DD294630A5 - Verfahren und schaltungsanordnung zur schritthaltenden analyse der elektrischen aktivitaeten des gehirns - Google Patents

Abstract

Die Erfindung wird in der Medizin und Psychologie sowie zu Eignungs- und Tauglichkeitsuntersuchungen angewandt. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur schritthaltenden Analyse der elektrischen Aktivitaeten des Gehirns zu entwickeln. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz ein Multiprozessorsystem mit einer fuer die Funktion angepaszten Struktur und dafuer implementierten mathematischen Methoden die abgeleiteten EEG-Signale schritthaltend analysiert, eine spezifische Verarbeitung durchfuehrt und eine leicht erkennbare, schritthaltend verarbeitbare Beschreibung der elektrischen Potentiale des Gehirns und davon ausgehend eine zustandsgetriggerte Ausloesung von Reizen realisiert.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazugehörige Schaltungsanordnung zur schritthaltenden Analyse von EEG-Signalen und von ereigniskorrelierten Potentialen (ERP) und zur zustandsgetriggerten Auslösung von Reizen und findet vorrangig in der Psychophysiologie jedoch auch in der Neurologic, der Psychologie und anderen Bereichen der Untersuchung geistiger Leistungen Anwendung und kann z. 8. im Verkehrswesen für Eignungs- und Tauglichkeitsuntersuchungen eingesetzt werden.

Aus dem Stand der Technik sind Geräte und Methoden zur Analyse des EEG und der ERP, insbesondere durch die Anwendung von Mikroprozessoren bekannt und zusammengefaßt in Coles (1986) oder Lopes da Silva (1986) dargestellt. Weiterführende Arbeiten befassen sich mit der graphischen Darstellung der Potentialverteilung von EEG oder ERP durch das mapping (Lehmann,

1987) oder der genauen Lokalisation der Generatoren (Scherg, 1986; Wood, 1982; US942204). Diese Methoden sind mathematisch bzw. in der visuellen Darstellung sehr aufwendig und eine schritthaltende Verarbeitung bzw. Darstellung ist gegenwärtig nicht realisiert.

Aus der Sicht der Ermittlung der ERP wird das EEG als Rauschen betrachtet und durch spezifische Verfahren (averaging) eliminiert. Ein solches Beispiel wird durch Kevanashvili und v. Specht im EEG-Journal 47 (1979), 280-288 ausgeführt. Der Aktivitätszus'tand der Versuchsperson ist in definierter Weise niedrig (sleep stage 2). Die elektrischen kortikalen Reaktionen auf die zum Aktivitätszustand vergleichbar starken Reize sind bereits in der Einzelableitung außerordentlich stark ausgeprägt und zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem summierten ERP.

Das ein Zusammenhang zwischen EEG und ERP besteht, wird durch Befunde aus der Literatur (Remond, 1967) belegt.

Mit der Entwicklung leistungsfähiger, spezialisierter Prozessoren wird verstärkt auf die Frequenzanalyse orientiert, die zwar schritthaltend quantitative Aussagen, jedoch nurzu definierten längeren Signalabschnitten im Sekundenbereich liefert. Ein Beispiel dafür wurde bereits durch Stuhlmüller (1980) ausgeführt. Die Methoden der peak-Analyse, wie sie bereits Goldberg

(1975) vorgeschlagen hat, werden nicht zur schritthaltenden Analyse angewendet.

Das Ziel der Erfindung besteht im Gewinnen neuer Erkenntnisse über die Funktion des Gehirns durch die effektive Anwendung der Mikroelektronik.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eins Schaltungsanordnung zur schritthaltenden Analyse der elektrischen Aktivitäten des Gehirns zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Multiprozessorsystem mit einer für die Funktion angepaßten Struktur und dafür implementierten mathematischen Methoden die abgeleiteten EEG-Signale schritthaltend analysiert, eine spezifische Verarbeitung durchführt und eine leicht erkennbare, schritthaltend verarbeitbare Beschreibung der elektrischen Potentiale des Gehirns und davon ausgehend eine zustandsgetriggerte Auslösung von Reizen realisiert. Die durch die Reizung und durch andere Aktivitäten des Gehirns evozierten Potentiale werden in der oben he^nriebenen Weise analysiert und der

Zusammenhang zwischen Momentanzustand des Versuchsobjektes, Reiz, Reaktion und induzierter Zustandsveränderung hergestellt und in Interaktion mit dem Versuchsleiter und seiner subjektiven Einschätzung bewertet und für nachfolgende Auswertungen gespeichert.

Das Versuchsobjekt befindet sich in einer der Versuchsbedingung adäquaten Umgebung und kann durch den Versuchsleiter beobachtet werden. Der Versuchsleiter kommuniziert über ein Terminal mit einem Steuerrechner, der über ein weiteres Terminal odor übe; spezielle Stimulatoren Reize an das Versuchsobjekt gibt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt ein Multiprozessorsys;em dar, welches die vom Versuchsobjekt abgeleiteten und durch ein EEU-Gerät verstärkten Signale, speziell das EEG-Signal, schritthaltend analysiert. Das Multiprozessorsystem besteht aus N Subsystemen und wird durch ein leistungsfähiges host-S,stem gesteuert. Die analogen elektrischen Signale werden dem Multiprozessorsystem zugeführt und in Analog-Digital-Konvertern digitalisiert. Je nach der Leistungsfähigkeit der verfügbaren Prozessoren, Speicherzugriffsmechanismen und Speicher der Subsysteme erfolgt die Einzelsignalanalyse durch Extremwerterkennung (peak-measurement), lineare oder nichtlineare Approximation bzw. adaptive, selbstlernende Erkennungsalgorithmen. Dadurch wird eine Verdichtung der Daten ohne wesentlichen Informationsverlust realisiert. Die Verbindung zwischen den Subsystemen ·. ι... N) und dem host-System erfolgt über leistungsfähige Datenverbindungen, z. B. Adreß- und Datenbuts bzw. Links. Das host-System besteht aus einem oder mehreren Prozessoren, einem Speicherverwaltungsmechanismus, einem Speicherzugriffsmechanismus, einem Speicher und der Anschlußsteuerung für periphere Geräte. Im host-System erfolgt eine weitere Verdichtung der Daten durch eine kanalübergreifende Verarbeitung und Ermittlung der scheinbaren (virtuellen) Quellen der elektrischen Potentiale. Um eine schritthaltende Verarbeitung abzusichern, führen folgende Annahmen zu einer weitgehenden Vereinfachung des Modells, die bei leistungsfähigeren Prozessoren stufenweise verfeinert werden können:

- Der Schädel ist ein geometrisch einfach zu beschreibender Körper (z. B. eine Kugel), auf dem die EEG-Elektroden symmetrisch angeordnet sind und eine definierte rechnerinterne Beschreibung gestatten (z. B. ten-twenty-System).

- Alle Gewebe haben eine homogene elektrische Leitfähigkeit.

- Es werden punktförmige Quellen der elektrischen Potentiale angenommen.

Durch diese Vereinfachungen kann die Bestimmung der scheinbaren räumlichen Lage und der scheinbaren Stärke der elektrischen Potentiale zur näherungsweisen Erzeugung der abgeleiteten elektrischen Potentiale schritthalterid realisiert werden (Bestimmung der virtuellen Quelle).

Ausgewählte Ereignisse, wie z. B. virtuelle Quellen ab einer vorgegebenen Stärke oder innerhalb eines räumlichen Bereiches oder der zeitliche Verlauf der virtuellen Quellen unmittelbar vor und nach einem Reiz, lassen sich einfach für den Versuchsleiter darstellen (+ für positive und ο für negative Potentiale). Die Stärke wird durch die unterschiedliche Größe dieser Symbole charakterisiert.

Die Reize für das Versuchsobjekt werden über das Terminal oder durch Ansteuerung von Stimulatoren durch das Multiprozessorsystem über den Steuerrechner auf Anforderung durch den Versuchsleiter oder automatisch durch ein Programm des Steuerrechners ausgelöst. Das Auslösen kann von einem definierten Ereignis, z. B. einem Extremwert auf einem EEG-Kanal oder der Position und der Stärke der virtuellen Quelle abhängig gemacht werden und mit einer vorgegebenen Latenz auf dieses Ereignis erfolgen (zustandsgetriggerte Reizauslösung). Das EEG wird dann im Sinne der ERP nicht als Rauschen betrachtet, sondern als mögliche Zustandsbeschreibung des Gehirns bzw. des Versuchsobjektes gewertet und der Zusammenhang von EEG und ERP genauer untersucht. Die Zustandsbeschreibung des Versuchsobjektes wird durch die Interaktion zwischen dem Versuchsleiter und dem Steuerrechner schrittweise qualifiziert. Der Versuchsleiter beobachtet und bewertet den Zustand und das Verhalten des Versuchsobjektes im Zusammenhang mit den schritthaltend dargebotenen, verdichteten Meßwerten.

Die Beschreibung dieser Bewertung im Zusammenhang mit den abgeleiteten Versuchsdaten erfolgt durch den Versuchsleiter während des Versuchs in Interaktion mit dem Rechnersystem auf einem hohen Abstraktionsniveau, d. h. mit Hilfe einer formalen Sprache. Die Entwicklung der Sprache und ihre rechentechnische Realisierung kann und muß durch den Fachmann, hier durch den Versuchsleiter selbst durchgeführt werden und auf seine spezifischen Anwendungsbedingungen zugeschnitten sein. Für das Rechnersystem ist ein Metasystem erforderlich, das mit Hilfe der vom Nutzer entwickelten Fachsprache an die jeweiligen Bedingungen angepaßt werden kann und das ständig weiterentwickelt wird.

Der Steuerrechner speichert die subjektive Bewertung des Versuchsleiters gemeinsam mit den gegebenenfalls ermittelten Leistungsdaten (Reaktionszeiten, Erkennungs- und Lernleistung usw.) und den verdichteten biologischen Signalen für eine nachfolgende detaillierte Auswertung im Stapelbetrieb. Insbesondere durch die hohe Datenverdichtung des EEG und die ständige Interaktion mit dem Versuchsleiter werden Langzeitversuche ermöglicht.

In der Interaktion mit dem Steuerrechner kann der Versuchsleiter Reiz- und Analyseparameter für die biologischen Signale modifizieren (z. B. Artefaktausblendung oder Rauschunterdrückung). Diese Parameter sind Programmparameter, die durch Algorithmen angepaßt und auf Anforderung des Versuchsleiters angezeigt und verändert oder durch spezielle Programme neu ermittelt werden können.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erklärt werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Schematische Darstellung der Versuchsanordnung.

Fig.2: Das Multiprozessorsystem.

Fig. 3: Schematische Darstellung der virtuellen Quellen.

Fig.4: Bekannte Abbildung aus dem EEG-J.47 (1979)

Fig. S: Die Überlagerung von Einzelpotentialen

Die schematische Darstellung der Versuchsanordnung (Fig. 1) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt einen, Versuchsleiter 1, der über ein Terminal 2 mit dem Steuerrechner 3 und dem Multiprozessorsystem 4 kommuniziert. Mit Hilfe eines EEG-Gerätes 5 werden die biologischen Signale vom Versuchsobjekt 6 abgeleitet und dem Multiprozessorsystem zugeführt. Die Reize werden über ein zweites Terminal 7 oder über spezielle Stimulatoren 8 appliziert. Das Multiprozessorsystem 4 ist in Fig. 2 näher dargestellt. Es besteht aus einem host-System 11 und N Subsystemen 12, wobei ein Subsystem 12 ausgeführt und ein zweites Subsystem 12a angedeutet ist.

Die analogen elektrischen Signale werden in einem A-D-Konverter 13 digitalisiert. Je nach der Leistungsfähigkeit des Prozessors 14, des Speicherzugriffsmechanismus 15 und des Speichers 16 erfolgt die Einzelsignalanalyse entweder durch Extremwerterkennung (peakmeasurement), lineare oder nichtlineare Approximation oder durch adaptive, selbstlernende Algorithmen mit Klassenbildung und -erkennung der peaks. Die Verbindungen zwischen den Subsystemen 12,..., 12a und dem host-System 11 werden Adreßbus 9 und Datenbus 10 bzw. über Links hergestellt.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an dieser Stelle auf das bereits bekannte, in Figur 4 dargestellte Schema verwiesen. Es zeigt das Summenpotential S, das durch averaging aus den Einzeipotentialen gebildet wird, von denen fünf, E1 bis E5, dargestellt sind. Die durch den Reiz evozierten Potentiale sind bereits in den Einzelableitungen deutlich ausgeprägt (K) und zeigen eine gute Übereinstimmung mit denen im Summenpotential S. Die den evozierten Potentialen vorgelagerten Potentiale (P) zeigen eine unterschiedliche Ausprägung, stimmen jedoch bei E1 und E4 bzw. bei E 2 und E 5 angenähert überein.

Werden die individuellen EEG-Abschnitte überlagert dargestellt, bei denen diese peaks nahezu identisch sind (E4 auf E1 => E1 v4, E5 auf E 2 => E 2v5), so wird deutlich, in welch starkem Maße und über welch lange Zeit (ca. 3sec.) die Potentiale nach dem Reiz übereinstimmen, wenn der Ausgangszustand der EEG-Gi undaktivitäten im Moment der Reizgabe vergleichbar ist (Fig. 5). Andererseits zeigen die Überlagerungen der ERP's, bei denen diese peaks unterschiedlich sind, stärkere Differenzen (E 1 auf E3 => E3v1, E2 auf E4 => E4v2 und E3 auf E5 => E5v3).

Nach dem hier dargelegten Verfahren ist das erfindungsgemäße System in der Lage, ein Peak P oder eine virtuelle Quelle schritthaltend (im Millisekundenbereich) zu erkennen und in Abhängigkeit davon Reize auszulösen, so daß die in Fig. 5 dargestellten Ergebnisse erreicht werden.

In dem Prozessor 17 des host-Systems 11 erfolgt die Analyse des Zusammenhanges der Potentiale nach der Methode der virtuellen Quellen entsprechend der rechnerinternen Darstellung der geometrischen Anordnung die im Speicher 21 gespeichert ist, der über den Speicherverwaltungsmechanismus 18 und den Speicherzugriffsmechanismus 19 angesprochen wird und der von den Subsystemen ermittelten Extremwerten und ihrer Charakterisierung. Die Kopplung zum Steuerrechner 3 erfolgt über die Anschlußsteuerung 20.

Die Ermittlung der virtuellen Quellen erfolgt sowohl nach geometrischen als auch nach zeitlichen Kriterien.

Die Ergebnisse der Analyse, die virtuellen Quellen bzw. ausgewählte Signalparameter wurden über den Steuerrechner 3 an das Terminal 2 vermittelt, wo die Präsentation für den Versuchsleiter erfolgt. Diese Präsentation stellt sich, wie in Fig. 3 gezoigt, dar.

Zusätzlich zu den beispielhaft dargestellten virtuellen Quellen können ausgewählte Signale oder Signalparameter dargestellt werden. Die Darstellung kann vom Versuchsleiter interaktiv modifiziert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur schritthaltenden Analyse der elektrischen Aktivitäten des Gehirns, gekennzeichnet dadurch, daß der Schädel als ein geometrisch einfach zu bestimmender Körper mit einer homogenen elektrischen Leitfähigkeit der einzelnen Gewebe betrachtet wird, auf dem EEG-Elektroden angeordnet sind, beispielsweise nach dem ten-twenty-System, für die eine definierte, rechnerinterne Beschreibung erfolgt, die die Betrachtung der Zusammenhänge der auftretenden elektrischen Potentiale und die Ermittlung der (scheinbaren, virtuellen) Quellen dieser Potentiale realisiert und die Erkennung ausgewählter Ereignisse durch ein Rechnersystem gestattet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reize in Abhängigkeit von einem durch das Rechnersystem erkannten Zustand ausgelöst werden, indem von einem ausgewählten Ereignis (Extremwerte auf einem Kanal, virtuelle Quelle bestimmbarer Stärke und Lokalisation) mit einer definierten Latenz auf dieses Ereignis zustandsgetriggert gereizt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das EEG im Sinne der ERP als Zustandsbeschreibung des Gehirns betrachtet wird, die durch die Interaktion mit dem Rechnersystem auf einem hohen Abstraktionsniveau mit Hilfe einer formalen Sprache erfolgt, schritthaltend qualifiziert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die schritthaltende Analyse in einem Multiprozessorsystem erfolgt, und aus jedem abgeleiteten Signal die bestimmenden Informationen extrahiert werden, wobei in einem host-System eine integrale Analyse des Zusammenhanges zwischen den Signalen nach einem vereinfachten Systemmodell durchgeführt wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Multiprozessorsystem (4) einerseits über einen Rechner (3) mit einem oder zwei Terminals (2; 7) und andererseits über ein EEG-Gerät (5) mit einem Versuchsobjekt (6) verbunden ist, wobei das Multiprozessorsystem (4) aus einem host-System (11) und mehreren Subsystemen (12) besteht, die über einen Systembus (9) und einen Datenbus (10) bzw. über Links verbunden sind.