VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG VON NEURO- UND PSYCHOPHYSIOLOGI 5CHEN ZUSTANDEN METHOD AND DEVICE FOR DETECTING NEURO- AND PSYCHOPHYSIOLOGIC 5CH STATES
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.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.
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:In particular, it enables the implementation of a user-specific biofeedback system 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. In the field of biofeedback and in particular 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 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.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.
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.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.
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.According to US 5 406 957, a biofeedback device for feedback of frequency bands, determined by means of FFT, is known. The feedback is presented in the form of acoustic signals or spoken words.
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.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.
Nach US 5 024 235 ist eine Vorrichtung für das Audio- und Videofeedback bekannt, bei der die Amplitude eines EEG-Frequenzbandes ermittelt und imAccording to US 5 024 235 a device for audio and video feedback is known, in which the amplitude of an EEG frequency band is determined and in
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.Comparison to a threshold is displayed. 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.
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.In the device for biofeedback known according to US Pat. No. 3,821,949, certain signal frequencies are determined simultaneously in several channels and corresponding acoustic signals are generated as an output after reaching a desired value.
Die verbreitetsten gerätetechnischen Lösungen bieten die Möglichkeit derThe most common device solutions offer the possibility of
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.Feedback of several physiological signals such as EMG, temperature, respiration, skin conductivity and EEG. In the area of feedback of human brain activity, there are devices that implement the feedback of different EEG components such as θ, α, 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. However, the procedure is usually very unspecific, since the existing technology does not offer enough flexibility and space for individual treatment design.
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-fähigeProblems with regard to the requirements of a successful biofeedback strategy arise from the limitations of the EEG device technology available on the market: the measurement hardware usually does not allow the reliable detection of specific signal components, the software supplied is mostly designed for routine EEG examinations and only realizes it conventional evaluation method. For the control of feedback in EEG learning processes is a continuous online-enabled
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 zurMonitoring the frequency and amplitude changes of basic rhythms necessary. Known EEG feedback controls are based on evaluations in longer time windows or signal sections. This means that feedback on the success of rhythm control is only possible at intervals of a few seconds. There is a lack of high-resolution and topographical methods, particularly in terms of time and frequency, with which the dynamics of brain processes can be researched online, taking into account the stochastic EEG character. This means that the prerequisites for understanding the fine temporal microstructure of the physiological and pathological brain events are not present. There are also no methods for demonstrating the specificity of neurofeedback therapy because of the various influencing factors and those used for
Validierung geeigneten Merkmale nicht ausreichend extrahiert und kontrolliert werden können.Validation of suitable characteristics cannot be extracted and controlled sufficiently.
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 derPractice also shows that, for example, when training epileptic users on the basis of the slow potential, the biofeedback sessions should be carried out with a frequency of at least 2-3 sessions per week over a period of several months. This turns out to be hardly feasible, in particular for working or remote users, which is why this type of treatment is often dispensed with. Difficulties also arise in a "follow-up" phase in which the users are unable to control the device due to the lack of device technology
Richtigkeit der Übungen verfügen.Order correctness of the exercises.
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.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.
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, gelöstAccording to the invention, 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
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements are specified in the subclaims.
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 angepaßtenThe 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
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.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.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere durch folgende Vorteile aus:The invention is characterized in particular by the following advantages:
• Die Realisierung erfolgt mit einem zentralen System und einem damit koppelbaren portable Miniatursystem.• The implementation takes place with a central system and a portable miniature system that can be connected to it.
• Ein in die zentrale Einheit integrierter Profiler dient als Entscheidungsunterstützungssystem für die Erstellung eines nutzerspezifischen Profils auf deren Basis die Wahl der zu trainierenden• 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
Aktivitäten und die objektive Validierung der Biofeedback-Strategie mit Hilfe signalanalytischer Verfahren und statistischer Tests gegenüber einem Ausgangszustand und gegenüber einer Normgruppe erfolgt.Activities and the objective validation of the biofeedback strategy with the help of signal analysis methods and statistical tests against an initial state and against a norm group.
• 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)• The trainer can freely design interactive biofeedback protocols in the form of mathematical functions, such as (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 OzSum of the amplitudes of the α activity under electrodes 01, Oz, O2 divided by the amplitude of the θ activity under electrode Oz
(P[10-12](Oz))/(P[8-lO](Oz)) Verhältnis der momentanen Leistung (Elektrode Oz) der Aktivität im(P [10-12] (Oz)) / (P [8-10] (Oz)) ratio of the instantaneous power (electrode Oz) of the activity in the
Frequenzbereich 10<=f<=12 Hz gegenüber dieser im FrequenzbereichFrequency range 10 <= f <= 12 Hz compared to this in the frequency range
8<=f<10 Hz8 <= f <10 Hz
F(P3) momentane Frequenz der Aktivität unter Elektrode P3 ASMR(C3)F (P3) current frequency of activity under electrode P3 ASMR (C3)
SMR- Amplitude - Position C3SMR amplitude - position C3
SCP(Cz)SCP (Cz)
Slow Cortical Potential unter CzSlow cortical potential below Cz
C(C4) lokale Kohärenz - Position C4.C (C4) local coherence - 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• The configuration of the software for the portable system is realized by putting together individual software components when setting the protocol on the central system and porting it from the central system to the portable system. • The monitoring, control and evaluation of the meetings and the
Neueinstellung der Biofeedback-Protokolle kann durch das Internet (beispielsweise unter Anwendung eines integrierten Web-Chips) bzw. mittels Kommunikationsprotokolle erfolgen.The biofeedback protocols can be reset via the Internet (for example using an integrated web chip) or using communication protocols.
• Die Überwachung und Kontrolle von mehreren, gleichzeitig, nicht unbedingt an einem Ort stattfindenden mit dem portablen System durchgeführten• The monitoring and control of several, carried out simultaneously with the portable system, not necessarily in one place
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.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. • Free choice of feedback channel or cortical location (e.g. Language center, music center etc.) can be carried out with simultaneous monitoring of the real signals and the feedback parameters of all recorded channels on the central system.
• Es besteht die Möglichkeit zur simultanen Erfassung von EEG-Anteilen wie θ-, α-, ß- und ähnlichen EEG-Rhythmen von langsamer Komponenten• It is possible to simultaneously record EEG components such as θ, α, ß and similar EEG rhythms of slow components
(SCP) und anderer polygraphischer Signale.(SCP) and other polygraphic signals.
• 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.• The possibility of integrating interactions with other physiological systems, the processes of which can be trained in a supportive manner, with a constant control of their influences and the correlative and functional relationships with the primary feedback process (example: monitoring or feedback of the connection between slow brain potentials and breathing) is also realized.
• Es besteht die Möglichkeit zur Detektion von abnormen Hirnaktivitäten, insbesondere von epileptischen Graphoelementen und der Aufforderung zum Biofeedback-Training.• There is the possibility to detect abnormal brain activity, especially epileptic grapho elements and the request for 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.• It also offers the opportunity to capture and feedback evoked potentials by using numerous visual, acoustic and cognitive stimulations on the central system, for example by coupling with a visual or acoustic perimeter or other visual, acoustic, somatosensory stimulation units.
• Es ermöglicht eine variable Dauer und Kombinierbarkeit der Feedback - Trials, der Interstimulusabstände und der Pausen am zentralen System.• It enables a variable duration and combinability of the feedback trials, the interstimulus distances and the pauses on the central 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.• The choice of different signal processing methods or parameters for the same channel or for different channels and their simultaneous display to optimize the feedback protocol on the central 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.• The use of adaptive recursive estimates as the basis for the continuous online control of the feedback. »It includes multimedia feedback modules that are individual by choice or import of music, film files, images or vibrations by the trainer, if necessary, also configured by the user. The sensitivity of the feedback can also be individually adjusted.
• 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.• The control of films as feedback, such as playing the film, will only take place as long as the corresponding activity is controlled in the desired direction. Otherwise the playback is stopped.
• 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• 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
1-PC-System bei der Anwendung interner Kommunikation (z.B. DDE, TCP/TP);1-PC system when using internal communication (e.g. 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.• It enables compatibility with common polygraphic and EEG systems and thus implementation on the basis of commercially available devices and does not require any special hardware solution.
• Wahlweise ist die Anwendung von Monitor, Video-Panel, Video-Brille oder am Kopf befestigtem Display für das Feedback möglich.• A monitor, video panel, video glasses or display attached to the head can be used for feedback.
• Die Realisierung des portablen Miniatursystems kann auf der Basis von tragbarem Computer, "body-worn"-Computer, Palmtop oder Spielkonsole erfolgen.• The portable miniature system can be implemented on the basis of a portable computer, "body-worn" computer, palmtop or game console.
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.Due to the high functionality, flexibility and the possibilities for individual optimization, not only is the efficiency of neurofeedback training increased, but new treatment perspectives are opened up by designing new biofeedback protocols. Last but not least, the portable solution offers the user a cost-effective alternative that allows for date independence and thus free planning. Furthermore, by combining a central system with several portable systems, biofeedback monitoring rooms can be set up for the control of the user and thereby Personnel can be saved.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:
Figur 1 den methodischen Ablauf des erfindungsgemäßen Biofeedback- Verfahrens, Figur 2 das Ablaufschema eines Neurofeedback-Trainings,1 shows the methodical sequence of the biofeedback method according to the invention, FIG. 2 shows the sequence diagram of a neurofeedback training,
Figur 3 eine schematische Darstellung des Neurofeedbacksystems,FIG. 3 shows a schematic illustration of the neurofeedback system,
Figur 4 das Funktionsschema des Neurofeedback-Systems, undFigure 4 shows the functional diagram of the neurofeedback system, and
Figur 5 ein Blockschaltbild für eine miniaturisierte portable Einheit.Figure 5 is a block diagram for a miniaturized portable unit.
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 erfasstenAs can be seen from FIG. 1, the quantification of the EEG (QEEG), which was derived by means of long-term monitoring, forms the starting point of the method. As a result, 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. In addition to the quantities resulting from the quantification, 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. During the first biofeedback sessions, which can be described as initial, monitoring of the real signals and the feedback parameters is also carried out for all recorded
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.Channels performed. A choice of different ones Signal processing methods for one or different channels are also possible. After determining the optimal method for the user - i.e. choosing the activity, the cortical location, the calculation method, the start resolution of the feedback and the modalities of the stimulation paradigms, in the event of an evocation, either on the central system or on the home system (after porting of the corresponding modules) a certain number of training procedures are carried out. Long-term monitoring with subsequent quantification can then be carried out. The profile is continuously expanded with the newly acquired parameters. Comparisons between the state vectors can be carried out on the basis of selected statistical methods and according to predefined criteria. The result serves to assess the success of the applied neurofeedback therapy. The results of the evaluation serve to adapt the treatment method. This would mean that if an activity is not successfully controlled, it can be replaced in future therapy sessions by controlling another activity or by combining the control of different EEG parameters.
In Figur 2 ist der Ablauf eines Neurofeedbacktrainings dargestellt.FIG. 2 shows the course of neurofeedback training.
Das zentrale Biofeedback-System besteht, wie aus Figur 3 sichtbar, aus folgenden Komponenten:As can be seen in FIG. 3, the central biofeedback system consists of the following components:
Steuerung der Messungen und der Stimulation, Signalerfassung, Signalverarbeitung, Signalpräsentation, Feedback und Stimulation (optional).Control of measurements and stimulation, signal acquisition, signal processing, signal presentation, feedback and 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 dieThe use of multichannel leads in neurofeedback examinations is essential for the initial phase. This approach allows the correlation of functional and morphological findings to be viewed in a significantly improved manner. It is expected that through the
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.Taking into account the topographical peculiarities of the pathological EEG signals and through efficient online monitoring a user-specific and more effective neurofeedback therapy can be designed. Furthermore, other biological signals should be derived simultaneously. In this way, valuable conclusions about time-correlating side effects or other physiological or pathological processes can be made and taken into account in the biofeedback.
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 werdenIn order to obtain the possibility of complete information about the physiological processes taking place, polygraphic data, including e.g. the EEG, the VEOG, the HEOG, the EKG and the respiratory curve are recorded. For the derivation of the EEG
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 nachfolgendePositions of established EEG lead systems used. The derivations are carried out referentially against the connected mastoids. Other assemblies such as transverse, longitudinal and temporal are possible. The transition impedances are brought up to <3 kΩ. 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 erfolgt unter dem Einsatz einer stark reduzierten Anzahl von Elektroden, die abhängig von der Auswahl der Aktivität ist.Biofeedback training takes place using a greatly reduced number of electrodes, which depends on the choice of activity.
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 mittelsThe 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. In the first case, besides the provocation methods established in the neurological routine, numerous stimulation procedures are also required. Examples of this are the Sl-S2 paradigm, the odd-ball paradigm, visual stimulation using
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.Checkerboard or perimeter and others The demand for flexibility implies the consideration of a larger number of spontaneous and evoked parts of brain activity. In the first place, signals are selected, the experimental use of which was combined with a positive therapeutic effect as part of a neurofeedback procedure. Examples of such EEG rhythms are θ, α, ß, SMR rhythm or the combinations of these. The field of ERP includes the CNV, CPV, P300, VEP and others. Connections between different cortical locations, such as bilateral asymmetries, bilateral and local coherences, are also included. The superimposition of the relevant EEG signals with a large number of artifacts of biological and non-biological origin makes efficient preprocessing indispensable. When choosing the methods and algorithms, a compromise in terms of optimal signal quality must be made at this point due to the real-time capability.
Die Routinen der Signalverarbeitung bilden das Kernstück eines Neurofeedbacksystems. Die Resultate der Potentialauswertung werden dabei auf vier unterschiedliche Weisen genutzt:The routines of signal processing form the core of a neurofeedback system. The results of the potential evaluation are used in four different ways:
• 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;• for artifact reduction; • For presentation of results and control by the trainer or the medical-technical staff. A combination of the directly measured and the calculated size can be created and displayed;
• zur Steuerung des Feedbacks; • zur späteren off-line Auswertung der Neurofeedback-Sitzung und zum statistischen Vergleich mit den vorgehenden Sitzungen oder mit vorhandenen Durchschnittsdaten.• to control the feedback; • for later off-line evaluation of the neurofeedback session and for statistical comparison with previous sessions or with existing average data.
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:In the first three cases, only methods that are due on-line are considered, or methods in which the evaluations are based on epochs (quasi on-line). Methods of the following groups are implemented according to the calculation type:
- 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).- methods based on windows, e.g. the FFT, baseline calculation, averaging, correlations, VEOG, HEOG correction; - recursive methods such as the adaptive-recursive estimates (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 multimedialeThrough the control via the control parameter calculated from the measurement data, 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
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 inPresentation becomes perceptible to the user (e.g. acoustically, visually or audiovisually) and a change in this state, as part of the training procedure, can only be recorded and then trained using this presentation. The design of the feedback should be simple and not too complex and should be age-dependent. In the system presented here, the feedbacks are 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.In the form of high quality animations, films, pieces of music or vibrations that can be controlled via RS 323, DDE or TCP / IP. Both movement-oriented and performance-oriented types are implemented. An adaptation of the feedback resolution to the possibilities of the user (within the individual parameter range of the signal to be controlled) is possible. The files required for the control mechanism (images, music, films) can be inserted in certain formats by the trainer and, if necessary, by the user.
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.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.
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 zentralenFigure 4 explains the functional diagram of the neurofeedback system. 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
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.
Systems using two PC's and two screens or also by a PC and one or two screens. The portable unit is realized on the basis of portable computers, "body worn" computers, palm tops or game consoles. Both the common and portable system can use either common monitors, such as TFT displays, as well as special LCD glasses with integrated headphones, such as a personal LCD monitor or a "head mounted" display. The options mentioned allow additional miniaturization and mobile use of the portable solution. The diagram of such an arrangement can be seen in FIG. 5.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
QEEG Quantifiziertes EEGQEEG Quantified EEG
EEG ElektroenzephalogrammEEG electroencephalogram
EKG ElektrokardiogrammEKG electrocardiogram
BF BiofeedbackBF biofeedback
NT NeurotherapieNT neurotherapy
NF NeurofeedbackNF Neurofeedback
Sl, S2 StimulusSl, S2 stimulus
ISI InterstimulusintervallISI interstimulus interval
SCP Slow Cortical PotentialSCP Slow Cortical Potential
DSV Digitale SignalverarbeitungDSV digital signal processing
VEOG Vertikales ElektrookulogrammVEOG vertical electrooculogram
HEOG Horizontales ElektrookulogrammHEOG horizontal electrooculogram
DDE Dynamic Data ExchangeDDE Dynamic Data Exchange
EMG ElektromyogrammEMG electromyogram
FFT schnelle (fast) Fourier-TransformationFFT fast (almost) Fourier transformation
VEP Visuell evozieres PotentialVEP Visually evoked potential
ERP Ereignisbezogenes (event-related) PotentialERP event-related potential
CNV Contingent negative VariationCNV contingent negative variation
CPV Contingent positive VariationCPV contingent positive variation
TCP/IP Transmission Control Protocol over Internet ProtocolTCP / IP Transmission Control Protocol over Internet Protocol
PC Personal ComputerPC personal computer
EOG Electrookulogramm
EOG electrooculogram