DE4327429A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gehirnwellenanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Gehirnwellenanalyse, wobei diese Analyse auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Fehlens von Spitzen oder Maxima, die im Frequenzband jedes Gehirnwellenrhythmus ausgebildet sind, durchgeführt wird, indem das Leistungsspektrum der Gehirnwelle aus den detektierten biologischen Gehirnwellensignalen extrahiert wird.

In den letzten Jahren wurde eine ansteigende Zahl von Versuchen unternommen, um die mentalen menschlichen Aktivi­ täten durch Analyse von Gehirnwellen oder auch -kurven zu analysieren.

Die früheren Analysen und Studien ergaben, daß in einer Gehirnwelle (oder mit anderen Worten dem hirnelek­ trischen Kurvenbild) die sogenannten α-, β-, δ- und R- Rhythmen, die auch Wellen genannt werden, vorkommen, von denen jede je nach dem Zustand des Gehirns (Gemütserregun­ gen, Sinnestätigkeit usw.) momentan erzeugt oder verstärkt werden.

Eine Frequenzkomponente im Bereich von 0,5 bis 3,5 Hz in einem Gehirnwellenbild wird als δ-Rhythmus bezeichnet, Frequenzkomponenten im Bereich von 3,5 bis 7,5 Hz als R- Rhythmus, Frequenzkomponenten zwischen 7,5 bis 13,5 Hz als α-Rhythmen und solche zwischen 13,5 und 30,5 Hz als β-Rhythmen.

Das gebräuchliche bekannte Verfahren zur Detektion dieser vier Gehirnwellenrhythmen bestand darin, daß jede der δ-, R-, α- und β-Rhythmussignalkomponenten extrahiert wur­ de, wobei für jeden Gehirnwellenrhythmus ein analoges Fil­ ter eingesetzt wurde und die Extraktion aus kleinen biologi­ schen Signalen erfolgte, die von Elektroden erzeugt wurden, die in den Kopf eines untersuchten Menschen eingestochen wurden. Diese Signalkomponenten wurden integriert.

Durch Vergleich der integrierten auf diese Weise ge­ wonnenen Werte oder deren Verhältnisse wurde die Gehirn­ wellenanalyse durchgeführt, d. h. ermittelt, welcher der Gehirnwellenrhythmen erzeugt wurde oder welcher der Rhythmen prädominant, d. h. vorherrschend war.

Bei der Gehirnwellenanalyse, die auf diesem gebräuch­ lichen Verfahren der Detektion von Gehirnwellenrhythmen be­ ruhte, wurde jedoch häufig beispielsweise das in Fig. 1 ge­ zeigte Leistungsspektrum einer Gehirnwelle gewonnen. Dieses Leistungsspektrum der Fig. 1, in dem nur das Spektrum einer großen durch δ₀ in der Figur angezeigten Leistung tatsäch­ lich innerhalb des δ-Rhythmusfrequenzbandes existierte, wurde infolge unzureichender Auflösung der Meß- und Aus­ werteinstrumente so beobachtet und aufgenommen, als lägen andere Spektren in den R-, α- und β-Rhythmusfrequenzbändern vor.

Die früheren Praktiken waren derart beschaffen, daß bei Gewinnung eines Leistungsspektrums der in Fig. 1 gezeigten Art, die Leistungen im δ-, R-, α- und β-Rhythmusfrequenzband jeweils separat durch Integrieren der Leistungen in jedem der δ-, R-, α- und β-Rhythmusfrequenzbänder gewonnen wurden. Aus diesem Grunde wurde trotz der Tatsache, daß nur die Lei­ stung im δ-Rhythmusfrequenzband tatsächlich vorlag, der schraffierte R-Rhythmusbereich auch fälschlicherweise als tatsächlich erzeugte Leistung erkannt und gedeutet, woraus häufig andere Analyseergebnisse resultierten, als sie aus den klinischen Beobachtungen vorlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nach­ teil zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die eine Gehirnwellen­ analyse ohne die Möglichkeit derartiger Fehldeutungen ge­ währleisten.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patent­ anspruchs 1 bzw. 3 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Gehirnwellendetektion auf der Grundlage des Vorliegens oder Fehlens von Spitzen oder Maxima im Spektrum durchgeführt, die in jedem der δ, R-, α- und β-Rhythmusfrequenzbänder ausgebildet sind. Die Ge­ hirnwellenanalyse erfolgt auf der Grundlage des Gehirnwel­ lendetektionsverfahrens. Dieses umfaßt die Extraktion eines Leistungsspektrums der Gehirnwelle aus den detektierten biologischen Gehirnwellensignalen, wobei das Leistungsspek­ trum auf das Vorliegen oder Fehlen der Maxima bzw. Spitzen abgesucht wird. Die Analyse erfolgt beispielsweise auf der Grundlage der Ermittlung einer Prädominanz von Gehirnwellen­ rhythmen. Neben einer Gehirnwellenextraktionseinrichtung zur Extraktion des Leistungsspektrums umfaßt die erfindungsge­ mäße Vorrichtung eine Spitzendetektoreinrichtung, die das Vorhandensein oder Fehlen von Maxima bzw. Spitzen im Spek­ trum detektiert. Eine Extraktionseinrichtung für das Lei­ stungsspektrum (Powerspektrum) kann beispielsweise aus einer weiter unten angeführten US-Anmeldung entnommen werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsdiagramm, das das Leistungs­ spektrum einer Gehirnwelle zur Erklärung und Aufzeigung des Vorhandenseins oder Fehlens von Gehirnwellenrhythmen zeigt,

Fig. 2 ein schematisches Bockschaltbild zur Erklä­ rung des Funktionsprinzips der Erfindung,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild, das eine Gehirnwellenanalysevorrichtung gemäß einem Ausführungsbei­ spiel dieser Erfindung zeigt,

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Er­ findung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung, die ein Bei­ spiel des Leistungsspektrums einer gefilterten Gehirnwelle zeigt, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung, die die Analyse der Prädominaz von Gehirnwellenrhythmen entsprechend Fig. 5 darstellt.

Fig. 2 ist eine schematische Hilfsdarstellung zur Er­ klärung des Funktionsprinzips der Erfindung. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Gehirnwellenextraktions­ einrichtung, und die Bezugszahl 2 bezeichnet eine Spitzen­ detektoreinrichtung.

Die Gehirnwellenextraktionseinrichtung 1 empfängt biologische Gehirnwellensignale, die am Kopf eines Menschen (gegebenenfalls auch Tieres) detektiert werden, filtert die biologischen Signale mit einem analogen oder digitalen Ver­ fahren und extrahiert die Signalkomponenten der δ-, R-, α- und β-Rhythmen zur Gewinnung des Leistungsspektrums der Gehirnwelle.

Die Spitzendetektoreinrichtung 2 detektiert das Vor­ handensein oder Fehlen von Spitzen oder Maxima im Spektrum für jeden der δ-, R-, α- und β-Rhythmusfrequenzbänder im Gehirnwellenleistungsspektrum, das von der Gehirnwellenex­ traktionseinrichtung 1 geliefert wird. Wird eine Spitze detektiert, speichert die Spitzendetektoreinrichtung 2 den Spitzenwert.

Wenn beispielsweise eine Spitze bzw. ein Maximum H von der Spitzendetektoreinrichtung 2 im in Fig. 1 gezeigten Leistungsspektrum detektiert ist, wird geschlossen, daß der δ-Rhythmus tatsächlich vorliegt, da die Spitze H in diesem Beispiel im Frequenzbereich des δ-Rhythmus liegt.

Es sei angemerkt, daß die Spitzendetektoreinrichtung 2 nicht die Spitzenwerte detektiert, sondern das Vorhanden­ sein oder Fehlen von Spitzen, und wenn eine Spitze detektiert wird, speichert sie das Vorhandensein der Spitze und deren Werte.

Bei der Analyse des Leistungsspektrums der Fig. 1 wird entsprechend geschlossen, daß kein R-Rhythmus vor­ liegt, da im R-Rhythmusfrequenzband keine Spitzen gefun­ den wurden. Ist die Auflösung des Filters der Gehirnwellen­ extraktionseinrichtung 1 ausreichend hoch, so steigt die Spitze H steil an und fällt ebenfalls steil ab, und es er­ scheinen keine Spitzen in anderen Frequenzbereichen. In der Praxis wird jedoch die Spektralkurve gewonnen, die in Fig. 1 gezeigt ist, weil die Auflösung des Filters nicht ausreichend ist. Falls der Kurvenverlauf des Spektrums irgendein Maximum bzw. eine Spitze aufweist, wird der Gehirnwellenrhythmus des Frequenzbandes, in dem die Spitze vorliegt, als tatsächlich erzeugter Rhythmus erkannt und identifiziert.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Gehirnwellenanalysevorrichtung.

In der Figur entsprechen die durch die Bezugszahlen 1 und 2 angezeigten Vorrichtungsteile denen in Fig. 2. 11 bezeichnet ein Bandpaßfilter zur Blockierung von Signalkom­ ponenten, die nicht im Frequenzband von 0,5 Hz bis 30,5 Hz liegen. 12 zeigt einen A/D-Wandler an. 13 bezeichnet einen Filterabschnitt zur digitalen Extraktion einer Signalkompo­ nente von 0,5 bis 1,5 Hz, der von 1,5 bis 2,5 Hz, . . . und der von 29,5 bis 30,5 Hz mit einer Auflösung von 1 Hz. 14 bezeichnet einen Spitzendetektorabschnitt, der die Signal­ komponenten, die vom Filterabschnitt 13 extrahiert worden sind, in bezug auf das Vorhandensein oder Fehlen von Spitzen im Frequenzband jedes Gehirnwellenrhythmus prüft und einen Spitzenwert im Fall der Detektion einer Spitze speichert. 15 bezeichnet einen Steuerabschnitt und 16 einen Anzeigeabschnitt.

Der Aufbau der Gehirnwellenextraktionseinrichtung 1, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist bereits in der US-Patent­ anmeldung (Serien-Nr. 07/794,526) beschrieben worden, die von der Anmelderin zuvor eingereicht wurde. In der vorlie­ genden Erfindung kann die in dieser US-Anmeldung beschrie­ bene Einrichtung, so wie sie ist, eingesetzt werden. Der Offenbarungsgehalt dieser US-Anmeldung wird aus diesem Grund in die vorliegende Anmeldung mit eingeschlossen und dient zur Erläuterung der Gehirnwellenextraktionseinrich­ tung 1, die hier als bekannt vorausgesetzt wird und daher nicht näher erläutert wird.

Unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 4 wird im folgenden die Funktionsweise des in Fig. 3 gezeigten Aus­ führungsbeispiels erläutert. Wenn die detektierten biolo­ gischen Gehirnwellensignale, die zuvor in einem (nicht ge­ zeigten) Differenzverstärker verarbeitet worden sind, dem Bandpaßfilter 11 (Schritt S1) zugeführt werden, so läßt das Bandpaßfilter 11 Signalkomponenten im Frequenzband von 0,5 bis 30,5 Hz durch (Schritt S2). Der A/D-Wandler 12 digitalisiert die ihm vom Bandpaßfilter 11 zugeführten Si­ gnale synchron mit einem Zeitsteuersignal aus dem Steuer­ abschnitt 15 und überträgt die digitalisierten Signale zum Filterabschnitt 13 (Schritt S3).

Im Filterabschnitt 13 werden 1-Hz breite Signalkompo­ nenten von 0,5 Hz bis 30,5 Hz wie oben beschrieben extra­ hiert (Schritt S4). Der Spitzendetektorabschnitt 14 prüft die Frequenzkomponentenwerte innerhalb des δ-Rhythmusfre­ quenzbandes, das von 0,5 Hz bis 3,5 Hz reicht, im Hinblick auf das Vorhandensein oder Fehlen von Spitzen auf der Grund­ lage der 1-Hz breiten Signalkomponenten, die im Filterab­ schnitt 13 (Schritt S5) extrahiert worden sind. Wenn eine Spitze bzw. ein Maximum detektiert worden ist, wird der Wert der Spitze bzw. des Maximums als der δ-Rhythmus­ spitzenwert gehalten (Schritt S6). Wenn im δ-Rhythmusfre­ quenzband keine Spitzen detektiert worden sind (Schritt S5), wird Schritt S7 durchgeführt, wie im folgenden dargelegt.

Der Spitzendetektorabschnitt 14 prüft dann die Signal­ komponenten innerhalb des R-Rhythmusfrequenzbandes von 3,5 Hz bis 7,5 Hz im Hinblick auf das Vorhandensein oder Fehlen von Spitzen (Schritt S7). Wenn eine Spitze bzw. ein Maximum detektiert worden ist, wird der Spitzenwert als der R-Rhythmusspitzenwert (Schritt S8) gehalten, und wenn keine Spitzen detektiert werden (Schritt S7) wird Schritt S9 durchgeführt.

In entsprechender Weise prüft der Spitzendetektorab­ schnitt 14 die Signalkomponenten innerhalb des α-Rhythmus­ frequenzbandes von 7,5 Hz bis 13,5 Hz (Schritt S9). Wenn eine Spitze detektiert worden ist, wird der Spitzenwert als der α-Rhythmusspitzenwert (Schritt S10) gehalten. Wenn keine Spitzen detektiert werden (Schritt S9), wird Schritt S11 durchgeführt.

Daraufhin prüft der Spitzendetektorabschnitt 14 die Signalkomponenten innerhalb des β-Rhythmusfrequenzbandes von 13,5 Hz bis 30,5 Hz (Schritt S11). Wenn eine Spitze detektiert worden ist, wird der Spitzenwert als der β- Rhythmusspitzenwert gehalten (Schritt S12). Wenn keine Spitzen detektiert worden sind (Schritt S11), ist der Spitzendetektorvorgang abgeschlossen.

Nach Abschluß des Spitzendetektorvorgangs durch den Abschnitt 14 überträgt dieser die gehaltenen Spitzenwerte im δ-Rhythmus bis β-Rhythmus zum Anzeigeabschnitt 16, um diese beispielsweise in einem üblichen Display anzuzei­ gen, auf der Grundlage einer vom Steuerabschnitt 15 aus­ gegebenen Anweisung (Schritt S13).

Nach Abschluß dieses einen Zyklus überträgt der Steuerabschnitt 15 die digitalisierten Signaldaten vom A/D-Wandler 12 zum Filterabschnitt 13 (Schritt S14). Hiermit werden die Schritte S3 bis S14 wiederholt.

Um das Vorhandensein oder Fehlen von Spitzen in jedem der Schritte S5, S7, S9 und S11 zu prüfen, wird die folgende Verarbeitungsweise ausreichen.

Dabei wird ausgenutzt, daß beispielsweise der α- Rhythmus Frequenzkomponenten entspricht, die von 7,5 Hz bis 13,5 Hz reichen, und es werden die 8 Hz, 9 Hz, 10 Hz, 11 Hz, 12 Hz und 13 Hz-Leistungen vom Filterabschnitt 13 aus Fig. 3 als diejenigen extrahiert, die einem u-Rhythmus entsprechen.

In entsprechender Weise wird z. B. eine 7 Hz-Leistung als die angrenzende R-Rhythmusfrequenzkomponente extrahiert, und es wird ebenfalls eine 14 Hz-Leistung als die angrenzen­ de β-Rhythmusfrequenzkomponente extrahiert.

(Verarbeitungsschritt 1) Die 7 Hz-Leistung und die 8 Hz-Leistung werden verglichen.

(Verarbeitungsschritt 2) Wenn die 7 Hz-Leistung größer als die 8 Hz-Leistung ist, ist angezeigt, daß die Leistungsspektrumkurve eine Neigung aufweist, die an der Grenze zwischen der R-Rhythmusfrequenzkomponente und der α-Rhythmusfrequenzkomponente zur rechten Seite hin abfällt. In diesem Fall ist die Vorbedingung dafür, daß eine Spitze im α-Rhythmusfrequenzband vorliegt, daß die Leistungsspektrum­ kurve zeitweise den minimalen Wert aufweist und dann den Maximalwert im α-Rhythmusfrequenzband, und daß, wenn die Maximalwertleistung mit der 14 Hz-Leistung verglichen wird, die eine angrenzende β-Rhythmusfrequenzkomponente ist, die Maximalwertleistung größer sein sollte.

(Verarbeitungsschritt 3) Ist die 8 Hz-Leistung beim Vergleich der 7 Hz-Leistung mit der 8 Hz-Leistung ge­ ringer, dann weist die Leistungsspektrumkurve eine Nei­ gung auf, die an der Grenze zwischen der R-Rhythmusfre­ quenzkomponente und der α-Rhythmusfrequenzkomponente zur rechten Seite hin ansteigt. In diesem Fall besteht die Vorbedingung dafür, das im α-Rhythmusfrequenzband eine Spitze vorliegt, darin, daß die Leistungsspektrumkurve den Maximalwert im α-Rhythmusfrequenzband aufweisen soll­ te und daß, wenn die Maximalwertleistung mit der 14 Hz-Lei­ stung verglichen wird, die eine β-Rhythmusfrequenzkompo­ nente ist, diese Maximalwertleistung größer sein sollte.

Der Minimalwert kann auf die folgende Weise unter­ sucht werden. Falls beispielsweise die 8 Hz-Leistung als Folge eines Vergleichs der 8 Hz-Leistung als Folge eines Vergleichs der 8 Hz-Leistung mit der 9 Hz-Leistung größer ist, wird die 8 Hz-Leistung gehalten und wird dann mit der nächstfolgenden 10 Hz-Leistung verglichen. Der Maxi­ malwert kann ebenfalls auf die folgende Weise untersucht werden. Falls die 9 Hz-Leistung beispielsweise beim Ver­ gleich der 8 Hz-Leistung mit der 9 Hz-Leistung größer ist, so wird die 9 Hz-Leistung gehalten und dann mit der 10 Hz- Leistung verglichen. Dieser Untersuchungsvorgang wird auf entsprechende Weise fortgesetzt (auch für den Minimalwert).

Es sei nun vorausgesetzt, daß das in Fig. 5 gezeigte Leistungsspektrum aus den biologischen Gehirnwellensignalen eines Menschen durch den Filterabschnitt 13 extrahiert worden ist. Dann wird die Prädominanz der Gehirnwellen­ rhythmen wie in Fig. 6 gezeigt ist, auf dem Anzeigeab­ schnitt 16 dargestellt. Dies bedeutet, daß der δ-Rhythmus­ spitzenwert, der α-Rhythmusspitzenwert und der β-Rhythmus­ spitzenwert, die im Spitzendetektorabschnitt der Fig. 3 detektiert und gehalten worden sind, in der in Fig. 6 ge­ zeigten Weise dargestellt werden. Aus dieser Anzeige geht hervor, daß die Prädominanz der Gehirnwellenrhythmen in der Folge von α-, β- und δ-Rhythmen vorliegt.

Wenn die digitalisierten Signaldaten vom A/D-Wandler 12 der Fig. 3 beispielsweise in Zeitintervallen einer Sekunde zum Filterabschnitt 13 übertragen werden, so wird die Prä­ dominanz von Gehirnwellenrhythmen des untersuchten Gehirns zum gegenwärtigen Zeitpunkt für eine jede Sekunde, d. h. in Echtzeit, auf dem Anzeigeabschnitt 16 dargestellt.

Das Flußdiagramm der Fig. 4 stellt nur ein Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Es sind alternative Verfahrensweisen möglich, indem die Verarbei­ tungen von Schritt S5 bis Schritt S11 geändert werden, d. h. beispielsweise zuerst das 0,5 Hz bis 30,5 Hz-Fre­ quenzband nach dem Vorhandensein oder Fehlen von Spitzen bzw. Maxima abzusuchen und dann ermittelte Spitzen auf die Zugehörigkeit zu ihrem Gehirnwellenfrequenzband zu analy­ sieren. Der Anzeigeabschnitt 16 wird dann dazu veranlaßt, die Analyseergebnisse, die in Fig. 6 dargestellt sind, anzuzeigen.

Es können auch andere Analyseergebnisse auf dem Anzeigeabschnitt 16 der Fig. 3 dargestellt werden, indem ein Berechnungsabschnitt hinzugefügt wird, der auf an­ deren Analyseverfahren beruht wie Verhältnis- oder Wich­ tungsberechnungen usw. anstelle der Ermittlung der Prä­ dominanz von Gehirnwellenrhythmen.

Die Beschreibung erfolgte an Hand einer Signal­ verarbeitung unter Verwendung von digitalen Filtern, vergleichbare Verarbeitungen sind jedoch auch unter Ver­ wendung analoger Filter möglich.

Wie oben beschrieben, ermöglicht die Erfindung die Analyse von Gehirnwellenrhythmen auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Fehlens von Spitzen, die innerhalb des Frequenzbandes jedes Gehirnwellenrhythmus ausgebildet sind, wobei dies zu einer guten Übereinstimmung zwischen den Analyseergebnissen und den Ergebnissen klinischer Beobachtung führt.

Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung, auch verschiedenste andere Analysen als die Untersuchung der Prädominaz von Gehirnwellenrhythmen auszuführen, indem entsprechend geeignete Analyseverfahren bei der Berechnung herangezogen werden. Auf diese Weise kann die Erfindung Analysen mit hoher Zuverlässigkeit durchführen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Gehirnwellenanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gehirnwelle durch Extrahieren eines Leistungs­ spektrums der Gehirnwelle aus detektierten biologischen Gehirnwellensignalen analysiert wird, daß das Leistungs­ spektrum der Gehirnwelle nach dem Vorhandensein oder Fehlen von Maxima untersucht wird, die im Frequenzband jedes Gehirnwellenrhythmus ausgebildet sind, und daß die Gehirn­ welle auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Fehlens von Maximumspektren analysiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehirnwelle in bezug auf die Prädominanz von Gehirnwellenrhythmen analysiert wird.

3. Vorrichtung zur Gehirnwellenanalyse zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend eine Gehirnwellenextraktionseinrichtung (1), die ein Leistungs­ spektrum bezüglich einer Gehirnwelle aus detektierten biolo­ gischen Gehirnwellensignalen extrahiert, und eine Spitzen­ detektoreinrichtung (2), die das Vorhandensein oder Fehlen von Spektrummaxima für jeden Gehirnwellenrhythmus im zugehörigen Frequenzband im Gehirnwellenleistungsspektrum detektiert, das von der Gehirnwellenextraktionseinrichtung extrahiert worden ist.