WO2021240469A1 - Technisches gerät und verfahren zur erzeugung, erfassung und identifikation charakteristischer muster in physiologischen und pathologischen daten - Google Patents

Technisches gerät und verfahren zur erzeugung, erfassung und identifikation charakteristischer muster in physiologischen und pathologischen daten Download PDF

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Definitions

  • the invention is concerned with a device that represents an optimal test environment in order to generate and record reproducible data by means of experiments, and with a method that controls the workflow of the experiments and classifies the resulting data.
  • the device and method are to be understood here as closely linked parts of an overall system.
  • the special structure of the technical device creates environmental conditions which are a prerequisite for the successful implementation of experiments that are used to generate test data. These arise from the reactions of test persons to the steps specified by the procedure.
  • the data recorded by the device are further processed and characterized by the method.
  • Electroencephalography is a measurement method that registers the differences in the electrical field potentials emanating from the brain, or more precisely the potential fluctuations of the dendritic synapses of neural groups located particularly close to the surface (excitatory and inhibitory potentials). It is a painless and harmless examination for the test subject that can be repeated as often as desired.
  • the EEG plays an important role in the overall system of the invention.
  • a device that is easy to use and a method that serves as a "Covidl9 early warning system” would be desirable.
  • the invention makes use of the knowledge that physiological and pathological influences on the generation of potential lead to changes in the electroencephalogram (EEG).
  • EEG electroencephalogram
  • Different degrees of alertness change the typical appearance of an EEG, recognizable in the changed basic frequency pattern.
  • muscle activity or increased perspiration can trigger artifacts and conduction disorders.
  • pharmaceuticals structural changes in the cortex as a result of masses or inflammatory processes as well as changed metabolic conditions and intoxications play a causative role for EEG changes.
  • An attachment for a person's head is proposed; the attachment is coupled to a first control unit.
  • electrodes are provided on the attachment to record brain waves or brain potentials. The EEG electrodes lead to the first control unit.
  • the first control unit has a microprocessor which is able to record signals from the electrodes or from the electrodes in a time-related manner via an AD converter.
  • the first control unit is coupled to an actuator or controls it, which is able to release a fragrance in pulses from at least one pressurized cartridge as a stimulus in a flow.
  • the signals at the electrodes have a level of EEG signals in order to record and evaluate a group of chemosensory-induced potentials or at least their chemosensory-influenced temporal segments.
  • the electrodes are those that are used when tapping EEG signals, which describes their shape and structure. This is preferably not done on the human head, so as an attachment it is not a diagnostic method on the human body, but is already a product for use in such a method.
  • an attachment is coupled to a control unit, virtual glasses and headphones. It has electrodes for recording brain waves or brain potentials, which electrodes (via a conductive coupling) lead to the first control unit.
  • the first control unit has a microprocessor which is able to record signals from the electrodes or from the electrodes in a time-related manner via an AD converter.
  • the first control unit is coupled to an actuator which releases a humidified air flow from a pressurized first cartridge and is able to feed a pulsed fragrance as a stimulus into the air flow separately.
  • the signals of the electrodes have a level of EEG signals, or, conversely, the electrodes are adapted to record such signals in order to record a group of chemosensory-induced potentials or at least their chemosensory-influenced time segments. They can preferably not be evaluated on the human head.
  • the most frequently used method of EEG recording is a unipolar reference recording with surface adhesive electrodes placed on the scalp in a 10/20 distribution.
  • a distance between adjacent electrode points is in each case 10 or 20% of the total length of an imaginary line from nasion to inion and between the two preauricular points (cf. FIG. 2).
  • the respective point spacings are therefore dependent on the individual head length.
  • the positions on the head surface provide the corresponding designations for the electrodes; frontopolar (Fp), frontal (F), temporal (T), central (C), parietal (P) and occipital (O).
  • the corresponding earlobe electrodes (A1 and A2) serve as reference points for the derivation - two grounding electrodes, attached to both sides of the mastoid - to avoid interference hum.
  • the invention makes use of the knowledge that the choice of the triggering agent / stimulus is of crucial importance for generating chemosensory potentials. It allows the received signal to be differentiated and interpreted.
  • a substance that stimulates the olfactory system in a purely targeted manner such as H2S or PEA, is used.
  • the trigeminal system can be specifically excited with C0.
  • a device whose development began as early as 1888 by the Dutch physiologist Hendrik Zwaardemaker can be used to generate chemosensory stimuli in a manner that can be standardized.
  • the first measuring systems appeared on the market, which are now called "olfactometers”. This aid offers the possibility of embedding a sensory stimulus in a constant, humidified and temperature-controlled air stream. It is therefore technically possible in time windows of less than 20ms to flood an odorous substance and let it flow away.
  • Interstimulation intervals of 30 to 45 seconds are considered to be the ideal intervals between the stimuli.
  • the air flow required for the presentation should have a flow rate of 7 to 8 l / min and, because of the accompanying sensory innervation to be prevented and for better standardization, a humidity of 70% to 80% and a temperature of 36 ° C to 38 ° C .
  • the entire device or the control unit is controlled via a PC.
  • test conditions are standardized.
  • a camera can be installed both to check the general status of the test subject and to detect physical abnormalities at an early stage and, for example, to check the location of the nosepiece. Over the entire period, the examiner can monitor using an additional monitor.
  • a curtain placed between the test apparatus and the test person is used for optical stimulus shielding and spatial separation.
  • acoustic influences such as B. the clicking of the olfactometer valves during the impulses or background noise in the room, the Test persons were played a so-called "white noise" with a volume of at least 80 dB via headphones.
  • the monitor can be positioned at eye level and at a distance of about 2 m from the seated test person.
  • This "tracking task” unit fulfills several functions. Accelerated and sudden eye movements are the main cause of artifacts in the EEG leads. As a result of the slow movement of the targeted object, both keeping the eyes open and gaze stabilization is achieved Attention of the test person is normalized by turning to what is happening and the necessary minimal ability to influence the simple course of the game.
  • FIG. 1 is an example of the influence of a viral disease on the olfactory organ.
  • FIG. 2 are reference derivatives in 10/20 distribution on the essay.
  • FIG. 3 is an example of virtual glasses.
  • FIG. 4 is a view of a possible attachment with electrodes according to FIG. 2.
  • FIG. 5 is an example of an EEG with measuring points that can be relevant for chemosensory evoked potentials.
  • FIG. 6 shows averaged EP curves (EP - evoked potentials), triggered by trigeminociceptive and olfactory stimuli, with consequential effects over the time axis.
  • FIGS. 8a and 8b show grid elements with possible positioning of the electrodes.
  • the upright diamonds represent, for example, flexible plastic elements that can be incorporated into the helmet segments at the 10/20 positions.
  • the light circles represent possible, alternative positions in which an electrode can be inserted or screwed.
  • a "suitable choice" of the position (s) depends on an individual, real head shape (of the test person). If an electrode is then inserted or screwed in so far that sufficient contact with the head surface is established, pretensioning and / or flexibility of the plastic element ensure that the contact between the electrode and the head surface is maintained permanently.
  • a cap, hood, braid or special helmet hereinafter simply: helmet, e.g. similar to a modern bicycle helmet, as an example of an attachment
  • the helmet is physically connected to a control unit or to the WEB by means of a cable or wirelessly via Bluetooth etc. - or it works offline / stand-alone, with software integrated in the helmet.
  • the helmet can be made of material that can be sterilized again at any time with little effort.
  • the material of the helmet contains electrically conductive components (e.g. wire mesh or sheet metal) to shield against external interference fields (Faraday cage).
  • the helmet is available in several sizes, compared to shoe sizes; Using prefabricated markings, electrodes etc. can be placed / attached very precisely and easily. For example, along the apex line Fz, Cz, Pz, on the two earlobes A1, A2 and at the "wink point" Fp2.
  • fragrances can be added (program-controlled) and fed to the nostril (s). It can be controlled and triggered in a similar way to eye pressure measurements, preferably with a "virtual eyeglass attachment” (see below) existing tablet or smartphone or control element / microprocessor.
  • the supply by means of air flow / fragrances can be carried out via a (possibly specially simplified / modified) olfactometer or via air / gas cartridges integrated into the helmet, which are attached to the rear, for example.
  • the cartridges are preferably three.
  • One as an air reservoir under pressure two other, smaller ones, which contain the odorous substances mentioned below, preferably two different odorous substances. They are controlled by the first control unit, which is coupled to one, preferably three functionally independent actuating elements (jointly an actuating element) or controls them.
  • One of the pressurized cartridges delivers humidified air, another a first fragrance and the other a second fragrance in the flow as a stimulus for the person.
  • Each of the flows is released by an actuator controlled by the control unit.
  • the combination of headphones + display enables ideal test environment conditions (distraction, concentration, avoidance of eye movements, instructions for the test person, ).
  • the helmet also has potentials for the earlobes, sensors for measuring body temperature, skin resistance, etc.
  • a (miniaturized) computer unit on the helmet which is integrated, for example, in the "virtual glasses attachment", for example as a tablet or smartphone; Recording of the resulting EEG signals for storage, output / display and if necessary (via cable or wireless) transmission of the results.
  • the software (in the tablet, smartphone or separate microprocessor) enables various test scenarios (sequences of test steps) to be carried out.
  • An AD converter picks up the signals and converts them to digital values for the microprocessor.
  • a sampling grid of a few msec can be programmed, or a sampling time that satisfies Shannon's theorem. With the very low-frequency signals of the EEGs, 1 msec to 5 msec are sufficient.
  • the potentials of the EEG signals at the electrodes (or for the electrodes) can be amplified by an analog amplifier before they are converted to AD.
  • the software carries out a check (of the contacts, etc.) for correctness.
  • the software controls the respective technical components (air flow, randomized fragrance flow stimuli), shows associated concentration / distraction images / movies on the display, and provides acoustic distraction.
  • the software records the resulting EEG signals (as time series), calculates transformed data if necessary (FFT etc.), extracts relevant quantities (minima, maxima, amplitudes, time spans, ...), compares threshold values, categorizes etc.
  • the software accesses reference data, such as general data on "healthy / sick reaction", but also individual data (possibly available archive data of the test person).
  • the software combines these values with the temperature values that are also recorded, etc.
  • the software carries out target / actual comparisons with regard to observed vs. referenced data and decides whether there is a positive / negative result.
  • the “virtual glasses” according to FIG. 3 and the helmet according to FIG. 4 can be provided with “appendages”. These include, for example, headphones, EEG leads, temperature sensors, cable connections between the components and, in particular, a tablet or smartphone, preferably in a glasses attachment that serves as a "miniaturized PC".
  • Figure 7 shows an overview of this.
  • the consumables phenylethyl alcohol - PEA, C0
  • the attachment for example as a helmet according to FIG. 4
  • the attachment would possibly be used for a specific person (again and again, like a blood pressure measuring device that is handy today), but it could also be easily sterilized for multiple use (for example in test centers).
  • test could be carried out in a few minutes and could therefore be carried out immediately before any public event, with the test result shown immediately - compared to today: test + delivery + laboratory + feedback, up to two days.
  • the software checks (via fingerprint, speech recognition, etc.) who the test person is and, if necessary, creates a forgery-proof test result for submission when attempting to enter an event, etc.
  • FIG. 5 An exemplary illustration of a chemosensory evoked potential (with the stimulus onset time of the stimulus application, relevant measuring points, etc.) is shown in FIG. 5.
  • the choice of the triggering agent / stimulus allows the signal obtained to be differentiated and interpreted. If a pure olfactory potential is to be obtained, a substance that stimulates the olfactory system in a purely targeted manner, such as H 2 S or PEA, can be used.
  • the trigeminal system can be specifically excited with CO 2.
  • ERP for "event-related potentials", in German for "event-related potentials”
  • OERP for olfactory and CSSERP or tERP for trigeminal ERP.
  • ERPs are classified according to several aspects: After the 10/20 positioning of the electrodes (e.g. Fz, Cz, Pz, ...) on which the signals are recorded, after the stimulus exerted (e.g. acoustic , visual, olfactory), according to the temporal sequence of negative and positive amplitude maxima starting from the stimulus time (stimulus onset), according to the time delays of these maxima (latency times), ...
  • the stimulus exerted e.g. acoustic , visual, olfactory
  • An olfactometer is used to postulate the necessary principles for the standardizable generation of chemosensory stimuli. This aid offers the possibility of embedding a sensory stimulus in a constant, humidified and tempered air flow.
  • Interstimulation intervals ISI of 30s to 45s have proven to be the ideal intervals between the stimuli.
  • the choice of the appropriate interval is determined by the requirements of the experiment on the person to be examined.
  • the air flow required for the presentation should have a flow rate of 7 to 8 l / min and, because of the accompanying sensory innervation to be prevented and for better standardization, a humidity of 70% to 80% and a temperature of 36 ° C to 38 ° C .
  • the entire experimental setup can be controlled via a PC and software developed for this purpose, which is used to define various concentrations and stimulus times as well as the correspondingly desired ISI in stimulus classes and to read them out for use.
  • the PC also combines the registration of the signals recorded by the EEG amplifier units. They are saved on the PC and evaluated by extended programs.
  • the functionally visible hood according to Figure 4 or Figure 7 with the associated components can also be portable, detached from the experimental set-up.
  • Phenylethyl alcohol (2-phenylethanol, C8H10O, PEA) is a colorless, liquid and light-sensitive chemical compound from the group of alcohols. It occurs naturally in essential oils of hyacinths, peonies, geraniums and numerous other flowers. It can be synthetically produced and is used as a raw material for "sweet" floral fragrances. This substance is considered to be one of the few purely olfactory stimulating substances and is therefore particularly suitable for the given question.
  • C0 carbon dioxide
  • C0 carbon dioxide
  • FIG. 1 A representation of a chemosensory evoked potential is shown in FIG.
  • the stimulus onset time of the stimulus application is shown with the vertical arrow; possible, but not only mandatory, measurement points are shown.
  • Electrodes on the earlobes and the grounding electrodes on both sides of the mastoid were provided as unipolar reference points.
  • the nosepiece in the example a Teflon tube with a plastic cap and a diameter of 2mm
  • the nosepiece should be about 1.5cm in the vestibule.
  • the headphones were used to shield the noise that was already mentioned.
  • PI should be approximately 200 ms to 250 ms, NI in a time window of 200 ms to 700 ms and P2 between 300 ms and 800 ms after the start of the stimulus. In the case of tERP provoked by trigeminal stimulation, these times are about 50 ms shifted to the left on the time axis (references 2, 3).
  • FIG. 7 shows technical components of the attachment, not all of which are required together for every application.
  • the "olfactory components" can also be missing.
  • a basic component is similar to a modern bicycle helmet, which can have a weight of less than 200 g. Provided with appropriate, possibly adjustable support surfaces, it is very comfortable to wear.
  • Several structural variants are possible: closed, lattice-shaped, etc., with a latticed structure not only being light but also ensuring good ventilation and also facilitating any necessary or desired manual readjustment.
  • a helmet has an advantage: It is relatively easy to manufacture different variants according to a fine head size grid, and besides that, individual helmets can also be manufactured, for example using injection molding or BD printing, so that a "personal helmet” arises as an attachment, comparable to a “foamed personal ski boot”.
  • Such disruptive influences can be warded off by incorporating electrically conductive materials into suitably designed helmet structures (for example as a closed or honeycomb-shaped shell).
  • the helmet acts as a Faraday cage.
  • the arrangement of the electrodes on or in the helmet can correspond to a standard grid, but it can also be based on the individual head shape of the user, as already mentioned above when designing different shapes of the helmet.
  • FIG. 8a / b show two examples of such segments.
  • the electrode positions can occupy an ellipsoidal electrode grid or a circular electrode grid, as visualized in FIG. 8a (ellipsoid) and FIG. 8b (circular).
  • the electrodes used should have mechanical and electrical contact with the scalp that is as permanently stable as possible (for the measurement).
  • the electrode holder and the region immediately surrounding it can be designed to be flexible and thus have a pretension, like the grid elements sketched in FIGS. 8a / b. In this way, a permanent, but to a certain extent still flexible, contact between the electrode and the scalp can be achieved without a strong sensation of pressure occurring.
  • the electrodes are connected to the shielded cables in the helmet and thus also components in the Faraday cage.
  • One of the most frequently used is a "minimum equipment", which contains the electrodes Fz, Cz and Pz, which are placed in the middle / crown area of the helmet.
  • minimum equipment contains the electrodes Fz, Cz and Pz, which are placed in the middle / crown area of the helmet.
  • Further sensors can be incorporated in the helmet segments, for example a temperature sensor for checking or monitoring the test subject.
  • a chip, a smart card, a USB stick or the like can also be attached to one of the helmet segments (by plugging or gluing), with which the EEG signals can be recorded, stored and also passed on immediately.
  • the minimal version is particularly suitable for recording sleep EEGs, since in these cases additional accessories would be more of a problem, or also with resting EEGs.
  • the modular system can be supplemented with further components.
  • Headphones can fulfill several functions:
  • instructions for example on the course of the session, can be conveyed simply (and again undisturbed) via headphones, the test subject can be given a calming effect if necessary (nervousness, fear), etc.
  • the headphones are integrated into the helmet or (via a plug / click system) they are easy to attach and take away again.
  • the necessary cabling is also carried out here by means of shielded cables to or in the helmet body.
  • a "pair of glasses” can contain different components in different combinations ...
  • visual stimuli of any complexity can be generated.
  • external devices PCs, screens, stroboscopes, etc.
  • the display of the device belonging to the patient can also be used, on the one hand, to convey visual stimuli, on the other hand, for optical information, to maintain vigilance, for entertainment, and distraction, very individually , Etc.
  • a tablet T can also be used as a central control and monitoring unit. This means that the complete intelligence of the system is integrated on site.
  • the system becomes self-sufficient from other external components.
  • the smartphone can, protected against unauthorized access, save historical data of its owner from previous EEG examinations and compare this directly with the currently newly recorded data and draw valid diagnostic conclusions from it.
  • an EEG-BrainPrint as soon as it has been created once certified, can serve as a personal, forgery-proof ID and can be used together with a currently recorded EEG test result for a verified attestation.
  • the glasses more precisely, the complete glasses attachment, can be coated with shielding materials.
  • a pane of transparent EMC glass which is located between the devices and the wearer's field of vision, is also used for this purpose.
  • Further sensors can also be integrated in the glasses attachment, for example for the registration of eye movements which play a major role in the creation of artefacts in EEG recordings.
  • Cartridges (cartridges / containers), which are fixed to the back of the attachment and can be exchanged if necessary, are available in various designs. They contain the odorous substances used that trigger olfactory stimuli, for example H 2 S and / or PEA, and, if desired as a "control substance", also CO 2.
  • the constant air flow is supported by compressed air, which is located in another cartridge , or if required it can also be generated by an air flow that is supplied via a hose connection from a fan or blower.
  • Fragrances and air are mixed and get into air / fragrance feeds LDZ, which run in or on the (side) helmet segments and open into the nostrils.
  • the central control unit regulates the temporal and quantitative proportions of the odorous substances via actuators Ai, e.g. in the form of solenoid valves, which are also attached to the helmet.
  • the cartridges, air / fragrance feeds, actuators etc. including their cabling are designed and installed in such a way that they do not interfere with the EEG recording.
  • potential electromagnetic influences are countered by shielding materials, and mechanical noises, e.g. B. Closing noises from solenoid valves are muted or played over by the headphones.
  • the system is a construction kit from which the necessary components are put together depending on the planned EEG application, for example by easily detachable plug, screw, click or magnet connections.
  • the construction kit is not only a technical device, it also consists of a method for generating, recording and identifying characteristic patterns in physiological and pathological data. This is explained below using fictitious EEG scenarios.
  • a helmet that fits the person is determined. If it is a first-time use, a helmet is selected according to the size of the head or hat. Then the electrode positions are set, checked and, if necessary, adjusted according to a standardized system. If the electrode positions have already been saved as a "head print" during an earlier application, these settings can be made again immediately. If the test subject has an individual helmet, the adjustment steps are not necessary.
  • a software component - which is either integrated in the helmet chip, accessed via an interface (wired or wireless) or installed, for example, as an app on the smartphone - can control the positions of the electrodes as well as check the quality of the received EEG signals. Any necessary readjustments of the electrodes can be carried out easily or even by hand due to the easy accessibility.
  • the measurement of a resting EEG, a sleep EEG or a mobile EEG does not require any other components apart from the helmet.
  • the captured EEG signals are stored on the helmet chip, transferred to an external storage medium (laptop, PC, etc.) via an interface or stored internally (on tablet or smartphone).
  • An analysis or further processing can take place parallel to the acquisition (externally on a laptop, PC, etc., internally on a tablet or smartphone) or else with a time delay at any later point in time.
  • the software packages also offer a wide range of special processing methods suitable for EEG analyzes, (standard) averaging methods; Time-Frequency Analysis (TFA), with Fourier / Wavelet Transforms; Artifact rejection; Blind Source Separation (BSS); Spatial-temporal filtering; Independent Component Analysis (ICA); Etc.
  • TAA Time-Frequency Analysis
  • BSS Blind Source Separation
  • ICA Independent Component Analysis
  • Etc Etc.
  • These processing methods include, in particular, the frequency-amplitude methods.
  • the acoustic stimuli can be generated via a helmet chip, controlled externally by a laptop, PC, etc., or triggered internally by the integrated tablet or smartphone. The above also applies to the analysis of the resulting EEG data.
  • the time-frequency-amplitude methods are also selected here. These provide visually clearly interpretable results, for example in comparative examinations of schizophrenia patients.
  • Glasses virtual glasses, VR glasses, smartphone glasses, Certainly that are fixed to the front of the helmet can add another component to the system.
  • a tablet, display or plug-in Smartphone With a tablet, display or plug-in Smartphone becomes the “glasses” to the central control unit of the system and fulfills several functions. It shields the subject against external environmental influences, it also enables the necessary information to be communicated "in writing", it can be used to entertain a test person to maintain vigilance with a video game, for example - and it can present visual stimuli in order to carry out EEG examinations based on them to be able to.
  • the “glasses” or the smartphone by means of appropriate software (apps), enable the control and monitoring of the entire course of an EEG process, in which other components are also involved can, and in particular also manage the recording, evaluation and archiving of the test results.
  • EEG sessions in which the reactions of the test persons to olfactory stimuli are examined, are the most complex with regard to the required device components and the processes to be controlled, compared to the other methods already presented.
  • the system can be supplied with the air flow and the fragrances via a (specially simplified, i.e. modified) olfactometer or via air / gas cartridges integrated into the helmet, which are attached, for example, to the back, and so among others. also act as a physical "counterbalance" to the glasses.
  • a (specially simplified, i.e. modified) olfactometer or via air / gas cartridges integrated into the helmet, which are attached, for example, to the back, and so among others. also act as a physical "counterbalance" to the glasses.
  • the cartridges are addressed by a (technical) control unit T via functionally independent actuators A1 (including actuators) which are also integrated in or on the attachment.
  • A1 including actuators
  • One of the pressurized cartridges supplies humidified air, another releases a first scent and the other releases a second scent into the flow as a stimulus for the person to be examined.
  • Each of the flows is released by a respective actuator, generally controlled by the control unit, which, as hardware or software, can be a component of the glasses.
  • This control unit can play a key role in the implementation of EEG examinations with olfactory stimuli. It follows the course of the odor test, it controls or triggers the air or fragrance flows, it records the resulting EEG signals, it saves them internally or transmits them wirelessly or via cable to an external medium.
  • Another software component makes use of this (technical) control unit when executing various test scenarios (sequences of test steps) and when analyzing the resulting EEG signals.
  • EEG electroencephalogram
  • EOG electroolfactogram
  • OEPs olfactory evoked potentials
  • the EEG as an electrical correlate of cortical brain activity can be derived directly from the skull surface in humans.
  • Electroencephalography as a relatively simple way of recording bioelectrical potential fluctuations in the human brain enables a multitude of diagnostic applications in the clinical field, for example for epilepsy diagnostics, for characterizing various stages of sleep and anesthesia, for diagnosing pathological cerebral changes, etc. registered extracellularly.
  • the activities of deeper brain structures are only included in the EEG to the extent that they influence the neuronal function of the cortex.
  • the potential fluctuations derived from the scalp are mainly due to the influence of summed up near-surface postsynaptic potentials on the extracellular space.
  • the recorded EEG has a wave-like character with amplitudes between 5 pV and 100 pV and its curve shape strongly depends on the location of the lead electrode.
  • CSERP Chemosensory event-related potentials
  • electro-olfactograms exhibit a smaller degree of desensitization compared with subjective intensity estimates.

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Abstract

Wünschenswert wären ein einfach handhabbares Gerät und ein Verfahren, das als Frühwarnsystem dient. Das Gerät sollte an nahezu jedem Ort einsetzbar, mit geringen Kenntnissen bedienbar, sterilisierbar, ressourcenschonend und kostengünstig sein. Gelöst wird das wie folgt... Ein Aufsatz für den Kopf einer Person, der Aufsatz gekoppelt mit einer ersten Steuereinheit (T), und mit Elektroden (E1 bis E4) zur Aufnahme von Hirnströmen oder Hirnpotenzialen, welche Elektroden zu der ersten Steuereinheit (T) führen. Die erste Steuereinheit (T) hat einen Mikroprozessor, der Signale aus den oder von den Elektroden (E1 bis E4) über einen AD-Wandler zeitbezogen aufzuzeichnen vermag. Die erste Steuereinheit (T) ist an ein Stellorgan (A1) gekoppelt oder steuert dieses an, welches aus zumindest einer unter Druck stehenden Kartusche (K1) einen Duftstoff als Stimulus in einer Strömung pulsweise freizugeben in der Lage ist (LDZ1). Die Signale der Elektroden (E1 bis E4) haben einen Pegel von EEG-Signalen, um eine Gruppe von chemosensorisch verursachten Potenzialen oder zumindest deren chemosensorisch beeinflussten zeitlichen Abschnitte zeitbezogen aufzuzeichnen (Fig. 5, Fig. 6) und - bevorzugt nicht am menschlichen Kopf - auszuwerten.

Description

Technisches Geraet und Verfahren zur Erzeugung, Erfassung und Identifikation charakteristischer Muster in physiologischen und pathologischen Daten
[01] Die Erfindung befasst sich mit einem Gerät, das eine optimale Versuchsumgebung darstellt, um reproduzierbare Daten mittels Experimenten zu erzeugen und zu erfassen, und mit einem Verfahren, das den Workflow der Experimente steuert und die resultierenden Daten klassifiziert.
[02] Gerät und Verfahren sind hier als eng verknüpfte Teile eines Gesamtsystems zu verstehen. Durch den speziellen Aufbau des technischen Gerätes werden Umgebungsbedingungen geschaffen, welche Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung von Experimenten sind, die der Erzeugung von Versuchsdaten dienen. Diese entstehen aus den Reaktionen von Probanden auf die vom Verfahren vorgegebenen Schritte. Die vom Gerät erfassten Daten werden durch das Verfahren weiterverarbeitet und charakterisiert.
[03] Die Elektroenzephalographie (EEG) registriert als Messmethode die Differenzen der vom Gehirn ausgehenden elektrischen Feldpotenziale, genaugenommen der Potentialschwankungen der dendritischen Synapsen von besonders oberflächennah gelegenen Neuronenverbänden (exzitatorische und inhibitorische Potenziale). Es ist eine für den Probanden schmerzlose und unschädliche Untersuchung, die beliebig oft wiederholt werden kann. Die EEG spielt im Gesamtsystem der Erfindung eine bedeutende Rolle.
[04] Wünschenswert wären ein einfach handhabbares Gerät und ein Verfahren, das als „Covidl9-Frühwarnsystem" dient. Das Gerät sollte an nahezu jedem Ort einsetzbar, mit geringen Kenntnissen bedienbar, sterilisierbar, ressourcenschonend, kostengünstig etc. sein.
[05] Anspruch 1, 20 oder 22 oder 23 oder auch 24 lösen das Problem. Die abhängigen Ansprüche geben unverbindliche, indes vorteilhafte Optionen an.
[06] Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass physiologische und pathologische Einflüsse auf die Potentialgenerierung zu Veränderungen in dem Elektroenzephalogramm (EEG) führen. Unterschiedliche Wachheitsgrade ändern das typische Erscheinungsbild eines EEG, erkennbar in den veränderten Grundfrequenzmustern. Daneben können Muskelaktivität oder erhöhte Schweißbildung Artefakte und Überleitungsstörungen auslösen. Im klinischen Alltag spielen für EEG-Veränderungen beispielsweise Pharmaka, strukturelle Cortexveränderungen infolge von Raumforderungen oder entzündlichen Prozessen sowie veränderte Stoffwechselbedingungen und Intoxikationen eine ursächliche Rolle. l [07] Vorgeschlagen wird ein Aufsatz für den Kopf einer Person, der Aufsatz ist gekoppelt mit einer ersten Steuereinheit. Ausserdem sind an dem Aufsatz Elektroden vorgesehen, zur Aufnahme von Hirnströmen oder Hirnpotenzialen. Die EEG-Elektroden führen zu der ersten Steuereinheit. Die erste Steuereinheit weist einen Mikroprozessor auf, der Signale aus den Elektroden oder von den Elektroden über einen AD-Wandler zeitbezogen aufzuzeichnen vermag. Die erste Steuereinheit ist an ein Stellorgan gekoppelt oder steuert dieses an, welches aus zumindest einer unter Druck stehenden Kartusche einen Duftstoff als Stimulus in einer Strömung pulsweise freizugeben in der Lage ist. Die Signale an den Elektroden besitzen einen Pegel von EEG-Signalen, um eine Gruppe von chemosensorisch verursachten Potenzialen oder zumindest deren chemosensorisch beeinflussten zeitlichen Abschnitte zeitbezogen aufzuzeichnen und auszuwerten. Mit anderen Worten sind die Elektroden solche, die beim Abgreifen von EEG-Signalen verwendet werden, was ihre Form und Struktur umschreibt. Bevorzugt erfolgt dies nicht am menschlichen Kopf, ist also als Aufsatz kein Diagnostizierverfahren am menschlichen Körper, indes schon ein Erzeugnis zur Anwendung in einem solchen Verfahren.
[08] Alternativ ist ein Aufsatz gekoppelt mit einer Steuereinheit, einer virtuellen Brille und einem Kopfhörer. Er besitzt Elektroden zur Aufnahme von Hirnströmen oder Hirnpotenzialen, welche Elektroden (über eine leitende Kopplung) zu der ersten Steuereinheit führen. Die erste Steuereinheit weist einen Mikroprozessor auf, der Signale aus den Elektroden oder von den Elektroden über einen AD-Wandler zeitbezogen aufzuzeichnen vermag. Die erste Steuereinheit ist an ein Stellorgan gekoppelt, welches aus einer unter Druck stehenden ersten Kartusche einen angefeuchteten Luftstrom freigibt und getrennt davon in den Luftstrom einen gepulsten Duftstoff als Stimulus einzuspeisen in der Lage ist. Die Signale der Elektroden haben einen Pegel von EEG-Signalen, oder andersherum, die Elektroden sind angepasst solche Signale aufzunehmen, um eine Gruppe von chemosensorisch verursachten Potenzialen oder zumindest deren chemosensorisch beeinflussten zeitlichen Abschnitte zeitbezogen aufzuzeichnen. Bevorzugt nicht am menschlichen Kopf können sie ausgewertet werden.
[09] Für die am häufigsten verwendete Methode der EEG-Ableitung wird eine unipolare Referenzableitung mit in 10/20-Verteilung auf der Kopfhaut platzierten Oberflächenklebeelektroden genutzt.
[010] Ein Abstand benachbarter Elektrodenpunkte beträgt jeweils 10 oder 20 % der Gesamtlänge einer von Nasion zu Inion und zwischen beiden präaurikulären Punkten gedachten Linie (vgl. Figur 2). Damit sind die jeweiligen Punktabstände von der individuellen Kopflänge abhängig. [Oll] Die Positionen auf der Kopfoberfläche liefern die entsprechenden Bezeichnungen der Elektroden; frontopolar (Fp), frontal (F), temporal (T), zentral (C), parietal (P) und okzipital (O).
[012] Die entsprechenden Ohrläppchen-Elektroden (Al und A2) dienen als Referenzpunkte der Ableitung - zwei Erdungselektroden, beidseitig am Mastoid angebracht - zur Vermeidung von Störbrummen.
[013] Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass zur Erzeugung chemosensorischer Potenziale die Wahl des auslösenden Agens/Reizes von entscheidender Wichtigkeit ist. Sie erlaubt eine Differenzierung und Interpretierbarkeit des erhaltenen Signals. Für ein olfaktorisches Potenzial wird ein rein gezielt das olfaktorische System stimulierender Stoff wie z.B. H2S oder PEA verwendet. Das trigeminale System kann spezifisch mit C0 erregt werden.
[014] Zur standardisierbaren Generierung chemosensorischer Reize kann ein Gerät dienen, dessen Entwicklung bereits im Jahr 1888 durch den niederländischen Physiologen Hendrik Zwaardemaker begann. Anfang der 1970er-Jahre erschienen die ersten Messsysteme auf dem Markt, die jetzt „Olfaktometer" genannt werden. Dieses Hilfsmittel bietet die Möglichkeit, einen sensorischen Stimulus in einen konstanten, angefeuchteten und temperierten Luftstrom einzubetten. Es ist damit technisch möglich, in Zeitfenstern von weniger als 20ms einen Geruchsstoff anfluten und abfluten zu lassen.
[015] Als ideale Intervalle zwischen den Reizen gelten Interstimulationsintervalle von 30 bis 45 Sekunden. Der für die Präsentation notwendige Luftstrom sollte über eine Flussrate von 7 bis 8 l/min verfügen und wegen der zu verhindernden begleitenden sensiblen Innervation und zur besseren Standardisierbarkeit eine Luftfeuchte von 70% bis 80% und eine Temperatur von 36°C bis 38 °C aufweisen. Die Ansteuerung des gesamten Gerätes oder der Steuereinheit erfolgt über einen PC.
[016] Um eine Vergleichbarkeit klinischer Studien und Untersuchungen mithilfe der Olfaktometrie zu ermöglichen, erfolgt eine Normierung der Testbedingungen.
[017] Störende Einflussgrößen auf den Probanden werden minimiert. Um sowohl den Allgemeinstatus des Probanden zu überprüfen und körperliche Auffälligkeiten frühzeitig zu erkennen als auch bspw. die Lokalisation des Nasenstücks zu kontrollieren, kann eine Kamera installiert sein. Über den gesamten Zeitraum ist dem Untersucher die Überwachung mittels eines zusätzlich aufgestellten Monitors möglich. Zur optischen Reizabschirmung und räumlichen Trennung dient ein zwischen Versuchsapparatur und Probanden angebrachter Vorhang. Zur Abschirmung vor akustischer Beeinflussung, wie z. B. dem Klicken der Olfaktometer-Ventile während der Impulse oder Nebengeräuschen im Raum, wird den Probanden über einen Kopfhörer ein so genanntes „weißes Rauschen" mit einer Lautstärke von zumindest 80dB eingespielt.
[018] Zur Stabilisierung der Vigilanz und des Wachheitsgrads der Teilnehmer über den Untersuchungszeitraum wird bisweilen ein Konzentrationsspiel eingesetzt. Auf dem für den Probanden sichtbaren Desktop erscheint ein sich zufällig bewegendes farbliches Rechteck. Der zu Untersuchende ist aufgefordert, einen durch einen Joystick angesteuerten Cursor in den Grenzen dieses Rechteckes zu halten.
[019] Der Monitor kann auf Augenhöhe und in einem Abstand von etwa 2m zum sitzenden Probanden positioniert sein.
[020] Diese „Tracking Task"-Einheit erfüllt mehrere Funktionen. Beschleunigte und plötzliche Augenbewegungen stellen die Hauptursache für Artefakte in den EEG-Ableitungen dar. Infolge der langsamen Bewegung des anvisierten Objektes wird sowohl ein Offenhalten der Augen als auch eine Blickstabilisierung erreicht. Die Aufmerksamkeit des Probanden wird durch Zuwendung zum Geschehen und einer notwendigen minimalen Beeinflussbarkeit des einfachen Spielablaufes normiert.
[021] Vom Robert Koch Institut (RKI) werden (seit dem 10. Mai 2020) Geruchs- und Geschmacksstörungen als mit Abstand häufigste Symptome von Covid-19-Erkrankten aufgeführt. Das Besondere an den neuen Symptomen ist, dass diese schon sehr früh auftreten. Viele Infizierte bemerken offenbar zuerst die Einschränkung des Geruchs- und auch Geschmackssinnes. Erst später können andere Symptome wie Halskratzen und Fieber oder ein trockener Husten dazu kommen. Manche Infizierte bekommen gar keine weiteren Symptome.
[022] Experten führen die Geruchs- und Geschmacksstörungen auf Schädigungen der Riechzellen durch die Coronaviren zurück. Im gemessenen EEG ist dies früh nachweisbar.
[023] Noch konkreter hierzu wird der HNO-Berufsverband, nach dem es bei etwa 85%der an COVID-19 erkrankten Personen zu Riechstörungen kommt, die von einem verminderten Geruchsvermögen bis zum kompletten Riechverlust reichen. Häufig seien außerdem Fehlwahrnehmungen von Gerüchen. Kolportiert wird „Bei einer Coronainfektion werden die für die Geruchswahrnehmung verantwortlichen Bereiche der Nase in Mitleidenschaft gezogen. Dabei werden die Zellen des Riechepithels und des Bulbus olfactorius direkt vom Virus befallen und geschädigt. Durch diesen Rezeptorausfall kommt es bei COVID-19- Patienten zu den beschriebenen Riechstörungen."
[024] Bekannt ist auch, dass die maximale Infektiosität 1 bis 2 Tage vor dem Auftreten der üblichen Symptome vorliegt. Es wäre daher möglich (und noch zu prüfen), ob bereits zu diesem frühen Zeitpunkt EEG-Auffälligkeiten nachweisbar wären, also bevor der Patient Symptome an sich selbst bemerkt.
[025] Beispiele der Erfindung
FIG. 1 ist ein Beispiel der Einflussnahme einer Virenerkrankung auf das Riechorgan.
FIG. 2 sind Referenzableitungen in 10/20-Verteilung an dem Aufsatz.
FIG. 3 ist ein Beispiel einer virtuellen Brille.
Fig. 4 ist eine Ansicht eines möglichen Aufsatzes mit Elektroden nach FIG. 2.
FIG. 5 ist ein Beispiel eines EEG mit Messpunkten, die bei chemosensorisch evozierten Potenzialen relevant sein können.
FIG. 6 zeigt gemittelte EP-Verläufe (EP - evozierte Potenziale), ausgelöst durch trigemino- nozizeptive sowie olfaktorische Stimuli, mit Folgewirkung über der Zeitachse.
Fig. 7 skizziert einige der Komponenten des Gesamtsystems.
Fig. 8a und Fig. 8b zeigen Rasterelemente mit möglichen Positionierungen der Elektroden. Die aufrecht stehenden Rauten stellen bspw. flexible Kunststoffelemente dar, die in die Helmsegmente an den 10/20er-Positionen eingearbeitet sein können. Die hellen Kreise stellen mögliche, alternative Positionen dar, in die eine Elektrode eingesteckt bzw. eingedreht werden kann. Eine "passende Wahl" der Position(en) hängt dabei von einer jeweils individuellen, realen Kopfform (des Probanden) ab. Ist eine Elektrode dann so weit eingesteckt oder eingedreht, dass ein ausreichender Kontakt zur Kopfoberfläche hergestellt ist, sorgen z.B. Vorspannung und/oder Flexibilität des Kunststoffelements dafür, dass der Kontakt zwischen Elektrode und Kopfoberfläche auch permanent eingehalten wird.
[026] Vorgeschlagen wird in weiteren Beispielen der Erfindung ...
Eine Kappe, eine Haube, ein Geflecht oder ein spezieller Helm; nachfolgend einfach: Helm, z.B. ähnlich zu einem modernen Fahrradhelm, als Beispiel eines Aufsatzes
Der Helm ist physisch mittels Kabel oder drahtlos mittels Bluetooth etc. mit einer Steuereinheit oder mit dem WEB verbunden - oder er arbeitet offline/Stand-Alone, mit im Helm integrierter Software.
Der Helm kann aus Material bestehen, das mit geringem Aufwand jederzeit wieder sterilisiert werden kann.
Das Material des Helms enthält elektrisch leitende Komponenten (z.B. Drahtgeflechte oder Bleche), zur Abschirmung gegen von außen einwirkende Störfelder (Faraday-Käfig). Der Helm ist in mehreren Größen erhältlich, vergleichsweise zu Schuhgrößen; via vorgefertigter Markierungen können Elektroden etc. sehr positionsgenau und auch einfach aufgesetzt/angesetzt werden. Bspw. längs der Scheitellinie Fz, Cz, Pz, an den beiden Ohrläppchen Al, A2 sowie am "Zwinkerpunkt" Fp2.
Am Helm befinden sich Kopfhörer; zur Information / Anleitung / Beschäftigung / Beruhigung des Probanden. Als Optionen.
Am Helm befinden sich Zuleitungen zur Zuführung eines ständigen Luftstromes; in der „inneren Röhre" der Zuleitung(en) können Duftstoffe (programmgesteuert) zugefügt und zu der/den Nasenöffnung/en zugeführt werden. Es kann ähnlich gesteuert und getriggert sein wie bei Augendruckmessungenbevorzugt mit einem im „virtuellen Brillenaufsatz" (vgl. unten) vorhandenen Tablet oder Smartphone bzw. Steuerelement/Mikroprozessor.
Die Versorgung mittels Luftstrom/Duftstoffen kann über ein (ggf. speziell vereinfachtes/ modifiziertes) Olfaktometer oder über am Helm integrierte Luft/Gas-Kartuschen erfolgen, die bspw. an der Rückseite angehängt sind.
Die Kartuschen sind bevorzugt drei. Eine als Luftspeicher unter Druck, zwei weitere, kleinere, welche die unten genannte Geruchsstoffe enthalten, bevorzugt zwei verschiedene Geruchsstoffe. Sie werden von der ersten Steuereinheit, die an ein, bevorzugt drei funktionell eigenständige Stellorgane gekoppelt ist (gemeinsam ein Stellorgan) oder diese ansteuert. Eine der unter Druck stehenden Kartuschen liefert angefeuchtete Luft, eine andere einen ersten Duftstoff und die weitere einen zweiten Duftstoff in der Strömung als Stimulus für die Person. Freigegeben wird jede der Strömungen von jeweils einem Stellorgan, gesteuert von der Steuereinheit.
Am Helm befindet sich eine „virtuelle Brille" (etwa ähnlich zu dem Produkt „Oculus" oder zu einer „VR-Brille" des Fraunhofer IIS), jeweils mit einem Display, ebenfalls zur Information / Anleitung / Beschäftigung / Beruhigung des Probanden, die u. A. auch als physisches „Gegengewicht" zu den Luft/Gas-Kartuschen dient.
Die Kombination von Kopfhörern + Display ermöglicht ideale Versuchsumgebungsbedingungen (Ablenkung, Konzentration, Vermeidung von Augenbewegungen, Anleitung für den Probanden, ...).
Am Helm befinden sich auch Potenziale für die Ohrläppchen, Sensoren zur Messung der Körpertemperatur, des Hautwiderstandes etc.
Am Helm befindet sich eine (miniaturisierte) Rechnereinheit, die bspw. im „virtuellen Brillenaufsatz" integriert ist, etwa als Tablet oder Smartphone; sie dient zur Ausführung der Geruchsprüfungs/Gesundheits-Tests, zur Steuerung der Luft/Duft-Ströme, zur Aufzeichnung der resultierenden EEG-Signale, zur Speicherung, Ausgabe/Anzeige und ggf. (via Kabel bzw. drahtlosen) Übertragung der Resultate.
[027] Verfahren, als weitere Beispiele der Erfindung.
Die Software (im Tablet, Smartphone oder separatem Mikroprozessor) ermöglicht die Ausführung verschiedener Versuchsszenarien (Abfolgen von Versuchsschritten).
Ein AD Wandler nimmt die Signale auf und wandelt sie für den Mikroprozessor auf digitale Werte um. Es kann ein Abtastraster von wenigen msec programmiert sein, oder eine Abtastzeit, die dem Shannon Theorem genügt. Bei den recht niederfrequenten Signalen der EEGs sind lmsec bis 5msec ausreichend. Die Potentiale der EEG Signale an den Elektroden (oder für die Elektroden) können von einem Analogverstärker verstärkt werden, bevor sie AD gewandelt werden.
Die Software führt zu Beginn einer „Sitzung" eine Prüfung (der Kontakte, etc.) auf Korrektheit durch.
Die Software steuert die jeweiligen technischen Komponenten (Luftstrom, randomisierte Duftstrom-Stimuli), zeigt im Display zugehörige Konzentrations/Ablenkungs-Bilder/Movies, sorgt für akustische Ablenkung.
Die Software erfasst die resultierenden EEG-Signale (als Zeitreihen), berechnet ggf. transformierte Daten (FFT etc.), extrahiert relevante Größen (Minima, Maxima, Amplituden, Zeitspannen, ...), vergleicht Schwellenwerte, kategorisiert etc.
Die Software greift auf Referenzdaten zu, etwa allgemeine Daten zu „gesunde/kranke Reaktion", aber auch auf individuelle Daten (ggf. vorliegende Archivdaten des Probanden).
Die Software kombiniert diese Werte mit den ebenfalls erfassten Temperaturwerten, etc.
Die Software führt Soll/Ist-Vergleiche bzgl. beobachteten vs. referenzierten Daten durch und entscheidet, ob ein positiver/negativer Befund vorliegt.
[028] Die "virtuelle Brille" nach Figur 3 und der Helm nach Figur 4 können mit "Anhängseln" versehen sein. Dazu zählen z.B. Kopfhörer, EEG-Ableitungen, Temperatursensor, Kabelverbindungen zwischen den Komponenten und insbesondere auch ein Tablet oder Smartphone, vorzugsweise im Brillenaufsatz, das als "miniaturisierter PC" dient. Figur7 zeigt hierzu eine Übersicht.
[029] Die Verbrauchsmaterialien (Phenylethylalkohol - PEA, C0 ) und deren Kosten sind vernachlässigbar. [030] Der Aufsatz (z.B. als ein Helm nach Figur 4) würde evtl personenbezogen (immer wieder, wie ein heute handliches Blutdruckmessgerät) genutzt, er wäre aber auch für Mehrpersonennutzung (z.B. in Testzentren) leicht sterilisierbar.
[031] Ein Test könnte in wenigen Minuten erfolgen und wäre somit vor jedem öffentlichen Anlass sofort durchführbar, mit unmittelbar ausgewiesenem Testergebnis - im Vergleich zu heute: Test + Anlieferung + Labor + Rückmeldung, bis zu zwei Tage.
[032] Die Software prüft (via Fingerabdruck, Spracherkennung, etc.), wer der Proband ist und erstellt ggf. ein fälschungssicheres Prüfergebnis zur Vorlage bei einem Eintrittsversuch zu einer Veranstaltung etc.
[033] Eine beispielhafte Darstellung eines chemosensorisch evozierten Potentials (mit Stimulus Onset-Zeitpunkt der Reizapplikation, relevanten Messpunkte etc.) zeigt Figur 5.
[034] Zur Erzeugung chemosensorischer Potentiale erlaubt die Wahl des auslösenden Agens/Reizes eine Differenzierung und Interpretierbarkeit des erhaltenen Signals. Will man ein reines olfaktorisches Potential erhalten, kann ein rein gezielt das olfaktorische System stimulierender Stoff wie z.B. H2S oder PEA verwendet werden. Das trigeminale System kann spezifisch mit C02 erregt werden.
[035] Nachfolgend verwendete Abkürzungen/Termini sind aus dem englischen Sprachgebrauch: ERP für "event-related Potentials", zu Deutsch "Ereigniskorrelierte Potentiale"; OERP für olfaktorische und CSSERP oder tERP für trigeminale ERP.
[036] Die Einteilung von ERPs erfolgt nach mehreren Gesichtspunkten: Nach den 10/20er- Positionierungen der Elektroden (bspw. Fz, Cz, Pz, ...), an denen die Signale erfasst werden, nach dem ausgeübten Stimulus (bspw. akustisch, visuell, olfaktorisch), nach der zeitlichen Abfolge von negativen und positiven Amplitudenmaxima ausgehend vom Reizzeitpunkt (Stimulus onset), nach den zeitlichen Verzögerungen dieser Maxima (Latenzzeiten), ...
[037] Mit einem Olfaktometer werden notwendige Prinzipien postuliert zur standardisierbaren Generierung chemosensorischer Reize. Dieses Hilfsmittel bietet die Möglichkeit, einen sensorischen Stimulus in einen konstanten, angefeuchteten und temperierten Luftstrom einzubetten.
[038] Es ermöglicht, in Zeitfenstern von weniger als 20ms einen Geruchsstoff anfluten und abfluten zu lassen. Dies als Stimulus im Sinne eines Pulses. Ziel dabei ist, den Wechsel zwischen einem geruchlosen und einem riechbaren Luftstrom zu realisieren, ohne dadurch Mechano- oder Thermorezeptoren der Riechschleimhaut zu aktivieren oder Habituationen oder Adaptationen bei zu geringer Anstiegssteilheit des Reizes auszulösen. Eine so kurze Zeitspanne ist nicht immer erforderlich, obwohl technisch möglich. Pulsbereiche von unter 250ms sind ohne weiteres möglich und verglichen mit dem längerfristig aktiven, bevorzugt angefeuchteten und temperierten Luftstrom als Puls zu benennen.
[039] Als ideale Intervalle zwischen den Reizen haben sich Interstimulationsintervalle ISI von 30s bis 45s erwiesen. Die Wahl des entsprechenden Intervalls wird bestimmt durch die Anforderungen des Experimentes an den zu Untersuchenden. Der für die Präsentation notwendige Luftstrom sollte über eine Flussrate von 7 bis 8 l/min verfügen und wegen der zu verhindernden begleitenden sensiblen Innervation und zur besseren Standardisierbarkeit eine Luftfeuchte von 70% bis 80% und eine Temperatur von 36°C bis 38°C aufweisen.
[040] Die Ansteuerung des gesamten Versuchsaufbaus kann über einen PC erfolgen und eine für diese Zwecke entwickelte Software, die dazu dient, verschiedene Konzentrationen und Stimuluszeiten sowie entsprechend gewünschte ISI in Reizklassen zu definieren und für die Anwendung auszulesen. Der PC vereint in seiner Funktion zusätzlich die Registrierung der durch die EEG-Verstärker-Einheiten erfassten Signale. Sie werden auf dem PC abgespeichert und durch erweiterte Programme ausgewertet.
[041] Die funktionell zu sehende Haube nach Figur 4 oder Figur 7 mit den zugehörigen Komponenten (Mikroprozessor, AD-Wandler, Steuereinheit und Elektroden sowie Stellorgan, Kartusche und virtuelle Brille und zugehörig ein Kopfhörer) kann auch losgelöst von dem Versuchsaufbau portabel sein.
Verwendete Geruchssubstanzen
[042] Phenylethylalkohol (2-Phenylethanol, C8H10O, PEA) ist eine farblose, flüssige und lichtempfindliche chemische Verbindung aus der Gruppe der Alkohole. Ihr natürliches Vorkommen findet sie in ätherischen Ölen von Hyazinthen, Pfingstrosen, Geranien und zahlreichen anderen Blumen. Synthetisch herstellbar wird sie als Ausgangsstoff für "süße" Blütendüfte verwendet. Dieser Stoff gilt als einer der wenigen rein olfaktorisch stimulierenden Substanzen und eignet sich daher für die gegebene Fragestellung besonders gut. C0 (Kohlenstoffdioxid) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff.
Es ist ein färb- und geruchloses Gas, welches nasal nachweislich eine selektive Stimulation des trigeminalen Systems verursacht. In dem hier referenzierten Versuchsaufbau werden Konzentrationen von zwischen 40 Vol.-%. und 60 Vol.-% verwendet.
Ein Beispiel eines allgemeinen Versuchsablaufs
[043] Eine Darstellung eines chemosensorisch evozierten Potentials ist in Figur 5 abgebildet. Stimulus Onset-Zeitpunkt der Reiz-Applikation ist mit dem vertikalen Pfeil dargestellt, gezeigt sind mögliche, aber nicht alleine zwingende Messpunkte.
[044] In einer typischen Untersuchung genügte einer praktikablen Arbeitsweise wegen für die elektro-enzephalographische Potentialregistrierung eine vereinfachte 6-kanalige Ableitung von den Punkten Fz, Cz, Pz, C3, C4 und einer Messelektrode Fp2 zur Erfassung von Blinzlerartefakten (Referenz 1).
[045] Als unipolare Referenzpunkte waren hier Elektroden an den Ohrläppchen, sowie beiderseitig am Mastoid die Erdungselektroden vorgesehen.
[046] Anschließend wurde das Nasenstück (im Beispiel ein Teflonschlauch mit Plastikkappe und einem Durchmesser von 2mm) so ausgerichtet, dass einerseits noch eine geringe Restbeweglichkeit, andererseits eine sichere Applikation des Duftimpulses ins Vestibulum nasi erreicht wurde. Das Nasenstück sollte sich etwa 1,5cm im Vestibulum befinden. Der Kopfhörer diente der bereits angesprochenen Geräuschabschirmung.
[047] Alle interpretierbaren EPs (optimal je 15 Einzelreize zu jeder Reizklasse) wurden daraufhin dem Mittelungs-Verfahren (per "Averaging") unterzogen. Dies ermöglichte die Zuordnung eines spezifischen Signals zu jeder Reizklasse. An jedem Potentialverlauf wurden für die Auswertung relevante Punkte ausgemessen. Zur Mittelung mindestens notwendig waren acht zu jeder Reizklasse gehörende Einzelpotentiale.
[048] Es resultierte eine Kurve mit spezifischen positiven und negativen Maxima (vergleichsweise zu Figur 5). Entsprechend der EEG-Konvention erfolgte die Benennung der Polarität mit N für einen nach oben gerichteten und mit P für einen nach unten gerichteten Kurvenausschlag. Hinsichtlich ihrer Amplituden und ihrer Latenz vom Zeitpunkt der Stimulation ausgehend wurden die Punkte PI (vor dem negativen Maximum), die Nl- Komponente und die in der Nomenklatur der CSERP als P2 bezeichnete zweite maximale positive Kurvenauslenkung ausgemessen. N.B. In der Literatur sind unterschiedliche ± Orientierungen der vertikalen Achse zu finden.
[049] In OERP sollte PI sich etwa 200ms bis 250ms, NI in einem Zeitfenster von 200ms bis 700ms und P2 zwischen 300ms und 800ms nach Reizbeginn darstellen. Bei durch trigeminale Reizung provozierten tERP liegen diese Zeiten etwa 50ms linksverschoben auf der Zeitachse (Referenzen 2, 3).
[050] Die klinische Relevanz dieser Wechselwirkungen wurde durch Untersuchungen an Patienten mit olfaktorischer Dysfunktion deutlich, die zeitgleich eine reduzierte trigeminale Sensitivität aufwiesen. Das legte den Schluss nahe, dass an einer normalen Funktion des trigeminalen Systems das Olfaktorische maßgeblich mitbeteiligt ist (Referenzen 4, 5, 6, 7).
[051] Sowohl subjektive Bewertungen mit Lateralisationsversuchen als auch elektrophysiologische Messdaten wiesen höhere trigeminale Reizschwellen und damit verminderte Sensitivitäten bei diesen Patienten nach, die im Verlauf ihres Lebens den Verlust des olfaktorischen Riechvermögens beklagen mussten. [052] Aus den Daten der psychophysischen Messungen des Versuches ergaben sich durch die Kombination eines selektiven olfaktorischen Stimulus mit einem rein trigeminalen Reiz signifikante Zunahmen der Intensitätsstärken. Diese waren kontinuierlich und abhängig von der PEA- und der C02 Konzentration sowohl als Stoffgemisch als auch bei Berücksichtigung der Einzelkomponenten. Steigende Konzentrationen des additiv wirkenden olfaktorischen Stimulus riefen einen kontinuierlichen Anstieg der subjektiv wahrgenommenen Reizstärke hervor.
[053] Diese Beobachtungen trafen für beide untersuchten C02-Konzentrationsstufen zu. Damit untermauern die Daten die der zurückliegenden Untersuchungen von Kobal und Hummel 1988 sowie von Roscher et al. 1997 und von Livermore et al. 1992. Die in den psychophysischen Messungen gemachten Beobachtungen wurden durch die Ergebnisse der elektrophysiologischen Untersuchungen teilweise bekräftigt. Die Amplitude P2 nahm bei ansteigender PEA-Konzentration kontinuierlich zu, wenn auch nicht signifikant. Die Zunahme der Amplitudendifferenz N1P2 dagegen erwies sich als signifikant. Ebenso signifikant waren erwartungsgemäß die Unterschiede der Amplituden für die zwei trigeminalen Reizstufen. Die Abhängigkeit der Amplitudenstärke von der Konzentration des trigeminalen Reizes wurde damit bestätigt.
[054] Die schematische Darstellung der Figur 7 zeigt technische Komponenten des Aufsatzes, wobei nicht bei jeder Anwendung alle zusammen benötigt werden. So können beispielsweise bei EEG-Sitzungen, in denen nur visuelle Stimuli analysiert werden sollen, die „olfaktorischen Komponenten" (Kartuschen, Luft/Duftstoff -Zuführungen, etc.) auch fehlen.
[055] Eine Basiskomponente ist ähnlich einem modernen Fahrradhelm, der ein Gewicht von weniger als 200g aufweisen kann. Versehen mit entsprechenden, ggf. verstellbaren Auflageflächen hat er hohen Tragekomfort. Mehrere Strukturvarianten sind möglich: geschlossen, gitterförmig, etc., wobei eine gitterförmige Struktur neben einem geringen Gewicht auch für gute Belüftung sorgt und zudem noch ggf. erforderliches oder gewünschtes, händisches Nachjustieren erleichtert.
[056] Dies sind große Vorteile im Vergleich zu den heute üblichen Kopfhauben, Bändern oder Kunststoffgeflechten, die mühsam und langwierig aufzusetzen sind, die oft verrutschen, sich lästig anfühlen und unter denen manche Anwender nach einiger Zeit auch schwitzen.
[057] Eine Standardisierung von Elektrodenpositionen gibt es seit den 1950er Jahren. Nahezu ebenso lange ist jedoch bekannt, dass in etwa 20% aller Fälle die Kopfgeometrie der Untersuchungsperson sehr stark von der Norm abweicht, so dass ein aufwändiges Nachjustieren von Elektrodenpositionierungen (d. h. Verschieben an Nicht- Standardpositionen) erforderlich ist, um zuverlässige und vergleichbare EEG-Messresultate zu gewinnen, vgl. R.W. Homan et al.: Cerebral location of international 10-20 System electrode placement. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology, 66, 367 bis 382; 1987. Auch hierbei ist ein Helm im Vorteil: Relativ einfach lassen sich unterschiedliche Varianten nach einem feinen Kopfgrößenraster hersteilen, und darüber hinaus können auch individuelle Helme gefertigt werden, z.B. im Spritzgieß-Verfahren oder mittels BD-Druck, so dass ein "persönlicher Helm" als Aufsatz entsteht, vergleichbar zu einem "geschäumten persönlichen Skischuh".
[058] Verschiedene Materialien sind möglich, auch solche, mit denen ein transparenter Helm herstellbar ist, so dass damit Positionierung und Andruck der Elektroden mit bloßem Auge auch bei aufgesetztem Helm problemlos überprüfbar sind.
[059] Als Artefakte gelten alle Potentialschwankungen in der EEG-Registrierung, die nicht vom Gehirn ausgehen. Ihre Erkennung und Verhütung ist eines der wichtigsten Probleme in der klinischen Elektroenzephalographie. Die zahlreichen möglichen Artefakte kann man unterteilen in patientenbezogene bzw. biologische Artefakte und technische Störungen. Die Ersteren werden durch den Patienten verursacht und sind daher oft nicht zu vermeiden. Technische Artefakte sind durch Elektrodendefekte, Kabeldefekte, allgemeine apparative Mängel oder technische Fremdeinwirkungen bedingt. Eine große Rolle spielen 50Hz- Wechselstromstörungen und andere elektromagnetische Störungen, die durch das Ambiente (Smartphones, Laptops, statische Aufladungen, Stroboskope, Olfaktometer, ...) der Laborumgebung verursacht sind, vgl. Artefakte im EEG. S. Zschocke; Klinische Elektroenzephalographie, 651 bis 685; Springer-Verlag, 2002.
[060] Solche Störeinflüsse können durch das Einarbeiten elektrisch leitender Materialien in geeignet gestaltete Helmstrukturen (bspw. als geschlossene oder waben-förmige Hülle) abgewehrt werden. Der Helm fungiert als Faraday-Käfig.
[061] Die Störanfälligkeit wird weiter reduziert, indem sämtliche Verkabelungen in abgeschirmter Ausführung dauerhaft fest in die Stege oder Waben des Helmes integriert werden. Dadurch treten auch viele Störfaktoren erst gar nicht auf, die sich heute aufgrund des üblichen "Kabelsalats" zwangsläufig ergeben.
[062] Die Anordnung der Elektroden am bzw. im Helm kann einem Standard-Raster entsprechen, sie kann sich aber auch an der individuellen Kopfform des Anwenders orientieren, wie oben bereits bei der Gestaltung verschiedener Formen des Helmes angesprochen.
[063] Eine weitere Helmvariante als Aufsatz besteht darin, statt der gemäß Norm vorgegebenen Punkt-Positionen für die Elektroden jeweils ein Elektrodensegment mit einem Raster möglicher Elektroden-positionen einzubauen. Fig. 8a/b zeigen zwei Beispiele solcher Segmente. Bei erstmaliger Nutzung eines Helmes werden dann zu Beginn der EEG-Sitzung in jedem Elektrodensegment zunächst die Elektrodenpositionen variiert, bis die für den Helmträger (den Probanden) jeweils optimalen Positionen gefunden sind. Diese Positionen werden als „Kopfabdruck" gespeichert, so dass bei einer erneut anstehenden EEG-Sitzung sofort mit idealen Positionen gestartet werden kann.
[064] Die Elektrodenpositionen können ein ellipsoides Elektroden-Raster oder ein kreisförmiges Elektroden-Raster einnehmen, wie in Fig. 8a (ellipsoid) und Fig. 8b (kreisförmig) visualisiert.
[065] Die eingesetzten Elektroden sollen einen (für die Messung) möglichst dauerhaft stabilen mechanischen und elektrischen Kontakt mit der Kopfhaut haben.
[066] Dies kann erreicht werden, indem die Elektroden in ihrer Helmsegment-Halterung jeweils so weit in Richtung Kopfoberfläche gedreht oder geschoben werden, bis ausreichender Kontakt entstanden ist.
[067] Dies kann zusätzlich auch von einer Prüf-Komponente des offenbarten Steuerungs programmes angezeigt werden. Bei höheren Ansprüchen an die Qualität der aufzuzeichnenden EEG-Daten kann eine noch weitergehende Verbesserung des elektrischen Kontaktes durch die Verwendung hierfür geeigneter Elektrodengels oder Elektrodenpasten erzielt werden.
[068] Die Elektrodenhalterung und die diese unmittelbar umgebende Region, bspw. Rasterelemente, können flexibel gestaltet sein und so eine Vorspannung aufweisen, wie die in Fig. 8a/b skizzierten Rasterelemente. Dadurch kann ein dauerhafter, in gewissem Umfang dennoch flexibler, Kontakt zwischen Elektrode und Kopfhaut erreicht werden, ohne dass sich ein starkes Druckempfinden einstellt.
[069] In vielen Anwendungsfällen kann ohne Aufträgen von Gel oder Paste abgetastet werden.
[070] Die Elektroden sind mit den abgeschirmten Kabeln im Helm verbunden und somit ebenfalls Komponenten im Faraday'schen Käfig.
[071] In Abhängigkeit vom jeweiligen EEG-Anwendungsbereich (medizinisch, wissenschaftlich, unterhaltungsorientiert) können ganz unterschiedliche Varianten von Aufsätzen von Interesse sein, die sich insbesondere hinsichtlich der Anzahl benötigter Elektroden unterscheiden.
[072] Mit am häufigsten verwendet wird eine „Minimalausstattung", welche die Elektroden Fz, Cz und Pz beinhaltet, die im Mittel/Scheitel-Bereich des Helms platziert sind. Hinzu kommen weitere, an seitlichen Helmsegmenten positionierte Kontakte für die A1/A2- Ableitungen (Ohrläppchen) sowie am frontalen Helmsegment befindliche Positionierungen für die Fpl- bzw. Fp2-Elektroden, vorgesehen zur Beobachtung von Augenbewegungen. [073] In den Helmsegmenten kann weitere Sensorik eingebracht sein, z.B. ein Temperatursensor zur Überprüfung oder Überwachung des Probanden.
[074] Auf einem der Helmsegmente kann, ebenfalls, ein Chip, eine SmartCard, ein USB- Stick oder Ähnliches, angebracht werden (durch Stecken oder Kleben), womit die EEG- Signale erfasst, gespeichert und auch unmittelbar weitergeleitet werden können.
[075] Die bisher vorgestellten Grundkomponenten, d. h. Helm und Elektroden - ggf. mit „Kommunikations-Chip" sowie weiterer Sensorik, bilden die Minimalversion, die für eine EEG-Erfassung verwendet werden kann. Die Verbindung zu marktüblichen Aufzeichnungs und Auswertungsgeräten ist über kabelgebundene oder drahtlose Schnittstellen möglich.
[076] Die Minimalversion ist insbesondere geeignet für die Aufzeichnung von Schlaf-EEGs, da in diesen Fällen weiteres Zubehör eher stören würde, oder auch bei Ruhe-EEGs. Hinzu kommen Mobile-EEGs als weiterer Anwendungsbereich, da sich die Träger des Aufsatzes aufgrund seiner Robustheit (u.a. dauerhaft stabiler, elastischer, mechanischer und elektrischer Kontakt der Elektroden zur Kopfhaut; Abschirmung gegen äußere Störfelder) frei bewegen können.
[077] Für die Durchführung von EEG-Sitzungen mit anderen Schwerpunkten, so bei Beobachtungen von Patientenreaktionen auf verschiedene Stimuli, kann das modular aufgebaute System um weitere Komponenten ergänzt werden.
[078] Kopfhörer können mehrere Funktionen erfüllen:
[079] Akustische Stimuli sind einer Versuchsperson durch Kopfhörer sehr direkt vermittelbar, zusätzliche externe (störende) Geräte sind dann nicht mehr erforderlich.
[080] Darüber hinaus können Anweisungen, bspw. zum Sitzungsverlauf, via Kopfhörer einfach (und wiederum ungestört) vermittelt werden, auf die Versuchsperson kann bei Bedarf (Nervosität, Angst) beruhigend eingewirkt werden, etc.
[081] Was darüber hinaus von großer Bedeutung ist: Die Kopfhörer schirmen den Probanden gegen unerwünschte akustische Störungen von außen ab und tragen so ganz wesentlich zur Gewinnung artefakt-freier EEG-Erfassungen bei.
[082] Die Kopfhörer sind am Helm integriert oder (via Steck/Click-System) einfach anzubringen und auch wieder wegzunehmen. In jedem Falle erfolgt die erforderliche Verkabelung auch hier mittels abgeschirmter Kabel zum bzw. im Helm-Korpus.
[083] Eine „Brille" kann verschiedene Komponenten in unterschiedlichen Kombinationen beinhalten ... [084] Durch eine Virtuelle Brille sind, je nach Ausführung, visuelle Stimuli in beliebiger Komplexität generierbar. Auch hier werden dann externe Geräte (PCs, Bildschirme, Stroboskope, etc.) nicht mehr benötigt.
[085] In einer Ausführung als Smartphone-Brille kann auch, ganz individuell, das Display des dem Patienten gehörenden Gerätes zur Anzeige genutzt werden, einerseits zur Vermittlung visueller Stimuli, andererseits aber auch zur optischen Information, zur Aufrechterhaltung der Vigilanz, zur Unterhaltung, Ablenkung, etc.
[086] Ein Tablet T kommt, neben seiner Verwendbarkeit als Display, ebenfalls als zentrale Steuer- und Kontrolleinheit in Betracht. Dadurch ist die komplette Intelligenz des Systems vor Ort integriert.
[087] Gleiches gilt für ein Smartphone.
[088] Mittels darauf installierter Apps wird das System autark von sonstigen externen Komponenten. Hinzu kommen noch weitere Vorteile: Das Smartphone kann, gegen fremde Zugriffe geschützt, historische Daten seines Besitzers aus vorangegangenen EEG- Untersuchungen speichern und diese unmittelbar mit aktuell neu erfassten Daten vergleichen und daraus valide diagnostische Schlüsse ziehen. Ferner kann ein EEG-BrainPrint, sobald dieser einmalig zertifiziert erstellt wurde, als personenbezogener fälschungssicherer Ausweis dienen und zusammen mit einem aktuell aufgezeichneten EEG-Testergebnis für ein geprüftes Testat verwendet werden.
[089] Die Brille, genauer, der komplette Brillen-Aufsatz, kann mit abschirmenden Materialien ummantelt werden. Dazu dient bspw. auch eine Scheibe aus transparentem EMV-Glas, die sich zwischen den Geräten und dem Gesichtsfeld des Trägers befindet.
[090] Im Brillen-Aufsatz kann ebenfalls weitere Sensorik integriert sein, bspw. für die Registrierung von Augenbewegungen, die bei der Artefakt-Entstehung in EEG- Aufzeichnungen eine große Rolle spielen.
[091] Für die Durchführung von EEG-Untersuchungen mit olfaktorischen Stimuli besteht die Möglichkeit, ein externes Olfaktometer an das System anzuschließen. Alternativ kann der Aufsatz auch um entsprechende Hard- und Software ergänzt werden.
[092] Kartuschen (Patronen/Behälter), die an der Rückseite des Aufsatzes fixiert sind und bei Bedarf ausgewechselt werden können, gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie enthalten die eingesetzten Riechstoffe, die olfaktorische Stimuli auslösen, also bspw. H2S und/oder PEA, und, falls als „Kontrollstoff" gewünscht, auch C02. Der stetige Luftfluss wird durch Druckluft unterstützt, die sich in einer weiteren Kartusche befindet, oder er kann bei Bedarf auch durch einen Luftstrom erzeugt werden, der via Schlauchanschluss von einem Ventilator oder Gebläse zugeliefert wird. [093] Duftstoffe und Luft werden vermischt und gelangen in Luft/Duftstoff-Zuführungen LDZ, die in oder an den (seitlichen) Helmsegmenten verlaufen und in die Nasenöffnungen münden.
[094] Die zentrale Steuereinheit (in der „Brille") regelt die zeitlichen und mengenmäßigen Anteile der Riechstoffe über ebenfalls am Helm angebrachte Aktoren Ai, z.B. in Form von Magnetventilen.
[095] Wie bei allen andern Komponenten des Systems sind auch die Kartuschen, Luft/Duftstoff-Zuführungen, Aktoren etc. inklusive ihrer Verkabelung so ausgelegt und eingebaut, dass durch sie keine störenden Beeinflussungen bei der EEG-Erfassung entstehen. So wird bspw. potenziellen elektromagnetischen Einflüssen durch abschirmende Materialien begegnet, und mechanische Geräusche, z. B. Schließgeräusche von Magnetventilen, werden durch die Kopfhörer gedämmt oder überspielt.
[096] Das System ist ein Baukasten, aus dem je nach geplanter EEG-Anwendung die dazu erforderlichen Komponenten zusammengefügt werden, bspw. durch leicht lösbare Steck-, Schraub-, Click- oder Magnetverbindungen.
[097] Der Baukasten stellt nicht nur ein technisches Gerät dar, er besteht auch in einem Verfahren zur Erzeugung, Erfassung und Identifikation charakteristischer Muster in physiologischen und pathologischen Daten. Dies wird nachfolgend erläutert anhand fingierter EEG-Szenarien.
[098] Zu Beginn einer Sitzung bzw. bei erstmaliger Anwendung wird ein zur Person passender Helm bestimmt. Handelt es sich um eine Erst-Anwendung, wird ein Helm entsprechend der Kopf- bzw. Hut-Größe gewählt. Dann werden die Elektrodenpositionen nach einem standardisierten System eingestellt, überprüft und ggf. angepasst. Wurden die Elektrodenpositionen bei einer früheren Anwendung als „Kopfabdruck" bereits gespeichert, können diese Einstellungen sofort wieder vorgenommen werden. Besitzt der Proband einen individuellen Helm, erübrigen sich die Anpassungsschritte.
[099] Eine Software ko m ponente - die entweder im Helm-Chip integriert ist, auf die über eine Schnittstelle (kabel-gebunden oder kabellos) zugegriffen wird oder die bspw. als App auf dem Smartphone installiert wurde - kann die Positionen der Elektroden sowie die Qualitäten der empfangenen EEG-Signale überprüfen. Erforderliches Nachjustierungen der Elektroden kann aufgrund der leichten Zugänglichkeit einfach bzw. sogar eigenhändig vorgenommen werden.
[0100] Die Vermessung eines Ruhe-EEGs, eines Schlaf-EEGs oder eines mobilen EEGs erfordert außer dem Helm keine weiteren Komponenten. Die erfassten EEG-Signale werden auf dem Helm-Chip gespeichert, über eine Schnittstelle auf ein externes Speicher-medium (Laptop, PC, etc.) übertragen oder intern (auf Tablet bzw. Smartphone) gespeichert.
[0101] Eine Analyse oder Weiterverarbeitung kann parallel zur Erfassung erfolgen (extern auf Laptop, PC, etc., intern auf Tablet bzw. Smartphone) oder aber auch zeitversetzt zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt.
[0102] Für die Aufzeichnung, die Vorverarbeitung (Pre-Processing) sowie die Analyse und ggf. Weiter-verarbeitung der EEG-Daten gibt es eine Fülle, teilweise frei verfügbarer (Open Source) Software, so bei MathWorks (de.mathworks.com), speziell in der Matlab-Toolbox (sccn.ucsd.edu/eeglab), bei OpenBCI (openbci.com), bei LETSWAVE (letswave.org) oder bei NOCIONS (nocions.org), um nur einige zu nennen. Dazu bieten die Software-Pakete auch eine breite Palette an speziellen, für EEG-Analysen geeignete Verarbeitungsverfahren an, (Standard) Averaging Methods; Time-Frequency Analysis (TFA), with Fourier/Wavelet- Transforms; Artifact Rejection; Blind Source Separation (BSS); Spatio-Temporal Filtering; Independent Component Analysis (ICA); etc.
[0103] Zu diesen Verarbeitungsverfahren zählen insbesondere die Frequenz-Amplituden- Methoden.
[0104] Mit der Hinzunahme von Kopfhörern als weitere Komponente ist eine integrierte Durchführung von EEG-Sitzungen möglich, bei denen die Reaktionen von Untersuchungs personen auf auditorische Stimuli analysiert werden. Analog zu den oben geschilderten Möglichkeiten kann die Generierung der akustischen Reize via Helm-Chip, extern von einem Laptop, PC, etc. gesteuert oder intern vom integrierten Tablet bzw. Smartphone ausgelöst erfolgen. Für die Analyse der resultierenden EEG-Daten gilt ebenfalls das bereits aufgeführte.
[0105] Vorteile der integrierten Lösung liegen speziell darin, dass keine weiteren Geräte benötigt werden und die gewünschte Reizdarbietung damit eindeutig wahrgenommen wird, insbesondere auch aufgrund der Abschottung gegen fremde, unerwünschte akustische Einwirkungen.
[0106] Aus der Fülle der Verarbeitungsverfahren für die EEG-Ergebnisse seien hier auch noch die Zeit-Frequenz-Amplituden-Methoden ausgewählt. Diese liefern bspw. bei vergleichenden Untersuchungen von Schizophrenie-Patienten visuell eindeutig interpretierbare Ergebnisse.
[0107] Eine „Brille" (virtuelle Brille, VR-Brille, Smartphone-Brille, ...), die an der Vorderseite des Helmes fixiert ist, kann das System um eine weitere Komponente ergänzen. Durch ein darin eingestecktes Tablet, Display oder Smartphone wird die „Brille" zur zentralen Steuereinheit des Systems und erfüllt mehrere Funktionen. Sie schirmt den Probanden gegen äußere Umgebungseinflüsse optisch ab, sie ermöglicht zudem erforderliche Informationen "schriftlich" mitzuteilen, sie kann verwendet werden, um einen Probanden zur Aufrechterhaltung der Vigilanz bspw. mit einem Videospiel zu unterhalten - und sie kann visuelle Stimuli präsentieren, um darauf basierende EEG-Untersuchungen durchzuführen zu können.
[0108] Zu diesen „sichtbaren" Funktionen kommen weitere unsichtbare hinzu. Die „Brille", bzw. das Smartphone, ermöglicht mittels entsprechender Software (Apps) die Steuerung und Kontrolle des kompletten Verlaufs eines EEG-Prozesses, in den auch andere Komponenten involviert sein können, und verwaltet insbesondere auch die Aufzeichnung, Auswertung und Archivierung der Testergebnisse.
[0109] Von großem Vorteil ist dabei, dass alle erfassten Daten auf dem persönlichen Smartphone verbleiben und - als ein zusätzlicher Vorteil - bei nachfolgenden, weiteren Tests jederzeit als Vergleichsdaten herangezogen werden können. Die dadurch möglichen Verlaufskontrollen können in vielen Fällen die Aussagekraft der Testergebnisse zumindest erhöhen.
[0110] Die Durchführung von EEG-Sitzungen, bei denen die Reaktionen der Probanden auf olfaktorische Stimuli untersucht werden, sind hinsichtlich benötigter Gerätekomponenten und zu steuernder Abläufe am komplexesten, im Vergleich zu den anderen, bereits vorgestellten Verfahren.
[Olli] Über die am bzw. im Helm befindlichen Luft/Duftstoff-Zuführungen werden einem ständigen Luftstrom die jeweiligen Duftstoffe programmgesteuert zugefügt und zu der/den Nasen-öffnung(en) geleitet. Die technische Vorgehensweise bei der Messung des Augen- Innendruckes kann hier als Anhaltspunkt dienen.
[0112] Die Versorgung des Systems mit dem Luftstrom und den Duftstoffen kann über ein (speziell vereinfachtes, also modifiziertes) Olfaktometer oder über am Helm integrierte Luft/Gas-Kartuschen erfolgen, die bspw. an der Rückseite angebracht sind, und so u.A. auch als physisches „Gegengewicht" zur Brille fungieren.
[0113] Bevorzugt sind es drei Kartuschen. Eine steht als Luftspeicher unter Druck, zwei zusätzliche enthalten beispielhaft benannte Geruchsstoffe, vgl. Absatz #042.
[0114] Die Kartuschen werden von einer (technischen) Steuereinheit T über funktionell eigenständige Aktoren Al (auch Stellorgane) angesprochen, welche ebenfalls im bzw. am Aufsatz integriert sind. Eine der unter Druck stehenden Kartuschen liefert angefeuchtete Luft, eine andere gibt einen ersten Duftstoff und die weitere einen zweiten Duftstoff in die Strömung als Stimulus für die zu untersuchende Person. [0115] Freigegeben wird jede der Strömungen von jeweils einem Stellorgan, insgesamt gesteuert von der Steuereinheit, die als Hard- bzw. Software eine Komponente der Brille sein kann.
[0116] Diese Steuereinheit kann bei der Durchführung von EEG-Untersuchungen mit olfaktorischen Stimuli eine tragende Rolle spielen. Sie verfolgt den Ablauf der Geruchsprüfungstests, sie steuert bzw. triggert die Luft- bzw. Duft-Ströme, sie zeichnet die resultierenden EEG-Signale auf, sie speichert diese intern oder überträgt sie drahtlos oder via Kabel auf ein externes Medium.
[0117] Eine weitere Software-Komponente bedient sich dieser (technischen) Steuereinheit bei der Ausführung verschiedener Versuchsszenarien (Abfolgen von Versuchsschritten) und bei der Analyse der resultierenden EEG-Signale.
[0118] Die Vorgehensweise wurde im Detail erläutert. Konkrete Resultate in medizinischen Anwendungen finden sich ebenfalls offenbart. Die Ergebnisse aus EEG-Untersuchungen mittels OEP-Verfahren zeigen, dass Patienten mit Verdacht auf Alzheimer oder Huntington unter Verwendung von Zeit-Amplituden-Methoden eindeutig (und frühzeitig) diagnostiziert werden konnten.
[0119] Es hat sich zusätzlich durch Untersuchungen des Erfinders gezeigt, dass auch bei neurodegenerativen Erkrankungen (Neurodegenerative Diseases, kurz NDD) aufmerksam auf die "early hints" olfaktorischer Wahrnehmungs-Änderungen geachtet werden sollte. So wären schon früh vorausschauende Maßnahmen möglich, deren Versäumnisse im Nachhinein oftmals nicht mehr kompensierbar sind. Bei den Krankheiten Alzheimer oder Parkinson könnten beispielsweise rechtzeitige, eine längere Lebensqualität erhaltende Medikationen erfolgen. Bei Covid-19 könnten durch die schnellere Unterbrechung von Infektionsketten eine Eindämmung der Pandemie-Progression erreicht und auch hier, zumindest zukünftig, frühzeitige Therapien möglich werden.
Einfache Erkennung von Alarmzeichen (early hints) durch Prüfung der Geruchswahrnehmung
[0120] Die Geruchswahrnehmung zu skalieren ist (zunächst einmal) schwierig und aufwändig, da die meisten Verfahren nur eine subjektive Messung ermöglichen. Diese psychophysischen Tests sind daher stark von der Mitarbeit des Probanden abhängig. Verbale Fähigkeiten, kulturelle Unterschiede und die Bekanntheit von Düften können das Ergebnis beeinflussen. Insbesondere bei Kindern und Demenzkranken ist eine präzise Feststellung bzw. Einordnung der Riechfähigkeit stark eingeschränkt.
[0121] In den letzten Jahren wurden standardisierte Tests zur psychophysischen Untersuchung von Riechstörungen entwickelt: Beim UPSIT (University of Pennsylvania Smell Identification Test), ein Geruchs-Erkennungstest, sind Duftstoffe mikroverkapselt auf Papier aufgebracht, und diese verschiedenen Duftstoffe müssen anhand einer Liste mit je vier Begriffen identifiziert werden. Bei den Sniffin' Sticks", einem alternativen Testverfahren, das eine Schwellenbestimmung, eine Diskriminations- und eine Identifikationsaufgabe beinhaltet, werden die in Filzstiften enthaltenen Duftstoffe durch Abnehmen der Stiftkappen freigesetzt, vgl. Sniffin' Sticks: Olfactory Performance Assessed by the Combined Testing of Odor Identification, Odor Discrimination and Olfactory Threshold. T. Hummel et al; Chemical Senses, Volume 22 (1), February 1997, 39-52.
[0122] Diese subjektiven Untersuchungsmethoden haben jedoch gewisse Nachteile. Es gibt „gute und schlechte Riecher", manche haben eine feinere Nase als andere. Frauen können normalerweise besser riechen als Männer, Raucher riechen schlechter als Nichtrauer, weil Zigarettenrauch die Riechzellen schädigt. Und ganz allgemein wird der Geruchssinn ab dem 40ten Lebensjahr schlechter. Dies betrifft sowohl die Wahrnehmung als auch die Identifizierung eines Duftes.
[0123] Neben den psychophysischen Verfahren verwendet man daher zur objektivierenden Testung von Riechstörungen zunehmend Untersuchungsmethoden, die weniger von der (korrekten oder nicht bzw. nur schwer möglichen) Mitarbeit der Untersuchungspersonen abhängen. Dabei wird das Riechvermögen mit Hilfe eines Elektroenzephalogramms (EEG) in Form eines Elektroolfaktogramms (EOG) oder olfaktorisch evozierter Potenziale (OEPs) bestimmt.
[0124] Das EEG als elektrisches Korrelat kortikaler Hirntätigkeit kann beim Menschen direkt von der Schädeloberfläche abgeleitet werden. Die Elektroenzephalographie als relativ einfache Registriermöglichkeit bioelektrischer Potenzialschwankungen des menschlichen Gehirns ermöglicht im klinischen Bereich eine Vielzahl diagnostischer Anwendungen, beispielsweise zur Epilepsiediagnostik, zur Charakterisierung verschiedener Schlaf- und Narkosestadien, für die Diagnostik pathologischer zerebraler Veränderungen etc. Dabei werden durch Membranpotenzialschwankungen verursachte kortikale Feldpotenziale an der Schädeloberfläche extrazellulär registriert.
[0125] Die Aktivitäten tieferer Hirnstrukturen (z. B. Thalamus, limbisches System) gehen nur insofern in das EEG ein, wie sie die neuronale Funktion des Kortex beeinflussen. Die von der Kopfhaut abgeleiteten Potenzialschwankungen rühren hauptsächlich vom Einfluss summierter oberflächennaher postsynaptischer Potenziale auf den Extrazellularraum. Das aufgezeichnete EEG besitzt einen wellenförmigen Charakter mit Amplituden zwischen 5pV und lOOpV und hängt in seinem Kurvenverlauf stark vom Ort der Ableitelektrode ab.
[0126] Zur Beschreibung des EEG bedient man sich der Auswertung von Amplituden, Wellenformen und ihrer Frequenzen, in Abhängigkeit vom Ableitort (spatial) und von der Zeit (temporal). Referenzen ...
1. Hummel T, Klimek L, Welge-Lussen A, Wolfensberger G, Gudziol H, Renner B und Kobal G. Chemosensory evoked Potentials for clinical diagnosis of olfactory disorders. Hno 48: 481- 485, 2000.
2. Hummel T und Kobal G.
Olfactory event-related Potentials. In: Methods in chemosensory research, edited by Simon SA, and Nicolelis MAL. Boca Raton: CRC Press, 2001, p. 429-464.
3. Pause B.M. und Krauel K.
Chemosensory event-related Potentials (CSERP) as a key to the psychology of odors. Int J Psychophysiol 36: 105-122, 2000.
4. Bensafi M, Frasnelli J, Reden J und Hummel T.
The neural representation of odor is modulated by the presence of a trigeminal Stimulus during odor encoding. Clin Neurophysiol 118: 696-701, 2007.
5. Gudziol H, Schubert M und Hummel T.
Decreased trigeminal sensitivity in anosmia. ORLJ Otorhinolaryngol Relat Spec 63: 72 bis 75, 2001.
6. Hummel T, Knecht M und Kobal G.
Peripherally obtained electrophysiological responses to olfactory Stimulation in man: electro-olfactograms exhibit a smaller degree of desensitization compared with subjective intensity estimates. Brain res 717: 160-164, 1996.
7. Husner A, Frasnelli J, Welge-Lussen A, Reiss G, Zahnert T und Hummel T.
Löss of trigeminal sensitivity reduces olfactory function. Laryngoscope 116: 1520 bis 1522, 2006.

Claims

Ansprüche
1. Aufsatz für den Kopf einer Person, der Aufsatz gekoppelt mit einer ersten
Steuereinheit (T), und mit Elektroden (Ei bis E4) zur Aufnahme von Hirnströmen oder Hirnpotenzialen, welche Elektroden zu der ersten Steuereinheit (T) führen; wobei die erste Steuereinheit (T) einen Mikroprozessor aufweist, der Signale aus den oder von den Elektroden (Ei bis E4) über einen AD-Wandler zeitbezogen aufzuzeichnen vermag; wobei die erste Steuereinheit (T) an ein Stellorgan (Ai) gekoppelt ist oder dieses ansteuert, welches aus zumindest einer unter Druck stehenden Kartusche (K4) einen Duftstoff als Stimulus in einer Strömung pulsweise freizugeben in der Lage ist (LDZi); wobei die Signale der Elektroden (Ei bis E4) einen Pegel von EEG-Signalen haben, um eine Gruppe von chemosensorisch verursachten Potenzialen oder zumindest deren chemosensorisch beeinflussten zeitlichen Abschnitte zeitbezogen aufzuzeichnen (Fig. 5, Fig. 6) und - bevorzugt nicht am menschlichen Kopf - auszuwerten.
2. Aufsatz nach Anspruch 1, wobei die Elektroden in einer 10/20 Verteilung am Aufsatz angeordnet sind, so dass bei einem Aufsetzen des Aufsatzes auf den Kopf der Person dort Hirnströme oder Hirn potenziale abgegriffen werden oder abgreifbar sind und dem AD-Wandler und dem Mikroprozessor zuführbar sind.
3. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche, wobei lateral zwei Ohrläppchen-
Elektroden (Al, A2) am Aufsatz angeordnet sind, zur Schaffung eines oder zweier Bezugspotenziale für die anderen Elektroden und der bezugspotenzial-definierten Erfassung der EEG-Signale von der Person als Proband oder Testperson.
4. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (T) an ein
Olfaktometer gekoppelt ist und dieses ansteuert, insbesondere an einem im Aufsatz integrierten, modifizierten Olfaktometer.
5. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (T) einen sensorischen Stimulus auslöst, der in einen Luftstrom eingebettet ist, welcher Stimulus in einem Zeitfenster von unter 250ms mit einem Riech- oder Geruchsstoff in die Luftströmung gepulst eingespeist wird.
6. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche, insbesondere Anspruch 5, wobei die Stimulierungen mit einem Geruchsstoff in Intervallen von mehr als 30s entstehen, insbesondere weniger als 45s.
7. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein Aktor (Ai) als Stellorgan vorgesehen ist, der von der Steuereinheit (T) angesteuert wird, und einen Luftstrom mit einem Strömungsvolumen von mehr als 5 l/min bewirkt.
8. Aufsatz nach einem der Ansprüche, örtlich gekoppelt mit einem Monitor, auf dem Informationen angezeigt werden, denen die Person mit dem Aufsatz bei der Messung zu folgen hat.
9. Aufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekoppelt mit einer virtuellen Brille, auf der Informationen angezeigt werden, denen die Person mit dem Aufsatz folgt.
10. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche, der ein Helm ist, insbesondere ähnlich einem Fahrradhelm, wobei insbesondere die Elektroden (Ei bis E4) in einer jeweiligen Helmsegment-Halterung so weit in Richtung Kopfoberfläche beweglich sind, insbesondere drehbar oder schiebbar sind, um ausreichender Kontakt mit der Kopfoberfläche zu haben, insbesondere auch von einer Prüf-Komponente eines Steuerungsprogramms im Mikroprozessor auf einem Display anzeigbar sind; oder die Elektroden (Ei bis E4) in einer jeweiligen Helmsegment-Halterung mit Vorspannung angeordnet sind; oder mit Helmsegmenten des Helms, in welche ein elektrisch leitendes Material eingearbeitet ist, zur Schirmung gegen von außen einwirkende elektromagnetische Störfelder (zumindest eines).
11. Aufsatz nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Aktor (Ai) an einem Schlauchstück angeschlossen ist, das den vom Aktor freigeschalteten Luftstrom zu leiten vermag.
12. Aufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Mikroprozessor eine Software aufweist, die konfiguriert ist, die Ausführung verschiedener Versuchsszenarien - als Abfolgen von Versuchsschritten - durchzuführen.
13. Aufsatz nach Anspruch 12, wobei die Software zu Beginn einer Sitzung oder Messung
V: eine Prüfung, insbesondere der Kontakte, auf Korrektheit durchzuführen konfiguriert ist.
14. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche 12 oder 13, wobei die Software konfiguriert ist, eine jeweilige technische Komponente, insbesondere Luftstrom, randomisierte Duftstrom-Stimuli, anzusteuern, bevorzugt auf einem Display zugehörige Konzentrationselemente, Ablenkungs-Bilder oder Filme zu zeigen, insbesondere eine akustische Ablenkung zu generieren.
15. Aufsatz nach Anspruch 12, wobei die Software resultierende EEG-Signale als Zeitreihen zu erfassen konfiguriert ist.
16. Aufsatz nach Anspruch 12, wobei die Software des Mikroprozessors transformierte Daten, z.B. FFT, berechnet, relevante Größen, wie Minima, Maxima, Amplituden, Zeitspannen, extrahiert, und/oder Schwellenwerte vergleicht oder Kategorisierungen vornimmt.
17. Aufsatz nach Anspruch 12, wobei die Software des Mikroprozessors ausgebildet ist, auf Referenzdaten zuzugreifen, insbesondere allgemeine Daten zur Reaktion von gesunden/kranken Menschen, oder individuellen Daten, wie vorliegende Archivdaten des Probanden.
18. Aufsatz nach Anspruch 17, wobei die Software diese Werte mit ebenfalls erfassten Temperaturwerten kombiniert.
19. Aufsatz nach Anspruch 17, wobei die Software Soll/Ist-Vergleiche bzgl. beobachteten vs. referenzierten Daten durchzuführen ausgebildet ist, insbesondere zu entscheiden ausgebildet ist, ob ein Befund positiv/negativ ist.
20. Messverfahren zur Erfassung einer auf einer Erkrankung beruhenden Veränderung der chemosensorisch, insbes. olfaktorisch bedingten Signalpartitionen eines EEG.
21. Messverfahren nach Anspruch 20, detektierbar mit dem Aufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
22. Messanordnung zur Erfassung einer auf einer Erkrankung beruhenden Veränderung der chemosensorisch, insbes. olfaktorisch bedingten Signalpartitionen eines EEG, mit dem Aufsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
23. Verwendung oder Verwendbarkeit des Aufsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
24. Aufsatz für den Kopf einer Person, der Aufsatz gekoppelt mit einer Steuereinheit (T), einer virtuellen Brille und einem Kopfhörer, und mit Elektroden (Ei bis E4) in einer jeweiligen Helmsegment-Halterung zur Aufnahme von Hirnströmen oder Hirnpotenzialen, welche Elektroden zu der ersten Steuereinheit (T) führen; wobei die erste Steuereinheit einen Mikroprozessor aufweist, der Signale aus den oder von den Elektroden (Ei bis E4) über einen AD-Wandler zeitbezogen aufzuzeichnen vermag; wobei die erste Steuereinheit (T) an ein Stellorgan (Ai) gekoppelt ist, welches aus einer unter Druck stehenden ersten Kartusche (K4) einen angefeuchteten Luftstrom freizugeben in der Lage ist, und getrennt davon in den Luftstrom einen gepulsten Duftstoff als Stimulus einzuspeisen fähig ist; wobei die Signale der Elektroden einen Pegel von EEG-Signalen haben, um eine Gruppe von chemosensorisch verursachten Potenzialen oder zumindest deren chemosensorisch beeinflussten zeitlichen Abschnitte zeitbezogen aufzuzeichnen (Fig. 5, Fig. 6) und - bevorzugt nicht am menschlichen Kopf - auszuwerten.
25. Aufsatz nach Anspruch 24, wobei die Steuereinheit (T) ausgebildet ist, einen sensorischen Stimulus auszulösen, der in einen Luftstrom eingebettet ist, welcher Stimulus in einem Zeitfenster von unter 250ms mit einem Riech- oder Geruchsstoff in die Luftströmung gepulst einspeisbar ist.
26. Aufsatz nach einem der vorigen Ansprüche 24 oder 25, wobei die Steuereinheit (T) an ein Olfaktometer gekoppelt ist und dieses ansteuert.
27. Aufsatz nach Anspruch 26, wobei die Steuereinheit (T) an ein im Aufsatz integriertes, modifizierte Olfaktometer gekoppelt ist.
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