EP3145401A1 - VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR VERGRÖßERUNG DES SIGNAL-RAUSCHABSTANDES VON EVOZIERTEN UND EREIGNISKORRELIERTEN POTENZIALEN IN DEN ABLEITUNGEN EINER NEURONALEN AKTIVITÄT - Google Patents

VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR VERGRÖßERUNG DES SIGNAL-RAUSCHABSTANDES VON EVOZIERTEN UND EREIGNISKORRELIERTEN POTENZIALEN IN DEN ABLEITUNGEN EINER NEURONALEN AKTIVITÄT

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EP3145401A1
EP3145401A1 EP15727570.2A EP15727570A EP3145401A1 EP 3145401 A1 EP3145401 A1 EP 3145401A1 EP 15727570 A EP15727570 A EP 15727570A EP 3145401 A1 EP3145401 A1 EP 3145401A1
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EP
European Patent Office
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signals
single sweep
signal
phase
phases
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15727570.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Strauss
Farah Corona-Strauss
Gabriele STEIDL
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Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Technische Universitat Kaiserslautern
Original Assignee
Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Technische Universitat Kaiserslautern
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Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Technische Universitat Kaiserslautern filed Critical Hochschule fuer Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Publication of EP3145401A1 publication Critical patent/EP3145401A1/de
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    • G06F2218/00—Aspects of pattern recognition specially adapted for signal processing
    • G06F2218/02—Preprocessing
    • G06F2218/04—Denoising

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for increasing the signal-to-noise ratio at evoked and event-related potentials in the derivatives of a neuronal activity, for example of the brain.
  • Evoked and event-related potentials indicate potential differences or waveforms in the electroencephalogram (EEG), which are triggered either by stimulation of a sensory organ or a peripheral nerve, or with cognitive processes, such as
  • EKPs in the EEG have a very small amplitude of a few ⁇ . Therefore, the EKPs in event-independent
  • the measured EEG signals must be evaluated by means of signal analysis methods.
  • the spontaneous EEG is considered as a stochastic interference signal, that of the stimulus or the cognitive Process independent and whose mean is zero.
  • the EKPs of interest are temporally coupled to the stimulus or the cognitive process. After each stimulus or cognitive process, the EKP shows almost the same course.
  • the independent activity tends to zero as the ECP accumulates.
  • the number of realizations required in practice depends on the signal-to-noise ratio and is dependent on the sense modality and physical characteristics
  • Vibration levels time-frequency analysis, wavelet analysis, in synchronization or in coherence over the
  • Fig. 1 shows the upper left in the amplitude A in mV more
  • Single sweeps are individual responses to, for example, an auditory burst stimulus, where N is the number of the sweep
  • FIG. 1 shows a single sweep arranged in a matrix.
  • the trace of the dominant Nl and P2 wave of this potential can be clearly seen.
  • Information about latency and amplitude variations may be in contrast to the averaged potential from the single sweep matrix
  • Matrix representation consisting of an Auditory Streaming
  • Target syllables can be detected in Babble Noise. The recognition of the target syllable is confirmed by pressing a button. In the upper diagram of Fig. 2, single sweeps N in
  • Components (P300) are clearly recognizable complex 2D structures, some of which, for example, with
  • Phase traces are defined by similar phase values in the N sweeps resulting structure in the instantaneous phase transformed version of the single sweep matrix indication.
  • the evaluation of EKPs can also be used for the
  • Adjustment of hearing aids are used.
  • published patent application DE 10 2009 060 093 A1 discloses a method and an arrangement for automatic, recursive Adaptation of a hearing aid worn by a person.
  • the arrangement comprises a stimuli generator unit, which emits an acoustic stimulus to the hearing aid, and a stimuli generator unit, which emits an acoustic stimulus to the hearing aid, and a stimuli generator unit, which emits an acoustic stimulus to the hearing aid, and a
  • Signal acquisition unit with a sensor that detects neural activity of the brain due to the acoustic stimulus
  • the arrangement further comprises a computing and control unit, which is a measure of the listening effort from the
  • Hearing aid control unit that changes the hearing aid parameters.
  • the computing and control unit repeatedly causes the
  • Stimuli generator unit for dispensing a hearing stimulus and the hearing aid control unit for changing a hearing aid parameter until the amount of hearing effort falls below a predefinable threshold value.
  • Reverse transformation in the time domain changed so that the circular variance along at least one phase trace is reduced in the 2D single sweep matrix.
  • the invention claims a method for increasing the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and event-related potential signals of neural activity.
  • the method comprises the following steps:
  • Potential signals of neural activity is significantly improved.
  • the method after the transformation comprises the following steps:
  • the method after the change of the instantaneous phases comprises the following step:
  • Merging or combining with absolute values are in complex signal processing synonyms for the formation of a complex signal (an analytic signal) of magnitude and phase
  • the method has the following additional step:
  • phase-regularized single sweep signals into a resulting evoked potential signal or a resulting event-related potential signal.
  • an isotropic anisotropic smoothing, regularization or filtering of the magnitude values takes place.
  • the change of the instantaneous phases is effected by an isotropic or anisotropic
  • the N individual sweep signals can be predefined, systematically divided, split and split back-transformed and the coherence or
  • Correlation of the split-determined phase-regulated single sweep signals is determined. In a further training, it is in the
  • the invention also claims a digital storage medium having electronically readable control signals which can cooperate with a programmable computer or digital signal processor such that the method according to the invention is carried out.
  • the invention also claims a computer program
  • Program code means for performing all method steps according to the method of the invention when the program is executed on a computer or a digital signal processor.
  • Potential signals and event-related potential signals of a neural activity comprising:
  • a stimulus generator unit configured to provide at least one stimulus
  • a signal detection unit having at least one sensor configured to detect a neural activity due to the stimulus
  • Fig. 2 Auditory evoked Einzelsweep signals in one
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • step 102 a frequency band of interest is extracted and the difference spectrum for each line
  • the frequency band of interest is subtracted from the original spectrum.
  • step 103 the analytical signal of each individual line is determined, from which also the
  • step 104 a noise reduction is performed
  • Phase regulation of the instantaneous phase of the analytical signals i. each line of the single sweep matrix. This is an isotropic or anisotropic regularization or
  • step 105 the so-phase-regulated
  • Step 103 then applying an FFT and adding the difference spectrum from step 102, so that a combined spectrum of the phase-regulated lines
  • Gabor frames For example, Gabor frames, complex wavelets, a Hilbert transformation without FFT and possibly also
  • Pre-filtering used.
  • the measured single sweep signals can also be split up and subjected to the described procedure. Subsequently, the coherence or correlation of the thus determined separately determined mean value signals can be determined.
  • even and odd single sweep signals can be evaluated separately.
  • FIG. 5 shows two diagrams of the instantaneous phases in FIG.
  • Matrix representation for 100 measured single sweep signals as a function of time t in milliseconds The gray levels of the graphs indicate the value of the instantaneous phase, with the color "black” for "- Pi" and the color “white” for "+ pi".
  • the left-hand diagram of FIG. 5 shows the instantaneous phases without phase regulation, and the right-hand diagram shows the instantaneous phases denuded by a method according to FIG. 4.
  • FIGS. 6 to 9 show diagrams of averaged
  • Stimuli generator unit 1 auditory stimuli (stimuli) of a test person 2 are presented by means of headphones 6.
  • EEG unit comprising a signal detection unit 3 with
  • a screen 7 shows the mean value of the real part of the so-called single swept signals in the time domain.

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Abstract

Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine zugehörige Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität an. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: - eine Transformation von Einzelsweep-Signalen der neuronalen Aktivität zur Gewinnung von Momentanphasen der Einzelsweep-Signale aus einem originalen Zeitberecih, - eine zeitliche Darstellung der Momentanphasen in einer 2D- Einzelsweep-Matrix, - eine Änderung der Momentanphasen derart, dass die zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird, und - eine Rücktransformation mit den geänderten Momentanphasen in den originalen Zeitbereich zur Bildung von phasenregularisierten Einzelsweep-Signalen. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Phasenregularisierung das Signal-Rauschverhältnis von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität deutlich verbessert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Vergrößerung des Signal- Rauschabstandes von evozierten und ereigniskorrelierten
Potenzialen in den Ableitungen einer neuronalen Aktivität
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstands bei evozierten und ereigniskorrelierten Potenzialen in den Ableitungen einer neuronalen Aktivität, beispielsweise des Gehirns.
Hintergrund der Erfindung
Evozierte und ereigniskorrelierte Potenziale sind ein
etabliertes Werkzeug der objektiven neurologischen
Diagnostik. Weltweit werden in Kliniken verschiedenster
Fachrichtungen täglich viele medizinische Entscheidungen aufgrund von evozierten und ereigniskorrelierten Potenzialen gefällt. Evozierte und ereigniskorrelierte Potenziale (EP und EKP) bezeichnen Potenzialunterschiede bzw. Wellenformen im Elektroenzephalogramm (EEG) , die entweder durch Reizung eines Sinnesorgans bzw. eines peripheren Nervs ausgelöst werden oder mit kognitiven Prozessen, wie beispielsweise
Aufmerksamkeit oder Sprachverarbeitung, korreliert sind. Mit dem Begriff EKP werden im Folgenden evozierte,
ereigniskorrelierte und induzierte Potenziale
zusammengefasst .
EKPs haben im EEG eine sehr kleine Amplitude von einigen wenigen μν. Um daher die EKPs im ereignisunabhängigen
Spontan-EEG mit einer Amplitude von etwa 50 bis 100 pV sichtbar machen zu können, müssen die gemessenen EEG-Signale mit Hilfe von Methoden der Signalanalyse ausgewertet werden. Dazu werden im einfachsten Fall mehrere Realisierungen eines EKPs gemittelt. Das Spontan-EEG wird dabei als stochastisches Störsignal betrachtet, das von dem Reiz oder dem kognitiven Prozess unabhängig und dessen Mittelwert Null ist. Hingegen sind die interessierenden EKPs zeitlich an den Reiz bzw. dem kognitiven Prozess gekoppelt. Das EKP zeigt nach jedem Reiz bzw. kognitiven Prozess nahezu den gleichen Verlauf. Durch die wiederholte Darbietung eines Reizes bzw. die Wiederholung eines kognitiven Prozesses und die Mittelung des nachfolgenden EEG-Segments strebt die unabhängige Aktivität gegen Null, während das EKP aufsummiert wird. Die Anzahl der in der Praxis notwendigen Realisierungen hängt von dem Signal-Rausch-Verhältnis ab und ist je nach Sinnesmodalität und physikalischen Charakteristika
verschieden. Bei beispielsweise einem durch Lichtblitze ausgelösten Potenzial genügen etwa 50 Reize, während zur Messung der frühen akustischen Hirnstammpotenziale etwa 1000 bis 2000 Reize dargeboten werden müssen. Die Auswertung der EKPs berücksichtigt die Form der Welle, die Wellenhöhe
(Amplitude) und die Laufzeit (Latenz) . Je nachdem, wie lange nach einem Ereignis eine Komponente im EEG auftritt, kann man diese verschiedenen Gehirnregionen zuordnen. Grob gilt folgende Einteilung: frühe Komponenten (0 bis 10 ms), mittlere Komponenten (10 bis 50 ms) und späte oder langsame Komponenten (50 bis 1000 ms) .
Um die Signalauswertung der EKPs zu verbessern, werden seit einiger Zeit Methoden der Signalanalyse verwendet. Mit ihnen lassen sich beispielweise Veränderungen in den
Schwingungsstärken (Zeit-Frequenz-Analyse, Wavelet-Analyse) , in der Synchronisation oder in der Kohärenz über die
Einzelmessungen nachweisen. Vielversprechend ist die Analyse der Momentanphase von EKPs für verschiedene
neurodiagnostische Anwendungen. Beispielsweise wird in
F. Corona-Strauss et al . „Phase Stability Analysis of Chirp Evoked Auditory Brainstem Response by Gabor Frame Operators", IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation
Engineering, Vol. 17, No . 6, December 2009 ein signifikanter Vorteil der Momentanphasenanalyse belegt. Momentanphasen haben eine zirkuläre Verteilung, die für eine statistische Auswertung die Anwendung der linearen Statistik verbietet. Zur Auswertung kommt daher die zirkuläre
Statistik, im Englischen auch „directional statistic"
genannt, zum Einsatz. Die Tatsache, dass 0° und 360°
identische Winkel sind, hat zur Folge, dass beispielweise 180° nicht der richtige Mittelwert von 2° und 358° sein kann. Daraus folgt, dass für einige Datentypen, wie zum Beispiel für zeitlich periodische, besondere mathematische Verfahren erforderlich sind. Beispielsweise müssen für die
Mittelwertsbildung trigonometrische Funktionen verwendet werden . In D. J. Strauss et al „Denoising of single-trial matrix representations using 2D nonlinear diffusion filtering", Journal of Neuroscience Methods, 185: 284—292, 2010 wird beschrieben, wie aktuelle 2D Verfahren der Bildverarbeitung zur Verbesserung der Darstellung von EKPs genutzt werden können. Der Kern des 2D Ansatzes besteht dabei darin, eine Matrix-Darstellung von Einzelsweep-Signalen mit EKP zu verwenden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt links oben die Amplitude A in mV mehrere
abgeleitete Einzelsweeps in Abhängigkeit der Zeit t in s .
Einzelsweeps sind einzelne Antworten auf einen beispielsweise auditiven Burst-Reiz, wobei N die Nummer des Sweeps
bezeichnet. Rechts unten zeigt Fig. 1 das gemittelte
Potenzial aus 100 Einzelsweeps, das häufig zur Analyse von späten auditorischen EKPs eingesetzt wird. Rechts oben zeigt Fig. 1 Einzelsweeps in einer Matrix angeordnet. Dabei ist die normierte Amplitude in Graustufen kodiert, von schwarz (= 0) bis weiß (= 1) . Die Spur der dominanten Nl und P2 Welle dieses Potenzials sind deutlich zu erkennen. Informationen über Latenz- und Amplitudenvariationen können im Gegensatz zu dem gemittelten Potenzial aus der Einzelsweep -Matrix
entnommen werden. In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 114 045 AI wird beispielhaft beschrieben, wie Phasenspuren in
Matrixdarstellungen von Momentanphasen sichtbar werden. In Fig. 2 sind auditorisch evozierte Einzelsweeps in
Matrixdarstellung, die aus einem Auditory Streaming
Experiment gewonnen wurden, dargestellt. Dabei müssen
Zielsilben in Babble Noise erkannt werden. Das Erkennen der Zielsilbe wird durch das Drücken eines Knopfes quittiert. In dem oberen Diagramm der Fig. 2 sind Einzelsweeps N in
Abhängigkeit der Zeit t in ms als elektroenzephalografische Antwort auf die Zielsilben dargestellt. In dem unteren
Diagramm der Fig. 2 sind die Einzelsweeps N absteigend nach der Reaktionszeit sortiert. Besonderes für spätere
Komponenten (P300) sind deutlich komplexe 2D Strukturen zu erkennen, die teilweise beispielsweise mit
Verhaltensparametern korrelieren, wie die geordnete Spur im P300 Bereich in dem Diagramm der Fig. 2 zeigt. Neben der beschriebenen 2D-Matrixdarstellung, ergeben sich diese Spuren auch für die Momentanphase, wie in Fig. 3 für die Einzelsweeps N in Abhängigkeit der Zeit t in ms
dargestellt ist. Zu sehen sind die Momentanphasen der
Einzelsweepmatrix aus dem unteren Diagramm der Fig. 2 mit einer nach der Reaktionszeit sortierten EKP Einzelsweep-
Sequenz (= Vielzahl von Einzelsweeps) für eine Darstellung im Zeitbereich, wobei die Phase in Graustufen dargestellt ist (schwarz = -Pi, weiß = +Pi) . Die sich ergebende direktionale Phasenspur ist mir einer weißen Linie gekennzeichnet.
Phasenspuren werden definiert durch ähnliche Phasenwerte in der durch N Sweeps sich ergebenden Struktur in der bezüglich der Momentanphase transformierten Version der Einzelsweep- Matrixdarsteilung . Die Auswertung von EKPs kann unter anderem auch für die
Einstellung von Hörgeräten verwendet werden. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2009 060 093 AI ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen, rekursiven Anpassung eines von einer Person getragenen Hörgeräts. Die Anordnung umfasst eine Stimuli-Generatoreinheit, die an das Hörgerät einen akustischen Reiz abgibt, und eine
Signalerfassungseinheit mit einem Sensor, die eine neuronale Aktivität des Gehirns aufgrund des akustischen Reizes
erfasst. Die Anordnung umfasst des Weiteren eine Rechen- und Steuereinheit, die ein Maß der Höranstrengung aus der
erfassten neuronalen Aktivität ermittelt und daraus
Änderungen von Hörgeräteparametern bestimmt, sowie eine
Hörgerätesteuereinheit, die die Hörgeräteparameter ändert. Die Rechen- und Steuereinheit veranlasst wiederholt die
Stimuli-Generatoreinheit zum Abgeben eines Hörreizes und die Hörgerätesteuereinheit zum Ändern eines Hörgeräteparameters, bis das Maß der Höranstrengung einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Dadurch können auf sehr robuste und
verlässliche Weise Hörgeräte objektiv und automatisch
angepasst werden.
Wegen der oben beschriebenen Kleinheit der Amplitude der EKPs im EEG spielt das Signal-Rauschverhältnis eine wichtige
Rolle. Eine Vergrößerung des Signal-Rauschverhältnisses würde die Erfassung und Analyse von EKPs deutlich verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein digitales Speichermedium, ein Computerprogramm und eine
Anordnung anzugeben, die das Signal-Rauschverhältnis bei der Erfassung von evozierten und ereigniskorrelierten Potenzialen in der Ableitung von neuronalen Aktivitäten des Gehirns verbessern .
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem
Verfahren, dem digitales Speichermedium, dem Computerprogramm und der Anordnung gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Erdfindungsgemäß werden die Momentanphasen von Einzelsweep- Signalen einer 2D-Einzwlsweep-Marix vor einer
Rücktransformation in den Zeitbereich so verändert, dass die zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird.
Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
eine Transformation von N Einzelsweep-Signalen der
neuronalen Aktivität zur Gewinnung von Momentanphasen der Einzelsweep-Signale aus einem originalen Zeitbereich, eine zeitliche Darstellung der Momentanphasen in einer 2D- Einzelsweep-Matrix,
eine Änderung der Momentanphasen derart, dass die
zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird, und
eine Rücktransformation mit den geänderten Momentanphasen in den originalen Zeitbereich zur Bildung von N
phasenregularisierten Einzelsweep-Signalen.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die
Phasenregularisierung das Signal-Rauschverhältnis von
evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten
Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität deutlich verbessert wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Änderung der Momentanphasen durch eine Änderung des Real- und
Imaginärteils der komplex transformierten Einzelsweep-Signale erzielt .
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren nach der Transformation folgende Schritte auf:
eine Extraktion der Phaseninformation der transformierten Einzelsweep-Signale (auch mit erstellten Projektionen bezeichnet) zur Bildung der Momentanphasen und eine Speicherung von zu den Momentanphasen
korrespondierenden Betragswerten .
D.h. ein analytisches Signal, das mit Betrag und
darstellbar ist, wird gebildet und gespeichert.
Des Weiteren weist das Verfahren nach der Änderung der Momentanphasen folgenden Schritt auf:
ein Zusammenführen der geänderten Momentanphasen mit den gespeicherten Betragswerten.
Zusammenführen bzw. Zusammenfassen bzw. Kombination mit Absolutwerten sind in der komplexen Signalverarbeitung Synonyme für die Bildung eines komplexen Signals (eines analytischen Signals) aus Betrag und Phase durch
Multiplikation oder aus Real- und Imaginärteil durch
Addition .
In einer weiteren Ausbildung weist das Verfahren noch folgenden zusätzlichen Schritt auf:
eine Mittelung der phasenregularisierten Einzelsweep- Signale zu einem resultierenden evozierten Potenzial- Signal oder zu einem resultierenden ereigniskorrelierten Potenzial-Signal.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine isotrope anisotrope Glättung, Regularisierung oder Filterung der Betragswerte .
In einer weiteren Ausprägung erfolgt die Änderung der Momentanphasen durch ein isotropes oder anisotropes
Regularisierungs- oder Glättungsverfahren .
In einer Weiterbildung werden die N Einzelsweep-Signale vorgebbar systematisch aufgeteilt, aufgeteilt verändert und aufgeteilt rücktransformiert und die Kohärenz oder
Korrelation der aufgeteilt ermittelten phasenregulierten Einzelsweep-Signale wird ermittelt. In einer weiteren Ausbildung handel es sich bei der
Transformation um eine Hardy-Raum Projektion.
Die Erfindung beansprucht auch ein digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
Die Erfindung beansprucht auch ein Computerprogramm mit
Programmcodemitteln, um alle Verfahrensschritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.
Außerdem beansprucht die Erfindung eine Anordnung zur
Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten
Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial- Signalen einer neuronalen Aktivität, aufweisend:
eine Stimuli-Generatoreinheit, die ausgebildet ist, mindestens einen Reiz darzubieten,
eine Signalerfassungseinheit mit mindestens einem Sensor, die ausgebildet ist, eine neuronale Aktivität aufgrund des Reizes zu erfassen, und
einer Rechen- und Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1: eine 2D-Matrixdarstellung von Einzelsweep- Signalen,
Fig. 2: auditorisch evozierte Einzelsweep-Signale in einer
2D-Matrixdarstellung, Momentanphasen einer 2D Einzelsweep- Matrixdarstellung geordnet nach der Reaktionszeit, ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstands von
evozierten oder ereigniskorrelierten Potenzial- Signalen in einem EEG,
Momentanphasen einer 2D Einzelsweep- Matrixdarstellung mit und ohne Rauschminderung, eine Darstellung von 250 gemittelten Einzelsweep- Siganlen mit 30 dB HL Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens,
eine Darstellung von 500 gemittelten, auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL
Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens ,
eine Darstellung von 750 gemittelten, auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL
Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens ,
eine Darstellung von 1000 gemittelten, auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL
Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens, und
ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und
ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität. Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur
Vergrößerung des Signal-Rauschabstands von evozierten oder ereigniskorrelierten Potenzialen in den Ableitungen einer neuronalen Aktivität. Aus dem EEG einer Testperson mit evozierten Potenzial-Signalen und/oder ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen wird im ersten Schritt 100 eine Einzelversuchsmatrix mit N Einzelsweep-Signalen durch
Triggerung des EEG gebildet.
Auf jede Zeile der Einzelversuchsmatrix wird im Schritt 101 eine Fast Fourier Transformation (FFT) angewandt. Im
folgenden Schritt 102 wird ein interessierendes Frequenzband extrahiert und das Differenzspektrum für jede Zeile
gespeichert. Beispielsweise wird vom Originalspektrum das interessierende Frequenzband abgezogen.
Anschließend wird im Schritt 103 das analytische Signal jeder einzelnen Zeile ermittelt, woraus sich auch die
Momentanphasen ergeben. Das heißt, negative Frequenzen werden gleich Null gesetzt, positive Frequenzen des extrahierten Bandes werden mit zwei multipliziert und anschließend darauf eine inverse FFT angewandt. Die mit dem Rahmen 200
eingefassten Schritte 101 bis 103 kann als eine Hardy-Raum Projektion angegeben werden. In dem Schritt 104 erfolgt zur Rauschminderung eine
Phasenregulierung der Momentanphase der analytischen Signale, d.h. jeder Zeile der Einzelsweepmatrix . Dabei wird ein isotropes oder anisotropes Regularisierungs- oder
Glättungsverfahren zur Reduktion der zirkulären Varianz entlang von Phasenspuren in der Einzelsweepmatrix verwendet. Die Phasenregulierung wird in Fig. 4 durch den Rahmen 201 hervorgehoben .
In dem Schritt 105 wird die so phasenregulierte
Einzelsweepmatrix mit den zugehörigen Absolutwerten aus
Schritt 103 zusammengefasst , darauf eine FFT angewandt und das Differenzspektrum aus Schritt 102 hinzuaddiert, so dass ein kombiniertes Spektrum der phasenregulierten Zeilen
(analytische Signale) erzielt wird. Auf diese so gewonnen Zeilen wird im schritt 106 eine inverse FFT angewandt (zur Gewinnung des analytischen Signals können die negativen
Frequenzen wieder zu Null gesetzt werden) . Die mit dem Rahmen 202 eingefassten Schritte 105 und 106 stellen die Rückprojektion in den originalen Zeitbereich dar.
Im abschließenden Schritt 107 wird der Mittelwert des
Realteils der so entrauschten Einzelsweep-Signale im
Zeitbereich gebildet und das resultierende entrauschte evozierte Potenzial-Signal oder das resultierende
ereigniskorrelierte Potenzial-Signa beispielsweise auf einem Bildschirm angezeigt. Anschließend wird zur EEG-Messung zurück gesprungen und für die nächsten N Einzelsweep-Signale das Verfahren mit den Schritten 100 bis 107 durchgeführt. Das Ergebnis jedes weiteren Verfahrensdurchlaufs wird mit den vorher ermittelten Ergebnissen gemittelt und wieder
dargestellt .
Andere Algorithmen als die oben beschriebene FFT basierte Hilbert Transformation sind für die Extraktion der
Frequenzbänder und Hardy-Raum Projektionen bzw. die
Extraktion der Momentanphasen ebenfalls möglich.
Beispielsweise können Gabor Frames, komplexe Wavelets, eine Hilbert Transformation ohne FFT und eventuell auch
Vorfilterungen zum Einsatz kommen.
Die gemessenen Einzelsweep-Signale können auch aufgeteilt und aufgeteilt dem beschriebenen Verfahren unterzogen werden. Anschließend kann die Kohärenz oder Korrelation der so getrennt ermittelten Mittelwert-Signale bestimmt werden.
Beispielsweise können gerade und ungerade Einzelsweep-Signale getrennt ausgewertet werden.
Fig. 5 zeigt zwei Diagramme der Momentanphasen in
Matrixdarstellung für 100 gemessene Einzelsweep-Signale in Abhängigkeit der Zeit t in Millisekunden. Die Graustufen der Diagramme geben den Wert der Momentanphase an, wobei die Farbe „schwarz" für ,,-Pi" und die Farbe „weiß" für „+Pi" steht. Das linke Diagramm der Fig. 5 zeigt die Momentanphasen ohne Phasenregulierung und das rechte Diagramm zeigt die mit einem Verfahren nach Fig. 4 entrauschten Momentanphasen. Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen Diagramme von gemittelten,
auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL Stimulation, wobei die Einzelsweep-Signale experimentell mit einem Verfahren nach Fig. 4 und einer Anordnung nach Fig. 10 an einer Testperson ermittelt wurden. Die durchgezogenen Kurven zeigen jeweils die Mittelwerte mit einer Reduktion des Phasenrauschens. Die gestrichelten Kurven zeigen im Vergleich dazu jeweils die Mittelwerte ohne Reduktion des
Phasenrauschens. Eine nennenswerte Aktivität ist bei einer derartigen Reizung zwischen 14 ms und 18 ms zu erwarten. Im Algorithmus nach Fig. 4 wird N=10 gesetzt.
Diverse Verfahren zur isotropen oder anisotropen
Regularisierung von zirkulären Varianzen sind aus dem Bereich der Optik und Bildverarbeitung bekannt.
In Fig. 5 werden 250 Einzelsweep-Signale ausgewertet, in
Fig. 6 500, in Fig. 7 750 und Fig. 9 1000. In allen
Diagrammen ist deutlich zu erkennen, dass durch das
„Entrauschen" der Momentanphasen eine deutliche
Signalverbessrung erreicht wird. Schon bei 250 Einzelsweep- Signalen ist dies signifikant sichtbar. Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur
Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten
Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial- Signalen einer neuronalen Aktivität. Mit einer Stimuli- Generatoreinheit 1 werden auditorische Reize (Stimuli) einer Testperson 2 mittels Kopfhörern 6 dargeboten. Mit einer EEG- Einheit, umfassend eine Signalerfassungseinheit 3 mit
Sensoren 5, wird die neuronale Aktivität des Gehirns aufgrund des dargebotenen Reizes erfasst (sogenannte Ableitungen der EKPs) .
Mit einer Rechen- und Steuereinheit 4 wird das oben
beschriebene Verfahren zur Rauschminderung durchgeführt. Auf einem Bildschirm 7 wird der Mittelwert des Realteils der so entrauschten Einzelsweep-Signale im Zeitbereich dargestellt.
Bezugszeichenliste
1 Stimuli-Generatoreinheit
2 Testperson
3 Signalerfassungseinheit
4 Rechen- und Steuereinheit
5 Sensor
6 Kopfhörer
7 Bildschirm
100 Bildung einer Einzelversuchsmatrix
101 FFT
102 Extraktion eines Frequenzbands und Bildung eines
Differenz spektrum
103 Momentanphasengewinnung
104 Phasenregularisierung
105 Kombination mit Absolutwerten
106 inverse FFT
107 Mittelung und Darstellung
200 Hardy-Raum Projektion
201 Phasenregulierung
202 Rückprojektion in den Zeitbereich A Amplitude
N Nummer des Einzelsweep-Signals
t Zeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten
Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität, durch:
eine Transformation von Einzelsweep-Signalen der
neuronalen Aktivität zur Gewinnung von Momentanphasen der Einzelsweep-Signale (200) aus einem originalen
Zeitbereich,
- eine zeitliche Darstellung der Momentanphasen in einer 2D- Einzelsweep-Matrix (103),
eine Änderung der Momentanphasen derart, dass die
zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird (201), und
- eine Rücktransformation mit den geänderten Momentanphasen in den originalen Zeitbereich zur Bildung von
phasenregularisierten Einzelsweep-Signalen (202).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Änderung der Momentanphasen durch eine Änderung des Real- und Imaginärteils der komplex transformierten
Einzelsweep-Signale erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch :
nach der Transformation,
eine Extraktion der Phaseninformation aus den
transformierten Einzelsweep-Signalen zur Bildung der
Momentanphasen (103) und
eine Speicherung von zu den Momentanphasen
korrespondierenden Betragswerten .
4. Verfahren nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch:
nach der Änderung der Momentanphasen,
ein Zusammenführen der geänderten Momentanphasen mit den gespeicherten Betragswerten (105).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch :
eine Mittelung der phasenregularisierten Einzelsweep- Signale zu einem resultierenden evozierten Potenzial- Signal oder zu einem resultierenden ereigniskorrelierten Potenzial-Signal (107).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
gekennzeichnet durch :
eine isotrope oder anisotrope Glättung, Regularisierung oder Filterung der Betragswerte.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Änderung der Momentanphasen durch ein isotropes oder anisotropes Regularisierungs- oder Glättungsverfahren
erfolgt .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einzelsweep-Signale vorgebbar systematisch
aufgeteilt, aufgeteilt verändert und aufgeteilt
rücktransformiert werden und eine Kohärenz oder Korrelation der aufgeteilt ermittelten phasenregulierten Einzelsweep- Signale ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Transformation um eine Hardy-Raum
Projektion handelt.
10. Digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, dass das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
ausgeführt wird.
11. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle
Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9
durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.
12. Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten
Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität, aufweisend: eine Stimuli-Generatoreinheit (1), die ausgebildet ist, mindestens einen Reiz darzubieten,
eine Signalerfassungseinheit (3) mit mindestens einem Sensor (5) , die ausgebildet ist, eine neuronale Aktivität aufgrund des Reizes zu erfassen, und
einer Rechen- und Steuereinheit (4), die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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