WO2008019407A1 - Verfahren zur umwandlung von durch ein eeg gemessenen elektrischen hirnströme in eine mehrdimensionale abbildung - Google Patents
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Definitions
- EEG electroencephalography
- the event-related potential has a characteristic shape: duration: at most 0.5 seconds, amplitude at most 10 mV, short positives.
- the two patents RU 2 029 492 Cl 27.2.1995 and WO 1990/11718 Al 18.10.1990 are analyzes of conventional EEG waves, which are recorded in the usual bandwidths.
- the bands are analyzed individually according to their frequency / amplitude characteristics and their frequency / phase relationships.
- conventional EEG waves are processed into data sets and compared with records from clinical trials. From these comparisons, diagnoses are derived.
- the analysis results which are based on unchanged EEG waves, are shown graphically.
- the neural network consists of subnetworks.
- the technical task that results is to record these electrical brain activities in as much detail as possible in order to obtain electrophysiological representations for brain research and diagnosis, therapy and course monitoring in mental and neurological diseases.
- the inventive method causes the amount of data supplied by an EEG is displayed in a different form.
- a measuring strip with a curve see Fig. 2
- it shows an image in which the voltages are plotted on the y-axis and the rise steepnesses of two respectively successive measurements on the x-axis (see Figs. 3).
- the measurements are therefore not updated horizontally (see Fig. 2), but superimposed.
- the accumulation of similar measurements are displayed differently in color by screening. This results in a density structure according to the accumulation of similar measurements, which provides information on the basic electrophysiological processes inhibition of excitation (inhibitory postsynaptic potentials), excitation requirement (excitatory postsynaptic potentials) and excitation propagation (action potentials).
- the values measured by the EEG device are binary coded and have a resolution of two bytes per measured value.
- One byte can assume 2 8, ie 256 states.
- a theoretical resolution of 65536 possibilities per measured value is achieved.
- Value Hi * 256 + Lo
- Hi and Lo are the high byte and low byte of the measured value.
- the raster is a 2-dimensional number space R (x, y) where x and y can assume values of 0..100.
- R (x, y) is an integer.
- this value corresponds to the deviation on the X-axis.
- the Y value is determined according to the formula Y- (a + b) / 2 and corresponds to a point in the
- an insertion factor S D / F is determined, where D is the highest raster value R (x, y) and F is the number of colors. All R (x, y) are then divided by S and then contain the number of the color to be displayed.
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren wandelt die durch ein EEG gemessenen Hirnströme in eine Struktur um, in der Häufigkeiten durch Färb- bzw. Grauschattierungen gekennzeichnet sind (s. Fig. 1 und 3). Die Einzelmessungen werden dabei nicht, wie bei der herkömmlichen Erfassung der elektrischen Hirnströme horizontal aufgezeichnet (s. Fig 2), sondern übereinandergelegt. Die Kurvenform der bisher bekannten Verfahren zur Aufzeichnung der elektrischen Hirnaktivität wird dabei aufgehoben. Es entsteht eine mehrdimensionale Abbildung, die auf der y- Achse die Spannungen und auf der x- Achse die Anstiegssteilheiten zweier jeweils aufeinanderfolgender Messungen abbildet (s. Fig. 1 u. 3). Die "dritte Dimension" bilden die Färb- bzw. Grauschattierungen, die die unterschiedlichen Häufigkeiten der Messungen zum Ausdruck bringen. Grundlegende elektrophysiologische Vorgänge des Gehirns können dadurch identifiziert werden: Im rechten oberen Quadranten (s. Fig. 1/4 u.3/4 ) eine Zunahme des negativen Potentials = inhibitorisches postsynaptische Potential = Erregungsabnahme; im linken oberen Quadranten (s. Fig. 1/3 und 3/3 ) eine Abnahme des negativen Potentials = exzitatorisches postsynaptisches Potential = Erregungszunahme. Um die Mittelachse (s. Fig. 1/2 u. 3/2) ist die Dichtestruktur der Erregungsfortleitung = Aktionspotentiale zu erkennen. Figur 1/1 und 3/1 zeigt den Ablauf der Erregungsfortleitung. Es gilt die Beziehung: Je näher sich die Punkte bei der Mittelachse befinden, desto flacher die Anstiegssteilheit zwischen zwei Punkten und desto kürzer die Zeitdifferenz; je weiter die Punkte von der Mittelachse Entfernt sind, desto steiler der Anstieg und desto länger die Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Messungen.
Description
Verfahren zur Umwandlung von durch ein EEG gemessenen elektrischen Hirnströme in eine mehrdimensionale Abbildung
Technisches Gebiet
Medizintechnik. Messung elektrischer Hirnströme mit einem EEG-Gerät (EEG = Elektroencephalografie) und die Transformation dieser Messungen mit einem eigenen Verfahren in eine mehrdimensionale Abbildung.
Bisheriger Stand der Technik
„Konventionelles" EEG:
Erfassung von Potentialschwankungen im Bereich der Hirnrinde mit Elektroden von der Kopfhaut in Wellenform.
Erfassung ereigniskorrelierter evozierter Potentiale:
Unter laufender Aufzeichnung mit einem konventionellem EEG wird ein Stimulus (Klickton oder Lichtreiz) meist mehrere hundert Male präsentiert, In einer Computeranalyse werden die dem sensorischen Reiz folgenden EEG- Abschnitte übereinandergelegt und gemittelt (averaging). Dadurch heben sich die reizunabhängigen Spontanauschläge auf, während das stets gleiche ereigniskorrelierte Potential bei zunehmender Zahl der Mittelungsprozesse immer deutlicher sichtbar wird. Das ereigniskorrelierte Potential hat eine charakteristische Form: Dauer: höchstens 0,5 Sekunden, Amplitude höchstens 10 mV, kurze Positivierung. Diese wird „PI" genannt und ist im EEG durch eine Abweichung nach unten gekennzeichnet; darauf folgt eine Negativierung. Sie stellt sich durch eine Abweichung nach oben dar und wird Nl bzw. N100 genannt, da sie nach ungefähr 100 Millisekunden auftritt. Nach weiteren Ausschlägen erfolgt eine deutliche Positivierung. Sie wird als P3 oder P300- Welle bezeichnet, weil sie nach etwa 300 Millisekunden auftritt.
Patente RU 2 029 492 Cl 27.2.1995 und WO 1990/11718 Al 18.10.1990
Bei den beiden Patenten RU 2 029 492 Cl 27.2.1995 und WO 1990/11718 Al 18.10.1990 handelt es sich um Analysen von herkömmlichen EEG- Wellen, die in den üblichen Bandbreiten aufgezeichnet werden. Beim russischen Patent werden die Bänder einzeln nach ihren Frequenz/Amplituden-Charakteristika und nach ihren Frequenz/Phasenverhältnissen analysiert. Beim internationalen Patent werden herkömmliche EEG- Wellen zu Datensätzen verarbeitet und mit Datensätzen aus klinischen Studien verglichen. Aus diesen Vergleichen werden Diagnosen abgeleitet Bei beiden Patenten werden die Analyseergebnisse, denen unveränderte EEG- Wellen zugrunde liegen, grafisch abgebildet.
Technische Aufgabe, die gelöst werden soll
Sämtliche kognitiven Hirnleistungen wie Aufmerksamkeit, Wahrnehmung, Denken, Gedächtnis und den Affekten liegen elektrische Hirnaktivitäten zugrunde. Die kleinste Einheit dieser elektrischen Aktivitäten ist die Nervenzelle (das Neuron). Die Neuronen sind zu einem neuronalen Netzwerk verbunden. Das neuronale Netzwerk besteht aus Teilnetzwerken.
Die technische Aufgabe, die sich daraus ergibt, ist, diese elektrischen Hirnaktivitäten möglichst detailliert zu erfassen, um elektrophysiologische Repräsentationen für die Hirnforschung und Diagnose, Therapie und Therapieverlaufskontrolle bei psychischen und neurologischen Krankheiten zu erhalten.
Die Erfassung der elektrischen Hirnaktivität in Kurvenform (s. Fig. 2 und „Bisheriger Stand der Technik" ) kann diese Aktivitäten in ihrer Komplexität nicht darstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt, dass die von einem EEG gelieferte Datenmenge in einer anderen Form dargestellt wird. Anstelle eines Messstreifens mit einem Kurvenverlauf (s. Fig. 2), zeigt es ein Bild, in dem auf der y- Achse die Spannungen und auf der x- Achse die Anstiegssteilheiten zweier jeweils aufeinanderfolgender Messungen abgebildet werden (s. Fig. 1 u. 3). Die Messungen werden also nicht horizontal fortgeschrieben (s. Fig. 2), sondern übereinandergelegt. Die Häufung gleichartiger Messungen werden durch Rasterung unterschiedlich farblich dargestellt. Dadurch ergibt sich eine Dichtestruktur entsprechend der Häufung gleichartiger Messungen, die Auskunft gibt über die grundlegenden elektrophysiologischen Vorgänge Erregungshemmung (inhibitorische postsynaptische Potentiale), Erregungsforderung (exzitatorische postsynaptische Potentiale) und Erregungsausbreitung (Aktionspotentiale).
Technische Beschreibung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens
Die vom EEG-Gerät gemessenen Werte sind binär codiert und liegen mit einer Auflösung zwei Byte pro Messwert vor. Ein Byte kann 28 also 256 Zustände annehmen. Bei 2 Byte pro Messwert wird also eine theoretischen Auflösung von 65536 Möglichkeiten pro Messwert erreicht.
Der dezimale Messwert aus den jeweils 2 Byte des EEG-Gerätes wird so berechnet: Wert = Hi * 256 + Lo wobei Hi und Lo das high-Byte und low-Byte des Messwertes sind. Bei meinen Versuchen stellte sich heraus, dass die Hardware bei einer Sample-Frequenz von 512 Hz gerade noch glaubhafte Messwerte liefert. Mehr Messwerte pro Sekunde reduzieren wahrscheinlich die Genauigkeit der Einzelmessungen.
Für eine Messung von einer halben Stunde bedeutet das eine Menge von ca. 900.000 Messwerte pro Kanal. Wenn diese Datenmenge als Kurve auf einem Bildschirm dargestellt oder auf Papier ausgedruckt werden soll, ergibt das einen Streifen von ca. lkm. Die Sichtung der Daten nach der herkömmlichen Methode wäre also sehr zeitaufwendig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die ganze Messung auf einem Blatt oder genauer in einem Raster mit einer Auflösung von 100x100 dargestellt werden. Dies ist möglich, wenn die Datenpunkte in ein Koordinatensystem eingetragen werden, bei der die Zeitachse fehlt. Das dabei entstehende Gebilde ermöglicht also zwar Rückschlüsse z.B. auf Kurvenformen, jedoch nicht auf die zeitliche Abfolge von Vorgängen. Die Belegung der Achsen wurde nun so gewählt: Auf der senkrechten Achse wird der Spannungswert aufgetragen, auf der waagrechten Achse die Steigung der Kurve.
Ereignisse, die sich wiederholen, werden durch eine Änderung der Farbe veranschaulicht. Eine Rasterung der Daten bedeutet, dass einander sehr ähnliche Ereignisse im Bild als „gleich" oder „Wiederholung" dargestellt werden und eine Wechsel der Farbe erfolgt. Nur durch die Rasterung ist es überhaupt möglich unterschiedlich lange Messungen miteinander vergleichen zu können.
Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass die Signalstärke der gemessenen Wechselströme bei unterschiedlichen Individuen große Unterschiede aufweist. Dies könnte auf unterschiedliche Beschaffenheit und Dicke der Gewebe und Knochen, sowie unterschiedliche Hautwiderstände zurückzuführen sein.
Somit ist also eine Anpassung der Daten an die Rastergröße erforderlich, um diese Unterschiede auszugleichen. Weiters müssen einzelne Fehlmessungen ausgeblendet werden. Wenn man alle Daten optimal innerhalb des Rasters sehen will, bietet es sich geradezu an, den höchsten und tiefsten Messwert zu suchen, diese an die Ober- bzw. Untergrenze des Rasters zu stellen und alle anderen Werte daran anzupassen. Die Vorgangsweise wäre dann so:
Man ermittelt die Differenz des tiefsten Messwertes zur unteren Rastergröße und verschiebt alle Messwerte parallel um diesen Betrag. Dann liegen alle Messwerte oberhalb der Raster- Untergrenze, der unterste Wert ist noch sichtbar. Hierauf dividiert man dem höchsten Messwert durch die Raster-Obergrenze und erhält den Streckungsfaktor, um den der höchste Wert über der Raster-Obergrenze liegt. Alle Werte werden nun durch diesen Streckungs- Faktor dividiert und befinden sich somit im sichtbaren Bereich. Diese Vorgangsweise funktioniert nur, wenn das EEG keine Messfehler liefert, die womöglich weit außerhalb der „normalen" Werte liegen. Mit einer verbesserten Methode können diese Störungen elegant ausgeblendet werden:
Dazu müssen alle Messwerte nach ihren Spannungswerten sortiert werden. Danach beginnt man die Menge der Messwerte von schwächsten Signal an zu zählen, bis man 95% der
Gesamtmenge erreicht hat. Die dort vorliegende Signalstärke teilt man durch 95 (bei einem
Raster von 1 bis 100). Das Ergebnis ist der Streckungsfaktor für alle Messwerte. Mit diesem werden dann alle vorliegende Messwerte beaufschlagt. Extremwerte befinden sich danach außerhalb des Rasters.
Der Eintrag der Messwerte in den Raster erfolgt nach folgendem Schema:
Der Raster ist ein 2-dimensionaler Zahlenraum R(x,y) wobei x und y Werte von 0..100 annehmen können. R(x,y) ist ganzzahlig.
Nennen wir 2 aufeinander folgende Messwerte a und b.
Von diesen Werten wird die Differenz berechnet, b-a entspricht der Steigung der Messkurve.
Bei einem positiven Ergebnis bedeutet das eine steigende Kurve.
Im Raster entspricht dieser Wert der Abweichung auf der X-Achse.
Der Y-Wert wird nach der Formel Y-(a+b)/2 ermittelt und entspricht einem Punkt in der
Mitte der gedachten Linie zwischen den Punkten a und b.
Im Raster wird der Wert R(x,y) um 1 erhöht.
So verfährt man mit allen aufeinander folgenden Messwerten der ganzen Messreihe.
Zur anschließenden Darstellung des Zahlenrasters als Bild, empfiehlt es sich, eine sortierte
Farbenreihe von am Bildschirm und Drucker unterscheidbaren Farben zu verwenden.
Damit die Messergebnisse unterschiedlich langer Messungen vergleichbar sind, erfolgt auch hier eine Anpassung der jeweiligen Datenmenge an die Menge der zu verwendenden Farben.
Dazu wird zunächst die Stelle des Rasters mit der größten Datenmenge gesucht. Auch hier wird ein Steckungsfaktor S = D / F ermittelt, wobei D der höchste Rasterwert R(x,y) und F die Anzahl der Farben ist. Alle R(x,y) werden anschließend durch S geteilt und enthalten dann die Nummer der anzuzeigenden Farbe.
Claims
PATENTANSPRUCH
Verfahren zur Umwandlung der durch ein EEG gemessenen Hirnströme in ein zweidimensionales Bild, in dem Häufigkeiten durch Färb- bzw. Grauschattierungen gekennzeichnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bandbereich in bekannter Weise von 0 bis ca. 512 Hz erfasst wird und dass weiters auf der senkrechten Achse die Spannungswerte und auf der waagrechten Achse die Anstiegssteilheiten zweier jeweils aufeinanderfolgender Messungen aufgetragen werden und die Häufigkeiten der Messpunkte nach einem vorher bestimmten Raster von Färb- bzw. Grauschattierungen ersichtlich wird; weiters umfassend folgende Verfahrensschritte zur Rasterermittlung:
Der Raster wird als 2-dimensionaler Zahlenraum R(x,y) definiert, wobei x und y Werte von 0..100 annehmen können. R(x,y) ist ganzzahlig.
Um Messfehler des Gerätes auszugleichen, werden die Messwerte nach ihren Spannungswerten sortiert. Danach wird die Menge der Messwerte vom schwächsten Signal ausgehend ermittelt bis 95 % der Gesamtmenge erreicht sind. Die dort vorliegende Signalstärke wird durch 95 geteilt (bei einem Raster von 1 - 100). Das Ergebnis ist der Streckungsfaktor für alle Messwerte. Mit diesem werden dann alle vorliegenden Messwerte beaufschlagt. Extremwerte befinden sich danach außerhalb des Rasters.
Zum Ausgleich der individuellen Gewebsunterschiede und Hautwiederstände wird die Differenz des tiefsten Messwertes zur unteren Rastergröße ermittelt. Alle Messwerte werden parallel um diesen Betrag verschoben. Dadurch kommen alle Messwerte oberhalb der Rasteruntergrenze zu liegen. Der unterste Wert ist noch sichtbar. Hierauf wird der höchste Messwert durch die Raster-Obergrenze dividiert. Der Quotient ergibt den Streckungsfaktor - durch den alle Werte dividiert werden. Alle Werte gelangen durch diese Korrektur in den sichtbaren Bereich; und folgende Verfahrensschritte zum Eintrag der Messwerte in den Raster:
Von 2 aufeinanderfolgenden Messwerten a und b wird die Differenz berechnet, b-a entspricht der Steigung der Messkurve. Bei einem positiven Anstieg bedeutet das eine steigende Kurve. Im Raster entspricht dieser Wert der Abweichung auf der X-Achse. Der Y- Wert wird nach der Formel Y=(a+b)/2 ermittelt und entspricht einem Punkt in der Mitte der gedachten Linie zwischen den Punkten a und b. Im Raster wird der Wert R(x,y) um 1 erhöht. So wird mit allen aufeinanderfolgenden Messwerten der ganzen Messreihe verfahren. Zur anschließenden Darstellung des Zahlenrasters als Bild wird eine sortierte Farbenreihe verwendet. Sie besteht aus Farben, die sich am Bildschirm oder Drucker voneinander unterscheiden. Damit die Messergebnisse unterschiedlich langer Messungen vergleichbar sind, erfolgt auch hier eine Anpassung der jeweiligen Datenmenge an die Menge der zu verwendenden Farben. Dazu wird zunächst die Stelle des Rasters mit der größten Datenmenge gesucht. Es wird ein Sreckungsfaktor S= D/F ermittelt, wobei D der höchste Rasterwert R(x,y)und F die Anzahl der Farben ist. Alle R(x,y) werden anschließend durch S geteilt und enthalten dann die Nummer der anzuzeigenden Farbe.
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2006
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 06774743 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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