DE3511697C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum automatischen Verarbeiten elektrookulografischer Signale nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist ein Verfahren zur halbautomatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signale (s. Model 7310/7102/7402 Operating Manual. Life-Tech. Instruments, Houston, Texas; Gadwell 5200. Archives of Ophtalmology, 1983, vol. 101, N. 3, p. 345; Gadwell 7400. Archives of Ophtalmology, 1983, vol. 101, N. 4, p. 549) bekannt, das in der Ausführung einer visuellen Stimulation und in einer Speicherung des Eingangs-Biopotentials im Speicher des Geräts oder in dessen Ausgabe auf einen Registrierer besteht. In diesem Verfahren werden die Meßergebnisse durch Verschiebung des Kursors über ein aus dem Speicher auf den Bildschirm ausgegebenes Biopotentialsignal und durch Fixierung von Extremalpunkten des Signals mit einer Filterung von falschen Signalen durch den Operateur selbst unter Zuhilfenahme des Kursors erhalten.

Das erwähnte Verfahren erfordert einen unmittelbaren Eingriff des Menschen in den Vorgang der Registrierung eines Elektrookulogramms und eine Abtrennung informativer elektrookulografischer Signale vom aufgezeichneten Eingangssignal sowie einen großen Zeitaufwand seitens des Operateurs.

Es ist ein Verfahren zur automatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signale (s. V.J. Eskin, D.I. Kaplunovich "Impuls-Elektrookulografie - eine neue objektive Methode der Elektrookulografie in Klinik", "Vestnik oftalmologii" 1983, N. 4, S. 60-63) bekannt, bei dem das elektrookulografische Potential in Form eines Verhältnisses der maximalen Anstiegsgeschwindigkeit des Biopotential- Eingangssignals zum statistischen Mittel der maximalen Augendrehwinkelgeschwindigkeit (die auch anders gemessen werden kann) dargestellt wird.

Dieses Verfahren wird durch einen erheblichen Verlust an Genauigkeit der konkreten Untersuchung gekennzeichnet, falls durch das statistische Mittel der maximalen Augendrehwinkelgeschwindigkeit dividiert wird. Außerdem ist bei diesem Verfahren das erhaltene Ergebnis vom Augendrehwinkel abhängig, weil die Ableitung des Eingangssignals vom Drehwinkel abhängt. Es ist auch notwendig, einen konkreten Wert der maximalen Augendrehwinkelgeschwindigkeit zusätzlich zu ermitteln.

Es ist auch ein Verfahren zur automatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signale durch Integrierung des beim Patienten registrierten Biopotentials über das vorgegebene Zeitintervall (M.T. Holland, F. Clark. An automatic measuring and recording system for clinical electrooculography. Ophthal. Res., v. 3, p. 311-319, 1972) bekannt.

Diesem Verfahren ist aber auch eine beträchtliche Senkung der Genauigkeit der erzielten Resultate bei in der Zeit lange andauernden falschen Blickwendungen eigen.

Es ist ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art zur automatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signalen (Jackson S.A. Automated electrooculography - a microprocessor application example. J. of Medical Eng. Technology, v. 4, N. 6, p. 285-289) bekannt, das in einer visuellen Stimulation mit Hilfe einer Reihe aus 32 Lichtreizen, deren Umschaltung durch den Patienten verfolgt werden soll, in einer Registrierung von fünf Amplitudenwerten des Biopotentialsignals und in deren anschließender Verarbeitung, um drei beliebige Amplitudenwerte auszuwählen, die sich in den Rahmen einer vorgegebenen Apertur einfügen, in deren Mittelung und Normierung durch den Augendrehwinkel besteht, um ein konstantes elektrookulografisches Augenpotential zu erhalten.

Das genannte Verfahren wird gekennzeichnet durch

• - eine komplizierte visuelle Stimulation,
• - die Notwendigkeit, die Stimulation mit der Blickwendung des Patienten zu synchronisieren,
• - eine Störanfälligkeit der Ergebnisse bei falschen Blickwendungen, insbesondere bei einer eventuellen Wahl dreier sich in die Apertur einfügenden, jedoch falscher Amplituden (besonders bei deren geringem Wert und einer großen Apertur).

Am nächsten kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Verfahren zur automatischen Verarbeitung von elektrookulografischen Signalen (s. Pantops 500 Mode d'Emploi. Schlumberger Instruments et Systems), das in der Ausführung einer visuellen Stimulation des Patienten mit einem vorgegebenen Winkel und einer vorgegebenen Periode dieser Stimulation, in der Registrierung eines Augen-Biopotentialsignals des Untersuchungspatienten, seiner Verstärkung und in einer Begrenzung des Spektrums des genannten Biopotentialsignals, in einer Messung der Amplitude des Biopotentialsignals zu gewählten Zeitmomenten und in einer Verarbeitung von Meßergebnissen besteht, um ein konstantes elektrookulografisches Augenpotential zu ermitteln. Die gewählten Zeitmomente für die Amplitudenmessung beim Biopotential sind an die Nummern der Stimulationszyklen vom Augenblick des Anfanges des Meßvorganges fest gebunden und entsprechen der Mitte der Zeitintervalle zwischen den Umschaltungen der visuellen Stimulen. Es werden vier Werte: Blick nach rechts, geradeaus, nach links und wiederum geradeaus fixiert, die im weiteren auf den Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre zur manuellen Messung ihrer Werte durch den Operateur ausgegeben werden. Einen informativen Wert stellt eine Abweichung des Amplitudenwertes bei Seitenblicken von dem bei einer geraden Blickrichtung dar. Ein konstantes elektrookulografisches Potential ergibt sich bei einer Normierung der erhaltenen Abweichung durch den Augendrehwinkel (oder dessen Sinus).

Dieses Verfahren wird gekennzeichnet durch

• - eine niedrige Genauigkeit des Ergebnisses, weil im Meßvorgang eine Abtrennung des informativen elektrookulografischen Signals von dem Eingangssignal fehlt, in dem Signale enthalten sind, die durch nystagmoide Augenbewegungen, Augenblinzeln u. ä. hervorgerufen sind, sowie dadurch, daß
• - zuverlässige Ergebnisse lediglich bei einer vollkommenen Synchronisierung der visuellen Stimulation mit der Blickwendung beim Patienten erzielt werden, was in den meisten Fällen nicht der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren zur automatischen Verarbeitung von EOG-Signalen zu entwickeln, in dem die Zeitmomente für die Amplitudenmessung beim Biopotential wahren Werten eines konstanten EOG-Augenpotentials entsprechen und einen Informationsverlust verhindern, was es gestattet, die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Das Verfahren zur automatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signale gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet es, die Meßgenauigkeit und die Zuverlässigkeit der Bestimmung des konstanten elektrookulografischen Augenpotentials wesentlich zu erhöhen, die gegebene diagnostische Methodik vollständig zu automatisieren. Dies gibt die Möglichkeit, das Bedienungspersonal bei massenweiser Anwendung des vorliegenden Verfahrens um das 8fache zu reduzieren.

Darüber hinaus wird die Verarbeitungszeit für die EOG-Signale bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens um ca. 25% verringert, denn die Auswertung der Meßergebnisse kann automatisch und mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.

Die Erfindung soll durch die nachstehende Beschreibung der Ausführungsformen anhand der beigelegten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen gemäß der Erfindung:

Fig. 1 Beispiele von Abhängigkeiten des Funktionsschwellensignals FT vom globalen Extremalwert des Moduls |U | _max eines Biopotentialsignals;

Fig. 2a - den Verlauf eines Biopotential-Eingangssignals U₁ in der Zeit t nach seiner Verstärkung und einer Begrenzung des Spektrums und die dritten Zeitintervalle {T ³ _k };

Fig. 2b - die ersten Zeitintervalle {t _i } und eine in den Zeitintervallen {t _i } linear verlaufende Spannung L₁;

Fig. 2c den Verlauf eines in den Endpunkten der ersten Zeitintervalle {t _i } genommenen Integralsignals I _i in der Zeit t und die zweiten Zeitintervalle {T ² _k };

Fig. 3 ein Beispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeiteten Bipotential-Eingangssignals U(t);

Fig. 4 ein Strukturbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur automatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signale.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Verarbeitung elektrookulografischer Signale besteht in folgendem. Vor Beginn eines Meßzyklus werden eine Periode T _S für eine visuelle Stimulation und ein Stimulationswinkel ϕ vorgegeben, der dem Augendrehwinkel bei einer Blickwendung von einem Lichtstimulus auf den anderen gleich ist. Das Augen-Eingangsbiopotential wird mit Hilfe von Biopotentialgebern registriert, die im äußeren und inneren Augenwinkel angeordnet werden.

Im weiteren wird das aufgezeichnete Biosignal verstärkt und auf Filter gegeben, mit deren Hilfe sein Spektrum begrenzt wird. Hierbei fällt die obere Grenzfrequenz der Filter mit der Höchstfrequenz des EOG-Signalspektrums zusammen (während die untere Grenzfrequenz entweder gleich Null ist oder in dessen Nähe liegt). Bei der weiteren Betrachtung ist die untere Grenzfrequenz f _untere ≈ ¹/₃ T _S , was es gestattet, die Signalextrema gerätetechnisch zu "spitzen" und die Momente der Blickwendung zu erfassen. Alles nachstehend Gesagte gilt auch für den Fall f _untere « 1/T _S , wenn das Ausgangssignal der Filter eine Folge bipolarer Rechteckimpulse darstellt.

Nachher wird die Amplitude des spektral begrenzten Biopotentials zu den Zeitpunkten gemessen, deren Wahl durch eine nachstehende Operationsfolge bestimmt wird.

Im Laufe einer vorher festgelegten Anzahl von (meist 1 bis 20) Stimulationsperioden wird ein globaler Extremalwert des Absolutbetrages |U| _max des Biopotentials ermittelt, der zur Erzeugung eines Funktionsschwellensignals FT herangezogen wird. Die optimale Anzahl der Stimulationsperioden ist 4 bis 5, weil in diesem Fall zum einen eine recht hohe Sicherheit der Bewertung des globalen Extremums erreicht wird und zum anderen der Augenbewegungsapparat nicht dazu kommt zu ermüden, und den Blick genau fixiert. Dieselben Perioden werden zum "Training" des Patienten und zu seiner Synchronisierung mit der Umschaltung der visuellen Reize ausgenutzt.

Das Funktionsschwellensignal FT wird zur automatischen Abstimmung des Erkennungssystems für ein elektrookulografisches Signal auf ein konkretes Biopotentialsignal verwendet und ist mit dem globalen Extremum des Moduls |U| _max des Biopotentials durch eine nichtfallende einsinnige Funktionalabhängigkeit verbunden. Das erzeugte Funktionsschwellensignal FT bleibt im Laufe des gesamten nachfolgenden Meßzyklus ohne Änderung und wird zur Unterdrückung von mit dem Augenblinzeln, Kopfwenden u. ä. zusammenhängenden Störsignalen sowie von nichtinformativen lokalen Extrema eines Biopotentials mit niedriger Amplitude ausgenutzt.

Es sind verschiedene Arten der Abhängigkeiten FT(|U| _max ) möglich, die in Fig. 1 dargestellt sind:

Die lineare Abhängigkeit (1) entspricht der Bedingung einer Konstanz des relativen Störpegels (hervorgerufen durch Blinzeln, falsche Blickwendung u. ä.) in bezug auf den Nutzsignalpegel für alle Patienten mit unterschiedlichem Wert des konstanten Augenpotentials. In diesem Fall ist das Verhältnis des Maximalwertes des Integralsignals zur Funktionsschwelle (s. weiter unten) für sämtliche Patienten ungefähr konstant, und die Suche wird bezüglich der konstanten relativen Schwelle durchgeführt. Derartige Abhängigkeit bleibt innerhalb einer Gruppe von Patienten erhalten, bei denen das konstante Augenpotential einen geringen Streuwert aufweist.

Die Abhängigkeit (2) entspricht einer "Grenzsättigung" mit einer Erhöhung von |U| _max . Dies gilt für einen Übergang aus dem Bereich der geringen Werte des konstanten Augenpotentials in den Normalwertebereich (beim Fehlen von mittels Elektrookulografie "erkennbaren" Pathologien der Augennetzhaut). In diesem Fall wird der Störpegel durch exakte Blickfixierung herabgesenkt.

Die Abhängigkeit (3) entspricht einem Übergang aus dem Normalwertebereich für ein konstantes Potential in den Bereich von "übernormalen" Werten, bei denen ein Vorliegen von Pathologien auch möglich ist. In diesem Fall wird der Störpegel erhöht, und dementsprechend muß auch die Funktionsschwelle gehoben werden.

Die Abhängigkeit (4) entspricht einem Vorzeichenwechsel bei der zweiten Ableitung im Bereich der möglichen Änderungen des konstanten Augenpotentials (von |U| _max = min bis |U| _max = max) und vereinigt in sich alle drei oben beschriebenen Abhängigkeiten der Funktionsschwelle vom Wert des globalen Extremums des Moduls |U| _max des Biopotentials. Diese Abhängigkeit besitzt optimale Eigenschaften zur Erkennung eines EOG-Signals. Als Beispiele derartiger Abhängigkeiten seien sinh k(x - a); k(x - a) ^2b+1; arcsin k(x - a) u. ä. angeführt, wobei x - eine abhängige Variable; k, a, b - Koeffizienten und Parameter bedeuten.

Weil die größten Änderungen der relativen Schwelle im Bereich der geringen Werte des konstanten Augenpotentials erfolgen, wo sich bei digitaler Realisierung des Verfahrens auch das Rauschen der Verstärker und der Quantisierung bemerkbar macht, so weisen auch die Abhängigkeiten (2) gute optimale Eigenschaften auf. Dazu gehören: In (x + a); x (0 < α < 1); tanh k(x + b) u. ä., wobei x - eine abhängige Variable; k, a, b - Koeffizienten und Parameter bedeuten.

Die Koeffizienten und Parameter der Funktionalabhängigkeit FT(|U| _max ) werden ausgehend von den optimalen Bedingungen für die Erkennung eines informativen EOG-Signals vor dem Hintergrund des obengenannten Rauschens und der falschen Blickwendungen ermittelt. Das beste Optimalitätskriterium für die Sicherung einer maximalen Wahrscheinlichkeit der richtigen Erkennung bei einer Begrenzung des maximalen Wahrscheinlichkeitsgrades für einen "blinden Alarm" ist in diesem Fall das Neumann-Pearson-Kriterium. Durch Änderung der Koeffizienten und durch Vergrößerung des FT-Signals werden bei fehlender Erkennung einer Folge "richtiger" Extrema des Biosignals nach einer vorgegebenen Anzahl der Simulationszyklen (s. weiter unten) eine Herabsenkung der Wahrscheinlichkeit eines "blinden Alarmes" und eine "Lockerung" der Bedingungen für die Erkennung bei Kranken mit einem schlechten Visus vorgenommen.

Es muß betont werden, daß bei der hardwaregemäßen Durchführung des Verfahrens zwecks Vereinfachung verschiedene Arten einer Approximation der oben beschriebenen Abhängigkeiten, speziell eine stückweise lineare und eine Stufenapproximation, verwendet werden können.

Dann wird der gesamte Meßzyklus in eine Folge erster konstanter Zeitintervalle [t _i , t _i+1] (t₀, t₁, t₂, . . , t _i , t _i+1) (Fig. 2b, 3) unterteilt. Im Laufe eines jeden solchen Intervalls [t _i , t _i+1] wird ein Signal L _i (t) erzeugt, das mit der laufenden Zeit t durch eine im Intervall [t _i , t _i+1] in bezug auf Null symmetrische lineare Funktionalabhängigkeit (s. Fig. 2b) verbunden ist. Als Beispiel derartiger Abhängigkeit gilt:

L _i (t) = 2t - t _i - t _i+1.

Eine beliebige andere lineare Abhängigkeit L′ _i (t), die den oben angeführten Bedingungen genügt, kann durch L _i (t) zum Ausdruck gebracht werden:

L′ _i (t) = α L _i (t) (5)

Hierin ist α ein konstanter Faktor ( α ≷ 0).

Im folgenden wird unter einem linear verlaufenden Signal beispielsweise ein Signal L _i (t) verstanden.

Dann wird im Laufe eines jeden Intervalls [t _i , t _i+1] ein Integralsignal I _i erzeugt:

Hierin ist U(t) ein spektral begrenztes Biopotentialsignal (Fig. 2a).

Nach Beendigung eines jeden laufenden Intervalls [t _i , t _i+1] wird das erhaltene Integralsignal I _i mit dem vorgenannten Funktionsschwellensignal FT (Fig. 2c) verglichen.

Ferner wird der erste Zeitmoment t _i unter der Bedingung festgelegt, daß der Absolutwert des Integralsignals I _i im Intervall [t _i , t _i+1] das Funktionsschwellensignal FT (Moment t₁ in Fig. 2c) überschreitet.

In ähnlicher Weise wird der Zeitmoment t _j+1 unter der Bedingung fixiert, daß der Absolutwert des Integralsignals I _j im Intervall [t _j , t _j+1] erstmals nach dem Zeitintervall [t _i , t _i+1] das Funktionsschwellensignal FT übersteigt und daß das Vorzeichen des Integralsignals dem Vorzeichen desselben Signals im Intervall [t _i , t _i+1] (Moment t₃ in Fig. 2c) entgegengesetzt ist. Die Folge derartiger erster Zeitmomente bildet zweite Zeitintervalle T ² _k (T ²₁, T ²₂ usw. in Fig. 2c).

Im Laufe eines jeden der Zeitintervalle T ² _k wird ein globales Extremum eines nach der Begrenzung des Spektrums erhaltenen Biopotentialsignals ermittelt. Die Art des globalen Extremums wird durch das Vorzeichen des Integralsignals I _i im laufenden zweiten Zeitintervall T ² (bei I _i < 0 ein Minimum, bei I _i < 0 ein Maximum unter der Voraussetzung α < 0) in der Beziehung (5) festgelegt.

Im folgenden werden Zeitmomente τ _k gewählt, die den jeweiligen zweiten Zeitintervallen T ² _k ( t _k ε T ² _k ) gehören und der Erreichung der jeweiligen globalen Extremalwerte im Zeitintervall T ² _k (s. Fig. 2a) durch das spektral begrenzte Biopotentialsignal entsprechen.

Aus der Folge von Zeitpunkten {τ₁, τ₂, . . . t _k , . . .} wird eine Folge dritter Zeitintervalle {T ³₁, T ³₂, . . . T ³ _k } erzeugt, worin T ³ _i (s. Fig. 2a) als Zeitintervall zwischen den Zeitmomenten τ _i und τ _i+1 definiert wird, die der Erreichung der jeweiligen anliegenden globalen Extremalwerte in den anliegenden zweiten Zeitintervallen T ² _i und T ² _i+1 durch das spektral begrenzte Biopotentialsignal entsprechen, d. h. T _i = τ _i+1 - τ _i .

Ferner wird eine vorher festgelegte Anzahl n (n ist meist 2 bis 10 gleich) der letzten aufeinanderfolgenden globalen Extremalwerte des spektral begrenzten Biopotentialsignals unter der Bedingung der Erfüllung der Beziehung der Annäherung zwischen der Stimulationsperiode T _S und den jedem der obengenannten globalen Extrema des Biopotentialsignals zugeordneten dritten Zeitintervallen T ³ _i gespeichert. Als Beziehung der Annäherung kann beispielsweise die Bedingung:

T ³ _i ε T _S (1 - δ ), T _S (1 + δ ) (7)

verwendet werden, wobei

T ³ _i - ein i-tes Zeitintervall dritter Art, T _S - eine Stimulationsperiode, δ- einen Parameter der Breite des Intervalls der Annäherung

bedeuten.

Der Parameter δ wird ausgehend von einer möglichen Ungleichmäßigkeit in der Verzögerung der Blickwendung nach den entgegengesetzten Seiten durch den Patienten bei einer Umschaltung der visuellen Stimulen gewählt. Für die meisten Patienten unterschreitet die Ungleichmäßigkeit dieser Verzögerungen 0,5 T _S , also ist δ 0,5.

Im betreffenden Fall wird die Beziehung (7) nach Fig. 3 für die Extremalpunkte M, N, O, P, R, nicht erfüllt und für die Punkte F, G, H, J, K, S erfüllt.

Die Zahl n der fixierten globalen Extrema des Biopotentialsignals muß folgenden Bedingungen genügen:

• - sie muß groß genug sein, um ein hohes Wahrscheinlichkeitsmaß der Angehörigkeit dieser Extrema zu einer Folge richtiger (informativer) Blickwendungen, um einen vorgegebenen Stimulationswinkel mit einer Periode T _S zu sichern;
• - sie darf nicht all zu groß sein, um den Augenbewegungsapparat des Patienten nicht zu ermüden, weshalb eine zufällige Blickwendung auftreten kann, und es tritt ein "Zusammenbruch" in der sukzessiven Erkennung ein, sämtliche gespeicherten Extremalwerte gehen verloren, und die Wahrscheinlichkeit der Erkennung der Folge der informativen Blickwendungen vorgegebener Länge wird selbst bei Patienten mit einer normalen Blickfixierung sehr gering sein.

Ferner wird bei der Speicherung der genannten Anzahl n der globalen Extrema U _i (i = 1 bis n) eine Prüfung auf die Annäherung ihrer Absolutwerte |U _i | (i = 1 bis n) durchgeführt. Als Maß für die Annäherung kann beispielsweise eine beliebige der nachfolgend aufgeführten Beziehungen ausgenutzt werden:

Hierin sind:

n - die Anzahl der fixierten globalen Extrema.

Als das Rationellste ist das Kriterium (8) anzusehen, weil die Kriterien (9) und (10) große Werte bei

aufweisen können, während das Kriterium (11) eine große Operationszahl erforderlich macht, was bei unmittelbarer Durchführung des Verfahrens nicht unbedeutend ist.

Der Parameter σ (m = 1, . . ., 4) legt optimale Erkennungsbedingungen fest und wird durch die Ungleichmäßigkeit des Biopotentials bei der Blickwendung nach entgegengesetzten Seiten bestimmt, die bei einigen Patienten 50% ausmacht. Die genannte Ungleichmäßigkeit wird entweder durch einen in bezug auf die Augenachse unsymmetrischen Elektrodenanschluß oder durch eine ungleichwinklige Blickwendung (was beim Schielen möglich ist), oder durch irgendwelche pathologische Ursachen hervorgerufen. σ₁ kann also einen Wert im Intervall [0 0,5] annehmen.

Die Bedingung der Annäherung der Amplituden der Extrema wird für die Punkte F, G, H, J, K, S in Fig. 3 erfüllt.

Wird die Bedingung der Annäherung der Amplituden im weiteren erfüllt, wird der Meßvorgang abgebrochen, und es wird eine statistische Aufbereitung der Werte der fixierten globalen Extrema mit anschließender Ausgabe der Verarbeitungsdaten vorgenommen, um ein konstantes elektrookulografisches Augenpotential zu erhalten.

So kann der Meßvorgang in Fig. 3 für n = 4 beispielsweise im Punkt J abgebrochen werden.

Die statistische Aufbereitung ist geboten, um eine wahre Amplitude des Biopotentials sicher zu bewerten, die der Augendrehung um einen vorgegebenen Winkel entspricht. Als statistischer Schätzwert können beispielsweise ein Mittelwert oder eine Mediane der Module |U _i | der fixierten Extremalwerte (s. Two-Dimensional Digital Signal Processing II. Ed. by T.S. Huang. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, N.Y., 1981) gewählt werden.

Es muß betont werden, daß die Anwendung der medianen Einschätzung vorzuziehen ist, weil sie robuster gegen Änderungen des Gesetzes für die Verteilung von Rauschen und gegen Impulsstörungen ist. In diesem Fall muß aber die Anzahl n der fixierten Extrema ungerade sein.

Im weiteren werden die Ergebnisse der statistischen Aufbereitung ausgegeben, die durch den Wert des Stimulationswinkels ϕ oder seinen Sinus normiert werden können, um einen Wert des konstanten Augenpotentials zu erhalten.

Ist aber die genannte Anzahl der Extrema nicht fixiert oder genügen die gespeicherten Extremalwerte der Beziehung der Annäherung (Abhängigkeiten 8 bis 10) nicht, so wird der Meßvorgang im Laufe einer Zykluszahl fortgesetzt, die nicht größer als die vorgegebene Anzahl der Stimulationszyklen ist. Diese Zykluszahl für die Suche eines informativen elektrookulografischen Signals beträgt einen Wert von 20 bis 50, was auf die Notwendigkeit zurückzuführen ist, wenigstens einen automatischen Verarbeitungsvorgang bei einem größeren Wert der Funktionsschwelle wiederholen zu können, bevor der nächste Dunkel- oder Licht-Meßzyklus (obere Grenze) eingeleitet worden ist, wobei eine hohe Wahrscheinlichkeit der Signalerkennung (untere Grenze) gewährleistet werden muß.

Falls das Kriterium der Annäherung der Amplituden der fixierten Extrema befriedigt ist, wird der Vorgang der Messung und der Stimulation in einem entsprechenden Stimulationszyklus eingestellt.

Wenn aber die beiden der genannten Kriterien auch nach der Durchführung der genannten Anzahl der Stimulationszyklen nicht befriedigt werden, so wird der Meßvorgang abgebrochen, und es wird eine Analyse durchgeführt, um konkret festzustellen, welches der Kriterien nicht erfüllt worden ist. Ist die Ursache der Fortsetzung der Messungen nur die Nichterfüllung des Kriteriums der Annäherung der Amplituden der letzten fixierten Extrema, so wird auf eine ungleichwinklige Blickfixierung durch den Patienten geschlossen, und der Meßvorgang wird nicht mehr aufgenommen. In diesem Fall können die Meßergebnisse beispielsweise in Form einer Maximal- und einer Minimalamplitude der fixierten Extrema oder in Form eines Mittelwertes bzw. einer Mediane dargestellt werden.

Falls die vorgegebene Zahl n der Extrema beim Speichern nicht erreicht worden ist, wird das Funktionsschwellensignal FT vergrößert und der Vorgang der automatischen Verarbeitung der EOG-Signale wiederholt, wobei das Funktionsschwellensignal jedesmal mit dem Ziel vergrößert wird, alle obengenannten Kriterien zu befriedigen. Wenn aber die Meßergebnisse auch in diesem Fall nicht fixiert worden sind, während das Funktionsschwellensignal den Vorgabewert bereits erreicht hat, so wird der Meßvorgang abgebrochen, und es wird festgestellt, daß es nicht möglich ist, ein konstantes elektrookulografisches Augenpotential zu messen.

Durch Vergrößerung des Funktionsschwellensignals FT werden die unwesentlichen Blickwendungen des Patienten "vernachlässigt", d. h. es wird die Wahrscheinlichkeit eines "blinden Alarmes" bei Anwendung des Neumann- Pearson-Erkennungskriteriums verringert.

Der Maximalwert der Funktionsschwelle, bei dem beschlossen wird, daß es nicht möglich ist, ein konstantes Augenpotential zu messen, übertrifft meist dessen Anfangswert um das 2- bis 20fache.

In Fig. 4 ist ein Strukturbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur automatischen Verarbeitung der EOG-Signale gemäß der Erfindung dargestellt.

Die Einrichtung enthält einen visuellen Stimulator 1, Biopotentialsignalgeber 2 und eine an den Ausgang der Geber 2 angeschlossene Reihenschaltung aus einem Differentialverstärker 3, einem Filter 4, einer Recheneinheit 5 und einem Bildschirmgerät 6. Außerdem ist mit der Recheneinheit 5 eine Speichereinheit 7 verbunden. Der Patient stellt sich vor den visuellen Stimulator 1. Die Geber 2 werden unmittelbar am Patienten in dessen innerem und äußerem Augenwinkel angeordnet und stellen mit einer AgAgCl-Verbindung überzogene Kontaktplatten (s. Polygraph system planning manual. Nikon Kohden. Tokio, Japan) dar. Der visuelle Stimulator 1 weist visuelle Reize oder Stimulen 8 (meist Mikrolampen oder Leuchtdioden) und Aufhellschaltungen zur Ermöglichung von Messungen bei einer Beleuchtung (s. Arden G.B., Barrada A., Kelsey J. "Brit. J. Ophtal.", 1962, 46, 8, p. 449 bis 467) auf. Die Stimulationsleuchtdioden werden in der Regel in einem Winkelabstand ϕ = 10 bis 40° bezüglich des Auges des Patienten ( ϕ ist ein Stimulationswinkel) angeordnet und werden abwechselnd in einem Zeitabstand gleich einer Stimulationsperiode T _S (meist ist T _S = 0,5 bis 2,0 s) eingeschaltet.

Der Patient muß die Umschaltung der Lichtstimulen 8 mit den Augen unter exakter Blickfixierung verfolgen.

Nach Verstärkung des Biopotentials durch den Differentialverstärker 3 und nach Begrenzung des Spektrums durch das Filter 4 gelangt das Signal in die Recheneinheit 5, die mit der Speichereinheit 7 und dem Bildschirmgerät 6 gekoppelt ist sowie die Umschaltung der visuellen Stimulen 8 im visuellen Stimulator 1 steuert.

Der Arbeitsvorgang der Einrichtung beginnt mit der Berechnung eines Maximalwertes des Absolutbetrages des Biopotentialsignals durch die Einheit 5 im Laufe von beispielsweise 5 Stimulationszyklen unter anschließender Erzeugung des Wertes einer Funktionsschwelle FT. Im weiteren geht die Einheit 5 gemäß dem Verfahren zum Erkennen eines den ersten Momenten einer beiderseitigen Blickwendung (nach rechts und nach links) entsprechenden Signals durch Erzeugung eines Integralsignals I _i (6) im Laufe eines jeden laufenden Zeitintervals erster Art

[t _i , t _i+1] ( Δ t = t _i+1 - t _i = const)

und durch dessen Vergleich mit dem Wert des FT-Signals über. Gleichzeitig wird nach einem Extremum U _j und dem Moment seiner Erreichung gesucht. Zu den Zeitmomenten {t _i+1} wird der Wert I _i durch die Einheit 5 analysiert. Bei der Entdeckung eines Vorzeichenwechsels beim Signal I _i unter der Bedingung |I _i | FT wird die Art des Extremums (min/max) umgeschaltet, und falls die Beziehung ( τ _j - τ _j-1 = T ³ _j ) der Bedingung (7) der Annäherung an T _S genügt, wird der Wert U _j in der Speichereinheit 7 gespeichert. Sonst gehen sämtliche gespeicherten Werte {U _j } verloren.

Ferner werden die gespeicherten Extremalwerte durch die Einheit 5 auf Gleichmäßigkeit geprüft, worauf sie entweder über eine Fortsetzung der Suche mit dem laufenden Wert FT oder über eine Einstellung der Messungen und die Ausgabe der Ergebnisse auf das Bildschirmgerät 6, oder über eine Wiederholung des gesamten Meßzyklus mit einem größeren Wert der Funktionsschwelle FT entscheidet.

Claims (2)

1. Verfahren zum automatischen Verarbeiten elektrookulografischer Signale, bei dem

   • - der Patient unter einem vorgegebenen Winkel ( d ) und mit einer vorgegebenen Periode (T _S ) visuell stimuliert wird,
   • - ein Augen-Biopotentialsignal des Patienten registriert, verstärkt und hinsichtlich seines Spektrums begrenzt wird,
   • - die Amplitude des Biopotentialsignals zu gewählten Zeitpunkten ( τ _i ) gemessen und
   • - die Meßwerte der Amplitude des Biopotentialsignals zur Bestimmung eines winkelnormierten elektrookulografischen Augenpotentials verarbeitet werden,
2. dadurch gekennzeichnet,

   • - daß die Zeitpunkte ( τ _i ) der Messung der Amplitude des Biopotentials durch Ermittlung des maximalen absoluten Extremwertes des Biopotentials während einer vorgegebenen Anzahl von Stimulationszyklen, durch Erzeugen eines mit dem maximalen absoluten Extremwert durch eine nicht abfallende Funktionsabhängigkeit in Beziehung stehenden Funktionsschwellensignals (FT) und durch Unterstellung des gesamten anschließenden Meßvorganges in eine Reihe erster gleicher Zeitintervalle gewählt werden, in deren Verlauf jeweils ein Integralsignal I _i nach der Gleichung erzeugt wird, worin tdie laufende Zeit (t ε [t _i+1])t _i die linke Grenze des i-ten Zeitintervalls,t _i+1die rechte Grenze des i-ten Zeitintervalls,U(t)ein spektral begrenztes Biopotentialsignal,L _i (t)ein im Intervall t _i , t _i+1 in bezug auf Null symmetrisches, linear verlaufendes Signal bedeuten,
   • - daß das Integralsignal (I _i ) mit dem Funktionsschwellensignal (FT) verglichen und ein zweites Zeitintervall (T ²) gewählt wird, das durch die linke bzw. rechte Grenze der ersten Zeitintervalle begrenzt ist, die den ersten Zeitpunkten des Überschreitens des Funktionsschwellensignals (FT) durch den Modul des Integralsignals (I _i ) unter der Bedingung eines Vorzeichenwechsels des Integralsignals (I _i ) entsprechen und im Laufe des zweiten Zeitintervalls (T ²) ein maximaler Extremwert des Biopotentialsignals und der Zeitpunkt seines Erreichens bestimmt werden,
   • - daß danach ein drittes Zeitintervall (T ³) zwischen zwei benachbarten maximalen Extrema gewählt, mit der Stimulationsperiode verglichen und unter der Bedingung einer Annäherung jedes dritten Intervalls (T ³) zwischen benachbarten maximalen Extrema des Biopotentials an die Stimulationsperiode die vorgegebene Zahl der aufeinanderfolgenden maximalen Extrema festgehalten wird,
   • - daß danach die festgehaltenen maximalen Extrema des Biopotentialsignals miteinander verglichen werden und unter der Bedingung ihrer Annäherung der Meßvorgang abgebrochen und nach einer statistischen Aufbereitung der festgehaltenen Amplitudenwerte der maximalen Extrema ein winkelnormiertes elektrookulografisches Augenpotential ermittelt wird,
   • - daß, wenn sich die dritten Intervalle nicht an die Stimulationsperiode oder die maximalen Extrema des Biopotentials nicht einander annähern, die Messung der Amplituden der Biopotentialsignale fortgesetzt wird, bis sämtliche genannten Bedingungen im Laufe einer Anzahl der Stimulationszyklen erfüllt worden sind, die die vorgegebene Anzahl nicht überschreitet,
   • - daß auf eine ungleichwinklige Blickfixierung geschlossen wird, falls nach Ablauf der vorgegebenen Anzahl der Stimulationszyklen nur die Bedingung der Annäherung der Amplitudenwerte der festgehaltenen Extrema aneinander nicht erfüllt werden kann,
   • - daß der automatische Verarbeitungsvorgang wiederholt wird, wenn nur die Bedingung der Annäherung der dritten Zeitintervalle an die Stimulationsperiode nicht eingehalten wird, wobei das Funktionsschwellensignal (FT) jedes Mal vergrößert wird und, falls das Funktionsschwellensignal (FT) infolge der Vergrößerung den vorgegebenen Grenzwert erreicht, festgestellt wird, daß das winkelnormierte elektrookulografische Augenpotential nicht bestimmt werden kann.