DD299509A7 - Verfahren und schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen funktionsanalyse - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen funktionsanalyse Download PDF

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DD299509A7
DD299509A7 DD33515689A DD33515689A DD299509A7 DD 299509 A7 DD299509 A7 DD 299509A7 DD 33515689 A DD33515689 A DD 33515689A DD 33515689 A DD33515689 A DD 33515689A DD 299509 A7 DD299509 A7 DD 299509A7
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linear
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DD33515689A
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Dirk Hoyer
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Friedrich-Schiller-Universitaet Jena,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen Funktionsanalyse. Das Ziel der Erfindung ist es, dynamisch nichtlineare funktionsrelevante topologische Parameter zu ermitteln. Es werden mehrkanalig gemessene Signale durch Signalanalyse zu verarbeiteten Signalen, diese unter Nutzung reizbezogener Signale zu linearen Signalen, die verarbeiteten Signale und die linearen Signale durch Differenzbildung zu nichtlinearen Signalanteilen, diese durch zeitliche Analyse zu nichtlinearen Parametern, diese durch raeumliche Approximation zu nichtlinearen topologischen Parametern verarbeitet und die nichtlinearen topologischen Parameter als Bildwerte praesentiert. Mit vergleichsweise geringem rechentechnischen Aufwand werden erstmalig ereignisbezogene nichtlineare topologische Parameter bestimmt.

Description

verrechnet werden.
10. Schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen Funktionsanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrkanalig gemessenen Signale (SM) einem Eingang eines Signalanalysators (2) und
die reizbezogenen Signale (SR) einem ersten Eingang eines Speichermodules (3) zugeführt werden,
ein Ausgang des Signalanalysators (2) mit einem ersten Eingang eines Differenzbildners (4) und einem zweiten Eingang des Speichermodules (3),
ein Ausgang des Speichermodules (3) mit einem zweiten Eingang des Differenzbildners (4), ein Ausgang des Differenzbildners (4) mit einem Eingang eines Parameteranalysators (5), ein Ausgang des Parameteranalysators (5) mit einem Eingang eines topologischen Approximators (6) verbunden sind und f.n einem Ausgang des topologischen Approximators (6) die nichtlinearen topologischen Parameter (PTL) anliegen.
Hierzu 1 Seite Zeichnung
Anwendungsgeblot der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen Funktionsanalyse. »
Die Erfindung wird zur Funktions- und Leistungsdiagnostik bei evozierten Potentialen, EMG-Reaktionen und anderen mehrkanaligen Signalen in der medizinischen Diagnostik, in der Maschinendiagnostik, in der Bildsequenzanalyse sowie in de.· topologischen nichtlinearen Analyse anderer ereignisbezogener Datensfitze eingesetzt.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik Bekannt sind Verfahren zur Ermittlung dynamisch nichtlinearer Übertragungseigenschaften auf Grund von Reaktionen auf Doppelimpulsfolgen (Sclabassi, R. I.; Krieger, D. N.; Berger, T. W.: A systems theoretic approach to the study of CNC function. Annals of Biomedical Engineering 16, New York, 1988,17-34). Bekannt sind weiterhin Verfahren zur frequenzselektiven Analyse
von EEG-Veränderungen, die durch innere Absichten oder äußere Reize ausgelöst werden können (P. F. Prior, D. E. Maynard:
Monitoring Cerebral Function. Amsterdam, Elsevier 1986, D.GIannitrapi: The Electrophysiology of Intellectual Functions. Basel,
Karger, 1985).
Eine ereignisbezogene nichtlineare Analyse von Wechselwirkungen auf der Grundlage funktionsspezifisch ermittelter Signaleigenschaften ist nicht reallsibrt. Bekannt sind weiterhin Verfahren zu Ermittlung dynamisch nichtlinearer Übertragungseigenschaften auf Grund von Reaktionen
auf Doppelimpulsfolgen (Sclabassi, R. I.; Kriegor, D. N.; Berger, T. W.: A systems theoretic approach to the study of CNC function.
Annals of Biomedical Engineering 16, New York, 1988,17-34). Eine darauf basierende Extraktion topologisch relevanter Parameter und deren topographische Verarbeitung ist nicht realisiert. Bekannt sind Verfahren zur Auslösung von Impulsantworten und deren fiächenhafte Präsentation, zum Beispiel beim Mapping
evozlerter hirnelektrischer Potentiale (Duffy, F. H.: Topographic Mapping of Brain Electric Activity, Boston..., Butterworth 1986,
7-28). Weiterhin sind Verfahren zurtopologlschen Interpolation yon Signalparametern bekannt.
Die Approximation dynamisch nichtlinearer zeitlich-räumlicher Übertragungsprozesse Ist in diesen Verfahren bisher nicht
realisiert.
Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung Ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen Funktionsanalyse anzugeben, die in der Lage sind, dynamisch nichtlineare funktionsrelevante topologische Parameter zu
ermitteln.
Weiterhin sollen Verfahren und Schaltungsanordnung mit minimalem technischem und rechentechnischem Aufwand und
minimaler Rechenzeit realisiert werden.
Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen
topologischen Funktionsanalyse anzugeben, mit denen zeitlich-räumliche dynamisch nichtlinearo Übertragungs· bzw.
Verarbeitungssysteme effizient charakterisiert und bei denen entsprechend einer topologischen fi nalyse effiziente dynamisch
nichtlineare topologische Parameter ermittelt werden.
Mit Hilfe der Erfindung soll eine differenziertere systomtheoretisch fundierte Charakterisierung topologischer Übertragungssysteme realisiert werden. Die Aufgabe wird durch das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrkanalig gemessene Signale durch Signalanalyse zu verarbeiteten Signalen, diese unter Nutzung reizbezogener Signale zu linearen Signalen, die verarbeiteten Signale und die linearen Signale durch Differenzbildung zu njchtllnearen Signalanteilen, diese durch zeitliche Analyse zu
nichtlinearen Parametern, diese durch räumliche Approximation zu nichtlinearen topologischen Parametern verarbeitet werden und die nichtlinearen topologischen Parameter als Bildwerte präsentiert werden.
Die Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mehrkanalig gemessenen Signale
einem Eingang eines Signalanalysators und die reizbezogonnn Signale einem ersten Eingang eines Speichermodules zugeführt werden, ein Ausgang des Signalanalysators mit einem ersten Eingang eines Differenzbildners und einem zweiten Eingang des
Speichermodules, ein Ausgang des Speicliei modules mit einem zweiten Eingang des Differenzbildners, ein Ausgang des Differenzbildners mit einem Eingang eines Parameteranalysators, ein Ausgang des Parameteranalysators mit einem Eingang
eines topologischen Approximators verbunden sind und an einem Ausgang des topologischen Approximators die nichtlinearen topologischen Parameter anliegen.
Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Die mehrkanalig gemessenen Signale werden dem Eingang eines Signalanalysators und die reizbezogenen Signale werden dem
ersten Eingang des Speichermodules zugeführt.
Die mehrkanalig gemessenen Signale werden durch Signalanalyse zu verarbeiteten Signalen verarbeitet. Der Ausgang des Signalanalysators ist mit dem ersten Eingang des Differonzbildners und dem zweiten Eingang des Speichermodules verbunden. In dem Speichermodul werden die verarbeiteten Signale unter Nutzung der reizbezogenen Signale zu den linearen Signalen
verarbeitet.
Der Ausgang des Speichermodules ist mit dem zweiten Eingang des Differenzbildners verbunden. Dort werden die verarbeiteten Signale und die linearen Signale durch Differenzbildung zu den nichtlinearen Signalanteilen
verarbeitet.
Der Ausgang des Differenzbildners ist mit dem Eingang des Parameteranalysators verbunden. Dort werden die nichtlinearen Signalanteile durch zeitliche Analyse zu nichtlinearen Parametern verarbeitet. Der Ausgang des Parameteranalysators ist mit dem Eingang des topologischen Approximators verbunden. Dort werden die nichtlinearen Parameter durch räumliche Approximation zu den nichtlinearen topologischen Parametern
verarbeitet.
An dem Ausgang des topologischen Approximators liegen die nichtlinearen topologischen Parameter an, welche als Bildwerte
präsentiert werden.
Die Erfindung ermöglicht eino objektive Analyse dynamisch nichtlinearer Wechselwirkungen ereignisbezogener Signalveränderungen und eine objektive Analyse dynamisch nichtlinearer Übertragungseigenschaften als topologfsche
Parameter.
Der Signalanalysator ist vorzugsweise in einem Fall so aufgebaut, daß die mehrkanalig gemessenen Signale nach der Beziehung SV(M) = F(SM(M))-F(SM(Mr))
zu verarbeiteten Signalen verrechnet werden.
Hierdurch wird eine Hervorhebung effizienter Potentialverläufe, die insbesondere für die erfindungsgemäße Weiterverarbeitung
der Signale wesentlich ist, gesintert.
Der Signalanalysator ist in einem anderen Fall so aufgebaut, daß die mehrkanalig gemessenen Signale nach der Beziehung SV(M)=ISM(M)I
zu verarbeiteten Signalen verrechnet werden.
Durch diese Variante wird eine weitere Gruppe wesentlicher Signalcharakteristika ausgelöster Signalveränderungen
charakterisiert, die bisher nicht benutzt wurde.
Die verschiedenen Varianten berücksichtigen unterschiedliche Aspekte der Informationsverarbeitung. Sie sind deshalb^owohl
einzeln als auch in Kombination vorteilhaft, beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, anwendbar.
Die Spoichereinheit ist so aufgebaut, daß bei Einzelimpulsen im reizbezogenen Signal die verarbeiteten Signale als lineare Signale gespeichert werden. Der Differenzbildner ist εο aufgebaut, daß die linearen Signale nach der Beziehung SNL(M) » SV(M) - SS(M) - SS(M - dt)
zu don nichtlinearen Signalanteilen verrechnet werden. Auf diese Weise wurden systemtheoretisch begründet nichtlineare Übertragungseigenschaften mit minimalem rechentechnischem Aufwand ermittelt.
Der Parameteranalysator ist in einem Fall so aufgebaut, daß die nichtlinearen Parameter durch Auswahl zu Analysezeitpunkten aus den nichtlinearen Signalanteilen nach der Beziehung '
PNL(k) = SNL(k,ni)
ermittelt werden.
In einem zweiten Fall ist der Parameteranalysator so aufgebaut, daß die nichtlinearen Parameter zu Analysezeitpunkten aus den
nichtlinearen Signalanteilen nach der Beziehung
n2
PNL(k) = 1/(1+n2-n1) £ SNL(M) I = n1
ermittelt werden.
In einem dritten Fall ist der Parameteranalysator so aufgebaut, daß die nichtlinearen Parameter zu Analysezeitpunkten aus den
nichtlinearen Signalanteilen nach der Beziehung
n2
Σ i ♦ SNL(M) i = n1 PNL(k) «
n2
Σ SNL(M) i = n1
ermittelt werden.
Diese Varianten berücksichtigen unterschiedliche Signalcharakteristika und werden entsprechend der Aufgabenstellung
ausgewählt.
Die ermittelten nichtlinearen Parameter beinhalten wesentliche Kenngrößen des nichtlinearen Übertragungsverhaltens, die
bisher wedar in technischen noch in medizinischen Systemen analysiert wurden.
Der topologische Approximator ist so aufgebaut, daß die nichtlinoaren Parameter zu nichtlinearen topologischen Parametern
nach der Beziehung
PTL(b) = Σ W(b) * PNL(k) k= 1
verrechnet werden.
Eine Verknüpfung nichtlinearer Parameter, die dynamisch nichtlineare Übertragungseigenschaften beinhalten, zu nichtlinearen
topologischen Pararr^tern hat den Vorteil, daß bisher nicht bekannte räumlich-zeitliche Zusammenhänge instruktiv und mit minimalem Aufwand rmittelt und dargestellt werden.
In diesem Zusammer. ang ermöglicht die topologische Interpolation eine instruktive Darstellung bisher nicht sichtbarer Zusammenhänge. Auf diese Weise werd..ι dynamisch nichtlineare funktionsrelevante topologische Parameter effektiv ermittelt. Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird am Beispiel der Auswertung der ereignisbezogenen elektrischen Hirnaktivität eines Probanden vorgestellt. Fig. 1 zeigt das Schaltbild der Schaltungsanordnung zur ereignisbezogenen nichtlinearen topolo^'ischen Funktionsanalyse. Die mehrkanalig gemessenen Signale SM werden dem Eingang eines Signalanalysators 2 und die reizbezogenen Signale SR werden dem ersten Eingang des Speichermodules 3 zugeführt.
Die mehrkanalig gemessenen Signale SM werden durch Slgnalanalyee 2u verarbeiteten Signalen SV verarbeitet. Der Ausgang des Signalanalysators 2 ist mit dem ersten Eingang des Differenzbildners 4 und dem zweiten Eingang des Speichermodules 3 verbunden. In dem Speichermodul 3 werden die verarbeiteten Signale SV unter Nutzung der reizbezogenen Signale SR zu den linearen Signalen SS verarbeitet. Der Ausgang des Speichormodules 3 ist mit dem zweiten Eingang des Differenzbildners 4 verbunden. Dort werden die verarbeiteten Signale SV und die linearen Signale SS durch Differenzbildung zu den nichtlinearen Signalanteilen SNL verarbeitet. Der Ausgang des Differenzbildners 4 Ist mit dem Eingang des Parameteranalysators 5 verbunden. Dort werden die nichtlinearen Signalanteile SNL durch zeitliche Analyse zu nichtlinearen Parametern PNL verarbeitet. Der Ausgang des Parameteranalysators 5 ist mit dem Eingang des topologlschen Approximators 6 verbunden. Dort werden die nichtlinearen Parameter PNL durch räumliche Approximation zu den nichtlinearen topologlschen Parametern PTL verarbeitet. An dem Ausgang des topologischen Approximators 6 liegen die nichtlinearen topologlschen Parameter PTL an, welche als Bildwerte präsentiert werden. Am Eingang der Untersuchungskonfiguration 7 liegen die reizbezogenen Signale SR an. Ein Impulsgeber 1 liefert als reizbezogenes Signal SR Einzelimpulse und Doppelimpulse variablen Abstandes in Folge. Das
reizbezogene Signal SR steuert einen zur Untersuchungskonfiguration 7 gehörenden Fojostimulator, der bei den Patienten bzw.
Probanden visuell evozierte Potentiale auslöst. Diese werden weiterhin im Rahmen der Untersuchungskonfiguration 7 über Oberflächenelektroden am Kopf des Patienten mit einem üblichen EEG-Gerät 16kanalig gemessen und einer Rechnerkonfiguration, die aus Analyserechner und Personalcomputer besteht, zugeführt, A-D-gewandelt und einer Average- Prozedur unterogen. Als Ergebnis dieser Prozedur liegen die mehrkanalig gemessenen Signale SM am Ausgang der Untersuch·;, ,^konfiguration 7 an. Die weitere Verarbeitung ist in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise softweremäßig realisiert. In einer ersten Ausführungsvariante werden die gemessenen Daten bandpassgefiltert und nullpunktkorrigiert, entsprechend der
Beziehung
SV(M) = F(SM(M)) - F(SM(Mr)).
Als Frequenzbereich wurde 5-100Hz gewählt. Der Referenzzeitpunkt tr befindet sich im Prästimulusintervall. In einer zweiten Ausführungsvariante werden die gemessenen Daten SM zu einer Hüllkurve nach der Beziehung
SV(M)=|SM(M)|
zu verarbeiteten Daten SV verrechnet, die dem fortlaufenden Energiegehalt entsprechen. Die verarbeiteten Daten SV können vorteilhafterweise weiterhin geglättet werden.
Bei Einzelimpulsen im relzbezoge ien Signal SR werden die verarbeiteten Signale SV als lineare Signale SS gespeichert. Die Abstände der Doppelimpulse betrugen schrittweise dt = 20 ms-300 ms. Die linearen Signale SS werden nach der Beziehung SNL(M) = SV(M) - SS(M) - SS(M - dt)
zu nichtlinearen Signalanteilen SNL verrechnet.
Die Ermittlung der nichtlinearen Parameter PNL erfolgt in der ersten Variante dadurch, daß nichtline&re Parameter PNL durch Auswahl zu Analysezeitpunkten ni aus den nichtlinearen Signalanteilen SNL nach der Beziehung PNL(k) = SNL(k,ni)
ermittelt werden.
In der zweiten Variante erfolgt die Ermittlung der nichtlinearen Parameter PNL dadurch, daß nichtlineare Parameter PNL zu Analysezeitpunkten ni aus den nichtlinearen Signalanteilen SNL nach der Beziehung
n2
PNL(k) = 1/(1 + n2 - n1) £ SNL(k,i) i = n1
ermittelt werden.
In der zweiten Variante erfolgt die Ermittlung der nichtlinearen Parameter PNL dadurch, daß nichtlineare Parameter PNL zu Analysezeitpunkten ni aus den nichtlinearen Signalanteilen SNL nach der Beziehung
n2
Σ i * SNL(k,i) i = n1 PNL(k) =
n2
Σ SNL(k,i) = n1
ermittelt werden.
Entsprechend den Schnittpunkten mit der Nullinie wurde gewählt:
SNL(t- 1)<0 SNL(t + 1)>0 SNLIt -1)>0
n1=tfür '.SNUt
n2 = tfür I SNUt+ 1X0
in einem Bereich von 80mm bis 120ms unter Interaktiver Kontrolle.
Es wurden alle Varianten ausgewertet. Die Approximation der als Bildpunkte b darzustellenden nichtlinearen topologischen Parameter PTL erfolgt dadurch, daß die
nichtlinearen Parameter PNL zu nichtlinearen topologischen Parametern PTL nach der Beziehung
PTL(b) = Σ W(b) * PNL(k) k= 1
verrechnet werden.
Die nichtlinearen topologischen Parameter PTL werden als Bild auf einem Display dargestellt. Diese Bilder dienen zur subjektiven Beurteilung der topologischen Verteilung der nichtlinearen Informationsübertragungslerstungen des Nerversystems oder können einer objektiven Bildanalyse unterworfen werden.
In Betracht gezogene Druckschriften:
- Prior, P.F.; Maynard, D.E.: Monitoring Cerebral Function. Amsterdam, Elsevier, 1986
- Giannitrapi D.: The Electrophysiology of Intellectual Functions. Basel, Karger, 1985
- Duffy, F. Α.: Topographie Mapping of Brain Electric Activity. Boston, Butterworth, 1986, S.7-28
- Sclabassi, R. J.; Krieger, D. N., Berger, T. W.: A systems theoretic approach to the study of CNC function. Annals of Biomedinal Engineering 16, New York, 1988, S. 17-34

Claims (9)

1. Verfahren zur ereignisbezogenen nichtlinearen topologischen Funktionsanalyse unter Anwendung von Signalanalyseverfahren und der topographischen Approximation, dadurch gekennzeichnet, daß mehrkanalig gemessene Signale (SM) durch Signalanalyae zu verarbeiteten Signalen (SV),
die verarbeiteten Signale (SV) unter Nutzung reizbezogener Signale (SR) zu linearen Signalen (SS),
die verarbeiteten Signale (SV) und die linearen Signale (SS) durch Differenzbildung zu nichtlinearen Signalanteilen (SNL),
die nichtlinearen Signalanteile (SNL) durch zeitliche Analyse zu nichtlinearen Parametern (PNL), die nichtlinearen P' -qmetern (PNL) durch räumliche Approximation zu nichtlinearen topologischen Parametern (PTL) verarbeitet und die nichtlinearen topologischen Parameter (PTL) als Bildwerte präsentiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrkanalig gemessenen Signale (SM) nach der Beziehung '
SV(k) = F(SM(M))-F(SM(Mr))
zu verarbeiteten Signalen (SV) verrechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrkanalig gemessenen Signale (SM) nach der Beziehung
SV(M)= |SM(M)|
zu verarbeiteten Signalen (SV) verrechnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einzelimpulsen im reizbezogenen Signal (SR) die verarbeiteten Signale (SV) als lineare Signale (SS) gespeichert werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Signale (SS) nach der Beziehung
SNL(M) = SV(M)-SS(M)-SS(M-dt)
zu den nichtlinearen Signalanteilen (SNL) verrechnet werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtünearen Parameter (PNL) durch Auswahl zu Analysezeitpunkten (ni) aus den nichtlinearen Signalanteilen (SNL) nach der Beziehung
PNL(k) = SNL(k,ni)
ermittelt werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Parameter (PNL) zu Analysezeitpunkten (ni) aus den nichtlinearen Signalanteilen (SNL) nach der Beziehung
n2
PNL(k) = 1/(1 + n2 - n1) £ SNL(M)
i = n1
ermittelt werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Parameter (PNL) zu Analysezeitpunkten (ni) aus den nichtlinearen Signalanteilen (SNL) nach der Beziehung
PNL(k)
ermittelt werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Parameter (PNL) zu nichtlinearen topologischen Parametern (PTL) nach der Beziehung
PTL(b) =
W(b) * PNL(k)
k=1
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1089149A3 (de) * 1999-09-29 2005-11-09 Focke & Co. (GmbH & Co. KG) Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Maschinen
WO2007014558A2 (de) 2005-08-04 2007-02-08 Heinrich-Heine-Universität Verfahren und anordnung zur analyse eines sich über die zeit ändernden bioelektromagnetischen signals

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EP1089149A3 (de) * 1999-09-29 2005-11-09 Focke & Co. (GmbH & Co. KG) Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Maschinen
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