WO2008025048A2 - Verfahren sowie einrichtung zur steuerung von geräten mit hilfe von elektroenzephalogrammen (eeg) bzw. elektrokortikogrammen (ecog) - Google Patents

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Manfred Hartmann
Tilmann Kluge
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Austrian Research Centers Gmbh - Arc
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection
    • 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]
    • A61B5/377—Electroencephalography [EEG] using evoked responses

Definitions

  • EEG electroencephalograms
  • EoG electrocorticograms
  • the invention relates to a method for controlling devices by means of electroencephalograms (EEG) or electrocorticograms (ECoG), comprising the generation of a number of different periodic stimuli each having a given fundamental frequency, the recording of EEG or ECoG signals and their filtering Amplification and further processing, filtered, amplified and recorded for further processing, whereby the signals of the amplifier channels are closed to a certain stimulus and thereby an action of the device is triggered, and a device for controlling devices by means of electroencephalograms (EEG) or Electro-corticograms (ECoG) comprising a stimulation unit for a number of different periodic stimuli each having a given fundamental frequency, electrodes for application to the skin or the brain surface, and a signal processing unit having a number of channels for collection, filtering , Amplification and further processing of the EEG or ECoG signals of the electrodes, wherein in the signal processing unit, a program is implemented, which closes from the signals of the amplifier channels to a specific stimulus and thereby trigger an
  • EEG electroencephalograms
  • EoG electrocorticograms
  • the so-called stimulation unit generates a number / of different stimuli S 1 Je [I, ..., I), which can be either visual, somatosensory or auditory. visual
  • stimuli may be checkerboard patterns that are cyclically inverted at different rates in the range of about 5 to 30 Hz. All stimuli are repeated periodically, with the smallest period of a stimulation sequence for any given stimulus whose most important characteristic determines the fundamental frequency f t .
  • the choice of these fundamental frequencies is limited by the refresh rate f m , which is usually 60 Hz or 75 Hz, since the
  • Stimulus fundamental frequencies f t can only be integer divisors of f m .
  • Electrodes are attached at appropriate places on the scalp, for ECoG electrodes are positioned on the brain surface.
  • the region above the occipital cortex is suitable together with a frontal reference electrode.
  • the signal processing takes place in real time and in two steps, the calculation of a set of features (feature extraction) and the evaluation of these features (feature translation).
  • the goal is to use the observed signals y n (t) to determine the stimulus most likely to be selected by the user.
  • a set of features c n ⁇ (t) is formed from the signals y n (t).
  • these features c nk (t) are different types of estimated values for the power density spectra of the recorded signals y n ⁇ t ') of a short time interval t'e] tT D , t] selected from t on in the past frequencies f k corresponding to the fundamental frequencies of the stimuli ⁇ f and a number of harmonic frequencies.
  • the results of the signal processing can be used for control tasks.
  • a computer can control a cursor, menu, or text entry program. If the user can not immediately sense the effect of the control, some form of user feedback should be generated to aid the user's attention.
  • the object of the present invention was an improvement of the method and the device described at the outset in that the decision reliability as well as the decision speed are higher than in the proposals known hitherto.
  • the method according to the invention is characterized in that the phase of the stimuli and the signal processing are synchronized.
  • the phases of c nk ⁇ t) now contain information about the selected stimulus s (t), so that their inclusion in the evaluation of the features leads to significantly higher decision reliability.
  • the phase of the stimuli is transmitted to the signal processing unit at least at certain points in time.
  • the phase of the stimuli between the times of transmission is interpolated or extrapolated.
  • the decision reliability can be optimized at any time by continuously transmitting the phase of the stimuli to the signal processing unit.
  • a phase function is generated in the signal processing unit and transmitted to the stimulation unit, the common phase of the stimuli ⁇ (i s ) corresponding to the phase of the
  • Signal processing is adjusted so that the timing of the stimuli can be influenced and controlled by the signal processing unit.
  • the number of distinguishable stimuli can be increased. For given or technically If the number of possible basic frequencies for the stimuli is limited, the number of mutually distinguishable stimuli can be multiplied by the increased number of degrees of freedom due to the phase synchronization.
  • a masking of the signals of the amplifier channels may be effected via a window function, the window function in the frequency domain zeros at all integral multiples of a basic frequency f b has all stimuli.
  • This base frequency f b 1 / T b results from the
  • Time T b the least common multiple of the basic period durations of all stimuli.
  • a device for carrying out the method described so far which is characterized in that a device for transmitting the phase information from the stimulation unit to the signal processing unit is provided. This transmission makes it possible to perform phase synchronization in the signal processing unit.
  • the phases of the features c nk ⁇ t) formed from the signals contain information about the selected one
  • a unit is implemented in the signal processing unit in which the phase of the stimulation unit is interpolated or extrapolated between the times of the transmission.
  • a device described at the outset for carrying out the method which is characterized in that a unit for generating a phase function and for its transmission to the stimulation unit is implemented in the signal processing unit, can be provided to solve the problem.
  • a masking of the signals of the amplifier channels via a window function can further be implemented in the signal processing unit, wherein the window function in the frequency domain zeros at all integer multiples of a base frequency f b of all stimuli to both a crosstalk between coefficients of different frequencies and also to increase the robustness of the coefficients against phase fluctuations.
  • the number of distinguishable stimuli can be increased in an advantageous embodiment of the device according to the invention, if the stimulation unit is designed to generate stimuli with identical fundamental frequency but distinctly different phase.
  • Hg. 1 schematically shows the basic structure and procedure for the control of devices using electroencephalograms (EEG) or Elektrokorti- kogrammen (ECoG) according to the prior art
  • Rg. 2 shows in the same type of representation, the improvement of the invention by phase synchronization
  • Figs. 3a to 3h are representations of the trajectory patterns of two features in the complex plane with and without phase synchronization.
  • the device according to the invention shown in FIG. 2 is very similar in basic structure to the conventional device shown in FIG.
  • ⁇ ⁇ t s ⁇ r-, where T b is the least common multiple of the basic period durations of all stimuli. Since the individual units of the overall device generally have different clock generators and thus do not operate with the same time bases, the time base of the stimulation unit is denoted by t s and the time base of the signal processing unit by t.
  • a phase ⁇ (t) is formed analogously to the stimulation phase ⁇ (t s ) and for the calculation of the feature functions
  • the window function w implemented in the signal processing unit masks a short time interval in the past of t for the signals y n (t), ie for ⁇ (t ') - ⁇ (t) ⁇ 0.
  • Wide windows cause stable, but slow and sluggishly changing values in c nk (t), while narrow windows allow the features to quickly follow the chosen stimuli, allowing decisions with little delay. Inappropriate selection of the window occurs as an additional disturbing effect crosstalk between coefficients of different frequencies. Since this reduces the reliability of the decision, the window is selected such that the window function is used in the frequency domain.
  • condition (2) for the windows w implies that their minimum width is 2 ⁇ . In other words, this means that the minimum width of the window corresponds to the least common multiple of the basic period durations XJf 1 of all stimuli. So if you select different frequencies for several stimuli, this condition can only be met with a very wide window, which in turn brings inertia into the system. If phase-shifted stimuli are used in a phase-locked system, condition (2) can be met with significantly shorter windows.
  • phase synchronization By means of the phase synchronization, the phases of c nk (t) now also contain information about the selected stimulus s (t), so that their inclusion in the evaluation of the features leads to significantly higher decision reliability.
  • phase synchronization also provides a significant advantage in the design of the stimuli, since the increased number of degrees of freedom multiplies the number of possible stimuli of N stimuli on the same fundamental frequency for clear distinction P hasenverschie- used 2 ⁇ l N.
  • phase synchronization allows the design and optimization of generalized stimulation sequences.
  • the display durations of a sequence of positive and negative checkerboard patterns of visual stimuli may be chosen asymmetrically or even according to a pseudorandom sequence. This opens up the possibility of optimizing stimuli for the greatest possible detection probabilities.
  • stimuli may also be any periodically repeating sequences that produce a particular pattern in the feature functions.
  • phase synchronization it is also possible to distinguish stimulus sequences in which the amount of the feature functions does not differ or only very slightly, since a distinguishable pattern is generated over the phase.
  • the stimuli do not necessarily have to be generated by a pure phase shift relative to one another in the stimulation unit, but they can be distinguished much better with the aid of the phase synchronization in the signal processing unit.
  • phase of the stimulation unit is transmitted to the signal processing unit
  • a phase function can also be generated in the signal processing unit and transmitted to the stimulation unit in the reverse manner.
  • the common phase of the stimuli ⁇ (i s ) is then adapted to the phase of the signal processing, ie, the timing of the stimuli is influenced and controlled by the signal processing unit.

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Abstract

Verfahren zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG) verwenden die Erzeugung einer Anzahl von verschiedenen periodischen Stimuli mit jeweils einer gegebenen Grundfrequenz, die Aufnahme von EEG- oder ECoG-Signalen und deren Filterung, Verstärkung und Weiterverarbeitung, gefiltert, verstärkt und für die weitere Verarbeitung aufgenommen, wobei aus den Signalen der Verstärkerkanäle auf einen bestimmten Stimulus geschlossen und dadurch eine Aktion des Gerätes ausgelöst wird. Um bei derartigen Verfahren sowohl die Entscheidungsverlässlichkeit als auch die Entscheidungsgeschwindigkeit zu verbessern, werden die Phase der Stimuli und der Signalverarbeitung synchronisiert.

Description

Verfahren sowie Einrichtung zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG), umfassend die Erzeugung einer Anzahl von verschiedenen periodischen Stimuli mit jeweils einer gegebenen Grundfrequenz, die Aufnahme von EEG- oder ECoG-Signalen und deren Filterung, Verstärkung und Weiterverarbeitung, gefiltert, verstärkt und für die weitere Verarbeitung aufgenommen, wobei aus den Signalen der Verstärkerkanäle auf einen bestimmten Stimulus geschlossen und dadurch eine Aktion des Gerätes ausgelöst wird, sowie eine Einrichtung zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG), umfassend eine Stimulationseinheit für eine Anzahl von verschiedenen periodischen Stimuli mit jeweils einer gegebenen Grundfrequenz, mit Elektroden zur Aufbringung auf die Haut oder der Gehirnoberfläche, und mit einer Signalverarbeitungseinheit mit einer Anzahl von Kanälen zur Abnahme, Filterung, Verstärkung und Weiterverarbeitung der EEG- oder ECoG- Signale der Elektroden, wobei in der Signalverarbeitungseinheit ein Programm implementiert ist, mit dem aus den Signalen der Verstärkerkanäle auf einen bestimmten Stimulus geschlossen und dadurch eine Aktion des Gerätes ausgelöst wird.
Der allgemeine Aufbau und das Prinzip von Einrichtungen zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG) ist beispielsweise in den Arbeiten von S.P. Kelly, E.C. Lalor, R.B. ReNIy and JJ. Foxe, "Visual spatial attention tracking using high-density SSVEP data for independent brain Computer communi- cation," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2005, von G.R. Müller-Putz, R. Scherer, C. Neuper, and G. Pfurtscheller, "Steady-state somatosensory evoked potentials: Suitable brain Signals for brain-computer interfaces?," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, pp. 30 - 37, vol. 14, Issue 1, March 2006, von E.C. Lalor, S.P. Kelly, C. Finucane, et al., "Steady-state VEP-based brain-computer inter- face control in an immersive 3D gaming environment," EURASIP Journal on Applied Signal Processing, pp. 3156-3164, 2005, oder von G.R. Müller-Putz, R. Scherer, C. Brauneis, and G. Pfurtscheller, "Steady-state Visual evoked potential (SSVEP)-based communication: Impact of harmonic frequency components," J. Neural Eng., pp. 123-130, Dec. 2005, beschrieben.
Die sogenannte Stimulationseinheit erzeugt eine Anzahl / von verschiedenen Stimuli S1Je [I,...,I) , die entweder visuell, somatosensorisch oder auditorisch sein können. Visuelle
Stimuli können z.B. Schachbrettmuster sein, die zyklisch mit unterschiedlichen Raten im Bereich von ca. 5 bis 30 Hz invertiert werden. Alle Stimuli wiederholen sich periodisch, wobei die kleinste Periodendauer einer Stimulationssequenz für jeden gegebenen Stimulus dessen wichtigste Kenngröße, die Grundfrequenz ft bestimmt. Werden visuelle Stimuli mit einem modernen LCD-Computermonitor erzeugt, ist die Wahl dieser Grundfrequenzen durch die Bildwiederholrate fm eingeschränkt, die üblicherweise bei 60 Hz oder 75 Hz liegt, da die
Stimulusgrundfrequenzen ft nur ganzzahlige Teiler von fm sein können.
Um eine Steueraufgabe durchführen zu können, kann nun der Benutzer durch seine Aufmerksamkeit, und insbesondere bei visuellen Stimuli durch Betrachten, zu einem Zeitpunkt t einen Stimulus auswählen, d.h., s(t) = l,...,I . Wählt er keinen der Stimuli aus, so ist s(t) = 0.
Für die Aufnahme von EEG Signalen werden an geeigneten Stellen an der Kopfhaut Elektroden angebracht, für ECoG werden Elektroden auf der Gehirnoberfläche positioniert. Im Fall visuell evozierter Potentiale eignet sich z.B. die Region über dem Okzipitalkortex zusammen mit einer frontalen Referenzelektrode. Die elektrischen Potentiale der Elektroden werden gefiltert, verstärkt und für die weitere Verarbeitung aufgenommen. Für jeden Verstärkerkanal erhält man somit ein Signal yn(t), mit dem Kanalindex n = l,...,N .
Die Signalverarbeitung erfolgt in Echtzeit und in zwei Schritten, der Berechnung eines Satzes von Merkmalen (feature extraction) und der Auswertung dieser Merkmale (feature translation). Das Ziel dabei ist, anhand der beobachteten Signale yn(t) den Stimulus zu bestimmen, der mit der höchsten Wahrscheinlichkeit vom Benutzer ausgewählt wurde. Bei der Merkmalsberechnung wird aus den Signalen yn(t) ein Satz vom Merkmalen cnΛ(t) gebildet. Bei den in der Literatur beschriebenen Methoden sind diese Merkmale cn k(t) unterschiedliche Arten von Schätzwerten für die Leistungsdichtespektren der aufgenommenen Signale yn {t') eines kurzen Zeitintervalls t'e ]t-TD,t] in der Vergangenheit von t an ausgewählten Frequenzen fk , die den Grundfrequenzen der Stimuli f{ und einer Anzahl harmonischer Frequenzen entsprechen. Diese Methoden reduzieren zwar die Dimensionalität der Merkmale für die weitere Verarbeitung, allerdings geht dabei auch entscheidende Information über die zeitliche Ausrichtung und die Kopplung der Signale yn{t) mit dem gewählten
Stimulus verloren, was sich in einer suboptimalen Detektionsverlässlichkeit auswirkt.
Anhand der Merkmale clhk(t) soll nun zu jedem Zeitpunkt t auf die vom Benutzer getroffene Wahl s(t) geschlossen werden (feature translation). Eine Auswahl von geeigneten
Methoden dafür ist z.B. in D. McFarland, C. Anderson, K.-R. Müller, A. Schlögl, and D. Kru- sienski, "BCI meeting 2005-Workshop on BCI Signal processing: Feature extraction and translation," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 14, June 2006 aufgelistet. Alternativ zur Bildung von harten Entscheidungen kann es auch sinnvoll sein, Wahrscheinlichkeitsmaße p(s(t) (t')} für alle möglichen Stimuli i zu bilden
("weiche Entscheidungen").
Die Ergebnisse der Signalverarbeitung können für Steuerungsaufgaben verwendet werden. Z.B. kann bei einem Computer ein Cursor, ein Menü oder ein Texteingabeprogramm gesteuert werden. Wenn der Benutzer den Effekt der Steuerung nicht unmittelbar erkennen kann, sollte irgendeine Form von Benutzerrückmeldung erzeugt werden, um die Aufmerksamkeit des Benutzers zu unterstützen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war eine Verbesserung des eingangs beschriebenen Verfahrens und der Einrichtung dahingehend, dass die Entscheidungsverläss- lichkeit als auch die Entscheidungsgeschwindigkeit höher als bei den bisher bekannten Vorschlägen sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Stimuli und der Signalverarbeitung synchronisiert werden. Durch die Phasensynchronisation enthalten nun auch die Phasen von cn k{t) Informationen über den gewählten Stimulus s(t) , sodass deren Einbeziehung bei der Auswertung der Merkmale zu deutlich höheren Entscheidungsverlässlichkeiten führt.
Gemäß einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Phase der Stimuli zumindest zu bestimmten Zeitpunkten zur Signalverarbeitungseinheit übertragen wird.
Vorzugsweise wird dabei die Phase der Stimuli zwischen den Zeitpunkten der Übertragung inter- bzw. extrapoliert.
Gemäß einer anderen Variante des Verfahrens kann die Entscheidungsverlässlichkeit zu jedem Zeitpunkt optimiert werden, indem die Phase der Stimuli kontinuierlich zur Signalverarbeitungseinheit übertragen wird.
Eine andere erfindungsgemäße Lösungsmöglichkeit sieht dagegen vor, dass eine Phasenfunktion in der Signalverarbeitungseinheit erzeugt und zur Stimulationseinheit übertragen wird, wobei die gemeinsame Phase der Stimuli φ(is) an die Phase der
Signalverarbeitung angepasst wird, so dass der zeitliche Ablauf der Stimuli wird durch die Signalverarbeitungseinheit beeinflusst und gesteuert werden können.
Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen ist, dass Stimuli mit identischer Grundfrequenz jedoch deutlich unterschiedlicher Phase erzeugt werden, kann die Anzahl der unterscheidbaren Stimuli erhöht werden. Bei vorgegebener oder technisch be- grenzter Anzahl möglicher Grundfrequenzen für die Stimuli lässt sich die Anzahl voneinander unterscheidbarer Stimuli durch die erhöhte Anzahl der Freiheitsgrade aufgrund der Phasensynchronisation vervielfachen.
Eine sehr deutliche Unterscheidung lässt sich dabei erzielen, wenn sich die Phasen der Stimuli um einen Betrag von 2π/ Anzahl der Stimuli zur gleichen Grundfrequenz unterscheiden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann über eine Fensterfunktion eine Maskierung der Signale der Verstärkerkanäle bewirkt werden, wobei die Fensterfunktion im Frequenzbereich Nullstellen an allen ganzzahligen Vielfachen einer Basisfrequenz f b aller Stimuli hat. Diese Basisfrequenz f b = 1 / Tb ergibt sich aus der
Zeit Tb, dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Grundperiodendauern aller Stimuli. Mit dieser Maskierung kann das Übersprechen zwischen Koeffizienten verschiedener Frequenzen verhindert und damit die Entscheidungsverlässlichkeit verbessert werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch eine Einrichtung zur Durchführung des bislang beschriebenen Verfahrens gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Einrichtung zur Übertragung der Phaseninformation von der Stimulationseinheit zur Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist. Diese Übertragung gestattet es, in der Signalverarbeitungseinheit eine Phasensynchronisation durchzuführen. Somit enthalten nun auch die Phasen der aus den Signalen gebildeten Merkmale cn k{t) Informationen über den gewählten
Stimulus s(t) , sodass deren Einbeziehung bei der Auswertung der Merkmale zu deutlich höheren Entscheidungsverlässlichkeiten führt.
Vorteilhafterweise kann dabei zusätzlich vorgesehen sein, dass in der Signalverarbeitungseinheit eine Einheit implementiert ist, in welcher die Phase der Stimulationseinheit zwischen den Zeitpunkten der Übertragung inter- bzw. extrapoliert wird.
Auch eine eingangs beschriebene Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Signalverarbeitungseinheit eine Einheit zur Erzeugung einer Phasenfunktion und zu deren Übertragung an die Stimulationseinheit implementiert ist, kann zur Lösung der Aufgabe vorgesehen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung kann weiters in der Signalverarbeitungseinheit eine Maskierung der Signale der Verstärkerkanäle über eine Fensterfunktion implementiert sein, wobei die Fensterfunktion im Frequenzbereich Nullstellen an allen ganzzahligen Vielfachen einer Basisfrequenz fb aller Stimuli hat, um sowohl ein Übersprechen zwischen Koeffizienten verschiedener Frequenzen zu verhindern und auch die Robustheit der Koeffizienten gegenüber Phasenschwankungen zu erhöhen. Die Anzahl der unterscheidbaren Stimuli kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung erhöht werden, wenn die Stimulationseinheit zur Erzeugung von Stimuli mit identischer Grundfrequenz jedoch deutlich unterschiedlicher Phase ausgelegt ist.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Hg. 1 schematisch den prinzipiellen Aufbau und Verfahrensablauf für die Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokorti- kogrammen (ECoG) gemäß dem Stand der Technik, Rg. 2 zeigt in gleicher Art der Darstellung die erfindungsgemäße Verbesserung durch Phasensynchronisation, und Fig. 3a bis 3h sind Darstellungen der Trajektorienmuster zweier Merkmale in der komplexen Ebene mit und ohne Phasensynchronisation.
Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Einrichtung ist vom grundlegenden Aufbau her sehr ähnlich der üblichen, in Fig. 1 gezeigten Einrichtung. Dabei sind, wie auch bereits bei den bekannten Verfahren, alle Stimuli zeitlich periodisch und können deshalb durch die Funktionen st (ts) = f(exp(jφ(ts))},i = l,...,I beschrieben werden, die von einer kom¬
plexen Exponentialfunktion mit linear ansteigender Phase Φ{ts ) = ^r- abhängen, wobei Tb das kleinste gemeinsame Vielfache der Grundperiodendauern aller Stimuli ist. Da die einzelnen Einheiten des Gesamtgerätes im Allgemeinen unterschiedliche Taktgeneratoren haben und somit nicht mit gleichen Zeitbasen arbeiten, wird mit ts die Zeitbasis der Stimulationseinheit und mit t die Zeitbasis der Signalverarbeitungseinheit bezeichnet. In der Signalverarbeitungseinheit wird, analog zur Stimulationsphase φ(ts ), eine Phase ψ(t) gebildet und für die Berechnung der Merkmalsfunktionen
'„,(')= J yn (t>W)-ψ(t))e JkW) dt' (D
verwendet. Hierbei maskiert die in der Signalverarbeitungseinheit implementierte Fensterfunktion w für die Signale yn (t) ein kurzes Zeitintervall in der Vergangenheit von t, d.h., für ψ(t')-ψ(t) ≤ 0. Breite Fenster bewirken stabile, aber sich langsam und träge verändernde Werte in cn k(t) , schmale Fenster hingegen lassen die Merkmale rasch den gewählten Stimuli nachfolgen und ermöglichen somit Entscheidungen mit geringen Verzögerungen. Bei ungeeigneter Wahl des Fensters tritt als zusätzlich störender Effekt Übersprechen zwischen Koeffizienten verschiedener Frequenzen auf. Da dies die Entscheidungsver- lässlichkeit verringert, wird das Fenster so gewählt, daß die Fensterfunktion im Frequenzbe- reich Nullstellen an allen ganzzahligen Vielfachen einer Basisfrequenz fb aller Stimuli hat. Die Basisfrequenz f b = 1 / Tb ergibt sich aus der Zeit Tb , dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Grundperiodendauern aller Stimuli. Dies ist äquivalent dazu, dass die Bedingung
!>(^-2/zrn) ≡ l (2)
erfüllt ist. Unter dieser Bedingung ist die Orthogonalitätsbedingung
£° [a sin(2πlfbt) + b cos(2πlfbt)] w(2πfbt - θ) exp(-j2πkfbt) dt = δk l für alle a,b,θ(= Ω , k,le Ω und mit der Dirac'schen Deltafunktion 4,ι erfüllt, d.h., cnΛ(t) in (1) ist unabhängig von den Frequenzanteilen If b
Figure imgf000008_0001
. D.h., dass von jeder angeregten Frequenz in yn (t) nur genau ein Merkmal cn lc(t) abhängig ist, das von allen anderen beteiligten Frequenzen unabhängig ist. Wird die Fensterfunktion w für einen raschen spektralen Abfall entworfen, also z.B. in Form eines raised cosine window, so bringt dies zusätzlich zur verbesserten Entscheidungsverlässlichkeit den Vorteil einer erhöhten Robustheit der Koeffizienten gegenüber Phasenschwankungen der neuronalen Antworten in den EEG/ECoG Signalen bzw. Abweichungen und Ungenauigkeiten bei der Phasensynchronisation („Jftte/*). Zu beachten ist weiters, dass die Bedingung (2) für die Fenster w impliziert, dass deren minimale Breite 2π ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Mindestbreite des Fensters dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Grundperiodendauern XJf1 aller Stimuli entspricht. Wählt man also für mehrere Stimuli lauter verschiedene Frequenzen, kann diese Bedingung nur mit einem sehr breiten Fenster eingehalten werden, was wiederum Trägheit in das System bringt. Verwendet man bei einem phasensynchronisierten System phasenverschobene Stimuli, so kann die Bedingung (2) mit deutlich kürzeren Fenstern eingehalten werden.
Die Beträge der komplexwertigen Funktionen ψ(i) sind, ähnlich wie bei schon bekannten Methoden, auch hier Maße für die Leistungsdichtespektren der Signale yn(t) bei den Frequenzen fk =γ- . Berechnet man also den Betrag von cn>k(i) in (1) mit einer lokal in der Signalverarbeitungseinheit erzeugten Phasenfunktion 1//(O = 2^f- und einem rechteckigen
Fenster w beliebiger Länge, so ist dies äquivalent zu bereits in der Literatur bekannten Methoden basierend auf diskreten Fourier-Transformationen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, auch die Phasen der Merkmale cn k(t) sinnvoll nutzen zu können. Dazu wird die Phase ψ(t) mit der Phase φ(ts) synchronisiert, anstatt von der lokalen Zeitbasis t abgeleitet zu werden, so dass die Phasenfunktionen φ(ts) in der Stimulationseinheit und ψ(i) in der Signalverarbeitungseinheit zu jedem Zeitpunkt gleich sind. Wenn sich t und ts voneinander um die unbekannte Abweichung At(t) unterscheiden, d.h. ts(t) = t+At(t) , muss also ψ(t) = φ(ts(t)) = φ(t+At(t)) sein.
Technisch effizient realisiert wird dies durch direkte Übertragung der Stimulationsphase φ(ts) vorzugsweise in kurzen zeitlichen Abständen von der Stimulationseinheit zur
Signalverarbeitungseinheit und vorteilhafterweise anschließende Interpolation bzw. Extrapolation der fehlenden Werte.
Durch die Phasensynchronisation enthalten nun auch die Phasen von cn k(t) Informationen über den gewählten Stimulus s(t) , sodass deren Einbeziehung bei der Auswertung der Merkmale zu deutlich höheren Entscheidungsverlässlichkeiten führt.
Die vorteilhaften Auswirkungen der erfindungsgemäßen Phasensynchronisation werden nachfolgend in Zusammenhang mit den Rg. 3a bis 3h erläutert.
In Abbildung 3a und 3b sind die Trajektorien zweier Merkmalsfunktionen (1) für zwei Stimuli unterschiedlicher Frequenzen in der komplexen Ebene beispielhaft dargestellt. Der Betrag der Merkmalsfunktion, die mit dem gewählten Stimulus korrespondiert, hat jeweils einen größeren Betrag, die Phase beinhaltet jedoch keine brauchbare Information.
In Abbildung 3c und 3d sieht man die Trajektorien der Merkmale unter den selben Bedingungen wie in 3a und 3b, wobei jedoch die Phase ψ(t) in (1) mit φ(ts) synchronisiert ist. Durch die Einführung der Phasensynchronisation lassen sich nun auch Stimuli unterscheiden, die sich ausschließlich durch ihre Phasenlage voneinander unterscheiden. Z.B. können drei Stimuli mit den Sequenzen S1(Y) = , s2(t) =
Figure imgf000009_0002
Figure imgf000009_0001
und s3(t) = f(exp(jφ(ts) -2π/3fj anhand der Phasenunterschiede in cnΛ(t) voneinander unterschieden werden. Bei vorgegebener oder technisch begrenzter Anzahl möglicher Grundfrequenzen für die Stimuli lässt sich somit die Anzahl voneinander unterscheidbarer Stimuli vervielfachen. In Abbildung 3c bis 3h sieht man die deutlich unterscheidbaren Trajektorien- muster für sechs verschiedene Stimuli auf zwei Frequenzen und mit drei Phasenlagen. Ohne Phasensynchronisation würde man in den Fällen 3c, 3e und 3g dasselbe Muster wie in 3a erhalten, und in den Fällen 3d, 3f und 3h dasselbe Muster wie in 3b. Zusätzlich zur deutlich verbesserten Detektionsverlässlichkeit der Stimuli bringt die Phasensynchronisation also auch einen signifikanten Vorteil beim Entwurf der Stimuli, da die erhöhte Anzahl der Freiheitsgrade die Anzahl möglicher Stimuli vervielfacht. Vorteilhafterweise werden bei einer Anzahl von N Stimuli auf ein und derselben Grundfrequenz zur deutlichen Unterscheidung Phasenverschie- bungen von 2πl N verwendet.
Weiters ermöglicht die Phasensynchronisation den Entwurf und die Optimierung verallgemeinerter Stimulationssequenzen. Z.B. können die Anzeigedauern einer Abfolge von positiven und negativen Schachbrettmustern visueller Stimuli asymmetrisch oder sogar entsprechend einer Pseudozufallsfolge gewählt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit der Optimierung von Stimuli für größtmögliche Detektionswahrscheinlichkeiten. So können Stimuli auch irgendwelche sich periodisch wiederholenden Sequenzen sein, die ein bestimmtes Muster bei den Merkmalsfunktionen erzeugen. Mit Phasensynchronisation können auch Stimulussequenzen unterschieden werden, bei denen sich der Betrag der Merkmalsfunktionen nicht oder nur sehr geringfügig unterscheiden, da über die Phase ein unterscheidbares Muster erzeugt wird. Die Stimuli müssen aber nicht unbedingt durch reine Phasenverschiebung zueinander in der Stimulationseinheit erzeugt werden, können aber mit Hilfe der Phasensynchronisation in der Signalverarbeitungseinheit deutlich besser unterschieden werden.
Alternativ zum beschriebenen Verfahren für die Phasensynchronisation, in dem die Phase der Stimulationseinheit zur Signalverarbeitungseinheit übertragen wird, kann auch in umgekehrter Weise eine Phasenfunktion in der Signalverarbeitungseinheit erzeugt und zur Stimulationseinheit übertragen werden. Die gemeinsame Phase der Stimuli φ(is) wird dann an die Phase der Signalverarbeitung angepasst, d.h., der zeitliche Ablauf der Stimuli wird durch die Signalverarbeitungseinheit beeinflusst und gesteuert.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG), umfassend die Erzeugung einer Anzahl von verschiedenen periodischen Stimuli mit jeweils einer gegebenen Grundfrequenz, die Aufnahme von EEG- oder ECoG-Signalen und deren Filterung, Verstärkung und Weiterverarbeitung, gefiltert, verstärkt und für die weitere Verarbeitung aufgenommen, wobei aus den Signalen der Verstärkerkanäle auf einen bestimmten Stimulus geschlossen und dadurch eine Aktion des Gerätes ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Stimuli und der Signalverarbeitung synchronisiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Stimuli zumindest zu bestimmten Zeitpunkten zur Signalverarbeitungseinheit übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Stimuli zwischen den Zeitpunkten der Übertragung inter- bzw. extrapoliert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der Stimuli kontinuierlich zur Signalverarbeitungseinheit übertragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenfunktion in der Signalverarbeitungseinheit erzeugt und zur Stimulationseinheit übertragen wird, wobei die gemeinsame Phase der Stimuli $ts) an die Phase ψ{\ ) der
Signalverarbeitung angepasst wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Stimuli mit identischer Grundfrequenz jedoch deutlich unterschiedlicher Phase erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Phasen der Stimuli um einen Betrag von 2πl Anzahl der Stimuli zur gleichen Grundfrequenz unterscheiden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Fensterfunktion eine Maskierung der Signale der Verstärkerkanäle bewirkt wird, wobei die Fensterfunktion im Frequenzbereich Nullstellen an allen ganzzahligen Vielfachen einer Basisfrequenz fb aller Stimuli hat.
9. Einrichtung zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG), umfassend eine Stimulationseinheit für eine Anzahl von verschiedenen periodischen Stimuli mit jeweils einer gegebenen Grundfrequenz, mit Elektroden zur Aufbringung auf die Haut oder der Gehirnoberfläche, und mit einer Signalverarbeitungseinheit mit einer Anzahl von Kanälen zur Abnahme, Filterung, Verstärkung und Weiterverarbeitung der EEG- oder ECoG-Signale der Elektroden, wobei in der Signalverarbeitungseinheit ein Programm implementiert ist, mit dem aus den Signalen der Verstärkerkanäle auf einen bestimmten Stimulus geschlossen und dadurch eine Aktion des Gerätes ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Übertragung der Phaseninformation von der Stimulationseinheit zur Signalverarbeitungseinheit zumindest zu bestimmten Zeitpunkten vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Signalverarbeitungseinheit eine Einheit implementiert ist, in welcher die Phase der Stimulationseinheit zwischen den Zeitpunkten der Übertragung inter- bzw. extrapoliert wird.
11. Einrichtung zur Steuerung von Geräten mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG) bzw. Elektrokortikogrammen (ECoG), umfassend eine Stimulationseinheit für eine Anzahl von verschiedenen periodischen Stimuli mit jeweils einer gegebenen Grundfrequenz, mit Elektroden zur Aufbringung auf die Haut oder der Gehirnoberfläche, und mit einer Signalverarbeitungseinheit mit einer Anzahl von Kanälen zur Abnahme, Filterung, Verstärkung und Weiterverarbeitung der EEG- oder ECoG-Signale der Elektroden, wobei in der Signalverarbeitungseinheit ein Programm implementiert ist, mit dem aus den Signalen der Verstärkerkanäle auf einen bestimmten Stimulus geschlossen und dadurch eine Aktion des Gerätes ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Signalverarbeitungseinheit eine Einheit zur Erzeugung einer Phasenfunktion und zu deren Übertragung an die Stimulationseinheit implementiert ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Signalverarbeitungseinheit eine Maskierung der Signale der Verstärkerkanäle über eine Fensterfunktion implementiert ist, wobei die Fensterfunktion im Frequenzbereich Nullstellen an allen ganzzahligen Vielfachen einer Basisfrequenz fb aller Stimuli hat.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationseinheit zur Erzeugung von Stimuli mit identischer Grundfrequenz jedoch deutlich unterschiedlicher Phase ausgelegt ist.
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