EP1333749A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung von neuro-und psychophysiologischen zuständen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung von neuro-und psychophysiologischen zuständen

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EP1333749A1
EP1333749A1 EP00987114A EP00987114A EP1333749A1 EP 1333749 A1 EP1333749 A1 EP 1333749A1 EP 00987114 A EP00987114 A EP 00987114A EP 00987114 A EP00987114 A EP 00987114A EP 1333749 A1 EP1333749 A1 EP 1333749A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
biofeedback
user
portable
feedback
central
Prior art date
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Ceased
Application number
EP00987114A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ivanova Galina Haralampieva
Gert Griessbach
Günter HENNING
Eylem Mehmet Kirlangic
Svitlana Kudryavtseva
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEUROCONN GMBH
Original Assignee
ELDITH GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ELDITH GmbH filed Critical ELDITH GmbH
Publication of EP1333749A1 publication Critical patent/EP1333749A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369—Electroencephalography [EEG]
    • A61B5/375—Electroencephalography [EEG] using biofeedback
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/0816—Measuring devices for examining respiratory frequency
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/398—Electrooculography [EOG], e.g. detecting nystagmus; Electroretinography [ERG]

Definitions

  • the invention relates to a biofeedback ner driving for recording and self-regulation of neurophysiological and psychophysiological conditions, in which biosignals are determined and evaluated on a user and a device for carrying out the method.
  • biofeedback for spontaneous and evoked brain activity and its influence on interactions with the other physiological systems and is implemented on the basis of a central and a portable unit.
  • EEG biofeedback or neurofeedback there are different systems, devices and methods for use in clinical practice, as described for example in the following patents:
  • US 5 740 812 contains a methodology and a device for EEG biofeedback during the execution of defined tasks such as working on the computer, while playing etc.
  • the associated device consists of a headphone to which EEG sensors are attached.
  • the recorded EEG signals are then evaluated by means of a computer, with the aid of audio and video feedback indicating the human concentration and alertness.
  • US 5 465 729 and US 5 343 871 describe devices for audio and video feedback, audio and video sequences emulating real scenes so that desired psychological states can be induced. Activating the desired physiological parameters is rewarded. Control of these parameters is made possible by remembering the sequences shown.
  • a biofeedback device for feedback of frequency bands determined by means of FFT.
  • the feedback is presented in the form of acoustic signals or spoken words.
  • No. 5,036,858 specifies a device for audio and video feedback, in which the difference from the desired frequency is presented simultaneously with the calculated EEG frequency.
  • US 3 890 957 describes a device for audio feedback, in which, according to the zero crossings determined in the detected signal, a DC signal is generated and this is used to modulate an audio output.
  • EMG electronic medical record
  • ⁇ , ⁇ , ß rhythms, SMR rhythm or ratios of these brain activities there are devices that implement the feedback of different EEG components such as ⁇ , ⁇ , ß rhythms, SMR rhythm or ratios of these brain activities.
  • the existing devices offer the trainer the limited choice of specified neurofeedback protocols, using prescribed electrode positions.
  • a biofeedback method that is very often used in very different neuronal diseases is based, for example, on the SMR rhythm.
  • the procedure is usually very unspecific, since the existing technology does not offer enough flexibility and space for individual treatment design.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device of the type mentioned at the beginning with which specific indications of a multiple, user-specific profile and for a monitored initial training are recorded and can also be used outside of coaching practice.
  • the object is achieved by a method which the in Features specified in claim 1 and solved with a device which contains the features specified in claim 12
  • the invention enables the implementation of a flexible, integrated multi-channel system, which comprises components for the specific indication of a multiple, user-specific profile and for a monitored initial training. On the basis of the adapted to this central system
  • a protocol can be ported to a modular, individually adjustable mobile device for use at home or outside the practice of a trainer, for example for use during a "follow-up" phase. Monitoring, control and evaluation of the meetings taking place at the same time, not necessarily in one place, and readjusting the biofeedback protocols via the Internet or communication protocols can thus also be implemented.
  • a profiler integrated in the central unit serves as a decision support system for creating a user-specific profile on the basis of which the choice of those to be trained is made
  • the trainer can freely design interactive biofeedback protocols in the form of mathematical functions, such as (Aa (Ol) ⁇ - Aa (Oz) + Aa (02)) / A ⁇ (0z)
  • the biofeedback protocols can be reset via the Internet (for example using an integrated web chip) or using communication protocols.
  • Sessions are made possible by the central system via a biofeedback monitoring facility within practices, hospitals and studios or by means of biofeedback telemonitoring during training, for example at home.
  • a biofeedback monitoring facility within practices, hospitals and studios or by means of biofeedback telemonitoring during training, for example at home.
  • Free choice of feedback channel or cortical location e.g. Language center, music center etc.
  • the central system is expediently implemented as a two-monitor system (user and trainer monitor) either as a 2-PC system (communication e.g. via RS 232 or TCP / TP) or as
  • a monitor, video panel, video glasses or display attached to the head can be used for feedback.
  • the portable miniature system can be implemented on the basis of a portable computer, "body-worn” computer, palmtop or game console.
  • biofeedback monitoring rooms can be set up for the control of the user and thereby Personnel can be saved.
  • FIG. 1 shows the methodical sequence of the biofeedback method according to the invention
  • FIG. 2 shows the sequence diagram of a neurofeedback training
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the neurofeedback system
  • Figure 4 shows the functional diagram of the neurofeedback system
  • Figure 5 is a block diagram for a miniaturized portable unit.
  • the quantification of the EEG forms the starting point of the method.
  • parameters describing the condition of the user can be obtained from the EEG, which was recorded at rest or, depending on the application, during different provocation methods.
  • a user-specific profile is created using a predefined vector of parameters.
  • this profile also contains user-specific data, e.g. Information about the current emotional state and the environment, the history, the results of IQ or psychological tests recorded.
  • the user-specific profile is then used to determine the strategy for neurotherapy or biofeedback.
  • monitoring of the real signals and the feedback parameters is also carried out for all recorded
  • FIG. 2 shows the course of neurofeedback training.
  • the central biofeedback system consists of the following components:
  • polygraphic data including e.g. the EEG, the VEOG, the HEOG, the EKG and the respiratory curve are recorded.
  • the transition impedances are brought up to ⁇ 3 k ⁇ .
  • the setting of the filter is in the range 0-70 Hz, whereby DC (0 Hz) is mainly necessary when deriving slow potentials (SCP).
  • the sampling rate is between 100 and 500 Hz.
  • the other signals are derived bipolar.
  • the EEG and the EOG are carried out using off-set and drift-reduced electrodes.
  • the breathing curve is recorded using a breathing belt. The one that follows after the initial investigation and feedback session
  • Biofeedback training takes place using a greatly reduced number of electrodes, which depends on the choice of activity.
  • the neurofeedback system should be flexible and give the trainer the opportunity to carry out experimental tests. For this reason, the prerequisites for monitoring both evoked and spontaneous activity should be created.
  • numerous stimulation procedures are also required. Examples of this are the Sl-S2 paradigm, the odd-ball paradigm, visual stimulation using
  • the routines of signal processing form the core of a neurofeedback system.
  • the results of the potential evaluation are used in four different ways:
  • - methods based on windows e.g. the FFT, baseline calculation, averaging, correlations, VEOG, HEOG correction; - recursive methods such as the adaptive-recursive estimates (ARE).
  • windows e.g. the FFT, baseline calculation, averaging, correlations, VEOG, HEOG correction
  • - recursive methods such as the adaptive-recursive estimates (ARE).
  • the current state of the feedback stands for a specific, measured physiological state of the user.
  • the real feedback is that this condition is through a multimedia
  • the basis of the central system is a polygraphic EEG device (DC-AC amplifier). This offers the possibility of making the measuring arrangements flexible.
  • a possible configuration would be, for example: 28 unipolar channels EEG and 4 bipolar channels for VEOG, HEOG, EKG and breathing.
  • Figure 4 explains the functional diagram of the neurofeedback system.
  • the data stream To the To establish the required feedback, the data stream must first be transmitted from the amplifier to the measurement computer. A parameter that is used to control the feedback is then calculated from the raw data.
  • the design of the control of the feedback in the three ways described (via RS 323, DDE or TCP / EP) allows the central to be implemented

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zudrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem spezifische Indikationen eines multiplen, nutzerindividuellen Profils und für ein überwachtes Initialtraining erfasst werden und auch ausserhalb der Trainerpraxis angewendet werden können. Erfindungsgemäss gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass in einer zentralen Einheit mit einem Profiler-Entscheidungsunterstützungssystem ein nutzerspezifisches Profil für die Wahl eines individuellen Trainingsprotokolls erstellt wird und die dazugehörigen Softwarekomponenten konfiguriert und in eine modular aufgebaute portable Einheit, ausgestattet mit einer Kommunikationseinheit, portiert werden wobei sowohl an den zentralen als auch an der portablen Einheit ein Training von Aktivitäten des Nutzers und nachfolgend eine objektive Validierung der Biofeedback-Strategie mit Hilfe von signalanalytischen Verfahren und statistischen Vergleichen gegenüber dem Ausgangszustand und/oder gegenüber einem Normkollektiv erfolgen.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG VON NEURO- UND PSYCHOPHYSIOLOGI 5CHEN ZUSTANDEN
Die Erfindung betrifft ein Biofeedback-Nerfahren zur Erfassung und Selbstregulation von neuro- und psychophysiologischen Zuständen, bei dem an einem Nutzer Biosignale ermittelt und ausgewertet werden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Sie ermöglicht insbesondere die Realisierung eines nutzerspezifischen Biofeedback-Systems für die spontane und evozierte Hirnaktivität und deren Beeinflussung bei Interaktionen mit den anderen physiologischen Systemen und ist auf der Basis einer zentralen und einer portablen Einheit realisiert. Auf dem Gebiet des Biofeedbacks und insbesondere des EEG-Biofeedbacks bzw. Neurofeedbacks existieren unterschiedliche Systeme, Vorrichtungen und Verfahren für den Einsatz in der klinischen Praxis wie beispielsweise in den nachfolgenden Patentschriften beschrieben:
US 5 740 812 enthält eine Methodik und eine Vorrichtung zum EEG-Biofeedback während der Ausführung von definierten Aufgaben wie beispielsweise des Arbeitens am Computer, beim Spielen etc. Die dazugehörige Vorrichtung besteht aus einem Kopfhörer an dem EEG-Sensoren befestigt werden. Die erfaßten EEG-Signalen werden danach mittels eines Computers ausgewertet wobei mit Hilfe eines Audio- und Videofeedbacks die menschliche Konzentration und Wachsamkeit angezeigt wird.
In US 5 465 729 und US 5 343 871 sind Vorrichtungen zur Audio- und Videofeedback beschrieben, wobei Audio- und Videosequenzen reale Szenen nachbilden, so dass gewünschte psychische Zustände induziert werden können. Das Aktivieren der gewünschten physiologischen Parameter wird belohnt. Dabei wird eine Kontrolle über diese Parameter durch Erinnerung an die gezeigten Sequenzen ermöglicht.
Nach US 5 406 957 ist eine Biofeedback- Vorrichtung zur Rückkopplung von Frequenzbändern, ermittelt mittels FFT, bekannt. Das Feedback wird in Form von akustischen Signalen oder gesprochenen Worten dargestellt.
In US 5 036 858 ist eine Vorrichtung zum Audio- und Videofeedback angegeben, bei der gleichzeitig mit der berechneten EEG-Frequenz auch der Unterschied zu der gewünschten Frequenz präsentiert wird.
Nach US 5 024 235 ist eine Vorrichtung für das Audio- und Videofeedback bekannt, bei der die Amplitude eines EEG-Frequenzbandes ermittelt und im
Vergleich zu einer Schwelle angezeigt wird. US 3 890 957 beschreibt eine Vorrichtung zum Audiofeedback, bei der entsprechend der ermittelten im erfaßten Signal Nulldurchgänge ein DC-Signal erzeugt und dieses zur Modulation eines Audiooutputs angewendet wird.
Bei der nach US 3 821 949 bekannten Vorrichtung zum Biofeedback werden in mehreren Kanälen bestimmte Signalfrequenzen gleichzeitig ermittelt und nach Erreichen eines Sollwertes entsprechende akustische Signale als Output erzeugt.
Die verbreitetsten gerätetechnischen Lösungen bieten die Möglichkeit der
Rückkopplung mehrerer physiologischer Signale, wie EMG, Temperatur, Atmung, Hautleitfähigkeit und EEG. Im Bereich der Rückkopplung der menschlichen Hirnaktivität existieren Apparaturen, die das Feedback von unterschiedlichen EEG-Anteilen wie θ-, α-, ß-Rhythmen, SMR-Rhythmus oder Verhältnissen dieser Hirnaktivitäten realisieren. Die existierenden Geräte bieten dem Trainer die begrenzte Auswahl von festgelegten Neurofeedback-Protokollen, wobei vorgeschriebene Elektrodenpositionen verwendet werden. Eine sehr oft bei ganz unterschiedlichen neuronalen Erkrankungen eingesetzte Biofeedback-Methode basiert beispielsweise auf dem SMR - Rhythmus. Jedoch wird dabei meist höchst unspezifisch vorgegangen, da die existierende Technik nicht genug Flexibilität und Raum für eine individuelle Gestaltung der Behandlung bietet.
Probleme im Hinblick auf die Anforderungen einer erfolgreichen Biofeedback- Strategie erwachsen aus den Beschränkungen der auf dem Markt verfügbaren EEG-Gerätetechnik: die Messhardware gestattet meist nicht die zuverlässige Erfassung spezifischer Signalkomponenten, die mitgelieferte Software ist zumeist auf Routine-EEG-Untersuchungen ausgerichtet und realisiert nur konventionelle Auswerteverfahren. Für die Steuerung des Feedbacks bei EEG-Lernprozessen ist eine kontinuierliche online-fähige
Überwachung der Frequenz- und Amplitudenänderungen von G ndrhythmen notwendig. Bekannte EEG-Feedbackkontrollen basieren auf Auswertungen in längeren Zeitfenstern bzw. Signalabschnitten. Damit ist eine Rückmeldung über den Erfolg der Rhythmussteuerung nur in Abständen von einigen Sekunden möglich. Es fehlen insbesondere in Zeit und Frequenz hochauflösende sowie topographische Methoden, mit denen on-line die Dynamik von Hirnprozessen unter Berücksichtigung des stochastischen EEG-Charakters erforscht werden kann. Damit sind die Voraussetzungen zum Verständnis der feinen zeitlichen MikroStruktur der physiologischen und pathologischen Hirnereignisse nicht vorhanden. Es fehlen ebenso Methoden zum Nachweis der Spezifität der Neurofeedback-Therapie, weil die verschiedenen Einflußfaktoren und die zur
Validierung geeigneten Merkmale nicht ausreichend extrahiert und kontrolliert werden können.
Weiterhin zeigt die Praxis, dass beispielsweise beim Training von epileptischen Nutzern auf der Basis der langsamen Potentiale, die Biofeedback-Sitzungen mit einer Häufigkeit von mindestens 2-3 Sitzungen pro Woche über einen Zeitraum von mehreren Monaten durchgeführt werden sollten. Dies stellt sich insbesondere für arbeitstätige oder entfernt wohnende Nutzer als kaum realisierbar heraus, deswegen wird oft auf diese Art der Behandlung verzichtet. Schwierigkeiten bereitet ebenso eine "follow-up" Phase in der die Nutzer wegen fehlender Gerätetechnik über keine Möglichkeit für eine Kontrolle der
Richtigkeit der Übungen verfügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem spezifische Indikationen eines multiplen, nutzerindividuellen Profils und für ein überwachtes Initialtraining erfaßt werden und auch außerhalb der Trainerpraxis angewendet werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 12 angegebenen Merkmale enthält, gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht die Realisierung ein flexiblen, integrierten mehrkanaligen Systems, das Komponenten zur spezifischen Indikation eines multiplen, nutzerindividuellen Profils und für ein überwachtes Initialtraining umfaßt. Auf der Grundlage des an diesem zentralen System angepaßten
Protokolls kann eine Portierung in ein modular aufgebautes, individuell einstellbares mobiles Gerät für den Heimeinsatz bzw. außerhalb der Trainerpraxis erfolgen, beispielsweise für die Anwendung während einer "follow-up" Phase. Eine Überwachung, Kontrolle und Auswertung der von mehreren, gleichzeitig, nicht unbedingt an einem Ort, stattfindenden Sitzungen und Neueinstellung der Biofeedback-Protokolle via Internet bzw. Kommunikationsprotokolle ist damit auch realisierbar.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:
• Die Realisierung erfolgt mit einem zentralen System und einem damit koppelbaren portable Miniatursystem.
• Ein in die zentrale Einheit integrierter Profiler dient als Entscheidungsunterstützungssystem für die Erstellung eines nutzerspezifischen Profils auf deren Basis die Wahl der zu trainierenden
Aktivitäten und die objektive Validierung der Biofeedback-Strategie mit Hilfe signalanalytischer Verfahren und statistischer Tests gegenüber einem Ausgangszustand und gegenüber einer Normgruppe erfolgt.
• Es ist eine freie interaktive Gestaltung von Biofeedbackprotokollen vom Trainer in Form von mathematischen Funktionen möglich, wie z.B. (Aa(Ol)Λ- Aa(Oz)+ Aa(02))/Aθ(0z)
Summe der Amplituden der α-Tätigkeit unter Elektroden 01, Oz, O2 dividiert durch die Amplitude der θ- Tätigkeit unter Elektrode Oz
(P[10-12](Oz))/(P[8-lO](Oz)) Verhältnis der momentanen Leistung (Elektrode Oz) der Aktivität im
Frequenzbereich 10<=f<=12 Hz gegenüber dieser im Frequenzbereich
8<=f<10 Hz
F(P3) momentane Frequenz der Aktivität unter Elektrode P3 ASMR(C3)
SMR- Amplitude - Position C3
SCP(Cz)
Slow Cortical Potential unter Cz
C(C4) lokale Kohärenz - Position C4.
• Die Konfiguration der Software für das portable System wird durch die Zusammenstellung einzelner Softwarekomponenten bei der Einstellung des Protokolls auf dem zentralen System und deren Portierung vom zentralen System auf das portable System realisiert. • Die Überwachung, Kontrolle und Auswertung der Sitzungen und die
Neueinstellung der Biofeedback-Protokolle kann durch das Internet (beispielsweise unter Anwendung eines integrierten Web-Chips) bzw. mittels Kommunikationsprotokolle erfolgen.
• Die Überwachung und Kontrolle von mehreren, gleichzeitig, nicht unbedingt an einem Ort stattfindenden mit dem portablen System durchgeführten
Sitzungen wird durch das zentrale System über eine Biofeedback-Monitoring-Einrichtung innerhalb von Praxen, Krankenhäuser und Studios oder mittels eines Biofeedback-Telemonitorings beim Training beispielsweise zu Hause ermöglicht. • Die freie Wahl des Feedbackkanals bzw. der kortikalen Lokalisation (z.B. Sprachzentrum, Musikzentrum etc.) kann bei gleichzeitigem Monitoring der realen Signale und der Feedbackparameter aller erfassten Kanäle am zentralen System erfolgen.
• Es besteht die Möglichkeit zur simultanen Erfassung von EEG-Anteilen wie θ-, α-, ß- und ähnlichen EEG-Rhythmen von langsamer Komponenten
(SCP) und anderer polygraphischer Signale.
• Die Möglichkeit für die Integration von Interaktionen mit anderen physiologischen Systemen, deren Prozesse unterstützend trainiert werden können, wobei eine ständige Kontrolle deren Einflüsse und der korrelativen und fünktionellen Zusammenhänge mit dem primären Feedbackprozeß erfolgt (Beispiel: Monitoring bzw. Rückkopplung des Zusammenhanges zwischen langsamen Hirnpotentiale und der Atmung), wird ebenfalls realisiert.
• Es besteht die Möglichkeit zur Detektion von abnormen Hirnaktivitäten, insbesondere von epileptischen Graphoelementen und der Aufforderung zum Biofeedback-Training.
• Es bietet ferner die Möglichkeit zu Erfassung und Feedback von evozierten Potentialen durch den Einsatz zahlreicher visueller, akustischer und kognitiver Stimulationen am zentralen System, beispielsweise durch die Kopplung mit einem visuellen oder akustischen Perimeter oder anderen visuellen, akustischen, somatosensorischen Stimulationseinheiten.
• Es ermöglicht eine variable Dauer und Kombinierbarkeit der Feedback - Trials, der Interstimulusabstände und der Pausen am zentralen System.
• Die Wahl von unterschiedlichen Signalverarbeitungsverfahren bzw. Parametern für den selben Kanal oder für unterschiedliche Kanäle und deren gleichzeitige Darstellung zur Optimierung des Feedback-Protokolls am zentralen System.
• Der Einsatz von adaptiv rekursiven Schätzungen als Basis für die kontinuierliche online-Steuerung des Feedbacks. » Es beinhaltet multimediale Feedbackmodule, die sich individuell durch Wahl oder Import von Musik-, Filmdateien, Bildern oder Vibrationen durch den Trainer ggf. auch durch den Nutzer konfigurieren lassen. Die Sensitivität des Feedbacks ist ebenso individuell einstellbar.
• Die Steuerung von Filmen als Feedback, wie beispielsweise das Abspielen des Filmes wird nur so lange erfolgen, wie die entsprechende Aktivität in die gewünschte Richtung gesteuert wird. Anderenfalls wird das Abspielen gestoppt.
• Die Realisierung des zentralen Systems erfolgt zweckmäßig als Zwei-Monitoren- System (Nutzer- und Trainermonitor) entweder als 2-PC-System (Kommunikation z.B. über RS 232 oder TCP/TP) oder als
1-PC-System bei der Anwendung interner Kommunikation (z.B. DDE, TCP/TP);
• Es ermöglicht die Kompatibilität mit gängigen polygraphischen und EEG Systemen und dadurch die Realisierung auf der Basis von kommerziell vorhandenen Geräten und erfordert keine spezielle Hardware-Lösung.
• Wahlweise ist die Anwendung von Monitor, Video-Panel, Video-Brille oder am Kopf befestigtem Display für das Feedback möglich.
• Die Realisierung des portablen Miniatursystems kann auf der Basis von tragbarem Computer, "body-worn"-Computer, Palmtop oder Spielkonsole erfolgen.
Auf Grund der hohen Funktionalität, Flexibilität und der Möglichkeiten für eine individuelle Optimierung wird nicht nur die Effizienz des Neurofeedbacktrainings gesteigert, sondern es werden neue Behandlungsperspektiven durch die Gestaltung neuer Biofeedback-Protokolle eröffnet. Mit der portablen Lösung wird dem Nutzer nicht zuletzt eine kostengünstige Alternative angeboten, die eine Terminunabhängigkeit und damit freie Planung gestattet. Weiterhin können durch die Kombination von einem zentralen System mit mehreren portablen Systemen, für die Kontrolle der Nutzer Biofeedback-Monitoring-Räume eingerichtet werden und dadurch Personal gespart werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Figur 1 den methodischen Ablauf des erfindungsgemäßen Biofeedback- Verfahrens, Figur 2 das Ablaufschema eines Neurofeedback-Trainings,
Figur 3 eine schematische Darstellung des Neurofeedbacksystems,
Figur 4 das Funktionsschema des Neurofeedback-Systems, und
Figur 5 ein Blockschaltbild für eine miniaturisierte portable Einheit.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, bildet die Quantifizierung des EEG (QEEG), welches mittels Langzeit-Monitoring abgeleitet wurde, den Ausgangspunkt des Verfahrens. Dadurch können aus dem EEG, welches in Ruhe oder, je nach Anwendung, während unterschiedlicher Provokationsmethoden aufgenommen wurde, Kenngrößen gewonnen werden, die den Zustand des, Nutzer beschreiben. Mit Hilfe eines vordefinierten Vektors von Parametern wird ein nutzerspezifisches Profil erstellt. In diesem Profil werden neben den durch die Quantifizierung entstandenen Größen auch nutzerindividuelle Daten, wie z.B. Informationen über den momentanen emotionalen Zustand und die Umgebung, die Vorgeschichte, die Ergebnisse von IQ- oder psyhologischen Tests aufgenommen. Das nutzerspezifische Profil wird danach für die Bestimmung der Strategie bei der Neurotherapie bzw. beim Biofeedback benutzt. Während der ersten als initial zu bezeichnenden Biofeedback- Sitzungen wird zusätzlich ein Monitoring der realen Signale und der Feedbackparameter über alle erfassten
Kanälen durchgeführt. Eine Wahl von unterschiedlichen Signalverarbeitungsverfahren für einen oder unterschiedliche Kanäle ist ebenso möglich. Nach der Bestimmung der für den Nutzer optimalen Methode - d.h. Wahl der Aktivität, der kortikalen Lokalisation, des Berechnungsverfahrens, der Start-Auflösung des Feedbacks und der Modalitäten der Stimulationsparadigmen, im Falle einer Evozierung, können entweder am zentralen System oder am Heimsystem (nach Portierung der entsprechenden Module) eine bestimmte Anzahl von Trainingsprozeduren durchgeführt werden. Nachfolgend kann erneut ein Langzeit-Monitoring mit anschließender Quantifizierung vorgenommen werden. Mit den neu gewonnenen Parametern wird das Profil kontinuierlich erweitert. Auf der Grundlage ausgewählter statistischer Verfahren und nach vordefinierten Kriterien können Vergleiche zwischen den Zustandsvektoren durchgeführt werden. Das Ergebnis dient zur Beurteilung des Erfolges der angewendeten Neurofeedback-Therapie. Die Ergebnisse des Evaluierens dienen zur Adaptivierung der Behandlungsmethode. Das würde bedeuten, dass bei nicht erfolgreicher Steuerung einer Aktivität diese bei zukünftigen Therapiesitzungen durch die Steuerung einer anderen Aktivität oder durch die Kombination der Kontrolle unterschiedlicher EEG-Parameter ersetzt werden kann.
In Figur 2 ist der Ablauf eines Neurofeedbacktrainings dargestellt.
Das zentrale Biofeedback-System besteht, wie aus Figur 3 sichtbar, aus folgenden Komponenten:
Steuerung der Messungen und der Stimulation, Signalerfassung, Signalverarbeitung, Signalpräsentation, Feedback und Stimulation (optional).
Wesentlich für die Initialphase ist das Einsetzen von vielkanaligen Ableitungen bei Neurofeedbackuntersuchungen. Diese Vorgehensweise erlaubt eine deutlich verbesserte Betrachtung der Korrelation von fünktionellen und morphologischen Befunden. Es ist zu erwarten, dass durch die
Berücksichtigung der topographischen Besonderheiten der pathologischen EEG- Signale und durch ein effizientes Online-Monitoring eine nutzerindividuelle und wirksamere Neurofeedback-Therapie konzipiert werden kann. Weiterhin sollten andere biologische Signale simultan abgeleitet werden. Auf diese Weise können wertvolle Rückschlüsse über zeitkorrelierende Begleiterscheinungen bzw. andere physiologische oder pathologische Vorgänge gemacht und beim Biofeedback berücksichtigt werden.
Um die Möglichkeit einer vollständigen Information über die ablaufenden physiologischen Prozesse zu erhalten, können polygraphische Daten, beinhaltend z.B. das EEG, das VEOG, das HEOG, das EKG und die Atemkurve, aufgenommen werden. Für die Ableitung des EEG werden
Positionen etablierter EEG-Ableitungssystemen benutzt. Die Ableitungen werden referentiell gegen die verbundenen Mastoiden durchgeführt. Andere Montagen wie transversale, longitudinale und temporale sind möglich. Die Übergangsimpedanzen werden aufwerte < 3 kΩ gebracht. Die Einstellung der Filter ist im Bereich 0-70 Hz, wobei DC (0 Hz) vorwiegend bei der Ableitung langsamer Potentiale (SCP) notwendig ist. Die Abtastrate beträgt zwischen 100 und 500 Hz. Die Ableitung der übrigen Signale erfolgt bipolar. Das EEG und das EOG werden unter Verwendung von off-set und driftminderten Elektroden durchgeführt. Die Atemkurve wird mit Hilfe eines Atemgurtes aufgenommen. Das nach der initialen Untersuchung und Feedback-Sitzung nachfolgende
Biofeedback-Training erfolgt unter dem Einsatz einer stark reduzierten Anzahl von Elektroden, die abhängig von der Auswahl der Aktivität ist.
Das Neurofeedbacksystem soll flexibel einsetzbar sein und dabei dem Trainer die Möglichkeit zu experimentellen Untersuchungen geben. Aus diesem Grund sollen die Voraussetzungen für eine Kontrolle sowohl von evozierter als auch von spontaner Aktivität geschaffen werden. Im ersten Fall werden neben den in der neurologischen Routine etablierten Provokationsmethoden außerdem zahlreiche Stimulationsprozeduren benötigt. Beispiele dafür sind das Sl-S2-Paradigma, das odd-ball-Paradigma, visuelle Stimulationen mittels
Checkerboard oder Perimeter u.a. Die Forderung nach Flexibilität impliziert die Berücksichtigung einer größeren Anzahl von spontanen und evozierten Hirnaktivitätsanteile. Es werden an erster Stelle Signale ausgewählt, deren experimenteller Einsatz im Rahmen einer Neurofeedbackprozedur mit einem positiven therapeutischen Effekt verbunden wurde. Beispiele für solche EEG-Rhythmen sind θ-, α-, ß-, SMR-Rhythmus oder die Kombinationen von diesen. Zum Gebiet der ERP zählen die CNV, CPV, P300, VEP u.a. Es werden zusätzlich Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen kortikalen Lokalisationen, wie die bilateralen Asymmetrien, die bilaterallen und lokalen Kohärenzen, einbezogen. Die Überlagerung der relevanten EEG-Signale mit einer Vielzahl von Artefakten biologischen und nichtbiologischen Ursprungs macht eine effiziente Vorverarbeitung unverzichtbar. Bei der Wahl der Methoden und Algorithmen muss an dieser Stelle, auf Grund der Echtzeitfahigkeit, ein Kompromiss im Sinne einer optimalen Signalqualität getroffen werden.
Die Routinen der Signalverarbeitung bilden das Kernstück eines Neurofeedbacksystems. Die Resultate der Potentialauswertung werden dabei auf vier unterschiedliche Weisen genutzt:
• zur Artefaktreduktion; • zur Ergebnispräsentation und Kontrolle durch den Trainer oder das medizinisch-technische Personal. Dabei kann eine Kombination aus der direkt gemessenen und der berechneten Größe erstellt und dargestellt werden;
• zur Steuerung des Feedbacks; • zur späteren off-line Auswertung der Neurofeedback-Sitzung und zum statistischen Vergleich mit den vorgehenden Sitzungen oder mit vorhandenen Durchschnittsdaten.
In den ersten drei Fällen kommen nur on-line fällige Verfahren in Frage, oder Verfahren bei denen die Auswertungen auf der Basis von Epochen (quasi on-line) durchgeführt werden. Nach der Berechnungsart sind Methoden der folgenden Gruppen implementiert:
- Methoden auf der Basis von Fenstern, z.B. die FFT, Baselineberechnung, Averaging, Korrelationen, VEOG-, HEOG-Korrektur; - Rekursive Methoden wie z.B. die adaptiv-rekursiven Schätzungen (ARE).
Durch die Ansteuerung über die aus den Messdaten berechnete Steuerkenngröße steht der momentane Zustand des Feedbacks für einen bestimmten, gemessenen physiologischen Zustand des Nutzer. Das eigentliche Feedback besteht darin, dass dieser Zustand durch eine multimediale
Darstellung für den Nutzer wahrnehmbar wird (z.B. akustisch, visuell oder audiovisuell) und über diese Darstellung eine Änderung dieses Zustandes, im Rahmen der Trainingsprozedur, erst erfasst und dann trainiert werden kann. Die Gestaltung der Feedbacks sollte einfach und nicht zu komplex erfolgen und altersabhängig sein. In dem hier vorgestellten System sind die Feedbacks in
Form von hoch qualitativen Animationen, Filmen, Musikstücken oder Vibrationen die über RS 323, DDE oder TCP/IP gesteuert werden können, realisiert. Es sind sowohl bewegungsorientierte als auch leistungsorientierte Typen implementiert. Eine Anpassung der Feedbackauflösung an die Möglichkeiten des Nutzer (innerhalb des individuellen Parameterbereiches des zu steuernden Signals) ist möglich. Die für den Steuerungsmechanismus benötigten Dateien (Bilder, Musik, Filme) können in bestimmten Formaten beliebig durch den Trainer und ggf. durch den Nutzer eingebracht werden.
Die Grundlage des zentralen Systems bildet ein polygraphisches EEG - Gerät (DC-AC- Verstärker). Dieses bietet die Möglichkeit, die Messanordnungen flexibel zu gestalten. Eine mögliche Konfiguration wäre beispielsweise: 28 unipolare Kanäle EEG und 4 bipolare Kanäle für VEOG, HEOG, EKG und Atmung.
Figur 4 erläutert das Funktionsschema des Neurofeedback-Systems. Um die erforderliche Rückkopplung herzustellen, muss zunächst der Datenstrom vom Verstärker zum Messrechner übertragen werden. Anschließend wird aus den Rohdaten eine Kenngröße, die zur Steuerung des Feedbacks dient, berechnet. Die Gestaltung der Steuerung der Feedbacks auf den beschriebenen drei Wegen (über RS 323, DDE oder TCP/EP) erlaubt die Realisierung des zentralen
Systems unter Benutzung von zwei PC's und zwei Bildschirmen oder aber auch durch einen PC und ein oder zwei Bildschirme. Dabei wird die portable Einheit auf der Basis von tragbaren Computern, "body worn" Computern, Palmtop oder Spielkonsolen realisiert. Sowohl bei dem zentralen als auch beim portablen System können entweder gängige Monitore, z.B. TFT-Displays, als auch spezielle LCD-Brillen mit integrierten Kopfhörern, wie beispielsweise ein Personal LCD Monitor oder ein "head mounted" Display eingesetzt werden. Die genannten Möglichkeiten erlauben eine zusätzliche Miniaturisierung und den mobilen Einsatz der portablen Lösung. Das Schema einer derartigen Anordnung ist aus Figur 5 ersichtlich.
BEZUGSZEICHENLISTE
QEEG Quantifiziertes EEG
EEG Elektroenzephalogramm
EKG Elektrokardiogramm
BF Biofeedback
NT Neurotherapie
NF Neurofeedback
Sl, S2 Stimulus
ISI Interstimulusintervall
SCP Slow Cortical Potential
DSV Digitale Signalverarbeitung
VEOG Vertikales Elektrookulogramm
HEOG Horizontales Elektrookulogramm
DDE Dynamic Data Exchange
EMG Elektromyogramm
FFT schnelle (fast) Fourier-Transformation
VEP Visuell evozieres Potential
ERP Ereignisbezogenes (event-related) Potential
CNV Contingent negative Variation
CPV Contingent positive Variation
TCP/IP Transmission Control Protocol over Internet Protocol
PC Personal Computer
EOG Electrookulogramm

Claims

P A T E N T AN S P RÜ C H E
1. Biofeedback- Verfahren zur Erfassung und Beeinflussung von neurologischen und neuropsychologischen Zuständen, bei dem an einem Nutzer Biosignale, insbesondere die spontane und evozierte Hirnaktivität und derer Interaktionen mit den anderen physiologischen Systemen ermittelt und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zentralen Einheit mit einem Profiler-Entscheidungsunterstützungssystem ein nutzerspezifisches Profil für die Wahl eines individuellen Trainingsprotokolls erstellt wird und die dazugehörigen Softwarekomponenten konfiguriert und in eine modular aufgebaute portable Einheit, ausgestattet mit einer Kommunikationseinheit, portiert werden, wobei sowohl an den zentralen als auch an der portablen Einheit ein Training von Aktivitäten des Nutzers und nachfolgend eine objektive Validierung der Biofeedback-Strategie mit Hilfe von signalanalytischen
Verfahren und statistischen Vergleichen gegenüber dem Ausgangszustand und/oder gegenüber einem Normkollektiv erfolgen.
2. Biofeedback- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein multiples, nutzerindividuelles Neurofeedbackprofil mit einem flexiblen integrierten mehrkanaligen zentralen System ermittelt und auf seiner Basis ein Trainingsprotokoll erstellt wird.
3. Biofeedback- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Trainer eine freie interaktive Gestaltung von Biofeedbackprotokollen durch Definition mathematischer Funktionen erfolgt.
4. Biofeedback-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feedbackkanal bzw. die kortikale Lokalisation bei gleichzeitigem Monitoring der realen Signale und der Feedbackparameter aller erfaßter Kanäle gewählt wird.
5. Biofeedback- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass abnorme Hirnaktivitäten detektiert werden und dem Nutzer die Notwendigkeit eines Biofeedback-Trainings signalisiert wird.
6. Biofeedback- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Softwarekomponenten, durch die Wahl des Protokolls konfiguriert und in das portable System übertragen werden.
7. Biofeedback- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplung von zentralen Gerät und portablen Gerät zur Überwachung, Kontrolle und Auswertung der Sitzungen sowie zur Neueinstellung der Biofeedback-Protokolle durch Übertragung über das Internet oder über Kommunikationsprotokolle erfolgt.
8. Biofeedback- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass EEG-Anteile, ERP und/oder andere polygrafische Signale simultan erfasst werden.
9. Biofeedback- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Interaktionen mit anderen physiologischen Systemen berücksichtigt werden und gezielt, unterstützend trainiert werden, wobei eine ständige Kontrolle deren Einflüsse und der korrelativen und funktioneilen Zusammenhänge erfolgt.
10. Biofeedback- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass evozierte Potentiale durch den Einsatz visueller, akustischer und kognitiver Stimulationen erfasst und/oder gesteuert werden.
11. Biofeedback- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Signalverarbeitungsverfahren oder solche mit unterschiedlichen Parametern für denselben oder für unterschiedliche Kanäle gleichzeitig dargestellt werden.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein zentrales System und ein portables System enthält, wobei das zentrale System ein flexibles mehrkanaliges System beinhaltet und im zentralen System eine Profiler-Entscheidungsunterstützungseinrichtung integriert ist und das portables
System ein modular aufgebautes, individuell einstellbares mobiles Gerät enthält.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale System und das portable System Schnittstellen für das Internet und/oder für Kommunikationsprotokolle enthält.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel enthält mit denen über das zentralen System eine Überwachung und Kontrolle von mehreren, gleichzeitig stattfindenden Sitzungen an einem Ort, im Sinne eines NF-Monitorings oder an einem entfernten Ort im Sinne eines NF-Telemonitorings realisiert wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale System und das portable System mit Einrichtungen zur visuellen, akustischen und/oder kognitiven Stimulationen gekoppelt sind.
16. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel enthält mit denen die Dauer und Kombinierbarkeit der Feedback-Trials, der Interstimulusabstände und der Pausen variabel und individuell gewählt wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel enthält mit denen Filme, und/oder Musikstücke, und/oder Bildern und/oder Vibrationen durch den Trainer oder Nutzer integriert werden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorrichtung Mittel enthält mit denen die Steuerung von Filmen als Feedback integriert ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Monitor bzw. Video-Panel, Fernseher, Video-Brille oder am Kopf befestigtes Display für das Feedback gewählt wird.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale System als Zwei-Monitoren-System (Nutzer-,
Trainer- Monitor) entweder als Zwei-PC-System (Kommunikation- RS232, TCP/IP) oder als Ein-PC-System bei der Anwendung interner Verbindungen (DDE, TCP/TP) aufgebaut ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet,, daß das portable System tragbare Computer, "body-worn"-Comρuter, Palmtops oder Spielkonsolen enthält.
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