DE2831412A1

DE2831412A1 - Messgeraet fuer die bioelektrische aktivitaet des zentralen nervensystems

Info

Publication number: DE2831412A1
Application number: DE19782831412
Authority: DE
Inventors: Bo Hjort
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-17
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1980-01-31
Also published as: JPS5516694A; IT1122130B; US4275743A; FR2431280A1; IT7924269A0; FR2431280B1

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 5082 BRD

Meßgerät für die bioelektrische Aktivität des zentralen Nervensystems

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät für die bioelektrische Aktivität des zentralen Nervensystems, bei dem mehrere auf dem Patienten auflegbare Elektroden benutzt sind und bei dem Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden und einem von den Elektrodenpotentialen abgeleiteten Referenzpotential gebildet werden.

Bei bekannten Meßgeräten dieser Art erfolgt die Messung entweder mittels einer Anzahl von auf dem Schädel nach einer internationalen Standardisierung angeordneter Elektroden (Elektroencephalographie, EEG) oder mittels einer Anzahl von Elektroden, die auf der bloßgelegten Großhirnrinde oder auf der Gehirnhaut (Elektrocortigraphie, ECoG) appliziert werden. Die elektrische Aktivität der Nervenzellen und des umgebenden Mediums wird unterhalb der Elektroden als entsprechende Poten-

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tialänderungen erfaßt. Den Elektroden sind in beiden Fällen Verstärker und Registriervorrichtungen nachgeschaltet.

Die bekannten Meßverfahren, die bei solchen Meßgeräten durchgeführt werden, werden in bipolare und unipolare Meßverfahren eingeteilt, wie sie in dem "Handbook of Electroencephalography", Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1974, Vol. 3, Part 3, insbesondere in den Figuren 10 und 13 mit der zugehörigen Beschreibung, dargestellt und beschrieben sind. Bei einem bipolaren Meßverfahren werden Differenzspannungen den Verstärkereingängen zugeleitet, die paarweise zwischen den Elektroden erfaßt werden. Dabei ist jede gemessene Spannung die Differenz zwischen zwei Elektrodenpotentialeh. Eine selektive Erfassung jeder lokalen Elektrodenpotentialänderung erfolgt nicht. Demnach ist es schwierig, genau die cerebrale bioelektrische Aktivität zu lokalisieren. Bei einem unipolaren Meßverfahren werden Differenzspannungen zwischen einer Anzahl von Elektroden und jeweils einem für diese Elektroden gemeinsamen Referenzpunkt erfaßt. Dieser Referenzpunkt kann eine physikalische Elektrode oder z.B. der Mittelpunkt eines Widerstandssternes sein, der mit dem gleichen Widerstandswert an sämtlichen Elektroden angeschlossen ist, evtl. mit Ausnahme von denjenigen Elektroden, deren Signale erfahrungsgemäß das Meßergebnis verfälschen wurden, weil sie z.B. durch Muskelaktivität verursacht werden. Bei der Vielzahl von verwendeten Elektroden ergab es sich bisher zwangsläufig, daß nicht alle referenzbildenden Elektroden zur Signalelektrode benachbart angeordnet, daß sie vielmehr auf den ganzen Schädel des Patienten verteilt waren. Aus diesem Grund war es nicht möglich, ein Potential zu erfassen, das ein Maß war für die bioelektrische Akti-

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_tvität unmittelbar im Bereich der Signalelektrode. Vielmehr wurden lediglich Potentialdifferenzen gemessen, die keine genauen Rückschlüsse auf den Ort der gemessenen bioelektrischen Aktivität zuließen. 5

In der DE-AS 25 18 269 ist ein Meßverfahren beschrieben, bei dem als Hilfselektroden für eine Signalelektrode ausschließlich Elektroden benutzt werden, die der Signalelektrode benachbart sind. Bei der Registrierung einer cerebralen elektrischen Aktivität mit Hilfe von Oberflächenelektroden am Schädel ist jedoch im Vergleich zur Registrierung von Potentialverteilungen im tiefer liegenden Gewebe, z.B. auf der Hirnrinde, ein Verbreitungseffekt vorhanden. Es besteht aber der Wunsch, die auf der Hirnrinde herrschenden Potentiale zu kennen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die bioelektrische Aktivität des zentralen Nervensystems an einer Stelle festgestellt werden kann, die möglichst nahe der Hirnrinde liegt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel vorhanden sind, die die Potentialdifferenzen derart mit einem Bewichtungsfaktor bewichten und anschließend summieren, daß die von einem bestimmten Punkt unter dem Elektrodensystem ausgehenden Potentialkomponenten entsprechend ihrer Größe erfaßt und von anderen Punkten ausgehende Signalkomponenten unterdrückt werden. Aufgrund der Tatsache, daß ein Punktpotential unter der Schädeloberfläche auf oder nahe der Hirnrinde aus dem Potentialfeld der Schädeloberfläche, das für ein Punktpotential auf der Hirnrinde eine Verteilung 35

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VPA 78 P 5082 BRD ähnlich einer gauß¹sehen Glockenkurve hat, bestimmt werden kann, ist es möglich, die Potentialverteilung in einer Ebene nahe an der Hirnrinde auch bei der Verwendung von Oberflächenelektroden festzustellen. 5

Die Bewichtungsfaktoren werden so gewählt, daß diejenigen Potentialkomponenten, die von den interessierenden Stellen ausgehen, erfaßt und die von den anderen Stellen ausgehenden Potentialkomponenten unterdrückt werden. Durch Summation der bewichteten Signale bekommt man dann ein Signal, das sehr genau das Potential an der interessierenden Stelle auf der Hirnrinde wiedergibt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung, ergeben sich aus

den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs beispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verbreitung der cerebralen elektrischen Aktivität von einem Punkt der Hirnrinde zur Schädeloberfläche ,
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Fig. 2 die Elektrodenkonfiguration für ein Meßgerät nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung eines Meßgerätes nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Fixierungsanordnung für eine Elektrodenhalterung für ein Meßgerät nach der Erfindung und
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Fig. 5 eine Elektrodenhalterung für ein Meßgerät nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Quer-Schnitts durch das Gewebe eines Schädels von der Schädeloberfläche bis zur Hirnrinde. Die cerebrale elektrische Aktivität verändert sich auf dem Wege von der Hirnrinde bis zur Schädeloberfläche, indem eine Verbreitung in dem dazwischen liegenden Gewebe erfolgt, so daß jede Potentialkomponente der Hirnrinde an der Schädeloberfläche mit einer Potehtialverteilung einer bestimmten Breite auftritt. Das Potential an jedem Punkt in dem Potentialfeld der Schädeloberfläche ist deshalb aus verschiedenen Potentialkomponenten zusammengesetzt, die von verschiedenen Stellen der Hirnrinde kommen. An der Hirnrinde 10 ist eine Spannungsquelle 11, die die cerebrale elektrische Aktivität an einem Punkt darstellen soll, eingezeichnet. Die Größe der Aktivität an dem Punkt ist mit 12 bezeichnet. Die Verbreitung des Potentials auf dem Niveau 13 wird durch die Kurve 13' dargestellt, die etwas glockenförmig ist. Auf dem Niveau 14 ist die Verbreitung dieses Potentials noch größer, wie die Kurve 14' zeigt. An der Schädeloberfläche 15 ist die Potentialverbreitung am größten, wie die glockenförmige Kurve 15' zeigt.

Fig. 2 zeigt, daß einundsechzig Elektroden in einer bestimmten geometrischen Konfiguration auf den Schädel eines Patienten aufgelegt werden. Es soll iier die Größe der cerebralen elektrischen Aktivität an der Hirnrinde genau unter der Signalelektrode 1 gemessen werdai. Referenzelektroden sind mit 0 und 2 bis 6 bezeichnet worden, wobei die Elektroden 0 die Randelektroden sind. Der Abstand zwischen den Elektroden ist etwa 10 mm.

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Die Signale, die zwischen diesen Elektroden 0, 1, 2 bis 6 und einem Referenzpunkt erhalten werden, werden gewichtet und summiert. Die Wichtung und Summation erfolgt in der Weise, daß unter dem in Frage kommenden Punkt die Einwirkung solcher Komponenten unterdrückt wird, die an der Oberfläche mit einer Potentialverbreitung auftreten, die nicht unter dem interessierenden Punkt zentriert ist oder die mit einer Potentialverbreitung auftreten,die größer ist als die Verbreitung eines Punktpotentials in einer Ebene in der Nähe der Hirnrinde auf der Oberfläche des Schädels.

Die Wichtungskoeffizienten werden so gewählt, daß die Meßebene so nahe wie möglich an der Hirnrinde liegt, um die größtmögliche Genauigkeit bei der Registrierung von einzelnen Potentialkomponenten zu erreichen.

Die Wichtungskoeffizienten werden für eine Meßebene in einer Tiefe gewählt, die einer gauß¹sehen Verbreitung eines Punktpotentials mit einer Breite entspricht, die gleich dem 1,6fachen Elektrodenabstand ist.

Die Berechnung eines Wichtungskoeffizienten kann mit Hilfe einer Matrizenalgebra ausgeführt werden und ist in der Bildbehandlungstechnik ein bekanntes Verfahren (Harry C. Andrews, Computer Techniques in Image Processing, Academic Press 1970, New York).

Wenn der Wichtungskoeffizient mit b und die Elektroden mit 1 bis 6 bezeichnet sind, sind die Wichtungskoeffizienten wie folgt:

^ = + 0,38; b₂ = 0,72/6; b₃ = + 0,51/6; b₄ = + 0,02/6; t>₅ = - 0,27/12; bg = + 0,06/6.
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Die Potentialunterschiede zwischen den Potentialen der 37 Elektroden 1 bis 6 multipliziert mit dem entsprechenden Wichtungskoeffizienten und einem Referenzpotential, das das Mittelwertpotential von sämtlichen 61 Elektrodenpotentialen ist, werden mittels einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 verarbeitet. In dieser Figur ist gezeigt, daß zwischen den Elektroden 1 bis 6 und einer Summationsschaltung 16 Widerstände 1' bis 6' liegen, _ deren Größen den Bewichtungsfaktoren entsprechen.

Ein der Summe der bewichteten Signale der Elektroden 1, 3, 4 und 6 entsprechendes Signal wird am Summationspunkt 25 erhalten und dem Minuseingang eines Operationsverstärkers 26 zugeführt. Dem Pluseingang dieses Operationsverstärkers 26 wird das Referenzpotential zugeleitet. An dem Ausgang 27 des Operationsverstärkers 26 wird ein Potential erhalten, das dem Summationsstrom am Punkt 25 entspricht. Ein der Summe der bewichteten Signale der Elektroden 2 und 5 entsprechender Strom wird am Summationspunkt 28 erhalten. Der Strom am Punkt 28 wird vom Strom am Punkt 25 subtrahiert und der Differenzstrom dem Minuseingang eines weiteren Operationsverstärkers 29 zugeführt. An dem Pluseingang dieses Operationsverstärkers 29 liegt ebenfalls das Referenzpotential. An dem Ausgang 30 des Verstärkers 29 liegt somit ein Signal, das in der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Weise aus den Elektrodenpotentialen gewonnen wird. Dieses Endpotential wird nun dem einen Eingang 31 eines Differenzverstärkers 32 zugeführt.

Gleichzeitig wird das Referenzpotential einem zweiten Eingang 33 des Differenzverstärkers 32 zugeführt. Die. Differenz dieser Signale wird einem Registriergerät 34 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Differenzverstärker 33 entspricht dem Punktpotential an der Hirnrinde genau unter der Elektrode 1.

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Fig. 4 zeigt eine Fixierungsanordnung 17 mit einer kalottenförmigen Platte 18 mit einer hochgezogenen Kante 19. Die Platte 18 besitzt Löcher,'die der Elektrodenkonfiguration gemäß Fig. 2 entsprechen. Das Zentrumsloch 20, entsprechend der Lage der Elektrode 1, dient als Richtpunkt, d.h. daß die Bedienungsperson die Fixierungsanordnung 17 auf den Schädel des Patienten so auflegt, daß der Richtpunkt auf dem zu untersuchenden Punkt liegt. Die Fixierungsanordnung 17 ist auf dem Schädel des Patienten mittels eines Bandes 26 befestigbar, das auf der hochgezogenen Kante 19 an den Befestigungsstellen 21 angeordnet und unter dem Kinn des Patienten anlegbar ist.

Fig. 5 zeigt, daß auf der Fixierungsanordnung 17 ein Elektrodenhalter 23 aus Isoliermaterial auflegbar und mittels zweier Anschlagzapfen 24, 25 ausrichtbar ist. Die Elektroden 1 bis 6 sind im Halter 23 etwa senkrecht zur Applikationsfläche federnd gelagert, bei dem hier nur drei Elektroden dargestellt sind.

Die Elektroden, deren Enden spitz oder rund sein können, sind etwa 2 mm im Durchmesser. Die Elektroden 0, 1 bis 6 sind über Leitungen mit einem Differenzverstärker nach Fig. 3 verbunden.

Das Meßgerät mit einer Schaltungsanordnung für die Wichtung und Summation der Elektrodensignale ist gemäß der Erfindung ein Gerät für die Fokussierung von Schädelpotentialregistrierungen auf eine unter dem Schädel liegende Meßebene und ermöglicht damit eine verbesserte Bestimmung von lokalen Erscheinungen in der elektri schen Aktivität des Gehirns.

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Claims

2*31412 VPA 78 P 5082 BRD Patentansprüche

1. !Meßgerät für die bioelektrische Aktivität des zentralen Nervensystems, "bei dem mehrere auf dem Patienten auflegbare Elektroden benutzt sind und bei dem Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden und einem von den Elektrodenpotentialen abgeleiteten Referenzpotential gebildet werden, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (1' bis 6·, 16) vorhanden sind, die die Potentialdifferenzen derart mit Bewichtungsfaktoren bewichten und anschließend summieren, daß die von einem bestimmten Punkt unter dem Elektrodensystem ausgehenden Potentialkomponenten entsprechend ihrer Größe erfaßt und von anderen Punkten ausgehende Signalkomponenten unterdrückt werden.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Bewichtung Widerstände (1' bis 6^T) zwischen den Elektroden (1 bis 6) und einer Summationsschaltung (16) liegen, deren Grossen den Bewichtungsfaktoren entsprechen.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (0, 1 bis 6) an einem Halter (18, 23), der auf dem Kopf eines Patienten auflegbar ist, in einer vorbestimmten geometrischen Anordnung befestigt sind.

4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet, daß die Elektroden (0, 1 bis 6) im Halter (18, 23) etwa senkrecht zur Applikationsfläche federnd gelagert sind.

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ORIGINAL INSPECTED