DE202023002539U1

DE202023002539U1 - Computerprogramm und Vorrichtung zur Umwandlung zeitlich veränderlicher Signale, die auf einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen erfasst wurden

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Publication number: DE202023002539U1
Application number: DE202023002539.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-12-05
Filing date: 2023-12-05
Publication date: 2024-02-05
Anticipated expiration: 2033-12-06

Abstract

Computerprogramm zur Umwandlung von zeitabhängigen Signalen (Aj), die in einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen aufgezeichnet werden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:• Aufzeichnung aller Signale (Aj) für eine gleich lange Aufnahmezeit für alle Signale.• Berechnung des Frequenzspektrums (Fi,j) jedes Signals (Aj) in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern (Wi).• Speicherung des Frequenzspektrums (Fi,j) jedes Signals (Aj) in jedem Zeitfenster (W1).• Zuordnung und Speicherung einer Korrelation zwischen dem Farbintensitätswert und dem Wert des Integrals (Hi,j,k) des Frequenzspektrums (Fi,j) eines beliebigen Signals (Aj) in einem beliebigen Zeitfenster (Wl) in einer bestimmten Umgebung einer Interessenfrequenz (k) in einem vordefinierten Frequenzbereich.• Erstellung einer Zellenkarte (Cf,g), bei der jedem Signal (Aj) in jedem Zeitfenster (Wl) eine entsprechende Zelle (Cf,g) der Karte zugeordnet ist. Wenn eine beliebige Interessenfrequenz (k) ausgewählt wird, wird der Wert des gespeicherten Integrals (Hi,j,k) des Frequenzspektrums (Fi,j) jedes Signals (Aj) in jedem Zeitfenster (Wi) in der ausgewählten Frequenzumgebung berechnet, um die Farbintensität jeder Zelle (Cf,g) der Karte zuzuordnen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zur Umwandlung von zeitlich veränderlichen Signalen, die auf einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen erfasst wurden. In vielen Anwendungsbereichen ist es notwendig, zur Untersuchung eines Phänomens eine interpretative Analyse von zeitlich veränderlichen Signalen durchzuführen, die mit dem zu untersuchenden Phänomen in Verbindung stehen. Die Analyse wird äußerst komplex, wenn das Phänomen durch die Aufzeichnung einer großen Anzahl von Signalen, die vergleichend analysiert werden müssen, untersucht wird. Dieses Problem tritt beispielsweise bei der Analyse von Oberflächen- und intrakraniellen Elektroenzephalogrammsignalen auf, bei denen viele Kanäle (>100) für die präoperative Bewertung von Epilepsie-Patienten verwendet werden, die auf eine pharmakologische Behandlungen nicht ansprechen. In diesem Fall hat der Neurologe Zugriff auf die Zeitreihe des Elektroenzephalogramms für jeden einzelnen Erfassungskanal und gegebenenfalls auf das Spektrogramm der Signale, das mit jeder Zeitreihe verknüpft ist. Die interpretative Analyse der Daten für die Frequenzen von Interesse ist zeitaufwendig und kompliziert, insbesondere aufgrund der unzureichenden Aufbereitung der Daten für den Kliniker. Die technische Aufgabe, die die vorliegende Erfindung lösen soll, besteht daher darin, ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zur Umwandlung von zeitlich veränderlichen Signalen auf einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen zu schaffen, die die technischen Nachteile der bekannten Technik beseitigen. Im Rahmen dieser technischen Aufgabe ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung eines Computerprogramms und einer Vorrichtung zur komfortablen, schnellen und effizienten interpretativen Analyse von Phänomenen, die durch zeitlich veränderliche Signale erfasst werden. Die technische Aufgabe, sowie diese und andere Ziele werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, indem ein Computerprogramm zur Umwandlung von zeitlich veränderlichen Signalen auf einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen bereitgestellt wird, das sich durch folgende Phasen auszeichnet:

• Erfassung aller Signale für eine gleich lange Erfassungszeit für alle Signale
• Berechnung des Frequenzspektrums jedes Signals in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern mittels Fourier-Transformation
• Speicherung des Frequenzspektrums jedes Signals in jedem Zeitfenster
• Zuweisung und Speicherung einer Korrelation zwischen einem Intensitätswert einer Farbe und dem Wert des Integrals des Leistungsspektrums eines beliebigen Signals in einem beliebigen Zeitfenster in einer bestimmten Umgebung einer Frequenz von Interesse innerhalb eines vordefinierten Frequenzbereichs von Interesse
• Erstellung einer Zellkarte, bei der jedem Signal in jedem Zeitfenster eine entsprechende Zelle der Karte zugeordnet ist, und bei der, wenn eine Frequenz von Interesse ausgewählt ist, der Wert des gespeicherten Frequenzspektrums eines jeden Signals in jedem Zeitfenster in der ausgewählten Frequenzumgebung berechnet wird, um die Farbintensität jeder Karte zu bestimmen.

Vorzugsweise besteht diese Korrelation in einer direkten Proportionalitätsbeziehung. Vorzugsweise ist jedem Signal in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern eine Zeile aufeinanderfolgender Karten zugeordnet. Vorzugsweise enthält diese Karte so viele gestapelte Zeilen von Karten, wie es Signale gibt. Ein herausragendes Merkmal der Erfindung ist, dass eine Schnellauswahlsteuerung für die automatische Aktualisierung der Karte auf eine Frequenz von Interesse vorgesehen ist. Vorzugsweise wird diese Schnellauswahlsteuerung automatisch kontinuierlich über zumindest einen Frequenzbereich von Interesse verschoben, um die Karte sofort auf die Frequenzen dieses Bereichs zu aktualisieren. In einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Signalen um elektrophysiologische Signale, insbesondere Elektroenzephalogramme. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Umwandlung elektrophysiologischer Signale, die eine Mehrzahl von Elektroden zur Mehrkanalaufzeichnung elektrophysiologischer Signale, mindestens einen Anzeigebildschirm und eine elektronische Verarbeitungseinheit zur Umwandlung der elektrophysiologischen Signale gemäß dem oben beschriebenen Computerprogramm umfasst. In einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Anwendung der Erfindung werden das oben beschriebene Computerprogramm und/oder die Vorrichtung zur Untersuchung von Informationen aus epileptogenen Zonen eines Säugetiers und/oder zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit von elektroenzephalographischen Mustern während eines epileptischen Anfalls verwendet. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform des Computerprogramms und der Vorrichtung zur Umwandlung von zeitlich veränderlichen Signalen auf einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen gemäß der vorliegenden Erfindung, die lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in denen:

die logische Abfolge der erforderlichen Phasen zeigt, um in der Karte, die alle in allen Aufnahmekanälen erfassten Signale darstellt, die zeitliche Entwicklung des Integrals des Frequenzspektrums in der definierten Umgebung einer speziellen Frequenz von Interesse für ein in einem speziellen Aufnahmekanal erfasstes Signal anzuzeigen.
zeigt ein erstes, zweites und drittes statisches Bild der Karte, auf denen die zeitliche Entwicklung des Integrals des Frequenzspektrums in der festgelegten Umgebung einer ersten, zweiten bzw. dritten spezifischen Interessensfrequenz dargestellt wird. Diese statischen Bilder repräsentieren Einzelbilder des dynamischen Kartenbildes, das durch die automatische kontinuierliche Verschiebung der Schnellauswahltaste über mindestens einen Frequenzbereich zur sofortigen Aktualisierung der Karte auf die Frequenzen des Bereichs erhalten wird.

In Bezug auf die genannten Abbildungen sieht das Computerprogramm wie folgt aus: es erlaubt eine gleiche Erfassungszeit für alle Signale; die Berechnung des Frequenzspektrums in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern für jedes aufgezeichnete Signal mittels Fourier-Transformation; die Speicherung des Leistungsspektrums jedes Signals in jedem Zeitfenster; die Zuordnung und Speicherung einer Korrelation zwischen dem Intensitätsfarbwert und dem Wert des Integrals des Leistungsspektrums eines beliebigen Signals in jedem Zeitfenster in einer bestimmten Umgebung einer Interessensfrequenz in einem vordefinierten Frequenzbereich; und die Erstellung einer Zellenkarte, bei der jedem Signal in jedem Zeitfenster eine entsprechende Zelle der Karte zugeordnet ist. Wenn eine beliebige Interessensfrequenz ausgewählt wird, wird der Wert des gespeicherten Leistungsspektrums jedes Signals in jedem Zeitfenster in der ausgewählten Frequenzumgebung berechnet, um die Farbintensität jeder Zelle der Karte zuzuordnen.
Mit A_j wird das j-te Signal aus dem j-ten Erfassungskanal bezeichnet, wobei der Index „j“ eine ganze Zahl von 1 bis M ist, und M entspricht der Gesamtzahl der Aufnahmekanäle. Mit W_i wird das i-te Zeitfenster bezeichnet, wobei der Index „i“ eine ganze Zahl von 1 bis N ist, und N entspricht der Gesamtzahl der Zeitfenster. Mit F_i,j wird das Leistungsspektrum des j-ten Signals im i-ten Zeitfenster bezeichnet, wobei der Index „j“ die zuvor definierte ganze Zahl ist. Mit H_i,j,k wird das Integral in der festgelegten Umgebung der Frequenz k des Leistungsspektrums des j-ten Signals im i-ten Zeitfenster bezeichnet. Die Frequenz k ist eine wählbare Frequenz in einem Frequenzbereich von Interesse. Mit H_i,k wird die zeitliche Entwicklung der Integrale H_i,j,k in den Zeitfenstern W_i der festgelegten Frequenz k des Leistungsspektrums des j-ten Signals bezeichnet.
Als Beispiel haben die Zeitfenster W_i alle eine Dauer von 1 Sekunde für eine Aufnahmezeit von 60 Sekunden, und jedes Zeitfenster W_i überlappt um 0,2 Sekunden mit dem vorherigen Zeitfenster. Die Berechnung des Integrals H_i,i,k des Leistungsspektrums eines Signals im Interessenfrequenzbereich wird beispielsweise in für ein Signal A₅₇ und eine Interessenfrequenz k=115±5 Hz veranschaulicht. Zuerst werden die Leistungsspektren F_1,57, F_2,57, ..., F_N-1,57, F_N,57, ausgewertet. Anschließend werden die Integrale H_1,57,115±5, H_2,57,115±5, ..., H_{N-1,57,115±5}, H_N,57,115±5 ausgewertet. Dann werden die Werte der Integrale H_1,57,115±5, H_2,57,115±5, ..., H_{N-1,57,115±5}, H_N,57,115±5 in derselben zeitlichen Reihenfolge der Zeitfenster W_i aggregiert, um H_57,115±5 zu erhalten. H_57,115±5 repräsentiert die zeitliche Entwicklung des Integrals H_i,57,115±5 während der Aufnahmezeit des Signals A₅₇. Jetzt kann H_57,115±5 auf der Karte angezeigt werden.
Die Karte besteht aus einer MxN-Zellmatrix C_f,g, geordnet in M Zeilen (Gesamtzahl der Signale) und N Spalten (Gesamtzahl der Zeitfenster). C_f,g bezeichnet daher die Zelle, die sich am Schnittpunkt der Zellenreihe „f“ und der Zellenspalte „g“ befindet. Das j-te Signal ist mit der j-ten Zeilenreihe von Zellen assoziiert, während das i-te Zeitfenster W_i mit der i-ten Zellenspalte assoziiert ist. Bei gegebenem Wert k wird das Integral H_i,j,k in der Zelle C_f,g dargestellt, wobei f=j und g=i. Im vorliegenden Fall wird die zeitliche Entwicklung des Integrals H_i,57,115±5 in der 57-ten Zeilenreihe von Zellen angezeigt, wobei das Integral H_i,57,115±5 in der Zelle C_57,1, das Integral H_2,57,115±5 in der Zelle C_57,2 usw. bis zum Integral H_{N-1,57,115±5} in der Zelle C₅₇, _N-1 und das Integral H_N,57,115±5 in der Zelle C_57,N angezeigt wird. Da zwischen dem Wert des Integrals H_i,57,115±5 und der Farbintensität eine direkte Proportionalitätsbeziehung vorgesehen ist, repräsentieren Zellen C_57,g mit höherer Farbintensität größere Integralwerte H_i,57,115±5, während Zellen C_57,g mit niedrigerer Farbintensität kleinere Integralwerte H_i,57,115±5 darstellen.
In wird der Höhepunkt in der zeitlichen Entwicklung des Integrals H_i,57,115±5 mit einem Stern markiert. Wenn die Konvertierung für jedes aufgezeichnete Signal A_j wiederholt wird, wird auf der Karte die zeitliche Entwicklung für alle Aufnahmekanäle des Integrals H_i,j,115±5 des Frequenzspektrums in Bezug auf die Interessenfrequenz 115±5 Hz angezeigt. Ein herausragendes Merkmal der Erfindung ist

• die Bereitstellung einer Schnellauswahltaste für die automatische Aktualisierung der Karte auf eine Interessenfrequenz.

Insbesondere ermöglicht der Schnellauswahlbefehl, wie in dargestellt und mit 1 bezeichnet, eine automatische kontinuierliche Verschiebung über einen Frequenzbereich von Interesse und die Definition und sofortige automatische Aktualisierung der Karte auf die Frequenzen dieses Bereichs. In erstreckt sich der Frequenzbereich von Interesse, von dem jede Frequenz in einer Umgebung von ±5 Hz bewertet wird, von 0 bis 250 Hz. Der Befehl 1 kann eine Interessenfrequenz auswählen und die Karte auf die ausgewählte Interessenfrequenz aktualisieren oder automatisch über den gesamten Bereich fahren, um die Karte sofort automatisch auf alle Frequenzen im Bereich zu aktualisieren. zeigt die Karte, die auf die Frequenzen von Interesse aktualisiert ist: 10 ±5 Hz, 30 ±5 Hz und 85 ±5 Hz.
Die Signalkonvertierung wird durch eine Vorrichtung realisiert, die auf einem elektronischen Rechner basiert und mit Mitteln zur Signalerfassung A_j, zur Speicherung von Signalen A_j und von Leistungsspektren F_i,j sowie zur Anzeige der Karte ausgestattet ist. Für die Aktualisierung der Karte erfasst die Steuereinheit des elektronischen Rechners die Interessenfrequenz und greift auf die gespeicherten Frequenzspektren F_i,j für die Berechnung der Integrale H_i,j,k in der festgelegten Umgebung der interessenfrequenz zu und wiederholt die Berechnung jedes Mal, wenn der ausgewählte Frequenzwert variiert.
Ein besonders interessanter Fall ist, wenn die Signale elektrophysiologisch sind, insbesondere elektroenzephalographische Signale, die in Parallelkanälen während der Überwachung eines Patienten aufgezeichnet werden. In diesem Fall bietet die Signalkonvertierungsvorrichtung Elektrodenerfassungssignale und kann als Instrument zur Untersuchung bestimmter Erkrankungen, typischerweise Epilepsie, insbesondere zur Untersuchung von Informationen aus epileptogenen Hirnarealen eines Säugetiers und zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit von mit einem epileptischen Anfall in Verbindung stehenden Mustern verwendet werden.
Es hat sich gezeigt, dass das Computerprogramm und die Signalkonvertierungsvorrichtung gemäß de Erfindung besonders vorteilhaft sind, da sie die interpretative Analyse eines komplexen Phänomens, das die Aufzeichnung von Signalen in einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen erfordert, erheblic vereinfachen. Insbesondere durch die Umwandlung von Zeitdaten in ein Farbintensitätsgradbild, das mit dem Verlauf des Integrals des Frequenzspektrums aller in der ausgewählten Interessenfrequenzumgebung aufgezeichneten Signale korreliert ist und welches durch einen Befehl sofort auch auf alle Frequenzen in einem Interessenfrequenzbereich aktualisiert wird, wird dem Kliniker, der ein komplexes Phänomen analysiert, eine Darstellung dieses Phänomens geboten, die eine effektive, einfache, intuitive und schnelle Analyse ermöglicht.
Ein Beispiel für die grundlegenden Workflow-Komponenten ist in dargestellt. Mehrkanalige variable Signale (A) werden zunächst in eine Frequenzleistungs-Farbstufenkarte (B) m einem Frequenzselektor umgewandelt. Jeder interessante Kanal (*) kann schnell auf der Frequenz-Intensitätskarte (B) identifiziert und ausgewählt werden, um sein vollständiges Zeit-Frequenz-Muste (C) darzustellen.
Das so konzipierte Computerprogramm und die Vorrichtung sind für zahlreiche Änderungen und Varianten anfällig, die alle im Rahmen des erfinderischen Konzepts eingeschlossen sind. Darüber hinaus können alle Details durch technisch äquivalente Elemente ersetzt werden.
In der Praxis können die verwendeten Materialien sowie die Abmessungen je nach den Anforderungen und dem Stand der Technik beliebig sein.

Claims

Computerprogramm zur Umwandlung von zeitabhängigen Signalen (Aj), die in einer großen Anzahl von Aufnahmekanälen aufgezeichnet werden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: • Aufzeichnung aller Signale (A_j) für eine gleich lange Aufnahmezeit für alle Signale. • Berechnung des Frequenzspektrums (F_i,j) jedes Signals (A_j) in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern (W_i). • Speicherung des Frequenzspektrums (F_i,j) jedes Signals (A_j) in jedem Zeitfenster (W₁). • Zuordnung und Speicherung einer Korrelation zwischen dem Farbintensitätswert und dem Wert des Integrals (H_i,j,k) des Frequenzspektrums (F_i,j) eines beliebigen Signals (A_j) in einem beliebigen Zeitfenster (W_l) in einer bestimmten Umgebung einer Interessenfrequenz (k) in einem vordefinierten Frequenzbereich. • Erstellung einer Zellenkarte (C_f,g), bei der jedem Signal (A_j) in jedem Zeitfenster (W_l) eine entsprechende Zelle (C_f,g) der Karte zugeordnet ist. Wenn eine beliebige Interessenfrequenz (k) ausgewählt wird, wird der Wert des gespeicherten Integrals (H_i,j,k) des Frequenzspektrums (F_i,j) jedes Signals (A_j) in jedem Zeitfenster (W_i) in der ausgewählten Frequenzumgebung berechnet, um die Farbintensität jeder Zelle (C_f,g) der Karte zuzuordnen.
Computerprogramm gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass diese Korrelation in einem direkten proportionalen Verhältnis besteht.
Computerprogramm gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass jedem Signal (A_j) in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern (W_i) eine aufeinanderfolgende Zeile von Zellen (C_f,g) auf der Karte zugeordnet ist.
Computerprogramm gemäß dem vorherigen Anspruch, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass diese Karte so viele gestapelte Zeilen von Zellen (C_f,g) aufweist, wie es Signale (A_j) gibt.
Computerprogramm gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Bereitstellung eines Schnellauswahlbefehls (1) zur automatischen Aktualisierung der Karte auf eine Interessenfrequenz (k).
Computerprogramm gemäß dem vorherigen Anspruch, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass dieser Schnellauswahlbefehl (1) automatisch kontinuierlich über mindestens einen Interessenfrequenzbereich (k) gleitet, um die Karte automatisch sofort auf alle Frequenzen im Bereich zu aktualisieren.
Computerprogramm gemäß einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass diese Signale (A_j) elektrophysiologisch sind.
Computerprogramm gemäß dem vorherigen Anspruch, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass diese elektrophysiologischen Signale (A_j) Elektroenzephalographiesignale sind.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrophysiologischen Signalen, umfassend eine Vielzahl von Elektroden zur Mehrkanalaufnahme von elektrophysiologischen Signalen (A_j), mindestens eine Anzeigevorrichtung und einen elektronischen Rechner zur Umwandlung der elektrophysiologischen Signale (A_j) gemäß des Computerprogramms eines der vorherigen Ansprüche.
Verwendung eines Computerprogramms und/oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Untersuchung von Informationen, die von epileptogenen Zonen eines Säugetiers erfasst wurden, und/oder zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit von elektroenzephalographischen Mustern während eines epileptischen Anfalls.