DE102015206450A1

DE102015206450A1 - Method for the computer-aided processing of action potentials of the human or animal body measured with a plurality of electrodes

Info

Publication number: DE102015206450A1
Application number: DE102015206450.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Urbanek
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von mit einer Mehrzahl von Elektroden (1) gemessenen Aktionspotentialen des menschlichen oder tierischen Körpers (K), wobei für einen oder mehrere Messzeitpunkte (t) jeweils ein gemessenes Aktionspotential für jede Elektrode (1) als ein Elektrodenpotential (vr) vorliegt, wobei die Elektrodenpotentiale (vr) für einen jeweiligen Messzeitpunkt (t) wie folgt verarbeitet werden: a) in einem Rekonstruktionsvolumen (RV) des menschlichen oder tierischen Körpers (K), das aus einer Vielzahl von Volumenelementen besteht und benachbart zu der Mehrzahl von Elektroden (1) liegt, werden Aktionspotentiale (ve) für die einzelnen Volumenelemente aus den Elektrodenpotentialen (vr) mittels eines Modells (MO) rekonstruiert, wodurch ein Satz von rekonstruierten Aktionspotentialen (ve) erhalten wird; b) der Satz von rekonstruierten Aktionspotentialen (ve) wird modifiziert, indem die Aktionspotentiale (ve) für alle Volumenelemente in einem vorbestimmten Gebiet (A) innerhalb des Rekonstruktionsvolumens (RV) auf Null gesetzt werden, während die Aktionspotentiale (ve) außerhalb des vorbestimmten Gebiets (A) unverändert bleiben, wodurch ein Satz von modifizierten Aktionspotentialen (vm) erhalten wird; c) aus dem Satz von modifizierten Aktionspotentialen (vm) werden mittels des Modells (MO) modifizierte Elektrodenpotentiale (vrm) berechnet und ausgegeben.The invention relates to a method for computer-aided processing of action potentials of the human or animal body (K) measured with a plurality of electrodes (1), wherein in each case one measured action potential for each electrode (1) as an electrode potential for one or more measurement times (t) (vr), wherein the electrode potentials (vr) for a respective measurement time (t) are processed as follows: a) in a reconstruction volume (RV) of the human or animal body (K) consisting of a plurality of volume elements and adjacent to with the plurality of electrodes (1), action potentials (ve) for the individual volume elements are reconstructed from the electrode potentials (vr) by means of a model (MO), whereby a set of reconstructed action potentials (ve) is obtained; b) the set of reconstructed action potentials (ve) is modified by zeroing the action potentials (ve) for all volume elements in a predetermined area (A) within the reconstruction volume (RV) while the action potentials (ve) are outside the predetermined area (A) remain unchanged, whereby a set of modified action potentials (vm) is obtained; c) from the set of modified action potentials (vm), modified electrode potentials (vrm) are calculated and output by means of the model (MO).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von mit einer Mehrzahl von Elektroden gemessenen Aktionspotentialen des menschlichen oder tierischen Körpers. The invention relates to a method for the computer-aided processing of action potentials of the human or animal body measured with a plurality of electrodes.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messung von Aktionspotentialen des menschlichen oder tierischen Körpers. Solche Aktionspotentiale werden beispielsweise im Rahmen der Elektroenzephalographie (EEG) oder der Elektromyographie (EMG) erfasst. Bei der Elektroenzephalographie werden Aktionspotentiale von Nervenzellen im Gehirn gemessen, wohingegen bei der Elektromyographie die Aktionspotentiale von Muskeln erfasst werden. In beiden Fällen werden an entsprechenden Elektroden Aktionspotentiale gemessen. Dabei wird in der Regel ein Array aus mehreren Oberflächenelektroden (auch als sEMG-Elektroden bezeichnet) auf die Haut des Patienten aufgebracht. The invention is in the field of measuring action potentials of the human or animal body. Such action potentials are recorded, for example, in the context of electroencephalography (EEG) or electromyography (EMG). In electroencephalography action potentials of nerve cells in the brain are measured, whereas in electromyography the action potentials of muscles are detected. In both cases action potentials are measured at corresponding electrodes. As a rule, an array of several surface electrodes (also referred to as sEMG electrodes) is applied to the skin of the patient.

Bei der Messung von Aktionspotentialen besteht oftmals das Problem, dass der interessierende Volumenbereich des menschlichen bzw. tierischen Körpers, für den die Messung mittels entsprechender Elektroden erfolgt, Signalartefakte enthält, welche durch Aktionspotentiale und andere elektrische Felder außerhalb des zu analysierenden Körperbereichs verursacht sind. Beispielsweise werden EEG-Messungen durch Aktionspotentiale aufgrund von Bewegungen der Gesichtsmuskulatur verfälscht. When measuring action potentials, there is often the problem that the volume range of interest of the human or animal body, for which the measurement takes place by means of corresponding electrodes, contains signal artifacts which are caused by action potentials and other electric fields outside the body area to be analyzed. For example, EEG measurements are distorted by action potentials due to movements of the facial muscles.

Zur Vermeidung von Störsignalen bei EEG-Messungen ist es bekannt, den Probanden geeignet zu trainieren, so dass dieser seine Gesichtsmuskulatur bei der Durchführung der Messung entspannt. Ebenso sind rechnergestützte Verfahren bekannt, mit denen Störsignale in EEG-Messungen identifiziert und entfernt werden können. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist im Dokument [1] beschrieben. Die bekannten Verfahren zur Identifikation und Entfernung von Störsignalen ermöglichen keine örtliche Lokalisation der Störungen und sind demzufolge fehlerbehaftet. In order to avoid interference signals in EEG measurements, it is known to train the subject appropriately, so that this relaxes his facial muscles when performing the measurement. Likewise, computer-aided methods are known with which interference signals in EEG measurements can be identified and removed. An example of such a method is described in document [1]. The known methods for the identification and removal of interference signals do not allow a local localization of the interference and are therefore subject to errors.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von mit einer Mehrzahl von Elektroden gemessenen Aktionspotentialen des menschlichen oder tierischen Körpers zu schaffen, welches mit hoher Genauigkeit Störsignale aus den gemessenen Aktionspotentialen eliminiert. The object of the invention is to provide a method for the computer-aided processing of action potentials of the human or animal body measured with a plurality of electrodes, which eliminates interference signals from the measured action potentials with high accuracy.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 11. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur rechnergestützten Verarbeitung von mit einer Mehrzahl von Elektroden gemessenen Aktionspotentialen des menschlichen oder tierischen Körpers. Dabei existiert für einen oder mehrere Messzeitpunkte jeweils ein gemessenes Aktionspotential für jede Elektrode, das im Folgenden als Elektrodenpotential bezeichnet wird. Die einzelnen Elektrodenpotentiale der Elektroden werden für einen jeweiligen Messzeitpunkt basierend auf den nachfolgend beschriebenen Schritten a) bis c) verarbeitet. The method according to the invention serves for the computer-aided processing of action potentials of the human or animal body measured with a plurality of electrodes. In each case, there is one measured action potential for each electrode for one or more measurement times, which is referred to below as electrode potential. The individual electrode potentials of the electrodes are processed for a respective measurement time based on the steps a) to c) described below.

In einem Schritt a) werden in einem Rekonstruktionsvolumen des menschlichen oder tierischen Körpers, das aus einer Vielzahl von Volumenelementen besteht und benachbart zu der Mehrzahl von Elektroden liegt, Aktionspotentiale für die einzelnen Volumenelemente aus den Elektrodenpotentialen mittels eines Modells rekonstruiert, wodurch ein Satz von rekonstruierten Aktionspotentialen erhalten wird. Der Begriff des benachbart zu der Mehrzahl von Elektroden liegenden Rekonstruktionsvolumens ist dabei derart zu verstehen, dass die im Rekonstruktionsvolumen auftretenden Aktionspotentiale die Messungen der Elektrodenpotentiale beeinflussen. Als Modell zur Rekonstruktion der Elektrodenpotentiale können in Schritt a) beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Modelle genutzt werden. In dem Dokument [2] wird ein Überblick über entsprechende Modelle im Zusammenhang mit Elektroenzephalographie beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Rekonstruktion der Aktionspotentiale mittels des Verfahrens aus dem Dokument [3] durchgeführt. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. In a step a), in a reconstruction volume of the human or animal body consisting of a plurality of volume elements and adjacent to the plurality of electrodes, action potentials for the individual volume elements are reconstructed from the electrode potentials by means of a model, whereby a set of reconstructed action potentials is obtained. The concept of the reconstruction volume lying adjacent to the plurality of electrodes is to be understood in such a way that the action potentials occurring in the reconstruction volume influence the measurements of the electrode potentials. As a model for the reconstruction of the electrode potentials, any models known from the prior art can be used in step a). The document [2] describes an overview of corresponding models in connection with electroencephalography. In a particularly preferred embodiment, the reconstruction of the action potentials is carried out by means of the method from document [3]. The entire disclosure content of this document is incorporated by reference into the content of the present application.

In einem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Satz von rekonstruierten Aktionspotentialen modifiziert, indem die (rekonstruierten) Aktionspotentiale für alle Volumenelemente in einem vorbestimmten (Teil-)Gebiet innerhalb des Rekonstruktionsvolumens auf Null gesetzt werden, während die (rekonstruierten) Aktionspotentiale außerhalb des vorbestimmten Gebiets unverändert bleiben. Mit anderen Worten weisen die modifizierten Aktionspotentiale im vorbestimmten Gebiet den Wert Null auf, wohingegen der Wert der modifizierten Aktionspotentiale außerhalb des vorbestimmten Gebiets dem Wert der entsprechenden rekonstruierten Aktionspotentiale entspricht. In a step b) of the inventive method, the set of reconstructed action potentials is modified by zeroing the (reconstructed) action potentials for all volume elements in a predetermined (sub-) area within the reconstruction volume while the (reconstructed) action potentials are outside the predetermined one Remain unchanged. In other words, the modified action potentials in the predetermined area have the value zero, whereas the value of the modified action potentials outside the predetermined area corresponds to the value of the corresponding reconstructed action potentials.

In einem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus dem in Schritt b) erhaltenen Satz von modifizierten Aktionspotentialen mittels des obigen Modells modifizierte Elektrodenpotentiale berechnet und geeignet ausgegeben. In Schritt c) werden somit mit dem obigen Modell die Elektrodenpotentiale unter Ausschluss des vorbestimmten Gebiets rückgerechnet. Der Begriff des Ausgebens der Elektrodenpotentiale ist weit zu verstehen. Das Ausgeben kann z.B. das Speichern der Elektrodenpotentiale oder auch die Ausgabe der Elektrodenpotentiale über eine Benutzerschnittstelle, wie z.B. die grafische Darstellung der Elektrodenpotentiale, umfassen. In a step c) of the method according to the invention, modified electrode potentials are calculated from the set of modified action potentials obtained in step b) by means of the above model and output appropriately. In step c), therefore, the electrode potentials are recalculated with the above model excluding the predetermined area. The term of outputting electrode potentials is to be understood broadly. The output can eg save the Electrode potentials or the output of the electrode potentials via a user interface, such as the graphical representation of the electrode potentials include.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können effizient räumlich lokalisierte Störungen, die in einem vorbestimmten Gebiet auftreten, aus den Messungen eliminiert werden, wodurch die Qualität der erfassten Daten verbessert wird. Dabei können zu jedem Messzeitpunkt Störartefakte aus den Signalen herausgerechnet werden, ohne dass Signale über einen längeren Zeitpunkt analysiert werden müssen, wie dies bei Verfahren aus dem Stand der Technik der Fall ist.With the method according to the invention, spatially localized disturbances that occur in a predetermined area can be efficiently eliminated from the measurements, thereby improving the quality of the acquired data. In this case, it is possible to exclude interfering artifacts from the signals at each time of measurement without having to analyze signals over a longer time, as is the case in prior art methods.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wurden die Elektrodenpotentiale mit Oberflächenelektroden auf der Haut des menschlichen bzw. tierischen Körpers gemessen. Insbesondere wurden hierzu monopolare Elektroden verwendet. Gegebenenfalls können jedoch auch mehrpolare und insbesondere bi- oder tripolare Elektroden eingesetzt werden. In a particularly preferred embodiment, the electrode potentials were measured with surface electrodes on the skin of the human or animal body. In particular, monopolar electrodes were used for this purpose. Optionally, however, multipolar and in particular bi- or tripolar electrodes can be used.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Elektroenzephalographie, bei der mittels Oberflächenelektroden, die an einem menschlichen oder tierischen Schädel angebracht sind, Aktionspotentialen von Nervenzellen des Gehirns gemessen werden. Um bereits vorab Störeinflüsse möglichst gering zu halten, sind die Oberflächenelektroden vorzugsweise außerhalb des Gesichts des Schädels angebracht. Nichtsdestotrotz kann das erfindungsgemäße auch für andere Körperteile eingesetzt werden. Insbesondere können die Oberflächenelektroden auch am Brustkorb zur Untersuchung des Herzens bzw. am Arm (z.B. am Unterarm) zur Untersuchung der Armmuskulatur angebracht sein. Ferner sind auch Anwendungen denkbar, bei denen die Elektroden innerhalb des Körpers platziert werden, z.B. als Nadelelektroden bzw. im Rahmen der Electrocorticographie (ECoG).A preferred field of application of the invention is electroencephalography, in which action potentials of nerve cells of the brain are measured by means of surface electrodes which are attached to a human or animal skull. In order to keep disturbances as small as possible in advance, the surface electrodes are preferably mounted outside the face of the skull. Nevertheless, the invention can also be used for other body parts. In particular, the surface electrodes may also be attached to the thorax for examination of the heart or on the arm (for example on the forearm) for examining the arm muscle. Furthermore, applications are also conceivable in which the electrodes are placed inside the body, e.g. as needle electrodes or in the context of electrocorticography (ECoG).

Um in der soeben beschriebenen Ausführungsform Störeinflüsse von der Gesichtsmuskulatur möglichst gering zu halten, umfasst das vorbestimmte Gebiet, in dem die Aktionspotentiale in Schritt b) auf Null gesetzt werden, vorzugsweise einen Bereich im Gesicht des menschlichen bzw. tierischen Schädels. In order to minimize interference from the facial muscles in the embodiment just described, the predetermined area in which the action potentials in step b) are set to zero preferably comprises an area in the face of the human or animal skull.

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Elektrodenpotentiale mit Oberflächenelektroden gemessen wurden, umfasst das Rekonstruktionsvolumen einen vorgegebenen Volumenbereich, der im Wesentlichen unterhalb des durch die Mehrzahl von Elektroden abgedeckten Flächenbereichs des menschlichen oder tierischen Körpers liegt. Dieser Flächenbereich ist vorzugsweise derart definiert, dass er durch die konvexe Umrandung (zweidimensionale konvexe Hülle) der Mehrzahl von Elektroden in der Oberfläche des Körpers begrenzt ist, auf der sich die Elektroden befinden. Der Begriff "unterhalb des Flächenbereichs" bedeutet, dass der vorgegebene Volumenbereich höchstens bis zu einem Mantel reicht, der sich senkrecht zum Flächenbereich an dessen Rand in den menschlichen bzw. tierischen Körper hinein erstreckt. In a further variant of the method according to the invention, in which the electrode potentials were measured with surface electrodes, the reconstruction volume comprises a predetermined volume range, which lies substantially below the surface area of the human or animal body covered by the plurality of electrodes. This area is preferably defined to be bounded by the convex border (two-dimensional convex hull) of the plurality of electrodes in the surface of the body on which the electrodes are located. The term "below the surface area" means that the predetermined volume range extends at most to a mantle which extends perpendicular to the surface area at its edge into the human or animal body.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Rekonstruktionsvolumen einen vorgegebenen Volumenbereich, der innerhalb der (dreidimensionalen) konvexen Hülle der Mehrzahl von Elektroden im dreidimensionalen Raum liegt oder diese konvexe Hülle umfasst. Die Definition der konvexen Hülle ist dem Fachmann hinlänglich bekannt.In a further preferred embodiment, the reconstruction volume comprises a predetermined volume range which lies within the (three-dimensional) convex hull of the plurality of electrodes in three-dimensional space or comprises this convex hull. The definition of the convex hull is well known to those skilled in the art.

Durch die obigen Definitionen des vorgegebenen Volumenbereichs wird sichergestellt, dass das Rekonstruktionsvolumen Bereiche des menschlichen bzw. tierischen Körpers umfasst, deren Aktionspotentiale einen besonders großen Einfluss auf die Elektrodenpotentiale haben. Im Unterschied hierzu liegt das oben definierte vorbestimmte Gebiet, in dem die Aktionspotentiale auf Null gesetzt werden, vorzugsweise außerhalb des vorgegebenen Volumenbereichs und ist somit als Gebiet mit störenden Einflüssen auf die gemessenen Elektrodenpotentiale einzustufen.The above definitions of the given volume range ensure that the reconstruction volume comprises regions of the human or animal body whose action potentials have a particularly great influence on the electrode potentials. In contrast to this, the predetermined area defined above, in which the action potentials are set to zero, is preferably outside the predetermined volume range and is thus to be classified as an area with disturbing influences on the measured electrode potentials.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zeitlicher Verlauf von Elektrodenpotentialen entlang von mehreren aufeinander folgenden Messzeitpunkten verarbeitet und hieraus ein zeitlicher Verlauf von modifizierten Elektrodenpotentialen entlang der mehreren aufeinander folgenden Messzeitpunkte berechnet und ausgegeben.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, a temporal course of electrode potentials is processed along a plurality of successive measurement times, and from this a time profile of modified electrode potentials along the several consecutive measurement times is calculated and output.

Wie bereits oben erwähnt, kann die Rekonstruktion der Aktionspotentiale der einzelnen Volumenelemente in Schritt a) basierend auf dem in der Druckschrift [3] beschriebenen Verfahren erfolgen. In diesem Fall läuft die Rekonstruktion der Aktionspotentiale wie folgt ab:
Zunächst werden mehrere unterschiedliche Volumenaufteilungen des Rekonstruktionsvolumens bestimmt oder vorgegeben, wobei jede Volumenaufteilung das Rekonstruktionsvolumen in einer Mehrzahl von aneinander angrenzenden Volumensegmenten aus mehreren Volumenelementen zerlegt und jedem Volumenelement ein Segment-Aktionspotential als Variable zugeordnet ist, welches ein konstantes Aktionspotential für alle Volumenelemente innerhalb des jeweiligen Volumensegments ist. Für jede Volumenaufteilung werden folgende Teilschritte i) und ii) durchgeführt:

i) es wird ein Gleichungssystem bestimmt, in dem basierend auf dem Modell das in jeder Elektrode gemessene Elektrodenpotential als eine Summe aus Termen modelliert wird, wobei für jedes Segment-Aktionspotential ein Term existiert, der das Produkt aus dem Segment-Aktionspotential mit einem vorbestimmten Faktor darstellt, der den Einfluss des Segment-Aktionspotentials auf das auf der jeweiligen Elektrode gemessene Elektrodenpotential darstellt;
ii) das Gleichungssystem wird gelöst, wodurch Werte für das Segment-Aktionspotential durch Werte für die Aktionspotentiale jedes Volumenelements innerhalb des Rekonstruktionsvolumens erhalten werden.

As already mentioned above, the reconstruction of the action potentials of the individual volume elements in step a) can be based on the method described in reference [3]. In this case, the reconstruction of the action potentials is as follows:
First, several different volume divisions of the reconstruction volume are determined or predetermined, each volume division dividing the reconstruction volume into a plurality of contiguous volume segments of multiple volume elements and associating with each volume element a segment action potential as a variable having a constant action potential for all volume elements within the respective volume segment is. For each volume division, the following sub-steps i) and ii) are carried out:

i) a system of equations is determined in which, based on the model, the electrode potential measured in each electrode is modeled as a sum of terms, with a term for each segment action potential comprising the product of the segment action potential with a predetermined factor representing the influence of the segment action potential on the electrode potential measured on the respective electrode;
ii) the equation system is solved, whereby values for the segment action potential are obtained by values for the action potentials of each volume element within the reconstruction volume.

Schließlich werden die Werte der Aktionspotentiale der einander entsprechenden Volumenelemente aller Volumenaufteilungen gemittelt, wobei die hierdurch erhaltenen Mittelwerte die rekonstruierten Aktionspotentiale darstellen. Finally, the values of the action potentials of the corresponding volume elements of all volume divisions are averaged, the averages obtained thereby representing the reconstructed action potentials.

Die soeben beschriebene Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, dass die an den Elektroden gemessenen Elektrodenpotentiale durch eine lineare Kombination der Aktionspotentiale in dem entsprechenden Rekonstruktionsvolumen des menschlichen bzw. tierischen Körpers modelliert werden können. Die vorbestimmten Faktoren der Linearkombination können vorab für das entsprechend untersuchte Körperteil experimentell ermittelt sein oder auf andere Weise geeignet modelliert werden. The embodiment just described is based on the recognition that the electrode potentials measured at the electrodes can be modeled by a linear combination of the action potentials in the corresponding reconstruction volume of the human or animal body. The predetermined factors of the linear combination can be determined beforehand experimentally for the correspondingly examined body part or otherwise suitably modeled.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die verschiedenen Volumenaufteilungen immer die gleiche Anzahl an Volumensegmenten. Ferner entspricht die Anzahl an Volumensegmenten für jede Volumenaufteilung vorzugsweise der Mehrzahl von Elektroden. Gegebenenfalls kann die Anzahl an Volumensegmenten jedoch auch größer oder kleiner gewählt werden, was dazu führt, dass mehrere Lösungen des Gleichungssystems existieren, wobei in diesem Fall eine (beliebige) der Lösungen verwendet wird. Im Besonderen hat sich eine Anzahl an Volumensegmenten, welche zwei bis dreimal so groß ist wie die Anzahl der Elektroden, als praktikabel erwiesen. In a preferred embodiment, the different volume divisions always comprise the same number of volume segments. Further, the number of volume segments for each volume division preferably corresponds to the plurality of electrodes. Optionally, however, the number of volume segments can also be chosen to be larger or smaller, which leads to the existence of several solutions of the equation system, in which case one (arbitrary) of the solutions is used. In particular, a number of volume segments that are two to three times the number of electrodes has been found to be practicable.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Gleichungssystem über die Minimierung einer Norm und insbesondere der 2-Norm gelöst. Das Minimum der Norm wird vorzugsweise einfach und schnell über die Berechnung der Pseudoinversen, insbesondere der Moore-Penrose-Pseudoinversen im Falle der 2-Norm, bestimmt. Gegebenenfalls können auch andere herkömmliche Verfahren, wie z.B. Gradienten-Abstiegs-Verfahren, zur Bestimmung des Minimums der Norm verwendet werden. In a further preferred embodiment, the equation system is achieved by minimizing a norm and in particular the 2-norm. The minimum of the standard is preferably determined simply and quickly by calculating the pseudoinverse, in particular the Moore-Penrose pseudoinverse in the case of the 2-norm. Optionally, other conventional methods, such as e.g. Gradient descent method, used to determine the minimum of the norm.

In einer weiteren Variante wird jede Volumenaufteilung derart bestimmt, dass eine der Anzahl an Volumensegmenten entsprechende Anzahl an Referenz-Volumenelementen aus dem Volumen ermittelt oder vorgegeben wird, wobei für jedes Referenz-Volumenelement ein Volumensegment derart ermittelt wird, dass dem Volumensegment das jeweilige Referenz-Volumenelement und alle weiteren Volumenelemente zugeordnet werden, deren Abstand zu dem jeweiligen Referenz-Volumenelement im Vergleich zu den Abständen zu den anderen Referenz-Volumenelementen am geringsten ist. Es wird somit auf einfache Weise eine Einteilung der Volumenelemente über eine Nearest-Neighbor-Methode (Voronoi-Diagramme) implementiert. Vorzugsweise werden dabei für jede Volumenaufteilung Referenz-Volumenelemente zufällig ermittelt. In a further variant, each volume distribution is determined such that a number of volume segments corresponding number of reference volume elements from the volume is determined or predetermined, wherein for each reference volume element, a volume segment is determined such that the volume segment, the respective reference volume element and all other volume elements whose distance to the respective reference volume element is the smallest compared to the distances to the other reference volume elements. It is thus implemented in a simple manner a division of the volume elements via a nearest neighbor method (Voronoi diagrams). Preferably, reference volume elements are determined at random for each volume distribution.

In einer weiteren Ausgestaltung stellt ein jeweiliger vorbestimmter Faktor die Summe von Funktionswerten einer Funktion über die Volumenelemente in demjenigen Volumensegment dar, dem das entsprechende Segment-Aktionspotential zugeordnet ist, mit dem der vorbestimmte Faktor multipliziert wird. Die Funktion hängt von dem Abstand zwischen dem jeweiligen Volumenelement im Volumensegment und der jeweiligen Elektrode ab, an der das Aktionspotential gemessen wird. Die Funktionswerte der Funktion nehmen dabei mit zunehmendem Abstand ab. Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Modellierung der vorbestimmten Faktoren die Aktionspotentiale im menschlichen Körper gut beschrieben werden können. Als besonders geeignet hat es sich dabei erwiesen, wenn die Funktionswerte der Funktion quadratisch oder kubisch mit zunehmendem Abstand zwischen Volumenelement und Elektrode abnehmen. In a further embodiment, a respective predetermined factor represents the sum of function values of a function over the volume elements in that volume segment to which the corresponding segment action potential associated with the predetermined factor is multiplied. The function depends on the distance between the respective volume element in the volume segment and the respective electrode at which the action potential is measured. The function values of the function decrease with increasing distance. It has been found that with such a modeling of the predetermined factors, the action potentials in the human body can be well described. It has proven to be particularly suitable if the function values of the function decrease quadratically or cubically with increasing distance between the volume element and the electrode.

Anstatt oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Modellierung der vorbestimmten Faktoren besteht auch die Möglichkeit, dass die Faktoren experimentell für entsprechende Körpervolumina bestimmt sind. Ferner können die vorbestimmten Faktoren in Abhängigkeit von der Anatomie im Volumen des menschlichen oder tierischen Körpers festgelegt sein. Die festgelegten Faktoren können z.B. aus einer geeigneten Modellierung der Veränderung der Aktionspotentiale in Abhängigkeit von der Anatomie des entsprechenden Körperteils ermittelt worden sein. Instead of or in addition to the modeling of the predetermined factors described above, there is also the possibility that the factors are determined experimentally for corresponding body volumes. Further, the predetermined factors may be determined depending on the anatomy in the volume of the human or animal body. The determined factors may e.g. have been determined from a suitable modeling of the change in the action potentials as a function of the anatomy of the corresponding body part.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur rechnergestützten Verarbeitung von mit einer Mehrzahl von Elektroden gemessenen Aktionspotentialen des menschlichen oder tierischen Körpers, wobei für einen oder mehrere Messzeitpunkte jeweils ein Aktionspotential für jede Elektrode als ein Elektrodenpotential vorliegt, wobei die Vorrichtung eine Rechnereinheit umfasst, welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb die Elektrodenpotentiale für einen jeweiligen Messzeitpunkt wie folgt verarbeitet:

a) in einem Rekonstruktionsvolumen des menschlichen oder tierischen Körpers, das aus einer Vielzahl von Volumenelementen besteht und benachbart zu de Mehrzahl von Elektroden liegt, werden Aktionspotentiale für die einzelnen Volumenelemente aus den Elektrodenpotentialen mittels eines Modells rekonstru iert, wodurch ein Satz von rekonstruierten Aktionspotentialen erhalten wird;
b) der Satz von rekonstruierten Aktionspotentialen wird modifiziert, indem die Aktionspotentiale für alle Volumenelemente in einem vorbestimmten Gebiet innerhalb des Rekonstruktionsvolumens auf Null gesetzt werden, während die Aktionspotentiale außerhalb des vorbestimmten Gebiets unverändert bleiben wodurch ein Satz von modifizierten Aktionspotentialen erhalten wird;
c) aus dem Satz von modifizierten Aktionspotentialen werden mittels des Modells modifizierte Elektrodenpotentiale berechnet und ausgegeben.

The invention further relates to a device for the computer-aided processing of action potentials of the human or animal body measured with a plurality of electrodes, one action potential being present for each electrode as an electrode potential for one or more measurement times, the device comprising a computer unit configured in such a way is that, during operation, it processes the electrode potentials for a respective measurement time as follows:

a) in a reconstruction volume of the human or animal body, consisting of a plurality of volume elements and adjacent to the plurality of electrodes, action potentials for the individual volume elements from the electrode potentials are reconstructed by means of a model, whereby a set of reconstructed action potentials is obtained ;
b) the set of reconstructed action potentials is modified by setting the action potentials for all volume elements in a predetermined area within the reconstruction volume to zero, while the action potentials outside the predetermined area remain unchanged, thereby obtaining a set of modified action potentials;
c) from the set of modified action potentials, modified electrode potentials are calculated and output by means of the model.

Die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. The device according to the invention described above is preferably designed such that it is suitable for carrying out one or more preferred variants of the method according to the invention.

Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. The invention further relates to a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird. Moreover, the invention relates to a computer program with a program code for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention, when the program code is executed on a computer.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten 1 detailliert beschrieben. Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Embodiments of the invention are described below with reference to the attached 1 described in detail. This figure shows a schematic representation of a sequence of a variant of the method according to the invention.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung basierend auf EEG-Messungen beschrieben. Bei diesen Messungen werden mittels Oberflächenelektroden die Aktionspotentiale von Nervenzellen des Gehirns gemessen. Bei der Elektroenzephalographie besteht das Problem, dass die schwachen Potentiale des Gehirns oftmals durch Störungen, wie z.B. Aktionspotentiale der Gesichtsmuskulatur, verfälscht werden. Diese Störsignale werden im Rahmen der hier beschriebenen Ausführungsform identifiziert und eliminiert. Das Verfahren der Erfindung ist jedoch nicht nur auf EEG-Messungen beschränkt, sondern kann auch zur Messung von anderen Aktionspotentialen des menschlichen bzw. tierischen Körpers eingesetzt werden. Insbesondere kann die Erfindung auch im Rahmen der Elektromyographie zur Messung von muskulären Aktionspotentialen zum Einsatz kommen. An embodiment of the invention based on EEG measurements will be described below. In these measurements, the action potentials of nerve cells of the brain are measured by means of surface electrodes. In electroencephalography, there is the problem that the weak potentials of the brain are often compromised by disturbances, e.g. Action potentials of the facial muscles, be falsified. These spurious signals are identified and eliminated in the embodiment described herein. However, the method of the invention is not limited only to EEG measurements, but can also be used to measure other action potentials of the human or animal body. In particular, the invention can also be used in the context of electromyography for measuring muscular action potentials.

Im linken Teil der 1 ist eine herkömmliche Messung M von Elektrodenpotentialen an der Schädeldecke eines Probanden gezeigt. Der Kopf bzw. Schädel des Probanden ist mit K bezeichnet und es sind in der hinteren Schädeldecke eine Vielzahl von Elektroden 1 vorgesehen, welche aus Übersichtlichkeitsgründen nur teilweise mit diesem Bezugszeichen bezeichnet sind. Mittels der einzelnen Elektroden werden die Oberflächenpotentiale an der Schädeldecke erfasst, die durch entsprechende Aktionspotentiale von Nervenzellen im Gehirn verursacht werden. Beispielhaft ist eine aktivierte Hirnregion mit erhöhten Aktionspotentialen durch einen schraffierten Bereich mit dem Bezugszeichen A' dargestellt. In the left part of the 1 For example, a conventional measurement M of electrode potentials on the skull of a subject is shown. The head or skull of the subject is designated K and there are a plurality of electrodes in the posterior skull 1 provided, which are for reasons of clarity only partially denoted by this reference numeral. By means of the individual electrodes, the surface potentials on the skull are detected, which are caused by corresponding action potentials of nerve cells in the brain. By way of example, an activated brain region with increased action potentials is represented by a hatched area with the reference symbol A '.

Im Rahmen der Messung M der einzelnen Elektrodenpotentiale interessieren nur die Aktivierungen in dem Bereich VB (durch gestrichelten Rand begrenzt), d.h. in einem Bereich, in dem entsprechende Elektrodenpotentiale durch Aktivitäten des Gehirns verursacht werden. Nichtsdestotrotz werden die Elektrodenpotentiale auch durch Gebiete des Kopfs außerhalb des Bereichs VB beeinflusst. Beispielhaft ist ein Bereich A im Gesicht des Probanden wiedergegeben, bei dem es durch Bewegungen der Gesichtsmuskulatur ebenfalls zu Aktionspotentialen kommt, die Auswirkungen auf die Elektrodenpotentiale haben und in diesem Sinne eine Störung darstellen, die zu eliminieren ist. In the context of the measurement M of the individual electrode potentials, only the activations in the region VB (delimited by dashed edge) are of interest, i. in an area where corresponding electrode potentials are caused by activities of the brain. Nonetheless, the electrode potentials are also affected by regions of the head outside of the region VB. By way of example, a region A is reproduced in the subject's face, in which movements of the facial muscles also lead to action potentials which have an effect on the electrode potentials and in this sense represent a disturbance which is to be eliminated.

Im Rahmen der herkömmlichen Messung M werden für eine Vielzahl von aufeinander folgenden Messzeitpunkten für jede einzelne Elektrode 1 die entsprechenden Elektrodenpotentiale gemessen. Dies ist für eine Elektrode im oberen Bereich der Schädeldecke durch das Diagramm DI1 und eine Elektrode im unteren Bereich der Schädeldecke durch das Diagramm DI2 angedeutet. Die beiden Diagramme zeigen entlang der Zeitachse t den Verlauf der jeweiligen Elektrodenpotentiale v_r. Die jeweiligen durchgezogenen Linien L stellen den tatsächlich gemessenen Verlauf der Elektrodenpotentiale dar, wobei das entsprechende Potential zuvor geeignet verstärkt und über einen A/D-Wandler in ein digitales Signal gewandelt wurde. Der zeitliche Verlauf gemäß der Linie L enthält neben dem Anteil L', der auf die Aktivierung im Gebiet A' zurückzuführen ist, ein Störsignal L'', das durch den Bereich A der Gesichtsmuskulatur verursacht wird. In the context of conventional measurement M be for a variety of consecutive measurement times for each individual electrode 1 measured the corresponding electrode potentials. This is indicated for an electrode in the upper area of the skull by the diagram DI1 and an electrode in the lower area of the skull by the diagram DI2. The two diagrams show along the time axis t the course of the respective electrode potentials v _r. The respective solid lines L represent the actually measured course of the electrode potentials, wherein the corresponding potential has been previously suitably amplified and converted into a digital signal via an A / D converter. The time course according to the line L contains in addition to the proportion L ', which is due to the activation in the area A', a noise signal L '', which is caused by the area A of the facial muscles.

Mittels der im Folgenden erläuterten Ausführungsform wird nunmehr dieses Störsignal L'' weitestgehend aus dem Messsignal herausgerechnet, so dass schließlich ein bereinigtes Messsignal erhalten wird, das dann mit geeigneten Analyseverfahren, die nicht Bestandteil der Erfindung sind, weiterverarbeitet werden kann. In Schritt S1 der 1 wird zunächst ein Rekonstruktionsvolumen RV des Kopfes K betrachtet, welches neben dem interessierenden Volumenbereich VB des Gehirns auch Bereiche des Gesichtes und somit Orte von Störungen umfasst. Mittels eines an sich bekannten Modells MO werden in Schritt S1 für einzelne Volumenelemente (auch als Voxel bezeichnet) im Inneren des Schädels entsprechende Aktionspotentiale v_e rekonstruiert, welche zu den Elektrodenpotentialen v_r entsprechend der Messung M führen. Dabei werden die Aktionspotentiale der einzelnen Volumenelemente für jeden einzelnen Messzeitpunkt separat bestimmt. Es können beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Modelle MO zur Berechnung dieser Aktionspotentiale genutzt werden. In der hier beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Aktionspotentiale basierend auf dem Verfahren der Druckschrift [3]. Dieses Verfahren wird im Folgenden näher erläutert. By means of the embodiment explained below, this interference signal L "will now be calculated as far as possible out of the measurement signal, so that finally an adjusted measurement signal is obtained, which can then be further processed by suitable analysis methods which are not part of the invention. In step S1 of 1 First, a reconstruction volume RV of the head K is considered which, in addition to the volume area VB of interest of the brain, also includes areas of the face and thus places of disturbances. By means of a model MO which is known per se, corresponding action potentials v _{e are} reconstructed in step S1 for individual volume elements (also referred to as voxels) inside the skull, which lead to the electrode potentials v _{r in} accordance with the measurement M. The action potentials of the individual volume elements are determined separately for each individual measurement time. Any state-of-the-art models MO can be used to calculate these action potentials. In the embodiment described here, the calculation of the action potentials is based on the method of document [3]. This method is explained in more detail below.

Ausgangspunkt sind die zu dem jeweiligen Messzeitpunkt von den einzelnen Elektroden 1 erfassten Elektrodenpotentiale, die mit v_r bezeichnet sind. Dabei sind die Positionen der einzelnen Elektroden an der Schädeldecke bekannt. Es wird ein Modell MO betrachtet, wonach sich ein gemessenes Elektrodenpotential v_r einer einzelnen Elektrode 1 aus der Summe der Potentialfelder entsprechender Volumenelemente bzw. Voxel im Referenzvolumen RV ergibt. Die einzelnen Terme der Summe sind dabei mit einem Faktor gewichtet. Die einzelnen Faktoren können vorab experimentell bzw. empirisch ermittelt sein. Insbesondere hat sich eine Modellierung der Faktoren basierend auf einer Funktion als geeignet erwiesen, welche mit zunehmendem Abstand zwischen dem entsprechenden Volumenelement und der Elektrode abnimmt. Vor allem repräsentiert eine lineare, quadratische oder kubische Abnahme der Funktionswerte mit dem Abstand sehr gut die anatomischen bzw. physikalischen Gegebenheiten im entsprechenden Volumen des menschlichen bzw. tierischen Körpers. In der hier beschriebenen Ausführungsform ergibt sich der Faktor aus einer Funktion, welche quadratisch mit dem Abstand zwischen Volumenelement und Elektrode abnimmt. The starting point is that at the respective measuring time of the individual electrodes 1 detected electrode potentials, which are designated by v _r . The positions of the individual electrodes on the skull are known. Consider a model MO which yields a measured electrode potential v _{r of} a single electrode 1 from the sum of the potential fields corresponding volume elements or voxels in the reference volume RV results. The individual terms of the sum are weighted by a factor. The individual factors can be determined beforehand experimentally or empirically. In particular, modeling of the factors based on a function has proven to be suitable, which decreases with increasing distance between the corresponding volume element and the electrode. Above all, a linear, quadratic or cubic decrease in the functional values with the distance represents very well the anatomical or physical conditions in the corresponding volume of the human or animal body. In the embodiment described here, the factor results from a function which decreases quadratically with the distance between the volume element and the electrode.

Das gemessene Oberflächenpotential v_r einer Elektrode 1 lässt sich somit mathematisch durch folgende Formel darstellen:

The measured surface potential v _{r of} an electrode 1 can thus be represented mathematically by the following formula:

Dabei bezeichnet v_s das Aktionspotential eines Volumenelementes bzw. Voxels s. Zur Unterscheidung wird das mit dem hier beschriebenen Verfahren rekonstruierte Aktionspotential des Volumenelements s mit v_e bezeichnet (siehe auch 1). d_r,s ist der Faktor, welcher das Potential des Volumenelementes s zur entsprechenden Position der Elektrode 1 abschwächt. Wie oben erwähnt, kann dieser Faktor z.B. durch eine distanzabhängige Funktion, welche vom Abstand zwischen dem Volumenelement s und der Position der Elektrode 1 abhängt, approximiert werden. Für alle Elektroden r₁, r₂, usw. des Elektroden-Arrays und alle Volumenelemente s₁, s₂, usw. im Referenzvolumen RV kann die Modellierung des Aktionspotentials gemäß Gleichung (1) in folgender Matrixschreibweise dargestellt werden: v_r = Dv_s (2). Dabei gilt:

Here v _s denotes the action potential of a volume element or voxel s. For distinction, the action potential of the volume element s reconstructed with the method described here is designated v _e (see also FIG 1 ). d _{r, s} is the factor which determines the potential of the volume element s to the corresponding position of the electrode 1 weakens. As mentioned above, this factor can be determined, for example, by a distance-dependent function, which depends on the distance between the volume element s and the position of the electrode 1 depends, be approximated. For all electrodes r ₁ , r ₂ , etc. of the electrode array and all volume elements s ₁ , s ₂ , etc. in the reference volume RV, the modeling of the action potential according to equation (1) can be represented in the following matrix notation:

v _r = Dv _s (2).

Where:

D stellt die entsprechende Matrix aus den Faktoren d_r,s dar, wobei r den Index der Elektroden und s den Index der Volumenelemente repräsentiert. D represents the corresponding matrix from the factors d _{r, s} , where r represents the index of the electrodes and s the index of the volume elements.

Die gemessenen Oberflächenpotentiale v_r einer Elektrode werden somit durch ein lineares Gleichungssystem aus Aktionspotentialen von Volumenelementen dargestellt. Demzufolge können die Aktionspotentiale im Referenzvolumen RV durch die Lösung dieses linearen Gleichungssystems ermittelt werden. The measured surface potentials v _{r of} an electrode are thus represented by a linear equation system of action potentials of volume elements. Consequently, the action potentials in the reference volume RV can be determined by the solution of this linear system of equations.

Mathematisch kann die Lösung des obigen Gleichungssystems (2) durch folgende Minimierung der 2-Norm dargestellt werden:

Mathematically, the solution of the above system of equations (2) can be represented by the following minimization of the 2-norm:

Dieses Minimierungsproblem kann auf einfache Weise mit Hilfe der an sich bekannten Berechnung der Moore-Penrose-Pseudoinversen wie folgt gelöst werden: v_s = D⁺v_r (6). This minimization problem can be solved in a simple way by means of the known calculation of the Moore-Penrose pseudoinverse as follows: v _s = D ⁺ v _r (6).

Dabei stellt D⁺ die pseudoinverse Matrix von D dar. Eine Minimierung nach anderen Normen als der 2-Norm ist ggf. auch möglich. D ^{+ represents} the pseudo-inverse matrix of D. Minimization according to standards other than the 2-norm may also be possible.

Da die Anzahl der Elektroden, mit denen die Oberflächenpotentiale gemessen werden, in der Regel wesentlich geringer ist als die Einteilung des Volumens in Volumenelemente, ist das obige Gleichungssystem (2) stark unterbestimmt. Deshalb wird zu dessen Lösung eine Regularisierung verwendet. Diese Regularisierung beruht auf der Annahme, dass eine Vielzahl von benachbarten Volumenelementen in Bins bzw. Volumensegmenten zusammengefasst werden können, wobei die Aktionspotentiale der Volumenelemente innerhalb eines Volumensegments das gleiche Aktionspotential v_b aufweisen. Die Anzahl |b| der Bins wird in der hier beschriebenen Ausführungsform mit der Anzahl |r| der Elektroden des Elektroden-Array gleichgesetzt. Since the number of electrodes, with which the surface potentials are measured, is generally much smaller than the division of the volume into volume elements, the above system of equations (2) is strongly underdetermined. Therefore, regularization is used to solve it. This regularization is based on the assumption that a multiplicity of adjacent volume elements can be combined into bins or volume segments, the action potentials of the volume elements within a volume segment having the same action potential v _b . The number | b | In the embodiment described here, the bin is given the number | r | equated to the electrodes of the electrode array.

Die obige Gleichung (1) kann somit wie folgt umgeschrieben werden:

The above equation (1) can thus be rewritten as follows:

Da alle Aktionspotentiale v_s innerhalb eines Bins den gleichen Wert aufweisen, kann das Aktionspotential für die Volumenelemente eines Bins durch den einzelnen Wert v_sb repräsentiert werden. Auf diese Weise lässt sich die obige Gleichung (7) wie folgt schreiben:

Since all action potentials v _s within a bin have the same value, the action potential for the volume elements of a bin can be represented by the single value v _sb . In this way, the above equation (7) can be written as follows:

Die obigen Faktoren d_r,s können nunmehr zu einem gemeinsamen Faktor d_r,b für ein Volumensegment wie folgt zusammengefasst werden:

The above factors d _{r, s} can now be combined into a common factor d _{r, b} for a volume segment as follows:

Somit kann die obige Gleichung (8) wie folgt geschrieben werden:

Thus, the above equation (8) can be written as follows:

Die Faktoren d_r,b für alle Volumensegmente können nunmehr als eine Matrix D_b und deren Pseudoinverse als Matrix D + / b repräsentiert werden. Somit kann die Lösung des obigen Gleichungssystems (10) für alle Elektroden wie folgt geschrieben werden:

The factors d _{r, b} for all volume segments can now be considered as a matrix D _b and its pseudoinverse as a matrix

D + / b

be represented. Thus, the solution of the above equation system (10) for all electrodes can be written as follows:

Dieses Gleichungssystem ist nunmehr nicht mehr unterbestimmt und kann in an sich bekannter Weise mit der Moore-Penrose-Pseudoinversen D + / b gelöst werden. This equation system is now no longer underdetermined and can in a conventional manner with the Moore-Penrose pseudoinverse D + / b be solved.

In der hier beschriebenen Ausführungsform werden die einzelnen Volumensegmente, auf deren Basis die Aktionspotentiale

ermittelt werden, zufällig festgelegt. Dabei liefert eine einmalige zufällige Volumenaufteilung in entsprechende Segmente ein eher unwahrscheinliches Bild der tatsächlich korrekten Verteilung der elektrischen Potentiale, welche zu den gemessenen Aktionspotentialen an den Elektroden führen. Zur Lösung dieses Problems wird eine Vielzahl von zufälligen Volumenaufteilungen ermittelt und dann der Mittelwert der Aktionspotentiale über diese Volumenaufteilungen berechnet. Hierdurch ergibt sich für jedes Volumenelement ein Aktionspotential, das dem rekonstruierten Aktionspotential v_e aus 1 entspricht und das Ergebnis des Schritts S1 aus 1 darstellt.In the embodiment described here, the individual volume segments are based on the action potentials

be determined at random. In this case, a single random volume distribution into corresponding segments provides a rather improbable picture of the actually correct distribution of the electrical potentials, which lead to the measured action potentials at the electrodes. To solve this problem, a plurality of random volume divisions are determined and then the mean of the action potentials is calculated over these volume divisions. This results in an action potential for each volume element that corresponds to the reconstructed action potential v _e 1 corresponds and the result of step S1 off 1 represents.

In dem Schritt S2 der 1 werden nunmehr die Werte von denjenigen Aktionspotentialen v_e, die außerhalb des interessierenden Volumenbereichs VB liegen, auf Null gesetzt. Hierdurch werden die störenden Einflüsse von Aktionspotentialen außerhalb des Gehirns (d.h. die Aktionspotentiale im Bereich A der Gesichtsmuskulatur) eliminiert. Man erhält somit für den jeweiligen Messzeitpunkt einen Satz von modifizierten Aktionspotentialen v_m der einzelnen Voxel, wobei die Werte von v_m den Werten von v_e in Bereichen innerhalb des Volumens VB entsprechen und ansonsten die Werte von v_m auf Null gesetzt sind. In einem nächsten Schritt S3 werden nunmehr unter Rückgriff auf das Modell MO modifizierte Elektrodenpotentiale v_rm berechnet. Hierzu werden in der hier beschriebenen Ausführungsform die modifizierten Aktionspotentiale v_m als Potentiale

in das Gleichungssystem (10) bzw. (11) eingesetzt. Dabei wird angenommen, dass jedes Segment aus einem einzelnen Volumenelement bzw. Voxel besteht. Anders ausgedrückt werden die modifizierten Aktionspotentiale v_m als Aktionspotentiale v_s in das Gleichungssystem (1) bzw. (2) eingesetzt. Auf diese Weise erhält man schließlich entsprechend modifizierte Elektrodenpotentiale, die in 1 mit v_rm bezeichnet sind. In step S2 of 1 Now, the values of those action potentials v _e that are outside the volume range of interest VB are set to zero. As a result, the disturbing influences of action potentials outside the brain (ie the action potentials in area A of the facial muscles) are eliminated. A set of modified action potentials v _{m of} the individual voxels is thus obtained for the respective measurement time, the values of v _m corresponding to the values of v _e in regions within the volume VB and otherwise the values of v _{m being set} to zero. In a next step S3, modified electrode potentials v _{rm are} calculated using the model MO. For this purpose, in the embodiment described here, the modified action potentials v _m as potentials

used in the equation system (10) or (11). It is assumed that each segment consists of a single volume element or voxel. In other words, the modified action potentials v _{m are used} as action potentials v _s in the equation system (1) or (2). In this way, finally, correspondingly modified electrode potentials are obtained 1 are denoted by v _rm .

In 1 ist ein Diagramm DI1' wiedergegeben, welches entlang der Zeitachse t die entsprechend modifizierten Aktionspotentiale v_rm für die gleiche Elektrode wiedergibt, für welche das Diagramm DI1 erstellt wurde. Der zeitliche Verlauf dieser modifizierten Aktionspotentiale ist durch die Linie L_m wiedergegen, die im Idealfall nicht mehr die Störung gemäß der Linie L'' aus Diagramm DI1 enthält und somit der Linie L' aus DI1 entspricht. Analog ist in dem Diagramm DI2' der zeitliche Verlauf L_m der modifizierten Elektrodenpotentiale v_rm wiedergegeben, der sich für die Elektrode ergibt, für welche das Diagramm DI2 erstellt wurde. Auch dieser modifizierter Verlauf L_m stellt im Idealfall dem Verlauf L' aus dem Diagramm DI2 dar.In 1 a diagram DI1 'is reproduced, which shows along the time axis t the correspondingly modified action potentials v _rm for the same electrode for which the diagram DI1 was created. The time course of these modified action potentials is again represented by the line L _m , which in the ideal case no longer contains the disturbance according to the line L "from diagram DI1 and thus corresponds to the line L 'from DI1. Analogously, in the diagram DI2 ', the time profile L _{m of} the modified electrode potentials v _{rm is} reproduced, which results for the electrode for which the diagram DI2 was created. This modified course L _m also ideally represents the course L 'from the diagram DI2.

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere können auf einfache Weise mittels eines an sich bekannten Modells Störungen in gemessenen Elektrodenpotentialen eliminiert werden und hierdurch korrekte modifizierte Elektrodenpotentiale erhalten werden. Diese modifizierten Elektrodenpotentiale ermöglichen anschließend eine geeignete medizinische Diagnostik, wobei die Durchführung der Diagnostik nicht Teil der Erfindung ist. Ein bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Elektroenzephalographie, mit der über Oberflächenelektroden Aktionspotentiale des menschlichen Gehirns erfasst werden. Nichtsdestotrotz können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Aktionspotentiale, wie z.B. Aktionspotentiale von Muskeln, gemessen werden.The embodiments of the invention described above have a number of advantages. In particular, disturbances in measured electrode potentials can be eliminated in a simple manner by means of a model which is known per se and, as a result, correct modified electrode potentials can be obtained. These modified electrode potentials then enable a suitable medical diagnosis, wherein the implementation of the diagnosis is not part of the invention. A preferred field of application of the method according to the invention is electroencephalography, with which surface potentials of action of the human brain are detected. Nevertheless, with the method according to the invention, other action potentials, such as e.g. Action potentials of muscles are measured.

Literaturverzeichnisbibliography

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[2] Michel CM, Murray M, Lantz G, Gonzalez S, Grave de Peralta R. EEG Source Imaging. Invited Review. Clinical Neurophysiology, 2004, 115: 2195-2222 ,
[3] DE 10 2012 211 799 A1

Claims

Method for computer-aided processing with a plurality of electrodes ( 1 ) measured action potentials of the human or animal body (K), wherein for one or more measurement times (t) each have a measured action potential for each electrode ( 1 Be processed) as an electrode potential (V _r) is present, wherein the electrode potentials (V _R) for a respective measuring point in time (t) as follows: a) (in a reconstruction volume RV) of the human or animal body (K) consisting of a plurality of volume elements and adjacent to the plurality of electrodes ( 1 ), action potentials (v _e ) for the individual volume elements are reconstructed from the electrode potentials (v _r ) by means of a model (MO), whereby a set of reconstructed action potentials (v _e ) is obtained; b) the set of reconstructed action potentials (v _e ) is modified by setting the action potentials (v _e ) to zero for all volume elements in a predetermined area (A) within the reconstruction volume (RV) while the action potentials (v _e ) are outside of the predetermined area (A) remain unchanged, whereby a set of modified action potentials (v _m ) is obtained; c) from the set of modified action potentials (v _m ), modified electrode potentials (v _rm ) are calculated and output by means of the model (MO).

A method according to claim 1, characterized in that the electrode potentials (v _r ) have been measured with surface electrodes on the skin and / or with electrodes arranged inside the human or animal body (K).

A method according to claim 2, characterized in that the electrode potentials (v _r ) have been measured with surface electrodes which are attached to a human or animal skull, in particular outside the face.

A method according to claim 3, characterized in that the predetermined area (A) comprises an area in the face of the human or animal skull.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the electrode potentials (v _r ) were measured with surface electrodes and the reconstruction volume (RV) comprises a predetermined volume range (VB) substantially below that of the plurality of electrodes (V). 1 ) covered surface area of the human or animal body (K).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reconstruction volume (RV) comprises a predetermined volume area (VB) which is within the convex hull of the plurality of electrodes (VB). 1 ) is in three-dimensional space or includes the convex hull.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that the predetermined area (A) outside the predetermined volume range (VB) is located.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a temporal course of electrode potentials (v _r ) is processed along a plurality of consecutive measurement times (t) and from this a time course of modified electrode potentials (v _rm ) is calculated and output along the several successive measurement times.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reconstruction of the action potentials (v _e ) for the individual volume elements in step a) proceeds as follows: - several different volume divisions of the reconstruction volume (RV) are determined or predetermined, each volume division the Reconstruction volume (RV) is decomposed into a plurality of contiguous volume segments of a plurality of volume elements and each segment of volume is assigned a segment action potential as a variable which is a constant action potential for all volume elements within the respective volume segment; For each volume division, the following sub-steps i) and ii) are carried out: i) a system of equations is determined in which, based on the model (MO), that at each electrode ( 1 ) Measured electrode potential (V _r) is modeled as a sum of terms, wherein there is a term for each segment action potential, which is the product of the segment action potential with a predetermined factor of the influence of the segment action potential at at respective electrode ( 1 ) represents measured electrode potential (v _r ); ii) the system of equations is solved, whereby values for the segment action potentials and thereby values for the action potentials of each volume element within the reconstruction volume (RV) are obtained; The values of the action potentials of the corresponding volume elements of all volume divisions are averaged, whereby the mean values obtained thereby represent the reconstructed action potentials (v _e ).

A method according to claim 9, characterized in that the calculation of the modified electrode potentials (v _rm ) from the set of reconstructed action potentials (v _e ) in step b) is such that the set of modified action potentials (v _m ) in the equation system under the Assuming that each volume segment consists of a single volume element.

Device for computer-aided processing with a plurality of electrodes ( 1 ) measured action potentials (v _r ) of the human or animal body (K), wherein for one or more measurement times (t) in each case an action potential for each electrode ( 1 ) is present as an electrode potential (v _r ), wherein the device comprises a computer unit which is configured in such a way that it processes the electrode potentials (v _r ) for a respective measurement time (t) as follows: a) in a reconstruction volume (RV ) of the human or animal body (K), which consists of a plurality of volume elements and adjacent to the plurality of electrodes (K) 1 ) Is to be reconstructed action potentials (v _s) for the individual volume elements of the electrode potentials (v _r) (by means of a model MO), thereby obtaining a set of reconstructed action potentials (v _e); b) the set of reconstructed action potentials (v _e ) is modified by setting the action potentials (v _e ) to zero for all volume elements in a predetermined area (A) within the reconstruction volume (RV) while the action potentials (v _e ) are outside of the predetermined area (A) remain unchanged, whereby a set of modified action potentials (v _m ) is obtained; c) from the set of modified action potentials (v _m ), modified electrode potentials (v _rm ) are calculated and output by means of the model (MO).

Apparatus according to claim 11, which is designed for carrying out a method according to one of claims 2 to 10.

A computer program product comprising program code stored on a machine-readable medium for performing a method according to any one of claims 1 to 10 when the program code is executed on a computer.

Computer program with a program code for carrying out a method according to one of claims 1 to 10, when the program code is executed on a computer.