AT502014B1 - Verfahren zur umwandlung von durch ein eeg gemessenen hirnströme in eine mehrdimensionale abbildung - Google Patents

Description

2 AT 502 014 B1

Technisches Gebiet

Medizintechnik. Messung elektrischer Hirnströme mit einem EEG-Gerät (EEG = Elektroen-cephalografie) 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. Üblicherweise werden Bandbreiten von 0,5 - 3,5 Hz, 4 -7 Hz, 8 -13 Hz und 13 - 30 Hz erfasst.

Quantitative Analysen, Analyse mit Datenkompression, Analysen durch bildhafte Darstellungen, Analysen mit cCT

Diese EEG-Formen werden nur aufgezählt, da ihnen allen die Technik eines konventionellen EEG’s zugrunde liegt (s. Homma, E., Leitfaden für die EEG-Praxis, S 278 - 284, 2002: Urban & Fischer, München Jena).

Magnetenzephalografie (MEG)

Spezielle Aufnahmegeräte verwandeln die Änderungen von Magnetfeldern in Spannungsschwankungen, wobei man Kurven erhält, die dem EEG ähnlich sind.

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 „P1“ genannt und ist im EEG durch eine Abweichung nach unten gekennzeichnet; darauf folgt eine Negativie-rung. Sie stellt sich durch eine Abweichung nach oben dar und wird N1 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.

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 Himaktivitäten 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) kann diese Aktivitäten in ihrer Komplexität nicht darstellen. 3 AT 502 014 B1

Bei bekannten Analyseverfahren (RU 2 029 492 C1 27.2.1995 und WO 1990/11718 A1 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 Freqauenz/Phasenverhältnissen 5 analysiert. Beim internationalen Patent werden herkömmliche EEG-Wellen zu Datensätzen verarbeitet und mit den 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. io 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 15 übereinandergelegt. Die Häufung gleichartiger Messungen werden durch Rasterung unterschiedlich farblich dargestellt. Dadurch ergibt sich eine Dichtestruktur entsprechend der Häufung gleichartiger Messungen.

Genaue technische Beschreibung des Verfahrens 20

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. 25 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. 30

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. 35 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. 1 km. Die Sichtung der Daten nach der herkömmlichen Methode wäre also sehr zeitaufwendig. 40 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, 45 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 so 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“ 55 oder „Wiederholung“ dargestellt werden und eine Wechsel der Farbe erfolgt. 4 AT 502 014 B1

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 5 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 Unterschie-io de 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. 15 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 20 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 25 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 30 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. 35

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. 40

Nennen wir 2 aufeinander folgende Messwerte a und b.

Von diesen Werten wird die Differenz berechnet, b-a entspricht der Steigung der Messkurve. 45 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 so 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. 55

Claims (1)

1. 5 AT 502 014 B1 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 5 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/Fermittelt, wobei Oder höchste Rasterwert R(x,y) und Fdie Anzahl der Farben ist. Alle R(x,y) werden anschließend durch S geteilt und enthalten dann die Nummer der anzuzeigenden Farbe. 10 Patentanspruch: Verfahren zur Umwandlung der durch ein EEG gemessenen Hirnströme in ein zweidimensiona-15 les 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 20 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 Spannungswer-25 ten 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. 30 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 35 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 40 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 Messer-45 gebnisse 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 so Farbe. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 55