EP1565834A2 - Method and arrangement for detecting and measuring the phase of periodical biosignals - Google Patents

Method and arrangement for detecting and measuring the phase of periodical biosignals

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EP1565834A2
EP1565834A2 EP03767683A EP03767683A EP1565834A2 EP 1565834 A2 EP1565834 A2 EP 1565834A2 EP 03767683 A EP03767683 A EP 03767683A EP 03767683 A EP03767683 A EP 03767683A EP 1565834 A2 EP1565834 A2 EP 1565834A2
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EP
European Patent Office
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phase
observer
response signal
frequency
factor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03767683A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter HENNING
Peter Husar
Alfred Pecher
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Cufer Asset Ltd LLC
Original Assignee
Technische Universitaet Ilmenau
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F18/00Pattern recognition
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2218/00Aspects of pattern recognition specially adapted for signal processing
    • G06F2218/08Feature extraction

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for real-time reliable detection and measurement of the phase of periodic physiological variables or biosignals.
  • a disadvantage of the previous methods is that the statistical uncertainty of the detection or the inaccuracy of the measurement is very high.
  • the uncertainty and inaccuracy result from the signal theory as a consequence of and in connection with the length of the analysis window.
  • the theory states that the statistical uncertainty and thus the inaccuracy increase with decreasing length of the analysis window, which is also sufficiently proven and known in practical signal analysis. For a statistically better result
  • the window length would have to be increased first.
  • it is known from physiology that the phase can change relatively quickly and that these changes are also diagnostically relevant. With a long analysis window, the valuable information about the phase change is lost and the statistical uncertainty of the measurement result does not necessarily decrease as a result of the changes.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement with which it is possible to detect and measure a causal phase response in periodic bio-signals with a better reliability and higher speed than conventional methods with a reduced computing effort.
  • the object is achieved in that periodic biosignals are recorded according to their physical and physiological origin, that a condition observer is set up in parallel with the analyzed biological system, that the output variables of the biological system and the observer are evaluated with the aid of a Cayman filter and for Determination of the phase to be used.
  • the phase of a periodic biosignal is determined and used for functional diagnostic purposes. For example, an extended phase in comparison with healthy test objects is an important indicator of functional problems in the biological system under investigation.
  • the state system is parallel to the examined biological system is reproduced, a state observer is arranged, who estimates the phase state variable based on the Cayman filter in accordance with the system inodel.
  • phase estimator the phase can be estimated continuously and no sliding or sequentially applied analysis window is necessary. This makes the analysis of the phase changes over time possible. In contrast to the relatively complicated theoretical background of this phase estimator, the practical implementation is simple. Compared to conventional methods, it requires significantly less computing power, so that a phase estimation in real time is possible.
  • 3 shows a basic illustration of the state observer for measuring the phase in periodic biosignals
  • FIG. 6 shows a phase estimate of the signal as in FIG. 5 with static Cayman factors
  • FIG. 1 A biological system that produces a periodic biosignal or responds to a periodic input signal is shown in FIG. 1 as the “real system” state model.
  • the state equations (1) and (2) mentioned below describe this system (bold letters in large letters stand for Matrices, small for vectors):
  • the goal is to construct a system model whose variable x (t) represents the phase ⁇ (t) of the signal y (t) to be examined.
  • the phase cannot be measured directly because it is an argument of a trigonometric function.
  • An auxiliary construction is therefore required.
  • Such a construction is a condition observer, which is arranged parallel to the system under investigation. The observer estimates the state variable by minimizing an error function that compares the outputs of the real system and the observer. In this way, after the error minimization has been completed, the phase state variable can be measured directly.
  • FIG. 1 The block diagram of the observer concept is shown in FIG. 1. Since x (t) cannot be measured directly, X (t) is estimated in the observer. The inner loop in the observer minimizes the error of ⁇ m (t) with respect to y (t) with the aid of the correction matrix K. The equations of state (4) and (5) then result for the observer:
  • x M (t) Ax M (t) + Bu (t) + K- [y (t) -y M (t) ⁇ , (4)
  • x M (t) (A-KC) -x M (t) + Bu (t) + Ky (t). (6)
  • the noise components are independent of each other, that is
  • ⁇ M (t) -a • ⁇ M (t) + K (t) • (y (t) -y M (t)) (21)
  • the phase to be determined is selected as the operating point
  • ⁇ M (t) -a- ⁇ M (t) + cov e (t) -y-cos ( ⁇ t + ⁇ M (t)) - [y (t) -y-sin ( ⁇ t + ⁇ M (t ))] - R , (t).
  • the phase estimator can be modeled, as shown in FIG. 3.
  • Equation (26) provides a simple solution if higher-frequency components are not taken into account in the error covariance. Based on (27)
  • ⁇ M (t) -a- ⁇ M (t) + cov e (t) -y-cos ( ⁇ t + ⁇ M (t)) - y (t) -R p - '(t), (29)
  • the Cayman factors are static and are 2 or 20. As can be seen in the graph, the lower the Cayman factor, the slower the estimate. Static caiman factors must be used where the time of the phase change is not known.
  • FIG. 6 shows the results of a phase estimate (right column of the graphic) on real signals.
  • EEG electroencephalogram
  • phase estimation becomes problematic with very noisy signals. In general, it is true that the phase is more robust against disturbances than the amplitudes, as is finally known in information technology. However, the question of the existence - i.e. the detection - of a causal phase must first be clarified in this border area, only then would the phase be estimated.
  • the amplitude of the harmonic cannot be detected in the time domain. If you use the phase estimator with a specific detuning, here with a frequency of 7.8Hz, i.e. 0.2Hz less than the frequency of the harmonics, there is an increase of 1.2rad / s in the case of a causal phase (lower graph). This increase can be used directly in combination with a discriminator to detect the signal. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a method and an arrangement for detecting and measuring the phase of periodical biosignals. The aim of the invention is to detect and measure a causal phase response in periodical biosignals, with improved reliability and higher speed compared to conventional methods, simultaneously reducing the computing power required. According to the invention, a state observer is set up in parallel with the analysed biological system. The output variables of the biological system and the observer are evaluated in order to minimise the occurring error. The determined phase of a periodical biosignal can, for example, be used for functional diagnostic purposes.

Description

Verfahren und Anordnung zur Detektion und zur Messung der Phase von periodischen Biosignalen Method and arrangement for the detection and measurement of the phase of periodic biosignals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur echtzeitfähigen zuverlässigen Detektion und Messung der Phase periodischer physiologischer Größen oder Biosignale.The invention relates to a method and an arrangement for real-time reliable detection and measurement of the phase of periodic physiological variables or biosignals.
Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die zur Bestim- mung der Phase ein über den zeitlichen Verlauf des Biosignals gleitendes oder sequentiell angeordnetes Analysefenster verwenden. Auf den im Analysefenster liegenden Signalabschnitt werden auf der Fourier-Transformation basierendeMethods are known in the prior art which use an analysis window which slides or is arranged sequentially over the time profile of the biosignal to determine the phase. The signal section lying in the analysis window is based on the Fourier transform
Methoden oder deskriptive Statistiken angewandt. So werden beispielsweise in der Perimetrie periodisch aufleuchtende Lichtmarken definierter Intensität und hinreichend hoher Frequenz (über etwa 4Hz) benutzt, um die Funktionsfähigkeit des visuellen Systems zu überprüfen. Für den Funktionstest wird das Elektroenzephalogramm (EEG) erfasst und die Reizant- wort auf den visuellen Stimulus bezüglich der Amplituden und der Phase analysiert. Die Phase der Reizantwort ist einer der entscheidenden diagnostischen Parameter in der Funktionsdiagnostik.Methods or descriptive statistics applied. For example, periodically illuminating light marks of defined intensity and sufficiently high frequency (above about 4 Hz) are used in perimetry to check the functionality of the visual system. For the functional test, the electroencephalogram (EEG) is recorded and the stimulus response to the visual stimulus is analyzed with regard to the amplitudes and the phase. The stimulus response phase is one of the crucial diagnostic parameters in functional diagnostics.
Bei den bisherigen Verfahren ist nachteilig, dass die statistische Unsicherheit der Detektion bzw. die Ungenauigkeit der Messung sehr hoch ist. Die Unsicherheit und die Ungenauigkeit ergeben sich aus der Signaltheorie als Folge von und im Zusammenhang mit der Länge des Analysefensters. Die Theorie besagt, dass mit abnehmender Länge des Analysefensters die statistische Unsicherheit und damit die Ungenauigkeit zunehmen, was in der praktischen Signalanalyse auch hinreichend bewiesen und bekannt ist. Für ein statistisch besseres Ergeb- nis müsste zunächst die Fensterlänge vergrößert werden. Aus der Physiologie jedoch ist bekannt, dass sich die Phase relativ schnell ändern kann und diese Änderungen auch diagnostisch relevant sind. Bei einem langen Analysefenster geht die wertvolle Information über die Phasenänderung verloren und die statistische Unsicherheit des Messergebnisses nimmt infolge der Änderungen nicht zwangsläufig ab.A disadvantage of the previous methods is that the statistical uncertainty of the detection or the inaccuracy of the measurement is very high. The uncertainty and inaccuracy result from the signal theory as a consequence of and in connection with the length of the analysis window. The theory states that the statistical uncertainty and thus the inaccuracy increase with decreasing length of the analysis window, which is also sufficiently proven and known in practical signal analysis. For a statistically better result The window length would have to be increased first. However, it is known from physiology that the phase can change relatively quickly and that these changes are also diagnostically relevant. With a long analysis window, the valuable information about the phase change is lost and the statistical uncertainty of the measurement result does not necessarily decrease as a result of the changes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen es möglich ist, einen kausalen Phasengang in periodischen Biosignalen mit einer gegenüber herkömmlichen Verfahren besseren Zuverlässigkeit und höheren Geschwindigkeit bei gleichzeitig reduziertem Rechenaufwand zu detektieren und zu messen.The invention has for its object to provide a method and an arrangement with which it is possible to detect and measure a causal phase response in periodic bio-signals with a better reliability and higher speed than conventional methods with a reduced computing effort.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass periodische Biosignale entsprechend ihrem physikalischen und physiologischen Ursprung erfasst werden, dass parallel zum analysierten biologischen System ein Zustandsbeobachter aufgestellt wird, dass die Ausgangsgrößen des biologischen Systems und des Beobachters mit Hilfe eines Kaiman-Filters ausgewertet werden und zur Bestimmung der Phase genutzt werden.According to the invention, the object is achieved in that periodic biosignals are recorded according to their physical and physiological origin, that a condition observer is set up in parallel with the analyzed biological system, that the output variables of the biological system and the observer are evaluated with the aid of a Cayman filter and for Determination of the phase to be used.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Phase eines periodischen Biosignals ermittelt und für funktionsdiagnostische Zwecke genutzt. So ist beispielsweise eine verlängerte Phase im Vergleich mit der gesunder Versuchsobjekte ein wichtiger Hinweis auf funktioneile Probleme des untersuchten biologischen Systems.In the method according to the invention, the phase of a periodic biosignal is determined and used for functional diagnostic purposes. For example, an extended phase in comparison with healthy test objects is an important indicator of functional problems in the biological system under investigation.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist parallel zum untersuchten biologischen System, das mit einem Zustandsmodell nachgebildet wird, ein Zustandsbeobachter angeordnet, der entsprechend dem Syste inodell die Zustandsgröße Phase basierend auf dem Kaiman-Filter schätzt.In the arrangement according to the invention, the state system is parallel to the examined biological system is reproduced, a state observer is arranged, who estimates the phase state variable based on the Cayman filter in accordance with the system inodel.
Von Vorteil ist hierbei, dass die Schätzung der Phase kontinuierlich stattfinden kann und kein gleitendes oder sequentiell angewandtes Analysefenster notwendig ist. Damit wird die Analyse der zeitlichen Phasenänderungen erst möglich. Im Gegensatz zum relativ komplizierten theoretischen Hintergrund dieses Phasenschätzers ist die praktische Umsetzung einfach. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren benötigt sie wesentlich weniger Rechenleistung, so dass eine Phasenschätzung in Echtzeit möglich ist.The advantage here is that the phase can be estimated continuously and no sliding or sequentially applied analysis window is necessary. This makes the analysis of the phase changes over time possible. In contrast to the relatively complicated theoretical background of this phase estimator, the practical implementation is simple. Compared to conventional methods, it requires significantly less computing power, so that a phase estimation in real time is possible.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der theoretischen Herleitung und eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is explained below with reference to the theoretical derivation and an embodiment. In the accompanying drawings:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Beobachterkonzeptes;1 shows a block diagram of an observer concept;
Fig. 2 ein Systemmodell einer erfindungsgemäßen Anordnung;2 shows a system model of an arrangement according to the invention;
Fig. 3 ein prinzipielle Darstellung des Zustandsbeobach- ters zur Messung der Phase in periodischen Biosig- nalen;3 shows a basic illustration of the state observer for measuring the phase in periodic biosignals;
Fig. 4 einen Verlauf einer geschätzten Phase für eine Harmonische der Frequenz 8Hz und Phase 2rad für die statischen Kaiman-Faktoren 2 und 20;4 shows a profile of an estimated phase for a harmonic of the frequency 8 Hz and phase 2 rad for the static Cayman factors 2 and 20;
Fig. 5 einen Verlauf einer geschätzten Phase für eine verrauschte Harmonische der Frequenz 8HZ und Phase 2rad mit einem SNR von OdB (unten) und dynamischem Kaiman-Faktor (oben) ;5 shows a curve of an estimated phase for a noisy harmonic of the frequency 8HZ and phase 2rad with an SNR from OdB (below) and dynamic Cayman factor (above);
Fig. 6 eine Phasenschätzung des Signals wie in Fig. 5 mit statischen Kaiman-Faktoren;FIG. 6 shows a phase estimate of the signal as in FIG. 5 with static Cayman factors;
Fig. 7 Ergebnisse der Phasenschätzung (rechts) an realen Signalen (links) ;7 results of the phase estimation (right) on real signals (left);
Fig. 8 eine additive Überlagerung einer Harmonischen einer Frequenz von 8Hz mit dem Rauschen und gezielter Verstimmung der Analysefrequenz (oben) und den Phasenverlauf mit Anstieg (unten) .8 shows an additive superimposition of a harmonic of a frequency of 8 Hz with the noise and deliberate detuning of the analysis frequency (top) and the phase curve with rise (bottom).
Ein biologische System, das ein periodisches Biosignal produziert bzw. auf ein periodisches Eingangssignal antwortet, ist in Fig. 1 als Zustandsmodell „reales System" dargestellt. Die nachfolgend genannten Zustandsgieichungen (1) und (2) beschreiben dieses System (Fettgedruckte große Buchstaben stehen für Matrizen, kleine für Vektoren) :A biological system that produces a periodic biosignal or responds to a periodic input signal is shown in FIG. 1 as the “real system” state model. The state equations (1) and (2) mentioned below describe this system (bold letters in large letters stand for Matrices, small for vectors):
x(t) = A-x(t)+B-u(t); x(0) = x(t0) (1) y(t) = C- (t). (2)x (t) = Ax (t) + Bu (t); x (0) = x (t 0 ) (1) y (t) = C- (t). (2)
Für die weiteren Betrachtungen wird ein additives Signalmodell angenommen, welches eine harmonische Schwingung und weißes normalverteiltes Rauschen summiert:For the further considerations, an additive signal model is assumed, which sums up a harmonic oscillation and white, normally distributed noise:
y(t) = y-sin(ωt + φ(t)) + rp(t) (3)y (t) = y-sin (ωt + φ (t)) + r p (t) (3)
Das Ziel besteht darin, ein Systemmodell zu konstruieren, dessen Variable x(t) die Phase φ(t) des zu untersuchenden Signals y(t) repräsentiert. Die Phase kann nicht direkt gemessen werden, da sie Argument einer trigonometrischen Funktion ist. Daher wird eine Hilfskonstruktion benötigt. Eine solche Konstruktion ist ein Zustandsbeobachter, der parallel zum untersuchten System angeordnet ist. Der Beobachter schätzt die Zustandsvariable mit Hilfe der Minimierung einer Fehlerfunktion, welche die Ausgänge des realen Systems und des Beobachters vergleicht. Auf diese Weise kann nach abgeschlossener Fehlerminimierung die Zustandsvariable Phase direkt gemessen werden.The goal is to construct a system model whose variable x (t) represents the phase φ (t) of the signal y (t) to be examined. The phase cannot be measured directly because it is an argument of a trigonometric function. An auxiliary construction is therefore required. Such a construction is a condition observer, which is arranged parallel to the system under investigation. The observer estimates the state variable by minimizing an error function that compares the outputs of the real system and the observer. In this way, after the error minimization has been completed, the phase state variable can be measured directly.
Das Blockdiagramm des Beobachterkonzeptes ist in Fig. 1 dargestellt. Da x(t) nicht direkt gemessen werden kann, wird X (t) im Beobachter geschätzt. Die innere Schleife im Beobachter minimiert den Fehler von γm(t) bezüglich y(t) mit Hilfe der Korrekturmatrix K. Für den Beobachter ergeben sich dann die Zustandsgieichungen (4) und (5):The block diagram of the observer concept is shown in FIG. 1. Since x (t) cannot be measured directly, X (t) is estimated in the observer. The inner loop in the observer minimizes the error of γ m (t) with respect to y (t) with the aid of the correction matrix K. The equations of state (4) and (5) then result for the observer:
xM(t) = A-xM(t) +B-u(t)+K-[y(t)-yM(t)}, (4)x M (t) = Ax M (t) + Bu (t) + K- [y (t) -y M (t)}, (4)
yM(t) = C-xM(t). (5)y M (t) = Cx M (t). (5)
Aus (4) und (5) folgt:From (4) and (5) it follows:
xM(t) = (A-KC)-xM(t)+B-u(t) +K-y(t). (6)x M (t) = (A-KC) -x M (t) + Bu (t) + Ky (t). (6)
Es wird davon ausgegangen, dass beide Systeme unterschiedliche Anfangsbedingungen haben. Daraus ergibt sich der Beobachtungsfehler:It is assumed that both systems have different initial conditions. This results in the observation error:
e(t) = x(t) - xM(t). ( 7 ) Der Beobachtungsfehler verschwindet iterativ mit Hilfe der Korrekturmatrix K, so dasse (t) = x (t) - x M (t). (7) The observation error disappears iteratively with the aid of the correction matrix K, so that
e(t) = 0 for t → co. ( 8 )e (t) = 0 for t → co. ( 8th )
Die Dynamik und die Stabilität der Schätzung können mit der Differentialgleichung des Beobachtungsfehlers (9) beschrieben werden:The dynamics and the stability of the estimation can be described with the differential equation of the observation error (9):
e(t) = i(t)-iM(t). (9)e (t) = i (t) -i M (t). (9)
Durch Umstellung und weitere Zwischenschritte erhält man:Through conversion and further intermediate steps you get:
e(t) = (A-K-C)-e(t). (10)e (t) = (A-K-C) -e (t). (10)
Entsprechend dem Signalmodell (3) ist damit zu rechnen, dass das untersuchte Signal durch Rauschen gestört ist. Um den Einfluss des Rauschens zu reduzieren, wird ein Kaiman-Filter eingesetzt. Das Rauschen berücksichtigend wird das System durch folgende Zustandsgieichungen beschrieben:According to the signal model (3), it can be expected that the signal under investigation is disturbed by noise. In order to reduce the influence of the noise, a caiman filter is used. Taking the noise into account, the system is described by the following state equations:
Systemzustand: x(t) = A-x(t) +B-u(t) +M-rs(t) (11)System state: x (t) = Ax (t) + Bu (t) + Mr s (t) (11)
Systemausgang: y(t) = C• x(t)+rp(t) (12) Beobachter: xM(t) = A-xM(t)+B-u(t)+K(t)-[y(t)-C-xM(t)], (13)System output: y (t) = C • x (t) + r p (t) (12) Observer: x M (t) = Ax M (t) + Bu (t) + K (t) - [y (t ) -Cx M (t)], (13)
wobeiin which
K (t ) ist die Korrekturmatrix, welche zu erreichen hat, dass e(t) = x(t) - xM(t) → 0 , e ( t ) ist der Beobachtungsfehler, rs ( t ) ist das Systemrauschen, und rp(t) ist das Prozessrauschen.K (t) is the correction matrix which has to achieve that e (t) = x (t) - x M (t) → 0, e (t) is the observation error, r s (t) is the system noise, and r p (t) is the process noise.
Um die Herleitung zu vereinfachen, wird angenommen, dass die Rauschanteile breitbandige Gaußsche Nullmittelprozesse mit bekannten Kovarianzen sind:To simplify the derivation, it is assumed that the noise components are broadband Gaussian zero mean processes with known covariances:
covrp(t1,t2) = E{rp(t1)-rp τ(t2)}=Rp(t1)-δ(t,-t2)cov rp (t 1 , t 2 ) = E {r p (t 1 ) -r p τ (t 2 )} = R p (t 1 ) -δ (t, -t 2 )
Ü4) covrs(t1,t2) = E{rs(t1s τ(t2)}=Rs(t1)-δ(t1-t2)Ü4) cov rs (t 1 , t 2 ) = E {r s (t 1 ) τ s τ (t 2 )} = R s (t 1 ) -δ (t 1 -t 2 )
Die Rauschanteile sind voneinander unabhängig, alsoThe noise components are independent of each other, that is
covrprs(t,,t2) = 0. (15)cov rprs (t ,, t 2 ) = 0. (15)
Für eine konsistente Schätzung von x(t) muss die Fehlerleis- tung mit Hilfe der Matrix K(t) minimiert werden:For a consistent estimate of x (t), the error power must be minimized using the matrix K (t):
E{eτ(t)-e(t)}=E{e1 2(t) + e^(t) + - + e2 n(t)}=f(K(t))=Min. , (16)E {e τ (t) -e (t)} = E {e 1 2 (t) + e ^ (t) + - + e 2 n (t)} = f (K (t)) = Min. , (16)
Unter Annahme der stochastischen Beziehungen bezüglich der Kovarianzen wird entsprechend dem Kalman-Filter eine geeignete Korrekturmatrix K(t) abgeleitet:Assuming the stochastic relationships with regard to the covariance, a suitable correction matrix K (t) is derived in accordance with the Kalman filter:
K(t) = cove(t).Cτ.R;1(t). (17)K (t) = cov e (t) .C τ .R; 1 (t). (17)
Die Formel für die Fehlerkovarianz covε(t) kann vom Kalman- Filter abgeleitet werden:The formula for the error covariance cov ε (t) can be derived from the Kalman filter:
covε(t) = A-covε(t)+covε(t)-Aτ-covε(t)-Cτ-R:1(t)-C-covε(t)+M-Rs(t)-Mτ. (18) Schätzung der Phase:cov ε (t) = A-cov ε (t) + cov ε (t) -A τ -cov ε (t) -C τ -R: 1 (t) -C-cov ε (t) + MR s ( t) -M τ . (18) Estimation of the phase:
Das untersuchte Signal wird entsprechend (3) aus der Summe einer Harmonischen und Rauschen modelliert:The signal under investigation is modeled according to (3) from the sum of a harmonic and noise:
y(t) = y„,(t)+rp(t) = ysin(ωt+φ(t))+rp(t),ω = 2πf. (19)y (t) = y „, (t) + r p (t) = y sin (ωt + φ (t)) + r p (t), ω = 2πf. (19)
Die Phase ergibt sich aus der Differentialgleichung:The phase results from the differential equation:
ψ(t) = -a-φ(t)+rs(t) a>0. (20)ψ (t) = -a-φ (t) + r s (t) a> 0. (20)
Daraus ergibt sich das Systemmodel in Figur 2. Die Phase kann nicht direkt gemessen werden. Daher liegt parallel zum System ein Beobachter, in dem ein direkter Zugriff auf die geschätzte Phase φM(t) möglich ist. Allerdings der nichtlineare Anteil ynι(t) in (19) ist für das Beobachterkonzept ungünstig. Eine geeignete Linearisierung yι(φ(t),t) wird benötigt, um eine lineare Beziehung zwischen der Zustandsva- riablen φM(t) und dem Ausgang yM(t) entsprechend (5) herzu- stellen. Basierend auf der Taylor-Linearisierung kann der Beobachter folgendermaßen formuliert werden:This results in the system model in Figure 2. The phase cannot be measured directly. An observer is therefore parallel to the system, in which direct access to the estimated phase φ M (t) is possible. However, the non-linear part y n ι (t) in (19) is unfavorable for the observer concept. A suitable linearization yι (φ (t), t) is required to establish a linear relationship between the state variable φ M (t) and the output y M (t) according to (5). Based on Taylor linearization, the observer can be formulated as follows:
φM(t) = -a •φM(t)+K(t)•(y(t)-yM(t)) (21)φ M (t) = -a • φ M (t) + K (t) • (y (t) -y M (t)) (21)
yM( = y.(φM(t), t). ( 22 )y M (= y. (φ M (t), t). (22)
Entsprechend (21) und (22) wird der Beobachter modelliert, wie in Fig. 2 dargestellt. Im Ergebnis der Linearisierung im Arbeitspunkt φB, wird (22) mit (5) verknüpft. Daraus ergibt sich der Faktor C, welcher in (17) verwendet wird, um den Korrekturfaktor K(t) zu bestimmen: K(t) = cove(t)-y-cos(ωt+φB(t))-Rp-'(t). (23)According to (21) and (22), the observer is modeled, as shown in FIG. 2. As a result of the linearization at the operating point φ B , (22) is linked with (5). This gives the factor C, which is used in (17) to determine the correction factor K (t): K (t) = cov e (t) -y-cos (ωt + φ B (t)) - R p - '(t). (23)
Als Arbeitspunkt wird die zu bestimmende Phase gewähltThe phase to be determined is selected as the operating point
φB(t) = φM(t), (24) φ B (t) = φ M (t), ( 24 )
und die resultierende Differentialgleichung für die Phase istand the resulting differential equation for the phase
φM(t) = -a-φM(t)+cove(t)-y-cos(ωt+φM(t))-[y(t)-y-sin(ωt+φM(t))]-R,(t). (25)φ M (t) = -a-φ M (t) + cov e (t) -y-cos (ωt + φ M (t)) - [y (t) -y-sin (ωt + φ M (t ))] - R , (t). (25)
Entsprechend (25) kann der Phasenschätzer modelliert werden, wie in Fig. 3 dargestellt.According to (25), the phase estimator can be modeled, as shown in FIG. 3.
Zur Phasenschätzung in y(t) muss die Fehlerkovarianz berech- net werden. Aus (18) folgt:The error covariance must be calculated for the phase estimation in y (t). From (18) it follows:
cove (t) = -2a • cove (t) y2 cos2(ωt + φM (t)) - cove 2(t) R '(t) + s(t). ( 26 )cove (t) = -2a • cov e (t) y 2 cos 2 (ωt + φ M (t)) - cov e 2 (t) R '(t) + s (t). (26)
Gleichung (26) ergibt eine einfache Lösung, falls höherfre- quente Anteile in der Fehlerkovarianz nicht berücksichtigt werden. Basierend auf (27)Equation (26) provides a simple solution if higher-frequency components are not taken into account in the error covariance. Based on (27)
cos2(ωt+φM(t))= 1/2+cos(2ωt+2φM(t)) (27)cos 2 (ωt + φ M (t)) = 1/2 + cos (2ωt + 2φ M (t)) (27)
kann (26) vereinfacht werden zu:can (26) be simplified to:
cove(t) = -2a-cov.(t)-l/2-y2-Rp-1(t)-cove 2(t)+Rs(t). (28)cov e (t) = -2a-cov. (t) -l / 2-y 2 -R p - 1 (t) -cov e 2 (t) + R s (t). (28)
Bei geeigneter Wahl des Parameters a in (28) werden hochfre- quente Anteile in Folge temporaler Integration unterdrückt, also es liegt ein Tiefpassverhalten vor. Unter Berücksichti- gung des Tiefpasses kann (25) vereinfacht werden:With a suitable choice of parameter a in (28), high-frequency components as a result of temporal integration are suppressed, ie there is a low-pass behavior. Taking into account low pass can be simplified (25):
φM(t) = -a-φM(t) +cove(t)-y-cos(ωt +φM(t))-y(t)-Rp-'(t), (29)φ M (t) = -a-φ M (t) + cov e (t) -y-cos (ωt + φ M (t)) - y (t) -R p - '(t), (29)
Damit wird der Beobachter, dargestellt in Fig. 3, vereinfacht. Das in (29) vorgeschlagene System kann insbesondere zur Phasenschätzung von Harmonischen im Rauschen eingesetzt werden.This simplifies the observer, shown in FIG. 3. The system proposed in (29) can be used in particular for the phase estimation of harmonics in noise.
In Fig. 4 ist der Verlauf der geschätzten Phase für eine Harmonische der Frequenz 8Hz und Phase 2rad für unterschiedliche Kaiman-Faktoren dargestellt. Die Kaiman-Faktoren sind statisch und betragen 2 bzw. 20. Wie der Grafik entnommen werden kann, mit einem niedrigeren Kaiman-Faktor wird die Schätzung langsamer. Statische Kaiman-Faktoren müssen dort eingesetzt werden, wo der Zeitpunkt der Phasenänderung nicht bekannt ist.4 shows the course of the estimated phase for a harmonic of the frequency 8 Hz and phase 2 rad for different Cayman factors. The Cayman factors are static and are 2 or 20. As can be seen in the graph, the lower the Cayman factor, the slower the estimate. Static caiman factors must be used where the time of the phase change is not known.
In Fig. 5 ist der Verlauf (unterer Teil) der geschätzten Phase für eine verrauschte Harmonische der Frequenz 8Hz und Phase 2rad mit einem SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) von OdB und dynamischen Kaiman-Faktor (oberer Teil) dargestellt. Ist der Zeitpunkt der Phasenänderung bekannt, so kann der Kaiman- Faktor so konstruiert werden, dass zunächst der Änderung gefolgt und anschließend die Varianz der Schätzung minimiert wird.5 shows the curve (lower part) of the estimated phase for a noisy harmonic of the frequency 8 Hz and phase 2 wheel with an SNR (signal-to-noise ratio) of OdB and dynamic Kaiman factor (upper part). If the time of the phase change is known, the Cayman factor can be constructed so that the change is followed first and the variance of the estimate is then minimized.
Zum Vergleich ist in Fig. 6 die Phasenschätzung des selben Signals wie in Fig. 5 mit statischen Kaiman-Faktoren darge- stellt. In Fig. 7 sind die Ergebnisse einer Phasenschätzung (rechte Spalte der Grafik) an realen Signalen dargestellt. Zur Stimulation eines beispielhaft untersuchten visuellen Systems wurden Lichtpulsfolgen mit der Wiederholrate von 8 Pulsen pro Sekunde verwendet, wobei abwechselnd einer Ruhepause (Zeit von 0 bis 2 der Zeitverläufe der Signale oben links und unten links) die Lichtstimulation (Zeit 2 bis 5) folgte. Dargestellt ist der Verlauf des EEG (Elektroenzephalogramm, linke Spalte der Grafik) von zwei okzipitalen Positionen nach 16- facher reizbezogener Mittelung. Beide Zeitverläufe zeigen einen deutlichen Sprung der Phase nach Beginn der Lichtstimulation.For comparison, the phase estimate of the same signal as in FIG. 5 with static Cayman factors is shown in FIG. 6. 7 shows the results of a phase estimate (right column of the graphic) on real signals. To stimulate a visual system investigated by way of example, light pulse sequences with a repetition rate of 8 pulses per second were used, alternating between a pause (time from 0 to 2 of the time courses of the signals top left and bottom left) followed by light stimulation (time 2 to 5). The course of the EEG (electroencephalogram, left column of the graphic) is shown from two occipital positions after 16-fold stimulus-related averaging. Both time courses show a clear jump in the phase after the start of light stimulation.
Die Phasenschätzung wird problematisch bei stark verrauschten Signalen. Generell gilt zwar, dass die Phase robuster gegen Störungen ist als die Amplituden, wie dies schließlich auch in der Informationstechnik bekannt ist. Allerdings ist in diesem Grenzbereich zunächst die Frage nach dem Vorhandensein - also der Detektion - einer kausalen Phase zu klären, erst dann wäre die Phase zu schätzen.The phase estimation becomes problematic with very noisy signals. In general, it is true that the phase is more robust against disturbances than the amplitudes, as is finally known in information technology. However, the question of the existence - i.e. the detection - of a causal phase must first be clarified in this border area, only then would the phase be estimated.
In Fig. 8 ist eine Harmonische der Frequenz 8Hz additiv dem Rauschen überlagert beginnend bei t=4s, wobei das SNR -10dB beträgt (oberer Verlauf in der Grafik) . Im Zeitbereich ist die Harmonische bezüglich ihrer Amplituden nicht nachweisbar. Verwendet man den Phasenschätzer mit einer gezielten Verstimmung, hier mit einer Frequenz von 7.8Hz, also um 0.2Hz weniger als die Frequenz der Harmonischen, so ergibt sich im Falle einer kausalen Phase ein Anstieg von 1.2rad/s (unterer Verlauf der Grafik) . Dieser Anstieg kann in Kombination mit einem Diskriminator direkt zur Detektion des Signals genutzt werden. BezugszeichenlisteIn FIG. 8, a harmonic of the frequency 8 Hz is additively superimposed on the noise starting at t = 4 s, the SNR being -10 dB (upper curve in the graphic). The amplitude of the harmonic cannot be detected in the time domain. If you use the phase estimator with a specific detuning, here with a frequency of 7.8Hz, i.e. 0.2Hz less than the frequency of the harmonics, there is an increase of 1.2rad / s in the case of a causal phase (lower graph). This increase can be used directly in combination with a discriminator to detect the signal. LIST OF REFERENCE NUMBERS
a - Systemparameter, im Beobachtermodell wählbara - System parameters, selectable in the observer model
A, B, C, K - Matrizen im Zustandsmodell eines Systems φ(t) - Phase im Systemmodell, zu schätzende Größe φM(t) - Phase im Beobachtermodell, messbare Größe rp(t) - Prozessrauschen rs(t) - Systemrauschen u(t) - Eingangsvariable eines Systems im Zustandsmodell x(t) - Zustandsvariable eines Systems im ZustandsmodellA, B, C, K - matrices in the state model of a system φ (t) - phase in the system model, quantity to be estimated φ M (t) - phase in the observer model, measurable quantity r p (t) - process noise r s (t) - System noise u (t) - input variable of a system in the state model x (t) - state variable of a system in the state model
Xπ(t) - Zustandsvariable des Beobachters im Zustandsmodell y(t) - Ausgangsvariable eines Systems im Zustandsmodell yM(t) - Ausgangsvariable des Beobachters im Zustandsmodell yι(φ(t),t) - Linearisierungsoperator für Phase Xπ (t) - state variable of the observer in the state model y (t) - output variable of a system in the state model y M (t) - output variable of the observer in the state model yι (φ (t), t) - linearization operator for phase

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Detektion und zur Messung der Phase von Antwortsignalen (y(t)) eines Biosystems, folgende Schritte umfassend: a) Multiplikation des Antwortsignals (y(t)), dessen Phase (φ(t)) bestimmt werden soll, mit einem ersten Faktor; b) Multiplikation des aus Schritt a) erhaltenen Produkts mit einem zweiten Faktor, welcher durch eine trigonometrische Funktion repräsentiert ist, deren Argument sich aus dem Produkt der Frequenz des untersuchten Antwortsignals mit der Zeit, addiert mit der gemessenen Phase, ergibt, wobei die Frequenz der trigonomet- rischen Analysefunktion der Frequenz entspricht, bei der die Phase ermittelt werden soll, oder um einen bekannten Betrag von dieser Frequenz abweicht, c) Multiplikation der gemessene Phase mit einem dritten Faktor (a) ; d) Differenzbildung aus dem im Schritt b) erhaltenen Produkt und dem im Schritt c) erhaltenen Produkt; e) Integration der im Schritt d) erhaltenen Differenz über die Zeit, wobei das Ergebnis dieser Integration die zu ermittelnde Phase des Signals repräsentiert f) Wiederholung der Schritte a) bis e) , bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.1. A method for detecting and measuring the phase of response signals (y (t)) of a biosystem, comprising the following steps: a) multiplying the response signal (y (t)), the phase (φ (t)) of which is to be determined by a first factor; b) Multiplication of the product obtained from step a) by a second factor, which is represented by a trigonometric function, the argument of which results from the product of the frequency of the investigated response signal with time, added to the measured phase, the frequency of the trigonometic analysis function corresponds to the frequency at which the phase is to be determined or deviates from this frequency by a known amount, c) multiplying the measured phase by a third factor (a); d) forming the difference between the product obtained in step b) and the product obtained in step c); e) integration of the difference obtained in step d) over time, the result of this integration representing the phase of the signal to be determined f) repetition of steps a) to e) until an abort criterion is met.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faktor zeitlich konstant oder veränderlich gewählt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the first factor is chosen to be constant or variable over time.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Differenzbildung im Schritt d) das Produkt aus Schritt c) von dem Produkt aus Schritt b) abgezogen wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the difference formation in step d) the product from step c) is subtracted from the product from step b).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal (y(t)) einem Zustandsbeobachter zugeführt wird, welcher die Verfahrensschritte a) bis f) ausführt, um eine geschätzte Phase (φ.ι(t)) zu bestimmen, wobei das Verfahren abgebrochen wird, wenn das Beobachterausgangsignal (yιι(t)) weniger als einen durch eine Fehlerfunktion (cove(t)) vorgegebenen Fehlerwert (e(t)) vom Antwortsignal (y(t)) abweicht und wobei nach Abbruch des Verfahrens die geschätzte Phase (φM(t)) gleich der Phase (φ(t)) des Antwortsignals gesetzt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the response signal (y (t)) is fed to a status observer who carries out the method steps a) to f) by an estimated phase (φ. Ι (t)) to determine, the method being terminated when the observer output signal (yιι (t)) deviates less than an error value ( e (t)) specified by an error function (cov e (t)) from the response signal (y (t)), and wherein after termination of the method, the estimated phase (φ M (t)) is set equal to the phase (φ (t)) of the response signal.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) im Beobachter nach der folgenden Formel ausgeführt werden:5. The method according to claim 4, characterized in that steps a) to d) are carried out in the observer according to the following formula:
ΦM(0 = ~a ■ ΨM(0+∞v e (t) y cos(ωt + φM (t)) y(t) R;1 (t) .Φ M (0 = ~ a ■ Ψ M (0 + ∞v e (t) y cos (ωt + φ M (t)) y (t) R; 1 (t).
6. Anordnung zur Detektion und zur Messung der Phase von Antwortsignalen eines Biosystems, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Zustandsbeobachter umfasst, dem parallel zum Biosystem das Antwortsignal des untersuchten Systems eingespeist wird und welcher die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.6. Arrangement for the detection and measurement of the phase of response signals of a biosystem, characterized in that the arrangement comprises a status observer, to which the response signal of the system under investigation is fed in parallel to the biosystem and which carries out the method steps according to one of claims 1 to 5.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsbeobachter einen Kalman-Filter umfasst, mit welchem Störsignale aus dem Antwortsignal gefiltert werden. 7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the condition observer comprises a Kalman filter with which interference signals are filtered from the response signal.
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