DE2247572A1 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen analysieren von gehirnstrom-signalen - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN
DIPL.-PBYS. ROBERT MÜNZHUBE.R

PATENTANWÄLTE 8 MÖNCHEN 22 Wl D ENMAYERSTRASSE 6 - _ _

A 23372 / Ks

Firma HUMETRICS CORPORATION, 6374 Arizona Circle, Los Angeles,

California 90045, USA

Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Analysieren, von Gehirnstrom-Signalen,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Analysieren von Wellenformen eines Elektro enz ephalo grammes.

Wie bereits bekannt ist, erzeugt das menschliche Gehirn elektrische Signale, die in einem großen Ausmaß den Funktions-Zustand des Gehirns wiedergeben; unnatürliche Veränderungen innerhalb des Aufbaus des Gehirngewebes erzeugen oft bemerkenswerte Signalveränderungen, wie beispielsweise Impulsspitζen, Fehlimpulse und niederfrequente Wellen. Gegenüber den meisten anderen physiologischen Signalen, wie beispielsweise dem Elektrokardiogramm (EKG), den Respi-

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rations-Wellen und dergleichen, ist das elektrische Aktivitätssignal des Gehirns sowohl nicht wiederholbar als auch von einer extrem niedrigen Spannung. Die Interpretation des EEG-Signals ist komplex und verlangt aufgrund des unrhythmischen und sehr unterschiedlichen Verhaltens der Wellen die Erfahrung eines qualifizierten Neurologen.

Wegen der Schwierigkeiten und des Aufwandes, einen qualifizierten Neurologen zur Interpretation einer EEG-Wellenform hinzuzuziehen, ist es von praktischen Ärzten oder Internisten vermieden worden, die EEG-Wellen bei Routineuntersuchungen an Patienten in größerem Umfange zu berücksichtigen. Das Analysieren der EEG-Wellenform ist jedoch bei der Bestimmung neurologischer Probleme von großem Wert und es sind daher Versuche unternommen worden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren von EEG-Wellenformen zu schaffen.

Es" ist beispielsweise bekannt, die elektrische Aktivität des Gehirns auf einem Vielfach-Schreiber aufzuzeichnen, wobei jede einzelne Aufzeichnung die elektrische Aktivität von einem anderen Gehirn-Bereich darstellt. Ein derartiges System ist beispielsweise in der US-PS 5 195 533 beschrieben. In der US-PS 3 413 5^6 des Anmelders dieser Anmeldung wird beschrieben, wie die EEG-Wellenform durch eine automatische Analyse des Verhältnisses zwischen Frequenz und

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Spannungsamplitude der Wellenform ausgewertet wird, wobei ein solches System aber die medizinischen Kreise nicht überzeugt hat und "von diesen auch nicht als annehmbar betrachtet wurde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren uran eine neue Vorrichtung zum automatischen Analysieren von EEG-Wellen vorzusehen, wobei die Analyse durch Auswerten der Frequenzen innerhalb eines bestimmten, spezifischen Frequenzbereiches erfolgen soll. Des weiteren soll in diesem Zusammenhang das EEG-Signal direkt vom Kopf des Patienten der Analyse zugefühfct werden, wobei eine unmittelbare Anzeige diejenigen besonderen Bereiche des Gehirns aufzeigen soll, die bestimmte Verdachtsmomente aufweisen. Dabei soll diese neue Vorrichtung für eine umfassende Anwendung bei Routineuntersuchungen an Patienten geeignet sein, womit ein Heranziehen eines qualifizierten Neurologen nicht mehr notwendig sein soll, und ausserdem sollen die nicht wiederholbaren, komplexen EEG-Signale mit den äußerst niedrigen Spannungen mit Genauigkeit automatisch überwacht werden.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile vorliegender Erfindung sollen aus nachfolgender Beschreibung noch deutlich werden.

Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung

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beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:

Fig.' 1 ein Funktions-Blockdiagramm der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 graphische Darstellungen der Wellenformen, wie

sie in der Vorrichtung der Erfindung erscheinen;

Fig. 3 das Funktions-Blockschaltbild der Vorrichtung nach Figur 1 mit mehreren Einzelheiten;

Fig. 4- ein Schaltbild des Spannungsschaltere nach Figur 3» und

Fig. 5 ein Schaltbild des "sägezahngenerator nach Figur 3·

Wie aus der Figur 1 zu sehen ist, kann die elektrische Aktivität des Gehirns durch eine oder mehrere Nadel- oder Schalen-Elektroden erfühlt werden, die in üblicher Weise durch einen Helm 10 auf dem Kopf des Patienten aufgebracht sind. Die «sfignale vom Elektrodenhelm 10 können über einen Ableitungs-Wählschalter 12 zur datenmäßigen Verarbeitung in einen linken KaHaI 14 und einen rechten Kanal 16 gegeben werden. Ausserdem wird aus dem Ableitungs-Wählschalter 12 ein Signal an die Klemme 18 für eine Zeit- und Steuerschaltung 20 abgegeben, die später noch beschrieben werden soll.

Der linke Kanal für die datenmäßige Verarbeitung des Signales besitzt einen Verstärker 22 mit hoher Verstärkung und einem Bandpass von 3,0 Hz. bis 4-5 Hz., wobei der Verstärkungsfaktor nahezu 250 000 beträgt. Die Verstärkung des Verstärkers 22 fällt für Frequenzen über 4-5 Hz. sehr rasch ab, um damit die Einwirkungen der Netzspannung oder der 60 Hz.-Beeinflussung zu vermindern. Ein Überschuß an Netz-

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spannungs- Interferenzen können dadurch erkannt werden, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 22 über einen 60 Hz.-Detektor 24- an den Eingang 26 der Zeit- und Steuerschaltung 20 gelegt wird, wobei dies später noch im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4- genauer beschrieben wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 liegt ausserdem noch an dem 3,5 - 7»0 Hertz-Detektor 28, der einen Ausgangsimpuls mit variabler Breite erzeugt, und zwar in einem umgekehrten Verhältnis zu der Frequenz des an den detektor 28 angelegten Signals innerhalb des spezifischen Frequenzbereiches. In dem Fall, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 22 entweder unter 3i5 Hz. oder über 7?0 Hz. liegt,

gibt der Detektor 28 kein Ausgangssignal an den rückstellbaren Integrator 30,· der mit dem Detektor 28 verbunden ist. Der Integrator 30 wird durch die Zeit» und Steuerschaltung 20 zurückgestellt und das Ausgangssignal des Integrators 30 wird über eine Anzeige-Logikschaltung 32 einem gebräuchlichen Anzeigeschirm 34- zugeführt.

Der rechte Kanal 16 für die datenmäßige Sigiial-Verarbeitung kann in jedem Punkt zu dem linken Kanal 14 identisch ausgeführt sein, sodaß sich eine nähere Beschreibung erübrigt.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 1 wird verständlicher, wenn die in Figur 2 dargestellten Wellenformen dazu betrachtet werden. Betrachtet man also die Figuren 1

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und 2 zusammen, so ist zu erkennen, daß das am Ableitungs-Wählschalter 12 liegende Ausgangssignal der Elektroden 10 beispielsweise die mit A bezeichnete Wellenform in Figur 2 annehmen kann. Dieses Signal "behält nach der Verstärkung im Verstärker 22 die gleiche Form bei.

Der 3,5 - 7,0 Hertz-Detektor 28 der Figur Ϊ kann einen gebräuchlichen Nulldurchgang-Detektor besitzen, der eine Heihe von Impulsen erzeugt, wie sie inoder Wellenform B der Figur 2 dargestellt sind. Diese Impulse können dazu verwendet werden, eine positiv, linear ansteigende Spannung auf einen vorbestimmten Wert zurückzustellen, wodurch die Sägezahn-Wellenform erzeugt wird; bei der die schräge Anstiegsflanke S aller einzelnen Zähne konstant ist und die Amplitude Jedes Zahnes eine Funktion des Abstandes zwischen benachbarten Impulsen der Wellenform B darstellt. Diese Sägezahn-Wellenform ist in Figur 2 als Wellenform C dargestellt und wird dafür verwendet, die einzelnen, in der Wellenform D dargestellten Impulse zu begrenzen.

Das in der Form C dargestellte Sägezahn-Signal wird ebenso dazu verwendet, eine Reihe von Impulsen bei Koinzidenz jedes Zahnes mit einer vorgegebenen Referenzspannung V,. zu erzeugen. Diese Impulse sind als Wellenform E in Figur 2 dargestellt und werden für den Impulsbeginn der individuellen Impulse der Wellenform D verwendet. Somit wird jeder Impuls

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der Wellenform D durch einen Impuls der Wellenform E "begonnen und durch einen nächsten Impuls der Wellenform B beendet, wobei letztere auch die Beendigung jedes Zahnes in der Sägezahn-Wellenform C darstellt.

Da die schräge Anstiegsflanke S der Wellenform C und ebenso die ^pannungshöhe V^ konstant sind, muß auch die Dauer des Null-Bereiches Tq für jeden eizelnen Impuls der Wellenform D konstant sein. Die Dauer der einzelnen Impulse P^., Pp, P^

etc. der Wellenform D ist jedoch insofern variabel, als daß jeder einzelne Impuls durch einen. Impuls der Wellenform E in einer bestimmten Zeit nach Beginn des Spannungsanstieges der Wellenform C begonnen und bei deren Rückstellung durch einen Impuls der Wellenform B beendet wird. Das Zeitintervall Tyi_2 zwischen den Impulsen Nr. 1 und Nr. 2 der Wellenform B ist somit das Zeitintervall Tq plus der Breite des Impulses P^. In ähnlicher Weise ist das Zeitintervall T, ^, zwischen den Impulsen Nr. 3 und Nr. 4- der Wellenform D somit gleich dem Zeitintervall Tq des Null-Bereiches plus der Breite des Impulses P,.-

feinzelne Zahn in der Sägezahn-Wellenform G der Figur 2 wird zusätzlich mit einer zweiten, vorgegebenen Bezugsspannung V2 verglichen. Wie bei dem Zahn gezeigt ist, der durch den Impuls Nr. 2 der Wellenform B hervorgerufen wird, er-

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zeugt das Erreichen des Spannungsspiegel's Vp durch die Wellenform C einen Impuls, der in der Wellenform F dargestellt ist. Der Impuls in der Wellenform F wird dazu verwendet, den Impuls P~ in der Wellenform D bereits vor der Erzeugung des Impulses Nr. 3 in der Wellenform B zu beenden. Damit wird die Breite der Impulse in der Wellenform D wirksam auf einen vorgegebenen, festen Wert beschränkt, der durch die schräge Anstiegsflanke S der Zähne der Wellenform C und durch den Wert der Bezugsspannung V^ bestimmt ist.

Die einzelnen Impulse der Wellenform D der Figur 2 werden an den Integrator 30 der Figur 1 gegeben, um damit eine Wellenform G nach Figur 2 zu erzeugen. Da die Amplitude der einzelnen Impulse P^, Pp, P,, etc. der Wellenform D konstant ist, ist die Neigung S^ der Ausgangssignale des Integrators 30 ebenso konstant, wie dies in der Wellenform G gezeigt ist. Der Wert des Ausgangssignals vom Integrator 30 bleibt unverändert, solange kein Impuls der Wellenform D vorliegt, d. h. während des Zeitinfeervalls

Somit wird die Leistung der Wellenform D integriert, um das in Wellenform G gezeigte Signal zu erzeugen. Wie oben erwähnt, wird die Breite der Impulse der Wellenform D

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auf eine maximale Zeitdauer T begrenzt. Ein Impuls wie der in der Wellenform D dargestellte Impuls Pp zeigt an, daß die , .Frequenz des Eingangsimpulses kleiner als 3>5 Hertz ist. Da eine Wirksamkeit dieses Impulses nicht erwünscht ist, kehrt eine vorzeitige Beendigung eines Impulses in der Wellenform D die Polarität des an den Integrator gegebenen Signals für eine Zeitdauer Tq um, wobei diese die Hälfte der Zeitdauer T beträgt. Die Schräge der Anstiegsflanke Sp der Umkehrung ist zweimal so groß wie die der Neigungsflanke S^. gewählt, sodaß die Wirkung eines überaus langen Impulses, wie der
Impuls Pp₅ aus dem Ausgangssignal des Integrators 30 der Figur 1 eliminiert wird.

Da die Zeitdauer Tq der Stromumkehr um eine Zeitdauer d vor der nächsten Rückstellung der Sägezahn-Wellenform C beginnt, endet die Umkehr-Periode immer um eine Zeitdauer d vor deia nächsten Impulses in der ^wellenform D₀, Während demnach der Abstand zwischen den Impulsen in der Wellenform D variieren kann, wird somit das in der Wellenform G dargestellte Signal nicht durch die Stromumkehr beeinflußt.

In gleicher Weise haben die Eingangssignale an dem Detektor 28 nach Figur 1 keine Wirkung auf die Ausgangssignale des
Integrators 50, wenn die Impulse der Wellenform B ein Rückstellen der Sägezahn-Wellenform G der Figur 2 vor dem Errei-

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chen der Spannungshöhe V^. "bewirken. Es muß beispielsweise vermerkt werden, daß kein Impuls der Wellenform D während der Zeitdauer zwischen den B-Impulsen Nr. 0 und Nr. 1 erzeugt wird, womit angezeigt wird,daß die Frequenz oder die Impuls-Wiederholungsrate der Impulse Nr. P und Nr. 1 zu hoch ist, d. h. über 7»0 Hertz liegt.

Die Zeit- und Steuerschaltung 20 der Figur 1 beschränkt die Auswertungs-Dauer des Ausgangssignals vom Integrator 50 auf eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise auf iißhn Sekunden, Wenn der Wert des in Figur 2 als Wellenform G dargestellten Signals eine Bezugsspannungshöhe V, innerhalb dieses Zeitintervalls erreicht, wird durch die Anzeige-Logikschaltung 32 ein Impuls der Wellenform H erzeugt» der dafür verwendet werden kann, einen geeigneten, herkömmlichen Indikator in der Anzeigeeinheit 34- der Figur 1 zu betätigen.

Betrachtet man nun die Einzelheiten des Funktions-Blockschaltbildes der Figur 3» so ist zu erkenne, daß die Ausgangssignale des Ableitungs-Wählschalters 12 der Figur 1 über eine Eingangsklemme 21 an den Verstärker 22 mit dem hohen Verstärkungsfaktor gegeben werden, wie dies bereits oben beschrieben ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über ein geeignetes, herkömmliches 4-5 Hertz-Tiefpassfilter 36 einem Abeolutwert-Kreis 38 zugeführt. Das Ausgangssignal des Absolutkert-Kreises 38 wird auf eine der

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Eingangski emmien 40 eines herkömmlichen Schwellen-Detektors 42 gegeben, dem an die Bezugs-Eingangsklemme 44 eine vorgegebene Bezugsspannung V₂, eingegeben wird. Das Ausgangssignal vom Schwellen-Detektor 42 wird auf den Trigger-Eingang eines üblichen monostabilen Multivibrators 46 und das Ausgangssignal des Multivibrators, genommen an der "Eins"-Ausgangsklemme, wird sowohl an einen Integrator 48 als auch an den Eingang 50 eines ODER-Tores 52 mit zwei Eingängen gegeben.

Das Ausgangs signal des Integrators 48 ist auf eiiEe gemeinsame Eingangsklemme 54 zweier Vergleichs- oder Schwellen-Detektoren 56 und 58 gegeben. Die Bezugsspannungen V^ und V₀ liegen an den anderen Eingangsklemmen 60 und 62 der Detektoren 56 uncL 58 und entsprechen den Bezugsspannungshöhen, die in der Wellenform C der Figur 2 dargestellt sind. Das Ausgangssignal des Detektors 56 ist auf den Trigger-Eingang eines gebräuchlichen monostabilen Multivibrators 64 und dessen Ausgangssignal, genommen an dem EEins"-Ausgang (bzw. an dem "wahren" Ausgang), ist an den Setzeingang S eines gebräuchlichen bistabilen Multivibrators oder Flip-Flops 66 gelegt. Das Ausgangssignal vom Detektor 58 ist in ähnlicher Weise an den Trigger-Eingang eines gebräuchlichen monostabilen Multivibrators 68 gelegt und dessen Ausgangssignal, genommen am wahren Ausgang, liegt an der anderen Eingangsklemme 70 des ODER-Tors 52, sowie an einer Eingangsklemme 72 eines Spannungsschaltfers 74,

der später noch im Zusammenhang mit der Figur 4 genauer beschrieben wird.

Das Ausgangssignal des ODER-Tores 42 ist auf den Lößcheingang H des Flip-Flops 66 gegeben und dessen Auegangssignal vom wahren" Ausgang ist auf die andere Eingangsklemme 78 des Spannungsschalters 74 gelegt· Das Ausgangssignal des Spannungsschalters 74 ist das Ausgangesignal des linken Kanales der datenmäßigen Signalverarbeitung 14 und wird an tine Eingangsklemme 76 des rücksetzbaren Integrators $0 der Figur 1 gegeben.

Des weiteren ist in Figur 3 das Ausgangseignal des Integrators 30 an eine fiingangstlemme 82 eines üblichen Vergleichs- oder Schwellen-Detektors 84 gegeben, auf welchen auch eine vorgegebene Bezugsspannung VV an den Bezugseingang 86 gelegt ist. Die Bezugsspannung V» entspricht der* jenigen in der Wellenform-Darstellung G der Figur 2 und das Ausgangssignalr- des Detektors 84 ist auf die eiae Eingangsklemme 88 eines UND-Tores 90 mit zwei Eingängen gelegt, ca ε an seinem anderen Eingang 92 ein ^usgangsaignal der Zeit- und Steuerschaltung 20 empfängt, wie später noch beschrieben wird. Das Ausgangssignal des UND-Tores 90 wird auf den Setzeingang S eines gebräuchlichen bistabilen Multivibrators oder Flip-Flops 94 gegeben und dessen Ausgangssignal vom ¹¹ Eins"-Ausgang liegt an der Anzeige 34 der Figur 1.

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Außerdem zeigt die Figur 3, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 22 mit dem hohen Verstärkungsfaktor am Eingang des linken Kanales 14 ebenso an dem 60 Hertz-Detektor 24 nach Figur 1 anliegt. Dieses Signal läuft über ein gebräuchliches 60 Hertz-Schmalbandfilter 96, eine Diode und ein Glättfilter 100, das in Reihe mit einem Eingang 102 eines gebräuchlichen Vergleichs- oder Schwellen-Detektors 104 geschaltet ist, an dessen anderem Eingang 106 eine vorgegebene Bezugsspannung V,- gelegt ist. Das Ausgangssignal des Detektors 104 wird sowohl auf eiimn Indikator 108 des 60 Hertz-Detektors 104 als auch auf eine Eingangsklemme 26 eines ODER-Tores 110 mit zwei Eingängen gegeben, das innerhalb der Zeit- und Steuerschaltung 20 liegt.

Das Ausgangssignal des Ableitungs-Wählschalters 12 nach Figur 1 liegt über die Eingangsklemme 112 an der Klemme 18 der Zeit- und Steuerschaltung 20 an. Ausserdem ist mit dieser Eingangsklemme 18 der Zeit- und Steuer-Schaltung 20 eine gebräuchliche Leistungsquelle (nicht gezeigt) verbunden, die wahlweise von der Eingangsklemme 114 aus über einen normalerweise geöffneten Kontakt eines von Hand zu betätigenden Löschschalters 116 damit verbunden werden kann.

Das an der Eingangsklemme 18 liegende Signal wird an den-

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Trigger-Eingang eines gebräuchlichen monostabilen Multivibrators 118 gegeben und das Ausgangssignal vom "wahren" Ausgang dieses Multivibrators ist auf den Lösch-Eingang R des Flip-Flops 94- der Logikschaltung;, 32 gegeben. Das Ausgangssignal vom "wahren" Ausgang des Multivibrators 18 liegt ausserdem auf dem Setz.eingang S eines gebräuchlichen bistabilen Multivibrators oder Flip-Flops 120 und das Ausgangssignal vom "wahren" Ausgang dieses Ilip-Flops liegt an einem geeigneten Analysen-Indikator 122_t

Des weiteren liegt das Ausgangssignal des Multivibrators 118 über einen Inverter 124 an dem Löscheingang des rückstellbaren Integrators 30 und an einem^rtSägezahn-Generator 126 der anschließend noch anhand der Figur 5 näher beschrieben wird.

Das Ausgangssignal des Schaltungsteiles 126 ist auf eine Eingangsklemme 128 eines gebräuchlichen Vergleichs- oder Schwellen- Detektors 130 gegeben, an dessen Bezugseingangsklemme 132 ein positives Spannungspotential iron 5 Volt anliegt. Das Ausgangssignal des Detektors 130 wird an einen Trigger-Eingang eines üblichen monostabilen Multivibrators 134 gegeben und dessen Ausgangssignal vom "wahren" Ausgang liegt auf dem Lösch-Eingang R des FliprrFlops 120.

Das 4usgangssignal vom "falschen" Ausgang des Flip-Flops 120 liegt an der anderen Eingangsklemme des ODER-Torec

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4S"

in der Zeit- und Steuer-Schaltung 20, an der Eingangsklemme 92 des UND-Tores 90 in der Anzeige-Logikschaltung 32 und an einem geeigneten Gesamtindikator 138 der Analyse. Das Ausgangssignal des "falschen" Ausganges des Flip-Flops 120 liegt ausserdem noch an einer Eingangsklemme 140- eines ODER-Tores 14-2» Die andere Eingangsklemme 144- des ODER-Tores 142 ist direkt mit dem Eingang 26 der Zeit- und Steuerschaltung 20 verbunden und empfängt das Ausgangssignal vom 60 Hertz-Detektor 24. Das Ausgangssignal vom ODER-Tor 142 wird über die Eingangsklemme 146 dem Sägezahn-Generator 126 zugeführt, der in Figur 5 beschrieben wird.

In Betrieb wird das Signal aus dem Ableitungs-Wähler 12 der Figur 1 im Verstärker 22 verstärkt und an den 3»5 - 7»0 Hz-Detektor 28 gegeben. Im wesentlichen werden alle Frequenzkomponenten über 45 Hz in dem 45 Hertz-Tiefpass-Filter 36 eliminiert und der absolute Wert des niederfrequenten Signals wird mit einer vorgegebenen Bezugsspannung V^ im Detektor 42 verglichen. Wenn die Bezugsspannung V^, von der Amplitude des Eingangssignal an den Detektor 42 überschritten wird, wird der Multivibrator 46 getriggert, um die in der Figur 2 dargestellten Impulse der Wellenform B vorzusehen. Diese Impulse werden dazu verwendet, um'den Integrator 48 zurückzustellen, der die in Figur 2 als Sägezahn dargestellte Wellenform C vorsieht. Die Amplitude der Sägezahn-

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Wellenform C wird mit den zwei Bezugsspannungen V^ und Vg verglichen, um die entsprechenden Impulse der Wellenform E und F nach Figur 2 zu erzeugen, wie bereite im Zusammenhang mit der Figur 2 "beschrieben wurde.

Das Binärelement oder Flip-Flop 66 wird somit durch jeden Impuls der durch den Multivibrator 64 erzeugten Wellenform E angesteuert (bei S) und anschließend entweder durch einen Impuls der durch den Multivibrator 68 gebildeten Wellenform F oder durch Impulse der Wellenform B gelöscht, wobei diese über das ODER-Tor 52 an den Eingang R des Flip-Flops gelangen, Das Flip-Flop 66 wird somit beim Auftreten eines Impulses der Wellenform B und zusätzlich beim Auftreten eines Impulses der Wellenform F zurückgestellt, wobei letztere anzeigt, daß die Frequenz des angelegten Signals unter 3»5 Hz ist.

Das Ausgangssignal des Flip-Flops 66 ist somit eine Folge von Impulsen mit unterschiedlicher Breite, wie die Wellenform D in Figur 2 zeigt. Dieses Signal wird an den Spannungsschalter 74- gegeben, der, wie später noch anhand der Figur 4 im einzelnen erklärt wird, in Abhängigkeit davon

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ein positives 2 Volt Eingangssignal für den Integrator 30 vorsieht. Das Ausgangssignal vom Multivibrator 68 wird ebenso an den Spannungsschalter 7^ gegeben,- und zwar über die andere Eingangsklemme 72, und es erzeugt, wie später er-

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klärt wird, ein negativesu4 Volt-Potential an der Eingangski emme 80 des Integrators 30. Das Ausgangssignal des 3,5 7,0 Hertz-Detektors 28 "besitzt somit ein positives 2 Volt-Potential, das die negative Stufen—Spannung gemäß der Wellenform G¹ mit einer Neigung S. vorsieht, oder das Ausgangssignal "besitzt ein negatives 4- Volt-Potential, wodurch das positive Stufensigoal in der Wellenform G mit der Neigung Sg gegeben ist.

Wie die Wellenform G der Figur 2 zeigt, ist das Ausgangssignal des Integrators 30 unverändert, wenn an dessen Eingangsklemme 80 kein Signal vorliegt. Dies wird in der bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, daß in einem Nebenschluß das Ausgangssignal des Spannungs schalt ers 74-über einen Feldeffekttransistor FET - 1 in Abhängigkeit zu einem Signal aus der Zeit- und Steuerschaltung 20 auf Masse abgeleitet ist, wobei die Schaltung 20 anzeigt, daß entweder eine 60 Hertz-Beeinflussung erkannt oder die Analyse beendet worden ist.

Des weiteren ist aus Figur 3 zu sehen, daß das Ausgangssignal vom Verstärker 22 an den 60 Hertz-Detektor 24- gegeben ist, in dem die 60 Hertz-Bestandteile in dem 60 Hertz-Schmalbandfilter abgetrennt werden. Diese Frequenz-Bestandteile werden in der Diode 98 gleichgerichtet und und dem Glättungsfilter -?00 zugeführt, um ein analoges

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Gleichepannungspotential zu erzeugen, das mit der vorgegebenen Bezugsspannung V₁- im Detektor 104 verglichen wird. Wenn die Bezugsspannung VV überschritten wird, sieht der Indikator 108 eine Anzeige darüber vor und das Ausgangssignal des Detektors 104 wird über das ODER-Tor 110 der Zeit- und Steuerschaltung 20. zu dem Feldeffekttransistor FET-1 geleitet, um dessen Sättigung zu erreichen, wodurch das Eingangssignal von der Klemme 80 des Integrators 30 abgeleitet wird.

Wenn der Ableitungs-Wähler 12 der Figur 1 eine Anzeige an der Eingangskiemme 18 der Zeit- und Steuerschaltung 20 vorsieht, wird der Multivibrator 118 der Figur 3 zur Ansteuerung des Flip-Flops 120 getriggert, um einen hohen Signal-

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wert am Analysen-Indikator 122 vorzusehen, womit angezeigt werden soll, daß die Analyse voranschreitet. Das Signal des Multivibrators 118 steuert ebenso den Rucksetζeingang des Flip-Flops 94 der Aneeige-Logikschaltung 32 an, wodurch die Tätigkeit der Anzeige 34 ermöglicht wird, und es stellt ebenso, wenn es umgekehrt ist, den Integrator 30 zurück, sodaß die Erzeugung von der Wellenform G der Figur 2 von einem vorgegebenen Potential beginnt.

Das Signal des Multivibrators 118 leitet also die Erzeugung einer schrägen Stufen-Spannung in der Zeitschaltung 126 ein, die, wenn die positiven 5 Volt-Bezugsspannung am Detektor 130 überschritten werden, den Multivibrator 134

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.zur Rückstellung des Flip-Flops 120 triggert. Dieser Schaltet die Anzeige am Analysen-Indikator aus, daß die Analyse im Fortgang wäre, und gibt ein Signal an den Indikator 138 der Analysenvervollständigung. Dieses letzte Signal wird ebenso an das ODER-Tor 142 gegeben, um automatisch die Zeitschaltung 126 zurückzustellen. Die Zeitschaltung 126 kann · ebenso ducch ein Signal, vom 60 Hertz-Detektor 24 gesperrt werden, das über das ODER-Tor 142 ankommt.

Die manuelle Betätigung des Löschschalters 116 triggert ebenso den Multivibrator 118 der Zeit- und Steuer-Schaltung 20, um den Zeitablauf der Analysen-Periode wieder in Gang zu setzen, die Anzeige 34 zu löschen und den Integrator 30 zurückzustellen, womit die Analyse von neuem beginnt.

In der Figur 4 ist der Spannungssehalter ?4 aus der Figur mit allen EineJfelheiten dargestellt, wobei das umgekehrte Signal vom "falschen" Ausgang des Flip-Flops 66 über die Eingangsklemme 78 und einen Widerstand 150 der Basis eines KPN-Transistors Q1 zugeführt ist, dessen Emitter an Masse liegt. Die Basis des Transistors Q1 ist durch einen Widerstand 152 vom Massenpotential getrennt und der Kollektor ist über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 154 und 156 mit einer positiven Spannungsquelle von 12 Volt verbunden. Der Verbindungspunkt- der Widerstände 154 und 156 iöt direkt mit der Basis eines PNP-Transistors Q2 verbunden, dessen Emitter direkt-mit der 12 Volt-Quelle ver-

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"bunden ist, wobei der Kollektor über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 158 und 160 an Masse liegt. Der Verbindiujigspunkt der Widerstände 158 und 160 ist direkt mit der Ausgangsklemme 80 des Spannungsschalters 74- verbunden.

Bas Ausgangssignal des Multivibrators 68 der Figur 3 liegt über die Eingangsklemme und einen Widerstand 162 an der Basis eines am Emitter geerdeten NFN-Transistors Q3 an. Die Basis des Transistors Q3 ist durch einen Widerstand 164-vom Erdpotential isoliert und dessen Kollektor ist über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 166 und 168 mit der positiven Spannungsquelle von 12 Volt verbunden. Der Verbindungspunkt der Widerstände 166 und Ί68 ist direkt mit der Basis eines PHP-Transistors Q4- verbunden. Der Emitter des Transistors Q4- ist direkt mit der positiven Spannungsquelle von 12 Volt verbunden und der Kollektor dieses Transistors liegt über einen Spannungeteiler mit den Widerständen 170 und 172 an einer negativen Spannungsquelle von 12 Volt. Der Verbindungspunkt der Widerstände 170 und 172 liegt direkt an der Basis eines NPN-Transistors Q5· Der Emitter dieses Transistors Q5 ist direkt mit der negativen Spannungsquelle von 12 Volt verbunden, wogegen der Kollektor über einen Widerstand 161 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 158 und 160 verbunden ist, der zugleich die Ausgangsklemme 80 des Spannungsschalters 74- darstellt.

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ImBetrieb bewirkt das Anlegen eines positiven Eingangssignals an die Eingangsklemme 78 eine Sättigung des Transistors Q1, womit ein negativ durchlaufendes Signal an
der Basis des' Transistors Q2 vorgesehen wird,- der in Abhängigkeit davon sättigt, um das positive 12 Volt-Potential über die Widerstände 158 und 160 zu legen. Das Verhältnis
der Werte der Widerstände 158 und 160 ist vorzugsweise
5:1, sodaß ein Potential von plus 2 Volt an der Ausgangsklemme 80 des Spannungs s ehalt er s 74- aufgrund der positiven 12 Volt-Quelle erscheint.

In ähnlicher Weise bewirkt ein positives Signal des Multivibrators 68 an der Eingangsklemme 72 die Sättigung des
Transistors Q3, um damit ein negativ durchlaufendes Signal an der Basis des Transistors Q4- vorzusehen, der in Abhängigkeit davon gesättigt wird, um ein positives Potential
von 12 Volt über den Widerständen 170 und 172 auftreten
zu lassen. Dieses positiv durchlaufende Signal an der Basis des Transistors Q5 bewirkt dessen Sättigung, womit das negative Potential der 12 Volt-Quelle über den Widerständen 160 und 161 zu liegen kommt. Das Verhältnis der Widerstände 161 und 160 ist vorzugsweise 2:1, sodaß ein negatives Potential von 4 Volt an der Ausgangsklemme 80 des Spannungsschalters 74 erscheint.

Da an der Eingangsklemme 78 oder der Eingangsklemme 72 ein

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positives Signal nur dadurch anliegen kann, daß der Multivibrator 68 das Flip-Flop 66 löscht, ist das Ausgangssignal an der Klemme 80 des Spannungsschalters 74- entweder plus 2 Volt oder minus 4 Volt. Diese Spannungen werden in der Neigung und der Richtung der in der Figur 2G dargestellten Wellenform als Ausgangssignal des Integrators 30 nach den Figuren 1 und 3 wiedergegeben.

In der Figur 5 ist die Zeitschaltung 126 mit ihren Einzelheiten wiedergegeben. Die Eingangsklemme 125 ist mit der Torelektrode eines Feldeffekttransistors FET-2 verbunden, der parallel zu einer Kapazität 162 geschaltet fet, um eine Rückkopplung von der Ausgangsklemme 164 auf die Eingangsklemme 166 eines gebräuchlichen Operationsverstärkers 168 vorzusehen. Die Ausgangsklemme 146 des ODER-Tores 142 nach Figur 3 ist mit der Torelektrode eines Feldeffekttransistors FET-3 verbunden. Die Quellenelektrode des Transistors FET-3 liegt auf Masse und die Abflußelektrode ist über einen Widerstand 170 mit dem Verbindungspunkt 172 zweier Widerstände 174 und 176 verbunden, die einen Spannungsteiler zwischen einer negativen Spannungsquelle von 12 Volt und Masse bilden. Die Abflußelektrode des Transistors FET-3 ist ebenso über einen Widerstand 178 mit der Eingangsklemme 166 des Verstärkers 168 verbunden.

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In Betrieb wird durch das Triggern des Multivibrators 118 der Figur 3 ein negativ laufendes Signal an der Torelektrode des Transistors FET-2 vorgesehen, wodurch seine Leitfähigkeit zur Entladung der Kapazität 162 bewirkt wird, womit die Zeitschaltung zurückgestellt ist» Das Ausgangssignal' des Multivibrators 118 ist vorzugsweise kurzzeitig und das nachfolgende positiv durchlaufende Signal treibt den Transistor FET-2 in Sperrstellung, wodurch der Kondensator 162 zwischen der Ausgangsklemme 164· und der Eingangsklemme 166 des Verstärkers 168 eingeschaltet ist, um die Integration des an der Eingangsklemme 166 liegenden Signales zu "bewirken. Das Signal, das an der Ausgangsklemme 128 des "Rampen"-Generators 126 erscheint, ist ein positiv verlaufender, sägezahnähnlicher Spannungsanstieg, der durch das Triggern des Multivibrators 118 hervorgerufen wird.

Das Triggern des Multivibrators 118 steuert das Flip-Flop fl20 an, um die Anzeige der Analysenbeendigung und die eine mögliche Gegebenheit eines positiven Signales an der Eingangsklemme 146 abzuschalten. Das Zurückstellen des Flip-Flops 120 liefert jedoch wieder ein positives Signal von der "falschen" Ausgangsklemme über das ODER-Tpr 142 an die Torelektrode des Transistors FET-3, um diesen damit in Sperrstellung zu bringen. Wenn der Transistor FET-3 nicht mehr leitfähig ist, ist die Eingangsklemme 166 über die

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Widerstände 178, 170 und 176 mit der negativen Spannungsquelle von 12 Volt verbunden, womit ein negatives Eingangssignal auf den Verstärker 168 zur Erzeugung einer Zeit- Anstiegsspannung gegeben ist. Das gleiche Ergebnis kann natürlich dadurch erreicht werden, daß ein positives Signal vom Detektor 104 des 60 Hertz-Detektors 24 auf die Eingangsklemme 144 des 0DER~Tores 142 gegeben wird.

Liegt kein Signal am Eingang 146 vor, so verbindet der leitfähige Transistor FET-3 die negative Spannungsquelle von 12 Volt über die Widerstände 176 und 170 mit Masse, leitet dadurch das Eingangssignal von der Klemme 166 des Verstärkers 168 ab und sieht ein Anhalten des Zeitlaufes vor.

Es sollte noch vermerkt werden, daß ein geeigneter, gebräuchlicher Spannungshöhen-Konverter an den Torelektroden der Transistoren FET-1, FET-2 und FET-3 gefordert werden könnte, um eine Anpassungsfähigkeit der logischen Schaltkreise an die Betriebscharakteristiken der Feldeffekttransistoren zu gewährleisten. Wenn beispielsweise wie beschrieben die Logik positiv ist, um Spannungshöhen von 0 und 12 Volt vorzusehen, kann ein Konverter für Spannungshöhen von minus 12 und 0 Volt notwendig sein, die normalerweise zu Feldeffekttransistoren mit Negativkanälen gehören.

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Durch die Verwendung des einzigartigen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung vorliegender Erfindung können die sich nicht wiederholenden und mit einer elektrischen Aktivität niedriger Spannung "behafteten Gehirnströme routinemäßig durch praktische Ärzte oder Internisten ausgewertet werden, ohne die Fachkenntnis eines qualifizierten Neurologen. Vorliegende Erfindung dient also einer exakten und schnell arbeitenden automatischen Analyse von EEG-WeI-lenformen und "besitzt umfangreiche Möglichkeiten bei routinemäßigen Untersuchungen von Personen im Erkennen von unbekannten Gehirn-Störungen. Eine unmittelbare Anzeige ist vorgesehen, die durch eine geeignete Mahl der Eingangsableitungen von den in gebräuchlicher Weise auf dem Kopf des Patienten angeordneten Elektroden anzeigen, welche besonderen Bereiche des Gehirns Verdachtsmomente erregen« Die Erfindung findet in besonderem Maße in Sotkliniken, in Arztpraxen, bei Mehrphasen-Durchleuchtungen, in Sportzentren und dergleichen Anwendung, d. h. an Stellen, an denen die Vorrichtung von einem nicht speziell medizinisch ausgebildeten Personal bedient wird.

Vorliegende Erfindung kann auch in anderen Formen ausgebildet werden, ohne daß dabei von den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abgewichen wird. Die beschriebene Ausführungsform ist damit in allen Punkten nur als erläuternd und nicht als eingrenzend zu betrachten«

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   \1· ] Verfahren zum Auswerten der Aktivität von Gehirnstromwellen, die sich als EEG-Signale mit einer rasch und in einem weiten Bereich veränderlichen Amplitude und Frequenz darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß über einen vorgegebenen Zeitabschnitt ein erstes Signal erzeugt wird, das sich auf die Frequenz des EEG-Signales bezieht, daß das erste Signal mit einer vorgegebenen Bezugsspannung verglichen wird und daß die Ergebnisse des Vergleichs als Auswertung der Gehirnaktivität angezeigt werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal in seiner Amplitude auf die Frequenz des EEG-Signals bezogen wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal in einer ersten Folge von Impulsen mit konstanter Amplitude dargestellt wird, welche sich in ihrer Breite auf die Frequenz des EEG-Signals beziehen, und daß in einem vorgegebenen Zeitabschnitt über die Energie in den Impulsen der ersten Impuls-Folge summiert wird, wobei bis zu einem vorgegebenen Maximum die Energie in jedem Impuls, der eine erste vorgegebene Breite überschreitet,

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   hinzugefügt und die Energie, die gleich einem vorgegebenen Maximum für jeden Impuls ist, der eine zweite vorgegebene Breite überschreitet, zum Vergleich mit der vorgegebenen Bezugsspannung abgezogen wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichent, daß das Vorliegen von 60 Hertz-Komponenten über einem vorgegebenen Wert im EEG-Signal erkannt wird und daß sowohl das Summieren der Energie wie auch der darauf bezogene Zeitablauf des vorgegebenen Intervalls gesperrt wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich des ersten Signals während des vorgegebenen ZeitintervalIs im Bezug zu der Aufnahme der vorgegebenen Erequenz-Bestandteile im EEG-Signal gesperrt wird und daß die Dauer des vorgegebenen Zeitintervalls durch eine Größe gleich dem Zeitintervall, in dem der Vergleich gesperrt ist, ausgedehnt wird«,

   Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 - 5 bei der Auswertung der Aktivität von Gehirnstromwellen, die sich aid EEG-Signaile mit einer rasch und in einem weiten Bereich veränderlichen.Amplitude und Frequenz darstellen, gekennzeichnet durch eine Elektrodeneinrichtung (10) zur Aufnahme elektrischer, auf die Gehirn-Aktivität bezogener Signale und durch eine Anordnung zum

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   Auswerten der elektrischen Signale, bestehend aus Schaltelementen (14) zum Erzeugen eines im Energieinhalt auf die Frequenz des elektrischen Signale bezogenen Signals, aus Schaltelementen zur Erstellung eines auf das Integral der Energie in den aus den erzeugten Impulsen ausgewählten Impulsen bezogenen Signals und aus Schaltelementen zum Vergleichen des Ausgangssignale mit einem vorgegebenen Bezugswert und zur Anzeige (54) des Ergebnisses dieses Vergleichs als Auswertung der Gehirn-Aktivität.

   7* Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte'Signal eine Impulsfolge mit einer auf die Frequenz des EEG-Signals bezogenen Breite darstellt und das Ausgangssignal auf das Integral der Energie in den Impulsen der Impulsfolge bezogen ist, deren Breite in vorgegebenen Grenzen liegen.

   8· Vorrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch einen Detektor (24) zum Erkennen von 60 Hertz-Signalen in der auszuwertenden EEG-Wellenform und durch auf die 60 Hertz ansprechende Elemente zum SpeEren der Auswertung der EEG-Wellenform.

   9· Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Zeitschaltung (20) zum Begrenzen der Tätigkeitsdauer der das Ausgangssignal erzeugenden Elemente und durch auf

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   die Auswertungssperre ansprechende Schaltelemente zum Aus-

   dehnen der Wirkungszeit der das Ausgangssignal erzeugenden Elemente.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Energieinhalt dgr Impulse und der Frequenz des EEG-Signals ein umgekehrtes Verhältnis besteht.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 7s dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse gleichförmig in der Amplitude und variabel in der Breite sind.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ausgangssignal erzeugenden Elemente nur auf Impulse mit einer Breite innerhalb vorgegebener Grenzen funktionsmäßig ansprechen.

   13. v. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls-Breitenbereich einem Frequenzbereich von etwa 3,5 Hertz entspricht.

   Vorrichtung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich der Impulsbreite Frequenzen zwischen etwa 3»5 Hertz und etwa 7»0 Hertz entspricht.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Impulserzeugung aus einem ein veränderliches Zeitsignal erzeugenden Generator,S

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   einem Binärelement, einem ersten Schwellendetektor, der bei Erreichen eines ersten vorgegebenen Wertes durch das veränderliche Zeitsignal zum Stellen des Binärelementes in einen ersten Zustand anspricht, und aus einer Schaltung bestehen, die auf das elektrische Signal zum Zurückstellen des Binärelementes in einen zweiten Zustand anspricht.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ausgangssignal erzeugenden Elemente einen zweiten Schwellendetektor atiweisen, der bei Erreichen eines zweiten vorgegebenen Wertes durch das veränderliche-Zeitsignal anspricht, um das Binärelement in einen zweiten Zustand zurückzustellen und den Wert des Ausgangssignals um eine Größe zu vermindern, die gleich der Energie in dem Impuls mit einer Breite ist, die auf die Zeit zwischen Setzen und Zurückstellen des Binärelementes bezogen ist.

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