Boesiger, P.

Fischer,, S.

Scheidegger,, M.B.

Stuber,, M.

Stüssi,, B.

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Vorverstärker mit optischer Signalübertragung und optischerLeistungsversorgung für hochqualitative Elektrokardiogrammewährend Magnetresonanz-(MR)-UntersuchungenM.B. Scheidegger, M. Stuber, B. Stüssl, S. Fischer, P. BoesigerInstitut für Biomedizinische Technik und Medizinische Informatik, Universität und Zürich, SchweizTHEMAFür eine artefaktfreie Akquisition von Elektro-kardiogramm-Signalen (EKG) während Magnetresonanz-Untersuchungen, welche zur Triggerung der Messungenund eventuell als Patientenmonitoring dienen, wurde einEKG-System mit optischer Signalübermittlung und opti-scher Leistungsversorgung entwickelt.EINLEITUNGEine grosse und tendenziell steigende Anzahl an MR-Se-quenzen basiert auf einer Synchronisation der Akquisitionmit dem EKG. Das EKG-Signal, das während einerMR-Untersuchung aufgenommen wird, ist allerdingshäutig durch das stationäre und durch hochfrequente(RF) Magnetfelder und durch schnell geschalteteGradientenfelder stark gestört. All diese Effekte macheneine zuverlässige Detektion der R-Zacke im EKG oft sehrschwierig. Um gradienteninduzierte Verzerrungen zuminimieren, müssen die Elektroden einerseits nahe demIsozentrum des Magneten plaziert werden und anderer-seits muss die Fläche, welche zwischen Elektroden undden Ableitungsdrähten aufgespannt wird, möglichst kleinsein.Aus diesen Anforderungen folgt, dass ein EKG-Vorverstärker möglichst nahe bei den EKG-Elektrodenplaziert werden sollte. Da der elektrische Schaltkreis fürden Vorverstärker aber eine Stromversorgung benötigt,werden häufig dafür Batterien eingesetzt. Batterienenthalten leider aber zumeist ferromagnetische Materia-len, welche grosse Bildartefakte verursachen, und könnendeshalb nicht nahe der Bildebene plaziert werden. Einevorgängig publizierte Lösung [1,2] beinhaltete eine opti-sche Uebertragung des EKG-Signals vom Vorverstärkerbeim Patienten aus dem Magneten heraus, hatte aber nocheine Batterie beim EKG-Vorverstärker.Kackend ElektronikStrom-versorgung2K<••^ HM·1^^•^^mtrollsignale^"%analogEKG out3f j t'>r(fL*4 Tibersd&tal es Signal zuFr«-\Li•v,TT,ontend Elektronik. (Photodiodenarray1 2 Kontrollsignaler•fiiS^ i^^ i||c4- &2^^W^?*V:-tt&. :<·*?!1KarbonDrähteundEkk-trodenKAbbildung 1: Blockdiagramm des Gesamtsystems mitFrontend- und Backend-Einheit und der optischenUebertragung sämtlicher Signale.Deshalb wurde ein batterieloses System entworfen, umdie freie Kabellänge zwischen Hautelektroden und elek-trischem Schaltkreis im Vorverstärker zu minimieren.Der EKG-Vorverstärker ist nahe oder sogar in der Abbil-dungsebene, nahe den Elektroden plaziert. Er basiert aufeiner optischen Leistungsversorgung, optisch übermittel-ten Kontrollsignalen und einer optischen Uebermittlungdes verstärkten und digitalisierten EKG-Signals mittelsGlasfasern. Diese Lösung benötigt also keinerlei elektri-sche Verbindung und auch keine Batterie.MATERIALIEN UND METHODENOptische Leistungsversorgung (siehe Abb. : EineLaserdiode (SFH 487406, Siemens) erzeugt eine optischeAusgangsleistung von 30 mW und speist diese in eine 12Meter lange multi-mode Glasfiber mit einem Kerndurch-messer von 200 Mikrometern.Impedanz- Hoch- Differenz- Stop- Tief-Wandlung pass verstarker band passSende-diode0.4 Hz gab 200 50 Hz 200 Hz 12 bhl KHzAbbildung 2: Blockschema des EKG-Vorstärkersmit Analog-Digitalwandlung und optischerSignalübertragung.Mit einem Photodiodenarray (SFH 2115, Siemens) wirdempfängerseitig eine elektrische Leistung von ca. 3.5 mWerhalten für die Speisung des Vorverstärkers.EKG-Elektroden und -Kabel: Kurze Karbonkabel(mittlere Länge ca 5 cm) und metallfreie Karbonelektro-den (Carbocone M45, Lynn Medical Systems, USA)wurden benützt.Frontend-Elektronik fder Teil des Systems im Magneten,wie z.B. EKG-Vorverstärker, optische Konverter, sieheAbbildungen l und 2): Mit extrem leistungsarmenKomponenten hat die gesamte Frontend-Elektronik einenLeistungsbedarf von 2.8 mW. Der Prototyp ist mit minia-turisierten SMD (surface mounted devices) aufgebaut undin eine RF-abgeschirmte Box von einer Kantenlänge vonl 3 9 cm und einem Gewicht von weniger als 50Gramm eingeschlossen.Die Signale von den Elektroden passieren zuerst einenImpedanzwandler und werden anschliessend hochpassge-filtert und gelangen zum Differenzverstärker. Darauffolgen ein Stopband-Filter mit der Mittenfrequenz von 50Hertz und ein Tiefpassfilter. Die 12-bit breite Analog-Digitalwandlung erfolgt mit einer Abtastrate von l kHz286 Biomedlzinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996mit der "Successive approximation conversion" Technik(LTC1286, Linear Technology).Das digitalisierte EKG-Signal wird anschliessend optischüber die Glasfaser übermittelt. Dazu dient eine extremleistungsarme LED (HLMP-K155, Hewlett Packard) miteinem Leistungsbedarf von lediglich 100 uW. Diese tiefeLeistung ist möglich durch die Benützung einer Glasfasermit einem Kerndurcrunesser von 0.6 mm.Die Backend-Elektronik (siehe Abb. 1^ ist als PC-Ein-schubkarte aufgebaut. Eine Funktion des Backends ist dieGenerierung von Kontrollsignalen für den digitalen Teilder Frontend-Elektronik und die anschliessende Ueber-mittlung dieser über Glasfiber (Chip select, Clock).Das Konzept mit externen Kontrollsignalen hat diefolgenden Vorteile: Es wird kein hochfrequenter Quartz-kristall als Frequenzreferenz benötigt, welcher zusätzlichbeim Frontend Störungen bei der Messung der MR-Signa-le verursachen könnte. Zusätzlich ist damit das Systemexpandierbar; mehrere Frontend-Einheiten können völligsynchron miteinander benützt werden, womit das EKG-Signal synchron genau zu gleichen Zeitpunkten in mehre-ren Kanälen abgetastet werden kann.Das optisch übermittelte EKG-Signal wird im Backend inein elektrisches Signal zurückgewandelt und wird als digi-tales serielles Signal zur R-Zacken-Detektion und EKG-Triggerung dem Scanner zugeführt. Das EKG-Signal wirdüberdies wieder in ein analoges Signal gewandelt, damites auf einem Oszilloskop jederzeit überwacht werdenkann.ERGEBNISSEEin Prototyp wurde mit SMD-Bausteinen aufgebaut.Tests wurden mit Probanden auf einem Philips GyroscanACS/NT Ganzkörper-MR-Gerät mit einer Feldstärke von1.5 Tesla durchgeführt.Die Abbildung 3 zeigt das abgeleitete EKG-Signal einesfreiwilligen Probanden während dem Zeitintervall von 4aufeinanderfolgenden Herzschlägen. Die obere Linierepräsentiert das EKG, so wie es während einer MR-Un-tersuchung aus dem Magneten heraus gewonnen wurde.Die untere Linie in Abbildung 3 ist zur besseren Lesbar-keit leicht links verschoben worden. Sie repräsentiert dasEKG-Signal, gewonnen an der gleichen Person, unmittel-bar anschliessend an die MR-Untersuchung, jedochakquiriert ausserhalb des Magneten, so wie es mit derpräsentierten Hardware aufgenommen wurde.DTSKUSSTONDas Konzept und der Prototyp mit der batterielosen EKG-Elektronik in einer abgeschirmten miniaturisierten Boxnahe den Elektroden minimiert die Länge der Karbon-drähte an den Elektroden. Die Abtastrate von l kHz miteiner Dynamik von 12 bit ermöglichen ein hochqualitati-ves EKG-Signal. Da die Kontrollsignale extern generiertund über Glasfiber zur Frontend-Elektronik übermitteltwerden, ist die Frontend-Einheit echt kaskadierbar. Dasheisst, mehrere der vorgestellten EKG-Verstärker-Einheiten mit je 3 Elektroden können simultan betriebenwerden. Mit mehr als 3 EKG-Elektroden wird es möglich,nicht nur eine Projektion, sondern eine dreidimensionaleVektor-Repräsentation des EKG-Signals aus den einzel-nen Signalen abzuleiten. Störungen und Verzerrungen desEKG-Signals, beispielsweise durch schnell geschalteteGradientenfelder folgen aber nicht dem rotierenden EKG-Vektor. Deshalb besteht die Hoffnung, dass diese Störun-gen mit geeigneten Algorithmen aus einer Vektor-Darstellung im EKG-Signal eliminiert oder mindestensminimiert werden könnten.Eine Prozedur mit multiplen EKG-Elektroden hilft auch,die R-Zacke in Patienten mit abnormaler elektrischerHerzachse oder mit Erregungsausbreitungsstörungenzuverlässiger delektieren zu können. Mit einem modell-basierten Ansatz könnte der Einfluss des statischenMagnetfeldes auf das Elektrokardiogramm reduziertwerden. Als Demonstration dieses Effektes betrachte mandie Abb. 3, obere Linie: Die R-Zacken sind praktischidentisch zu denjenigen, welche ausserhalb des Magneten1000 2000 3000 4000Abbildung 3: Typisches EKG-Signal voneinem Freiwilligen. Die obere Linie wurde imMagneten während einer MR-Messung aufge-nommen und die untere Linie wurde vom glei-chen Probanden ausserhalb des Magneten mitdem vorgestellten System erhalten.gewonnen wurden. Das EKG-Signal zwischen den aufein-anderfolgenden QRS-Komplexen variiert aber stärker, vorallem ist dieser Effekt im Intervall S-T sehr starkausgeprägt.Ausgedehntere Untersuchungen an Patienten mit abnor-mem EKG sind noch notwendig und noch durchzuführen.Die Möglichkeit einer Kaskadierung der Akquisitioneines zuverlässigen und qualitativ guten EKG-Signalsliefert aber nicht nur eine zuverlässigere R-Zacken-Detektion zur Triggerung der Messung. Darüber hinauskönnte es auch zum Teil von diagnostischem Wertwerden. Dies wäre bei der MR-Untersuchung von unsta-bilen Herzpatienten oder während Stress-Untersuchungenim MR-scanner von vitaler Bedeutung.LITERATUR[1] J. Felblinger, C. Lehmann, C. Boesch: Magn. Reson.Med., 32:523-529 (1994)[2] J. Felblinger, et.al. Radiology, 197:311-313(1995)Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996 287

Vorverstärker mit optischer Signalübertragung und optischer Leistungsversorgung für hochqualitative Elektrokardiogramme während Magnetresonanz-(MR)-Untersuchungen

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