ткани пациента через различные модальности, например электроэнцефалограмму (EEG), магнетоэнцефалограмму (MEG), электрокардиограмму (ECG) или магнетокардиограмму (MCG). Эти данные затем хранят и транспортируют к отдельной вычислительной системе, которую используют для выполнения реконструкции источника.
Одним из недостатков этого известного способа выполнения реконструкции источника является то, что он не обеспечивает индикации качества регистрируемых электромагнитных сигналов. В определение источника электромагнитной активности вовлечено несколько переменных. Значительное влияние на вычисление реконструкции источника могут оказать ошибки в настройке тестирования или плохое отношение сигнал/шум (SNR). Дефекты в полученных электромагнитных данных могут препятствовать приемлемой реконструкции источника, требуя от пациента повторения тестов. Многократное тестирование увеличивает стоимость процедуры и делает ее более обременительной для пациента.
Как результат, на известном уровне техники имеется потребность в способе тестирования полученных электромагнитных данных для обеспечения гарантии того, что они могут дать относительно надежную реконструкцию источника.
СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу и аппарату для выполнения оперативной реконструкции источника, в котором электромагнитный сигнал используется для реконструкции источника почти немедленно после того, как он был захвачен.
В одном варианте осуществления настоящее изобретение включает в себя систему электроэнцелографии, содержащую датчики, которые используют для отбора электромагнитного сигнала у пациента; систему обработки сигнала и вычислительную систему. Вычислительная система конфигурирована для поддержания многочисленных цепочек выполнения взаимосвязанных программ.
В одном варианте осуществления датчики электроэнцефалографии/магнетоэнцелографии захватывают электромагнитный сигнал у пациента и передают этот сигнал к системе обработки сигнала. При использовании известных методов сигнал фильтруют, усиливают и оцифровывают в пакеты данных, которые принимаются вычислительной системой.
В одном варианте осуществления вычислительная система инициирует первую цепочку взаимосвязанных программ, измерительный модуль, в котором данные фильтруются и в некоторых случаях усредняются. Как правило, данные фильтруются в течение особого времени ожидания. Как только данные были отфильтрованы и усреднены, результаты передаются к другой цепочке взаимосвязанных программ, модулю реконструкции источника, который затем приступает к генерированию реконструкции источника для испытания. Измерительный модуль затем захватывает и обрабатывает новые электромагнитные данные из нового испытания, в то время как реконструкция источника выполняется на самом недавнем (последнем) испытании.
В одном варианте осуществления контур обратной связи связан с измерительным устройством, которое получает электромагнитные данные. Контур обратной связи регулирует параметры процесса захвата или останавливает измерение после удовлетворения определенного критерия устойчивости. При использовании результатов реконструкции источника настройка тестирования может быть изменена для улучшения качества полученного электромагнитного сигнала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для облегчения понимания предмета изобретения описание делается со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых иллюстрируется вариант осуществления настоящего изобретения. Из рассмотрения сопроводительных чертежей в связи со следующим описанием должны быть вполне очевидны и оценены предмет изобретения, его конструкция и работа, а также многие из его преимуществ.
Фиг.1 - блок-схема примера оперативной реконструкции источника с цифровой настройкой электроэнцефалографии.
Фиг.2 - пример диаграммы рассеяния, иллюстрирующий местоположения диполя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1, в одном варианте осуществления настоящее изобретение интегрировано в систему 10 электроэнцефалографии. Использование системы 10 элктроэнцефалографии приведено только для объяснения. Квалифицированному специалисту в этой области техники будет вполне очевидно, что настоящее изобретение просто адаптируется для использования в других случаях применения, где определяют ткань-источник электромагнитного сигнала.
Система 10 электроэнцефалографии содержит датчики 12, которые используются для захвата электромагнитного сигнала у пациента. Система 14 обработки сигнала фильтрует, усиливает и оцифровывает электромагнитный сигнал. Вычислительная система 16 содержит запоминающие устройства для хранения сигнала, принимаемого из системы 14 обработки сигнала, и один или более процессоров для обработки сигналов. Вычислительная система 16 конфигурирована для поддержания многочисленных цепочек выполнения взаимосвязанных программ. Многочисленные цепочки выполнения взаимосвязанных программ представляют одну последовательность команд, выполняемых параллельно с другими последовательностями либо путем квантования времени или посредством многопроцессорной обработки. В противоположность многозадачности, в которой реализуются по существу независимые процессы, многочисленные цепочки взаимосвязанных программ способны совместно использовать информацию, память и другие ресурсы непосредственно между каждой цепочкой взаимосвязанных программ.
В одном варианте осуществления электромагнитный сигнал захватывается при использовании тестового устройства, содержащего множество датчиков и систему обработки сигнала. Датчики 12 электроэнцефалографии/магнетоэнцефалографии захватывают электромагнитный сигнал у пациента и передают сигнал к системе 14 обработки сигнала. При использовании известных методов сигнал фильтруют, усиливают и оцифровывают в пакеты данных, которые принимаются вычислительной системой 16.
В одном варианте осуществления измеренные и оцифрованные данные совместно используются двумя интегральными цепочками взаимосвязанных программ. Одна цепочка взаимосвязанных программ включает в себя модуль 18 реконструкции источника, в котором эти данные используют для определения местоположения ткани источника и в котором генерируется графическое представление ткани источника. Одним примером соответствующего модуля реконструкции источника является пакет программ SOURCE® компании Neuroscan. Другая цепочка взаимосвязанных программ может включать в себя измерительный программный модуль 16, который способен анализировать, фильтровать, отображать и давать графическое представление обнаруженного сигнала. Одним примером соответствующего измерительного программного модуля является пакет программ SCAN® компании Neuroscan.
В одном варианте осуществления захваченные электромагнитные данные сначала передают к измерительному модулю 16, где данные фильтруют, а в некоторых случаях - усредняют. Как правило, данные фильтруют в течение особого времени ожидания, причем время ожидания зависит от типа выполняемого тестирования. Продолжительность времени дискретизации или испытания в Вызванных сематосенсорных потенциалах (SEP) имеет порядок одной секунды. Частоты дискретизации в этом случае имеют порядок 1 кГц (время дискретизации 1 мс). Как только данные отфильтрованы и усреднены, результаты передаются к модулю 18 реконструкции источника, который затем приступает к генерированию реконструкции источника для испытания. Измерительный модуль 16 затем захватывает и обрабатывает электромагнитные данные из нового испытания, тогда как реконструкция источника выполняется в самом последнем испытании.
Имеется несколько разных методов, известных из предшествующего уровня техники, предназначенных для выполнения реконструкции источника. Реконструкция источника, как правило, предусматривает определение типа электромагнитной активности, например, одного эквивалентного диполя (ECD), движущегося диполя, неподвижного диполя, фиксированного диполя или регионального диполя и создание модели, с помощью которой представляется возможным определение источника активности путем использования математических формул, которые описывают распределения электромагнитного поля электромагнитной активности. Эти модели, как правило, зависят от положения и ориентации источника, положения и ориентации датчиков, которые захватывают электромагнитные сигналы, и от геометрических и проводящих свойств объемной ткани (головы или груди) проводника. Имеется несколько моделей, которые известны из предшествующего уровня техники, которые включают в себя метод трех концентрических сфер, модели объемного проводника метода граничных элементов (ВЕМ) и метода конечных элементов (FEM).
Измеренные данные представляют ограниченное отношение сигнал/шум вследствие фоновой активности, шума окружающей среды и усилителя. Распределение шума данных ведет к рассеянным положениям диполей в пространстве источника вокруг наиболее вероятного положения источника. В таком случае реконструированные диполи представляют только наиболее вероятные положения источника.
Используя оперативную реконструкцию источника при определенном времени ожидания (например, 20 мс после стимулирующего воздействия стимулирования пальца/руки), качество данных/отношение сигнал/шум данных относительно реконструкции источника/устойчивости может быть оперативно проконтролировано в реальном масштабе времени, поскольку одна реконструкция источника движущегося диполя (при использовании источника V2) занимает приблизительно 3 мс на PC известного уровня техники (приблизительно 2 ГГц). Интегральный пакет измерения/локализации источника (SCAN/SOURCE) способен реконструировать диполи в одном или нескольких предварительно выбранных периодах ожидания после каждого измерения периода дискретизации/испытания после усреднения данных. В некоторых случаях требуется от нескольких сотен до нескольких тысяч усреднений для улучшения отношения сигнал/шум измерений. Оперативная реконструкция источника для электроэнцефалографии/электрокардиографии и/или магнетоэнцефалографии/магнетокардиографии становится возможной вследствие более высокой вычислительной эффективности, оптимизированных алгоритмов и архитектуры программных средств (цепочек взаимосвязанных программ).
Помимо реконструкции источника модуль реконструкции источника может также предусматривать известные процедуры для детектирования острых импульсов/подсчета числа событий 22, для анализа 24 отношения сигнал/шум и для наложения результатов на анатомические данные 26, как показано на фиг.2. В одном варианте осуществления модуль реконструкции источника сначала выполняет детектирование событий (например, для выявления эпилептических острых импульсов) или определенного числа усреднений (например, вызванного потенциала для функционального отображения), и/или анализ отношения сигнал/шум. Затем вызывают функциональность реконструкции источника и отображают результаты (например, эквивалентные текущие диполи, факультативно с наложением на данные анатомического изображения) на дисплее. Могут быть введены факультативные анализы результата (например, кластерный анализ эпилептических острых импульсов 28 или доверительный объемный анализ результатов функционального отображения).
Процедура реконструкции эпилептических острых импульсов отличается, так как отсутствует усреднение измеренных данных. Типичная частота дискретизации имеет порядок 200 Гц (5 мс). После автоматизированного детектирования острых импульсов/пороговой классификации проводящейся электроэнцефалографии диполи могут быть оперативно реконструированы (реконструкцию источника выполняют как отдельную цепочку взаимосвязанных программ низшего приоритета на пакете обнаружения/реконструкции для предотвращения потерь данных) в течение предварительно выбранного времени/диапазона ожидания с подобными преимуществами, как указано выше, и становится возможной ускоренная и улучшенная локализация/диагностика эпилептического очага.
В одном варианте осуществления контур 30 обратной связи взаимодействует с настройкой измерения, которая определяет электромагнитные данные. Контур обратной связи регулирует параметры процесса обнаружения или останавливает измерение после соответствия определенному критерию устойчивости или отношению сигнал/шум. Оперативная реконструкция источника увеличивает возможности и добавляет ценности цифровым (например, нейрофизиологическим) измерениям, поскольку она обеспечивает немедленную обратную связь с настройкой измерения и качеством данных, а также состоянием субъекта/пациента. С помощью доверительных эллипсоидов или диаграмм рассеяния местоположений диполей может контролироваться увеличивающаяся устойчивость положения источника вследствие увеличения отношения сигнал/шум и непосредственно в течение процедуры тестирования могут быть найдены систематические ошибки настройки/конфигурации.
Материал, приведенный в вышеприведенном описании и сопроводительных чертежах, предлагается для иллюстрации, а не для ограничения настоящего изобретения. Хотя был проиллюстрирован и описан конкретный вариант осуществления, квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что без отклонения от более широких аспектов настоящего изобретения могут быть сделаны изменения и модификации.
Предполагается, что фактический объем настоящего изобретения ограничен в формуле изобретения, которая приведена ниже.
1. Способ захвата и обработки источника электромагнитных сигналов объекта, предусматривающий захват первого электромагнитного сигнала для анализа, соответствующего типу сигнала, анализ любого типа сигналов из: электроэнцефалографический (ЭЭГ), магнитоэнцефалографический (МЭГ), электрокардиографический (ЭКГ) и магнитокардиографический (МКГ); фильтрацию первого сигнала во время периода ожидания соответственно типу сигнала; выполнение воспроизведения источника для первого электромагнитного физиологического сигнала; и захват второго электромагнитного физиологического сигнала, в то время как выполняется воспроизведение источника первого электромагнитного физиологического сигнала, для выполнения воспроизведения источника второго электромагнитного сигнала.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает вычисление одного эквивалентного текущего диполя источника для указанных электромагнитных физиологических сигналов.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает вычисление движущегося диполя источника для указанных электромагнитных физиологических сигналов.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает вычисление вращающегося диполя для указанных электромагнитных физиологических сигналов.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает вычисление регионального диполя для указанных электромагнитных физиологических сигналов.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает вычисление фиксированного диполя для указанных электромагнитных физиологических сигналов.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает использование концентрической модели сферического объемного проводника для вычисления источника указанных электромагнитных физиологических сигналов.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает использование модели объемного проводника метода граничных элементов (ВЕМ) для вычисления источника указанных электромагнитных физиологических сигналов.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполнение воспроизведения источника предусматривает использование модели метода конечных элементов (FEM) в вычислении источника указанных электромагнитных физиологических сигналов.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно предусматривает усреднение фильтрованных данных в вычислении источника указанных электромагнитных физиологических сигналов.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно предусматривает наложение диполя на анатомическое изображение.
12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что он дополнительно предусматривает создание диаграммы рассеяния дипольных местоположений.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно предусматривает шумовой анализ захваченных физиологических данных.
14. Аппарат для захвата и анализа источника электромагнитных физиологических сигналов объекта, включающий: датчик для захвата электромагнитного физиологического сигнала от объекта; схему обработки сигнала, взаимодействующую с датчиком; и процессор, взаимодействующий со схемой обработки сигнала и конфигурированный для поддержания множественных параллельных взаимосвязанных программно цепочек обработки сигналов, по меньшей мере одна цепочка обработки сигнала является измерительным модулем, а вторая цепочка обработки сигнала является модулем воспроизведения источника.
15. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что он дополнительно включает средства, отображающие результаты воспроизведения источника, наложенные на анатомические данные.
16. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что датчик выполнен с возможностью захвата данных магнетоэнцефалографии.
17. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что датчик выполнен с возможностью захвата данных электроэнцефалографии.
18. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что датчик выполнен с возможностью захвата данных электрокардиографии.
19. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что датчик выполнен с возможностью захвата данных магнетокардиографии.
20. Способ тестирования для идентификации электромагнитных физиологических источников сигнала, предусматривающий захват электромагнитного физиологического сигнала; выполнение воспроизведения источника электромагнитного физиологического сигнала; и использование воспроизведения источника для модификации установки теста.
