DE4091020C2

DE4091020C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen, Anzeigen und/oder Aufzeichnen von bioelektrischen Spannungssignalen eines menschlichen oder tierischen Körpers

Info

Publication number: DE4091020C2
Application number: DE4091020A
Authority: DE
Inventors: Margaret E Ayers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-04-23
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2010-04-24
Also published as: GB9101452D0; GB2241786B; JPH04500766A; JPH081434U; GB2241786A; US4919143A; AU5562090A; JP2570970Y2; WO1990015571A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen, Anzeigen und/oder Aufzeichnen von bioelektrischen Spannungssignalen nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchfüh rung des Verfahrens.

Solche Verfahren und solche Vorrichtungen finden auf dem Gebiet der Elektroenzephalo-Neurorückkopplung Verwendung und dienen beispielsweise dazu, bioelektrische Spannungssignale zu überwa chen und an- oder aufzuzeichnen oder einem Patienten anzuzei gen, ob er bioelektrische Spannungssignale mit besonderen bio elektrischen Frequenzen erzeugt. Durch ein solches Anzeigen wird es dem Patienten gestattet, die Produktion einer besonde ren zu überwachenden Frequenz entweder zu blockieren oder zu erleichtern.

Eine Anzahl von verschiedenen Rückkopplungsverfahren und -vor richtungen ist bekannt, die bis 1960 zurückreichen. Frühe Stu dien durch mehrere Forscher haben sich auf die bioelektrische Rückkopplung bei Personen konzentriert, die an Hemiplegia lei den, d. h. an einer Lähmung einer Seitenhälfte des Körpers in folge einer Verletzung der motorischen Zentren des Gehirns.

Im Jahre 1960 haben A. A. Marinacci und M. Horande die Neurorückkopplung in bezug auf linksseitige Hemiplegia unter sucht. Gemäß dem Bericht in "Electromyogram in Neuromuscular Re-education", Bulletin of the Los Angeles Neurologic Society, 25: 57-71, 1960, haben sie Nadelelektroden in die betroffenen Muskeln des linken Arms eingeführt und keine willkürlichen Ner venimpulse finden können. Die Elektroden wurden in den normalen rechten Deltamuskel eingeführt, um dem Patienten zu zeigen, wie die Muskelaktivität eine hörbare Rückkopplung erzeugen könnte. Die Elektroden wurden dann in den gelähmten linken Deltamuskel eingeführt. Der Patient war in der Lage, 10-15% motorisches Aktionspo tential an einer Stelle zu erzeugen, von welcher keine vor herige erfaßbare Aktivität ausgegangen ist. Dieselbe Proze dur wurde an anderen Muskelstellen erfolgreich benutzt.

Im Jahre 1964 berichtete J. M. Andrews über eine Untersu chung, bei der eine Patientengruppe von halbseitig Gelähmten benutzt wurde, denen Elektromyogramm(EMG)-Elektroden in die betroffenen Trizepsmuskeln eingeführt worden waren, worüber in "Neuromuscular Re-education of the Hemiplegic with the Aid of the Electromyograph", Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 45: 530-532, 1964, berichtet worden ist. Eine hörbare Rückkopplung wurde erzielt, als die Pati enten versuchten, Ton und Bewegung zu erzeugen. Eine fünf minütige Versuchsperiode wurde gestattet, und siebzehn von zwanzig Patienten zeigten eine Steigerung in den motori schen Aktionspotentialen.

Im Jahre 1973 berichteten H. E. Johnson und W. E. Garton über zehn halbseitig gelähmte Patienten, die EMG-Praktiken als Hilfe bei der totalen Rehabilitation benutzten, statt einfach der Rückkehr der willkürlichen Bewegung wie in der Andrews-Studie, die in "Muscle Re-education in Hemiplegia by use of Electromyograph Device", Archives of Physical and Medicine and Rehabilitation, 54: 320-325, 1973, erläutert ist. Fünf von zehn Patienten erlangten genug Besserung, um die Beinversteifung auf der betroffenen Seite zu eliminie ren.

Im Jahre 1974 benutzten J. Brudny und andere die EMG-Rück kopplung zum Behandeln einer Gruppe von sechsunddreißig Pa tienten, von denen dreizehn Hemiparesis hatten, siehe Brudny, J., Korein, J., Levidow, L., Grynbaum, B.B., Lieberman, A., und Friedman, L.W., "Sensory Feedback Therapy as a Modality of Treatment in Central Nervous Disorders of Voluntary Mo vement", Neurology, 24: 925-932, 1974. Bei dieser Studie wurden Oberflächenelektroden statt eingeführten Nadelelek troden benutzt. Bei zwei Individuen gab es keine Änderung. Bei einem Patient gab es eine Linderung der Muskelspastizi tät. Bei sechs Patienten wurde die Funktion der Extremität wiederhergestellt, und in vier Fällen wurde Greifen mög lich.

Außerdem erforschten im Jahre 1974 D. Swaan, P. C. W. Van Wieringer und S. D. Fokkema die EMG-Rückkopplung bei sieben Patienten, von denen vier halbseitig gelähmt waren, siehe "Auditory Electromyographic Feedback Therapy to Inhibit Un desired Motor Activity," Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 57: 9-11, 1974. Den Patienten wurde beige bracht, den Peroneus-longus-Muskel zu blockieren und gleichzeitig ihren Quadrizepsmuskel zu kontraktieren. Her kömmliche Rehabilitationsmethoden wurden benutzt, um die unerwünschte Hyperaktivität der Peroneus-longus-Muskeln zu sammen mit der Rückkopplung zu unterdrücken. Es wurde keine Rechtfertigung gegeben für die Verstärkung des Quadrizeps und die Blockierung des Peroneus longus.

Im Jahre 1975 verglichen J. V. Basmajian, C. G. Kukulka, M. G. Narayan und K. Takebe EMG-Biorückkopplung plus körperli che Therapie mit den Ergebnissen von Standard-Rehabilitati onsprozeduren in Fällen von Knöcheldorsalflexionslähmung nach wiederholtem Schlag in "Biofeedback Treatment of a Foot-Drop After Stroke Compared With Standard Rehabilita tion Techniques: Effects on Voluntary Control and Strength", Archives of Physical Medicine and Rehabilita tion, 56: 231-236, 1975. Die Autoren machten geltend, daß eine Steigerung sowohl der Stärke als auch des Bereiches der Bewegung in der Biorückkopplungsgruppe doppelt so groß war wie die Ergebnisse bei der Übungskontrollgruppe. Die beiden Gruppen von Patienten waren nicht variabel angepaßt. Als die Biorückkopplung der körperlichen Therapie hinzuge fügt wurde, wurden die gemischten Variablen nicht kontrol liert.

Im Jahre 1976 beschrieben L. P. Taylor und B. Bongar die Verwendung von elektromyometrischer Rückkopplung für die Behandlung von Patienten mit Gehirngefäßverletzung in Cli nical Applications in Biofeedback Therapy, Psychology Press, Los Angeles, California, 1976. Den Patienten wurde beigebracht, eine Gruppe von Muskeln zu blockieren und gleichzeitig andere zu erleichtern. Zum Beispiel wurde die Blockierung der Daumenbiegung versucht, während die Daumen streckung erleichtert wurde.

Im Jahre 1979 benutzten F. Keefe und K. Trombly die EMG-Rückkopplung, um einem halbseitig gelähmten Patienten zu helfen, die Position eines Körperteils zu beurteilen, ohne in der Lage zu sein, das Körperteil zu sehen, vgl. "Impaired Kinesthetic Sensation: Can EMG Feedback Help?", präsentiert bei den Proceedings of Biofeedback Society of America, Tenth Annual Meeting, February 1979, in San Diego, California. Der Patient partizipierte an einem A-B-A-B-Weg nahme-Entwurf, um die Auswirkungen der EMG-Biorückkopplung auf die genaue Körperteilpositionierung auszuwerten. Eine EMG-Rückkopplung mit Tonrückkopplung ergab eine Verbesse rung in der Leistung gegenüber der Basislinie. Die Wegnahme der Rückkopplung erzeugte ein Dekrement in der Leistung, und als die EMG-Rückkopplung wiederhergestellt wurde, wurde die Leistung erneut verbessert. Der Patient war in der Lage, das EMG-Rückkopplungstraining zu generalisieren, um den funktionalen Gebrauch des Arms zu verbessern.

Im Jahre 1979 entwickelten R. Koheil, et al im Ontario Crippled Children Center einen Joint Position Trainer, um drei halbseitig Gelähmten eine genaue Rückkopplung über die Gliedmaßenposition zu liefern. Koheil, R., Mandel, A., Her man, A. and Iles, G., "Joint Position Training for Hyperex tension of the Knee in Stroke Patients: Preliminary Re sults", präsentiert bei den Proceedings of the Biofeedback Society of America, Tenth Annual Meeting, February 1979, in San Diego, California. Der Joint Position Trainer lieferte eine Rückkopplung der Position statt der Muskelaktivität und wies ein an einer Beinmanschette befestigtes Goniometer mit hörbarer Rückkopplung des Kniegelenkwinkels auf. Zwei der drei Patienten entwickelten eine verbesserte Gehweise mit gesteigerter Kontrolle der Kniehyperextension.

Die Ergebnisse der benutzten Techniken waren begrenzt, und zwar wegen der Schwierigkeit des Erkennens von besonderen erzeugten Frequenzen, die weder ohne weiteres bestimmt noch durch den Patienten kontrolliert werden konnten.

Andere Forschungsanstrengungen wurden speziell auf die bio elektrischen Signale gerichtet, die vom Gehirn ausgehen. Eine der früheren Arbeiten wurde im Jahre 1966 von T. Mull holland und C. R. Evans geschrieben, die die Verwendung von Alphawellen (ungefähr 7,5-11,5 Hertz), die vom Gehirn aus gehen, zum Treiben eines Rückkopplungssignals, das durch die Testperson wahrgenommen werden und Relaxation hervorru fen konnte, beschrieben. Mulholland, T., und Evans, C.R., Nature, 211: 1278, 1966. Die Alphawellen konnten bis zu ei nem gewissen Grad durch die Testperson kontrolliert werden, die einen Ton oder ein Licht erkannte, als die Alphawellen erzeugt wurden. Ebenso hinderte die Differenzierung von be sonderen Frequenzen des bioelektrischen Signals die Test person daran, besondere Frequenzen zu bestätigen und entwe der zu blockieren oder zu erleichtern.

Andere elektroenzephalographische (EEG) Rückkopplungsvor richtungen sind beschrieben in Publikationen von Spunda, J. und Radil-Weiss, T., "A Simple Device for Measuring the In staneous Frequency of the Dominant EEG Activity", Electro encephalographic Clinical Neurophysiology, 32: 434, 1972. Diese Vorrichtung wandelte EEG-Frequenzen in Spannungspegel zur Analyse unter Verwendung der Bandpaßanalyse um. Eine Reihe von Wellenformgeneratoren wurde durch ein Flipflop in jedem positiv gerichteten Nullpunkt des gefilterten Signals aktiviert, was einen der Frequenz entsprechenden Spannungs pegel ergab.

Eine weitere EEG-Rückkopplungsvorrichtung wurde beschrieben von Hick, R.G., und Angner, E., in "Instrumental evaluation of EEG Time Relationships", Psychophysiology, 6: 44, 1970. Diese Vorrichtung analysierte winzige Zeitverschiebungen von EEG-Wellen gegenüber kortikalen Wellen unter Verwendung von Scheitelerfassung und eines Typs von Logik als Rück kopplungsvorrichtung.

Außerdem nahm in Boudrot, R., "An Alpha Detection and Feed back Control System", Psychophysiology, 9: 467, 1972, eine Rückkopplungsvorrichtung Alphawellen auf und lieferte dem Patienten eine hörbare und sichtbare Stimulus-Rückkopplung. Dann, in Pfeifer, E.A., und Usselmann, C., "A Versatile Am plitude Analyzer for EEG Signals to Provide Feedback Sti muli to the Subject", Med. Biol. Eng. 8: 309, 1970, analy sierte eine Rückkopplungsvorrichtung die Amplitude und gab Rückkopplungswinke an die Patienten bei den Untersuchungen der EEG-Modifikation ab. Sie gestattete bei der Bandpaßana lyse das Vorsehen von logischen Komponenten und einer An zeige.

Darüber hinaus beschreibt die US 38 37 331 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von besonderen Frequenzen eines bioelektrischen Signals, das von analoger Natur ist. Die Ross-Vorrichtung erfordert ebenso wie die anderen Vorrich tungen die Verwendung einer Bandpaßanalyse oder von anderen Techniken zum Herausfiltern von besonderen Frequenzen zum Studieren einer besonderen Frequenz, die von Interesse ist.

Bei der Bandpaßanalyse analysieren Analogfilter, welche Frequenz zu einer bestimmten Zeit produziert wird, oder eine Frequenz in Beziehung zur Zeit und zur Spannung. Die erforderliche Vorrichtung weist ein Präzisionsdämp fungsglied auf, ein aktives Bandpaßfilter, eine Gleichrich tungseinrichtung und eine Integriereinrichtung, zusätzlich zu denjenigen Komponenten, die in bioelektrischen Rückkopp lungsvorrichtungen normalerweise benutzt werden. Darüber hinaus ist die Bandpaß- oder Leistungsspektralanalyse not wendig, um die interessierende besondere Frequenz zu iso lieren. Diese Analyse wird üblicherweise auf einem großen Computer durchgeführt, was spezielle analytische Ge schicklichkeiten und extensive Rechenzeiten erfordert. Die Leistungsspektralanalyse schaut nach der Varianz eines bio elektrischen Signals oder nach der Kovarianz zwischen einem oder mehreren Signalkanälen. Das Signal wird in verschie dene Frequenzbänder in Beziehung zu der Leistungsdichte aufgeteilt, welche dann unter Zuhilfenahme eines Fourier- Reihen-Programms analysiert wird.

Aus der US 48 00 893 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die als ein Biorückkopplungssignal eine Sichtanzeige liefern, die eine kinästhetische Bewegung zeigt, um einer Per son zu ermöglichen, gewünschte gedankliche Muster zu erzeugen. Dazu werden durch Elektroden erfaßte bioelektrische Spannungs signale über einen EEG-Verstärker in ein Bandpaßfilter eingege ben, das auf die Frequenz des erwünschten bioelektrischen Si gnals abgestimmt ist. Das Filterausgangssignal wird an einen Integrator angelegt. Das Ausgangssignal des Integrators ist ein Analogsignal, das der Sichtanzeige zugeführt wird. Auch in die sem Fall wird also mit einem Bandpaßfilter gearbeitet, um bio elektrische Spannungssignale, die besondere überwachende bio elektrische Frequenzen enthalten, abzusondern.

Schließlich sind aus der US 43 54 505 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen und Anzeigen des Relaxationszustandes einer Person bekannt, bei der bioelektrische Spannungssignale über Elektroden ebenfalls in ein Bandpaßfilter eingeleitet wer den. Die bandpaßgefilterten analogen Signale werden verstärkt und gleichgerichtet und über einen Integrator einem Komparator zugeführt, der feststellt, ob sich die Signale innerhalb eines bestimmten, einer Relaxation entsprechenden Spannungsintervalls befinden. Eine über die Bandpaßfilterung hinausgehende Frequen zanalyse ist nicht vorgesehen, da lediglich die jeweilige Dauer der Relaxationszeiten angegeben werden soll. Diese Relaxations zeiten werden der Person angezeigt.

Die oben beschriebenen Lösungen sind zum Überwachen, Anzeigen und Aufzeichnen von bioelektrischen Spannungssignalen, die ganz bestimmte zu überwachende bioelektrische Frequenzen enthalten, nicht nur mühsam und zeitaufwendig, sondern auch ungenau. Die Frequenzergebnisse sind häufig verzerrt, weil die analytischen Lösungen, die be nutzt werden, auf exponentieller und logarithmischer Analyse basieren. Das Bestimmen der tatsächlichen zu überwachenden Frequenz, die zum Blockieren oder Erleichtern erwünscht ist, erfolgt besten falls zufällig, und zwar wegen des Fehlerspielraums bei den obigen Lösungen.

Außerdem fehlt es den oben beschriebenen Vorrichtungen an geeigneten Einrichtungen zum Anzeigen und Aufzeigen der sich während der Untersuchung ändernden Frequenzen zur an schließenden Überprüfung und Manipulation zu Zwecken der Analyse. Aber, was am wichtigsten ist, diesen EEG-Anzeige- oder Rückkopp lungsvorrichtungen fehlt die Fähigkeit, ausgewählte Grenz werte oder Schwellenwerte festzulegen, innerhalb welchen der Fortschritt einer Testperson gemessen oder die Testper son belohnt werden konnte, nachdem die Testperson gelernt hatte, eine zu überwachende besondere Frequenz zu blockie ren oder zu erleichtern.

Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren benötigen Mikrocompu ter, Bandaufzeichnungsgeräte und Geräte zum Verarbeiten von analogen Signalen, was die bisher bekannten Verfahren sehr auf wendig und teuer macht. Durch die Verwendung der Bandpaßfilter sind die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zudem auf einen bestimmten Frequenzbereich festgelegt. Soll ein davon verschie dener Frequenzbereich überwacht, angezeigt oder aufgezeichnet werden, so müßte das gesamte Bandpaßfilter ausgetauscht werden, was in der Praxis oft überhaupt nicht möglich ist. Insgesamt sind die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu kompliziert, zu ungenau und zu zeitintensiv.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren und eine Vorrichtung der in den Ansprüchen 1 bzw. 7 angege benen Art so auszubilden, daß ein einfaches, genaues und wenig zeitintensives Überwachen, Anzeigen und/oder Aufzeichnen von besondere bioelektrische Frequenzen enthaltenden bioelektri schen Spannungssignalen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe ist durch die in den beigefügten Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die in dem bioelektrischen Spannungssignal enthal tenen bioelektrischen Frequenzen erfaßt werden und die in dis krete Digitalsignale umgewandelten bioelektrischen Spannungssi gnale aufgrund der erfaßten bioelektrischen Frequenzen analy siert und ausgewertet werden, werden eine analoge Bandpaßfilte rung und eine Leistungsspektralanalyse mit den oben beschriebe nen Nachteilen vermieden. Man ist nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich festgelegt. Dadurch, daß Schwellenwerte für das Ausgangssignal individuell festgelegt werden, kann das Verfah ren speziell an die individuellen Anforderungen des menschli chen oder tierischen Körpers angepaßt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des erfin dungsgemäßen Verfahrens weist eine Sensoreinrichtung auf, mit der interessierende analoge bioelektrische Spannungssignale an einer Stelle an dem menschlichen oder tierischen Körper erfaßt werden können, eine Verstärkereinrichtung zum Verstärken des bioelektrischen Spannungssignals, eine Analog/Digital-Wandler einrichtung, die die analogen bioelektrischen Spannungssignale in diskrete Digitalsignale umwandelt und die in dem bioelektri schen Spannungssignal enthaltenen bioelektrischen Frequenzen erfaßt, eine Auswähleinrichtung, mit der ein interessierendes Digitalsignal, das einer interessierenden, zu überwachenden bioelektrischen Frequenz entspricht, auswählbar ist, und eine Einrichtung, die das ausgewählte Digitalsignal anzeigt und/oder aufzeichnet, wenn es in einem vorbestimmten Amplitudenbereich für eine vorbestimmte Dauer aufrechterhalten wird. Durch die vorliegende Erfindung ist somit ein Elektroenzephalogramm lie ferbar, das nicht durch Fourier-Leistungsspektralanalyse oder Bandpaßanalyse verzerrt ist. Dabei ist eine augenblickliche On line-Analyse von Daten möglich, wodurch die vergeudete Zeit eliminiert wird, die für eine Leistungsspektral- oder Bandpaß analyse verlangt wird. Mit der Erfindung ist somit ein ständi ges Anzeigen eines bereits fertig ausgebildeten Elektro enzephalogramms auf Bildschirm und/oder Papier möglich. Sämtli che Schritte und Merkmale der Erfindung sind relativ einfach zum Beispiel mittels eines handelsüblichen PC zu bewerkstelli gen, der nur geringfügig modifiziert und ergänzt werden muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ausgangssignal zu dem Körper rückgekoppelt, wenn die Amplitude des Ausgangssignals für eine vorbestimmte Dauer in nerhalb des durch die Schwellenwerte festgelegten Bereiches liegt. Durch diese Rückkopplung ist es der Person möglich, zu erkennen, ob die Produktion eines Spannungssignals mit einer zu überwachenden interessierenden Frequenz erleichtert oder aber unterdrückt wird. Somit ist dem Patienten ein genaues Werkzeug in die Hand gegeben, um eine bewußte Steuerung der Produktion zu erlernen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich tung weist hierfür eine Zeitgeber- und Signalisierungseinrich tung auf, mit der das Ausgangssignal zu dem Körper rückgekop pelt werden kann.

Die festgelegten Schwellenwerte sind gemäß einer besonders vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung visuell besonders ein prägsam als horizontale Linien darstellbar, während das ausge wählte Digitalsignal als eine kontinuierliche Wellenform zwi schen den horizontalen Linien angezeigt wird.

Die Periode, die der bioelektrischen Frequenz des ausgewählten Digitalsignales entspricht, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einfach bestimmbar, indem die Amplituden des Ausgangssignals nach dem Festlegen der Schwellenwerte über eine vorbestimmten Zeitdauer integriert werden und der sich ergebende Wert durch den Schwellenwert di vidiert wird. Auf diese Weise ist es möglich festzustellen, ob sich die Periode und damit die Frequenz des bioelektrischen Spannungssignals, das Frequenzen innerhalb eines interessieren den Frequenzbereiches enthält, über der Zeit ändert.

Die Ausgangssignale können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur späteren Überprüfung oder wei teren Analyse oder für statistische Zwecke auf einem magneti schen Medium aufgezeichnet werden.

Die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik werden so mit durch die vorliegende Erfindung überwunden. Auf dem Gebiet der Neuropsychologie und Neurophysiologie besteht ein großes Interesse an einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrich tung, die eben diese Nachteile nicht aufweisen. Personen, die an nervösen Störungen leiden, hervorgerufen durch Verletzung, Drogengebrauch oder cogenitale Aberration, können von der vor liegenden Erfindung sehr profitieren. Die vorliegende Erfindung bildet sowohl ein diagnostisches Werkzeug als auch eine Ein richtung zum Unterstützen des Heilens von nervösen Störungen oder Abnormalitäten im Körper, insbesondere im Gehirn. Patien ten, die die vorliegende Erfindung in der Ausführungsform als Rückkopplungsvorrichtung verwenden, können durch die Rückkopp lung veranlaßt werden, sich mental so zu konzentrieren, daß sie die Amplitude des Ausgangssignals beeinflussen. Das gestattet dem Patienten, eine bioelektrische Frequenz, die dem Ausgangs signal genau entspricht, zu beeinflussen, welche in an der aus gewählten Stelle des Körpers des Patienten emittierten analogen bioelektrischen Spannungssignalen enthalten sind.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsfor men in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, welche die Prinzipien der Erfindung beispielshalber veranschauli chen. Es zeigt

Fig. 1 ein Funktionsblockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Überwachen, Anzeigen oder Aufzeichnen von bioelektrischen Spannungssignalen eines menschlichen oder tierischen Körpers;

Fig. 2 ein Funktionsblockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines solchen Verfahrens;

Fig. 3 eine obere, rechte, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Fig. 1, wobei die Vorrichtung mit einem zugeordneten Testsubjekt gezeigt ist; und

Fig. 4 eine obere, rechte, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Fig. 2, wobei die Vorrichtung mit einem zugeordneten Testsubjekt gezeigt ist.

Gemäß der Darstellung in den Zeichnungen, in denen gleiche Elemente gleiche Bezugszahlen tragen, wird ein Körper 5 überwacht, indem eine Sensoreinrichtung 7 benutzt wird, wie es durch die Schemata in den Fig. 1-4 gezeigt ist. Die Sensoreinrichtung 7 weist wenigstens zwei Elek troden 9 aus einem Eisenmaterial auf, die wie dargestellt an einem Kaninchen 11 in Fig. 3 und an einem Menschen 13 in Fig. 4 befestigt sind. Die Elektroden 9 können an irgendeinem Teil des Körpers 5 plaziert werden, wo bioelektrische Si gnale von Interesse sein können. Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 sind es analoge bioelektrische Spannungssignale des Kopfes 15 des Kaninchens 11 und des Kopfes 17 des Menschen 13. Spannungspotentiale zwischen den beiden Elektroden 9 werden über der Zeit erfaßt und über Drähte 19 zu einer Verstärkereinrichtung oder einem Verstärker 21 gesendet. Ein geeigneter Verstärker ist der Morendocino- Mikrocomputer-EEG-Verstärker od. dgl. Der Verstärker 21 ist so aufgespannt, daß er Analogsignale wie analoge bioelektri sche Spannungssignale, welche durch lebende Organismen erzeugt wer den, verstärken kann. Die Verstärkung ist notwendig, weil sich analoge bioelektrische Spannungssignale üblicherweise nur schwach verändern und durch elektrische Einrichtungen nicht ohne weiteres analysiert werden können. Solche Verstärker sind auf dem Gebiet der Elektroenzephalographie allgemein bekannt.

Nachdem das analoge bioelektrische Spannungssignal ausreichend ver stärkt worden ist, wird es durch eine A/D-Wandler einrichtung 23 digitalisiert oder demoduliert und so in diskrete Digitalsignale umgewandelt, die bioelektrischen Fre quenzen entsprechen, welche in dem analogen bioelektrischen Spannungssignal inhärent vorhanden sind. Eine geringe Signalfilterung kann zum richtigen Verarbeiten des analogen bioelektrischen Spannungssi gnals vor der Digitalisierung notwendig sein. Die Digitalisierung des analogen bioelektrischen Signals wird erreicht, indem eine Analog/Digital-Eingangskarte 25 benutzt wird, wie z. B. die von Metrabyte Corp. herge stellte DASH-16-Karte, die eine Hochgeschwindigkeits-Multifunktions- Analog/Digital-Eingangs/Ausgangs-Erweiterungsplatine für einen Personal computer ist.

Die DASH-16-Karte benutzt einen Industriestandard (HI-674A)- 12-Bit-Wandler mit sukzessiver Approximation und einer Um wandlungszeit von 12 Mikrosekunden, was eine maximale Durchsatzrate von 60 kHz in einer Direkter-Speicherzugriffs- oder DMA-Betriebsart ergibt. Kanaleingangskonfigurationen sind mittels Schalter auf der DASH-16-Karte wählbar, was eine Auswahl unter 16 einendigen Kanälen oder 8 Differenzkanälen bei 90 dB Gleichtakt unterdrückung und +/-10 V Gleichtaktbereich ermöglicht.

Analog/Digital-Umwandlungen können mittels einer von 3 Mög lichkeiten eingeleitet werden, und zwar durch Softwarebe fehl, durch einen internen, programmierbaren Intervallzeit geber oder durch direktes externes Triggern der Ana log/Digital-Umwandlung. Am Ende der Analog/Digital (A/D) -Um wandlung ist es möglich, die Daten mittels einer von 3 Mög lichkeiten zu übertragen, und zwar durch Programmübertragung, durch Unterbrechung oder durch direkten Speicherzugriff, DMA. Alle Betriebsar ten werden durch ein Steuerregister auf der DASH-16-Karte ausgewählt und werden außerdem durch ihre begleitende Ge brauchssoftware unterstützt.

Bereiche mit hoher Eingangsimpedanz von +1 V, +2 V, +5 V und +10 V unipolar und von +/-0,5 V, +/-1 V, +/-2,5 V, +/-5 V und +/-10 V bipolar sind mittels Schalter wählbar. Diese Bereiche sind allen Kanälen gemeinsam und werden durch die Verstärkung eines Eingangsdifferenzverstärkers gesteuert. An dere Bereiche können mit einem einzelnen, vom Benutzer installierten Widerstand realisiert werden. Alle Eingänge sind über eine Differenzverstärker/Abtast-Halteverstärker-Kom bination, die eine geringe Drift hat und sich schnell einstellt, multiplexiert, und die Kanaleingangskonfigura tion ist mittels Schalter wählbar, um entweder als 16 einendige Kanäle oder 8 Differenzkanäle zu arbeiten.

Ein programmierbarer 3-Kanal-Intervallzeitgeber (Intel 8254) liefert Triggerimpulse für die A/D-Umwandlung mit ei ner Frequenz von 250 kHz bis 1 Impuls/h. 2 Kanäle werden in fester Teilerschaltung an einem internen 1 MHz-Taktgeber betrieben (wahlweise mit einem 10 MHz-Schaltdraht, der auf einer schnelleren Version der DASH-16-Karte, der DASH-16F wählbar ist). Der dritte Kanal wird nicht zugeordnet und bildet einen torgesteuerten 16-Bit-Binärzähler, der zur Ereignis- oder Impulszählung zum verzögerten Triggern und in Verbindung mit den anderen Kanälen zur Fre quenz- und Zeitmessung benutzbar ist.

Die DASH-16-Karte weist weiter 2 Kanäle mit multiplizierendem 12-Bit-D/A-Ausgang auf. D/A-Wandler können mit einer festen Referenzspannung von -5 V betrieben werden, die aus der DASH-16-Karte verfügbar ist, um ein Ausgangssignal von 0 bis +5 V zu liefern. Alternativ kann eine externe Gleich- oder Wechselreferenz spannung benutzt werden, damit sich verschiedene Ausgangs bereiche oder eine programmierbare Dämpfungsgliedwirkung bei einem Wechselstromsignal ergeben. Die D/A-Wandler sind doppelt gepuffert, um für eine augenblickliche einstufige Aktualisierung zu sorgen.

Ein Präzisionsreferenzspannungsausgangssignal von -5 V (+/-0,05 V) wird aus der A/D-Wandlerreferenzspannung gewonnen. Übliche Verwendungszwecke sind das Bereitstellen eines Gleichstromreferenzeingangssignals für die D/A-Wandler und Offsets sowie Brückenerregung für vom Benutzer gelieferte Eingangsschaltungen.

Der Digital-Eingang/Ausgang besteht aus 4 Bits eines TTL/DTL kompati blen Digitalausgangs und 4 Bits eines Digitalein gangs. Außer der Adressierung als individuelle Eingangs/Ausgangs-An schlüsse erfüllen die Digitaleingänge einen doppelten Zweck in einigen Betriebsarten als A/D-Trigger- und Zähler torsteuereingänge.

Die Analog/Digital-Eingangskarte 25 ist in einem modifi zierten Personalcomputer 27 enthalten, bei dem es sich um einen IBM-PC oder um einen XT-Typ handeln kann, der als Schnittstelle mit der Analog/Digital-Eingangskarte 25 aus reicht.

Die aus den analogen bioelektrischen Spannungssignalen resultierenden diskreten Digitalsignale werden in bezug auf in den analogen bioelektrischen Spannungssignalen enthaltene bioelektrische Frequenzen, die erfaßt werden, weiter analysiert. Eine Auswähleinrichtung 29 er laubt eine ausreichende Manipulation der Digitalsignale, um besondere interessierende Digitalsignale auszuwählen, die zu überwa chenden besonderen bioelektrischen Frequenzen ent sprechen. Diese Funktion kann auch erfüllt werden, indem die DASH-16-Karte und insbesondere deren Frequenz- und Zeitmeßfunktion benutzt wird.

Der Personalcomputer 27 enthält eine numerische 8087-Prozessorkarte 26 mit einer erweiterten Speicherkarte 30, wobei die numerische Prozessorkarte 26 unter anderem die Auswähleinrichtung 29 zum Auswählen der besonderen interessierenden Digitalsignale, welche den zu überwachenden besonderen bio elektrischen Frequenzen entsprechen, aufweist. Das Auswählen kann durch digitales Absondern erfolgen, wobei bestimmte Digital filter benutzt werden, was als digita les Filtern bezeichnet wird. Das ausgewählte interessierende Digitalsignal wird zu einem Ausgangssignal verarbeitet. Viele dieser Techniken können durch die Verwendung der DASH-16-Karte realisiert werden.

Weiter wird eine Integriereinrichtung 31 benutzt, um die Am plitude des besonderen interessierenden Digitalsignals, d. h. des Ausgangssignals über einer vorbe stimmten Zeitdauer zu integrieren. Der sich ergebende Wert wird durch einen eine Mikrospannung darstellenden Schwellenwert für das Ausgangssignal dividiert, um eine Änderung in bezug auf die Zeitdauer zu ermitteln und da durch die der bioelektrischen Frequenz, welche durch den Mennschen 13 oder das Kaninchen 11 emittiert wird, entsprechende Periode zu bestimmen. Diese Integration erfolgt durch den Personalcomputer 27, der durch besondere Algorithmen gesteuert wird, welche hier beschrieben werden und in dem beigefügten Anhang A angegeben sind. Der Anhang A ist eine Liste von Softwarevariablen und deren gegensei tigen Beziehungen. Der Personalcomputer 27 mit einer Tastatur 28 wandelt dann den sich ergebenden, durch den eine Mikrospannung darstellenden Schwellenwert dividierten Wert, in ein Format um, das über der Zeit aufgezeichnet werden kann. Schwellenwerte können über die Tastatur 28 eingegeben und so festgelegt werden, daß, wenn die Amplitude des Ausgangssignals innerhalb eines gewissen Amplitudenbereiches ist (d. h. das emittierte bioelektrische Spannungssignal innerhalb eines besonderen voreingestellten Frequenzbereiches ist), eine Signalisiereinrichtung 33 dem Menschen 13 ein hörbares, sichtbares oder fühlbares Signal liefert, welches anzeigt, daß von ihm emittierte bioelektrische Spannungssignale bioelektrische Frequenzen innerhalb vorbestimmter Be reiche enthalten. Eine Amplitudenerfassungseinrichtung 35 wird benutzt, bei der es sich um einen einfachen Algorithmus handeln kann, der durch einen Techniker oder eine Person, die eine Überwachung koordiniert, voreingestellt oder ver ändert wird.

Die Signalisiereinrichtung 33 ist einfach ein Lichtkasten oder ein Tonkasten 37, der ein Licht oder einen Ton oder Licht- oder Tonserien aussendet, welche dem Menschen 13 anzei gen, daß die in seinen bioelektrischen Spannungssignalen, welche durch die Elektroden 9 empfangen werden, enthaltenen bioelektrischen Frequenzen innerhalb des voreingestellten Frequenzbereiches liegen. Selbstverständ lich kann die Signalisiereinrichtung 33 auch irgendeine andere Art von Reiz liefern, der durch das Subjekt erfaßt werden kann. Eine in Betracht zu ziehende Möglichkeit ist die Ver wendung eines Videospiels, das Animationen anzeigt, die durch Steuern der Gehirnwellenfrequenzen gesteuert werden können.

Nachdem dem Menschen 13 bewußt ist, daß mehr oder weniger starkes Auftreten von bioelektrischen Spannungen mit bioelektrischen Frequen zen innerhalb eines gewissen Bereiches gefühlt werden kann, ist eine Rückkopplungserscheinung möglich. Der Mensch 13 kann trainiert werden, um sich mental auf das Erzielen der Reize aus der Signalisiereinrichtung 33 zu konzentrieren und dadurch die bioelektrischen Frequenzen zu verändern, welche an der Stelle der Elektroden 9 erzeugt werden. Die bioelektrischen Spannungen mit Frequenzen einer vorbestimmten Art können entweder erleichtert und einfacher produziert oder blockiert werden, nachdem der Mensch 13 darüber informiert werden kann, ob die erzeugten Frequenzen innerhalb des voreinge stellten Bereichs sind.

Weiter kann eine Unterdrückungseinrichtung 39 oder eine Arte fakt-Unterdrückungsvorrichtung benutzt werden, um uner wünschte Störsignale zu unterdrücken, welche die Signalisier einrichtung 33 normalerweise triggern würden. Die Störsignale umfassen "Rauschen", das bioelektrischer Aktivität in den Muskeln des Menschen 13 zuzuschreiben ist. Eine bipo lare Verbindung mit einer Ohrreferenz wird benutzt, die einen Basisliniendraht 41 aufweist, der mit dem Ohr des Menschen 13 oder einem anderen Teil seines Körpers 5 verbunden ist und ein Vergleichssignal an die Unterdrückungseinrichtung 39 abgibt, welches anzeigt, daß ein vergleichbares Signal, welches von den Elektroden 9 her empfangen wird, unterdrückt werden sollte. Der Aufbau und die Funktion der Unterdrückungsein richtung 39 sind allgemeiner Stand der Technik und werden hier nicht näher erläutert. Es reicht anzugeben, daß nicht interessierende bioelektrische Störsignale oder Störfrequenzen, die von einem Ort ausgehen, der sich nicht um die Elektroden 9 befin det, unterdrückt werden können. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 kann sich die erforderliche Schaltungsanordnung der Unterdrückungseinrichtung 39 innerhalb des Verstärkers 21 oder innerhalb des Personalcomputers 27 befinden.

Eine Anzeigeeinrichtung 43 oder ein Monitor 45 werden in Ver bindung mit einer Wellenformauf- und -abroller-Anzeigekarte 47 und einer Graphikkarte 46 benutzt, um die demodulierten und verarbeiteten Daten anzuzeigen, welche aus dem Ausgangssignal, d. h. dem verarbeiteten bioelektrischen Signal resultieren. Die Graphikkarte 46 ist eine Hercules-Monochromkarte, mehrere andere IBM-kompatible Karten können aber benutzt werden. Die Wellenformauf- und -abrollerkarte 47 ist auf dem Gebiet der Computergraphik zum Anzeigen von Datenpunk ten über der Zeit auf einem Monitor 45 allgemein bekannt.

Das Ausgangssignal mit der interessierenden zu überwachenden Frequenz wird als eine Sinusschwingung 48 angezeigt, die ihre Amplitude in Abhängigkeit davon ändert, ob die interessierende zu überwachende Frequenz blockiert oder erleichtert wird. Genauer gesagt, die Wel lenformauf- und -abrollerkarte 47 verarbeitet die durch die Integriereinrichtung 31 empfangenen Daten und zeigt sie auf dem Monitor 45 an. Die angezeigten tatsächlichen Daten sind die Werte der Integration der ausgewählten interessierenden diskreten Digitalsi gnale, welche die zu überwachenden besonderen Frequenzen darstel len, die das bioelektrische Spannungssignal enthält, über der Zeit, dividiert durch einen eine Mikrospannung darstellenden Schwellenwert. Obere und untere Schwellenwerte können festgelegt und auf dem Anzeigemonitor 45 als horizontale Linien 49 angezeigt werden. Die horizon talen Linien 49 repräsentieren besondere Mikrovoltbereiche, die mit den zu überwachenden besonderen bioelektrischen Frequenzen korre liert sind. Wenn die Amplitude des Ausgangssignals und damit der sinusförmigen Schwingung 48 die durch die horizontalen Linien 49 festgelegten Schwellenwerte übersteigt, sendet die Signalisiereinrichtung 33 oder der Licht- oder Tonkasten 37 ein wahrnehmbares Signal zu dem Menschen 13, um diesem zu zeigen, daß eine zu überwachende Frequenz nicht unterdrückt oder blockiert wird. Wenn das Ausgangssignal und damit die sinusförmige Schwingung 48 innerhalb der horizontalen Linien 49 ist, wird dem Menschen 13 ein anderes wahrnehmbares Signal gesen det, das ihm anzeigt, daß die bioelektrische Spannung mit der zu überwachenden besonderen bioelektrischen Frequenz wenigstens innerhalb der Mikrovolt werte, die durch die horizontalen Linien 49 festgelegt sind, blockiert wird. Wenn der Mensch 13 Übung hat, können die horizontalen Linien 49 enger zusammengebracht werden, was eine Forderung darstellt, daß sogar nur noch weniger von einer besonderen bioelektrischen Frequenz noch produziert werden darf, um eine Belohnung durch die Signalisiereinrichtung 33 zu erreichen. Selbstverständlich kann die Benutzung oder Nichtbenutzung von Lichtern oder Belohnungssystemen modifi ziert werden.

Eine Zeitgebereinrichtung 51, die eine im Stand der Technik allgemein bekannte Zeitgeberschaltungsanordnung umfaßt, wird benutzt, um die Zeit der erforderlichen Dauer festzulegen, für die der Spannungswert für die zu überwachenden Frequenzen innerhalb vorgeschriebener Grenzen bleiben muß, bevor ein Belohnungssignal gegeben wird. Die Dauer kann verkürzt werden, nachdem der Mensch 13 seine Fähigkeit ver bessert hat, die Produktion von bestimmten zu überwachenden bioelektrischen Frequenzen zu blockieren. Die Variabilität der Dauer ist ein Merkmal, welches eine größere klinische und therapeuti sche Benutzeranpassung in Abhängigkeit von dem beteiligten besonderen Menschen 13 und dem Grad der Ge schicklichkeit, den der Mensch 13 entwickelt, gestattet.

Eine Aufzeichnungseinrichtung 53 kann benutzt werden, um Therapiesitzungsergebnisse auf ein magnetisches Medium oder eine Hard-Disk 55 oder auf eine (nicht dargestellte) Floppy-Disk in einem Floppy-Disk-Laufwerk 57 aufzuzeichnen. Wenn die Hard-Disk 55 benutzt wird, sind eine Hard-Disk-Steuerungskarte 58 und ein magne tisches Aufzeichnungsmedium notwendig, was im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Die Therapiesitzungsergeb nisse, die auf dem Monitor 45 angezeigt werden, werden in einem Format gespeichert, das ein Anzeigen und Vergleiche mit früheren Sitzungen oder mit zukünftigen Sitzungen gestattet. Eine große Vielfalt von Software-Werkzeugen, die auf dem Gebiet der statistischen Auswertung be kannt sind, kann benutzt werden, um den Fortschritt des Testsubjekts 11, 13 bei dem Blockieren oder Erleichtern von besonderen bioelektrischen Frequenzen zu vergleichen. Am hilfreichsten ist das Komprimieren der während der gesamten Sitzung pro duzierten Wellenform auf ein Format, das auf einem Bild schirm oder einem Blatt Papier in seiner Gesamtheit be trachtet werden kann. Diese Analyse ist hilfreich, um die Fähigkeit des Testsubjekts 11, 13 zu erkennen, eine besondere Frequenz über der Zeitspanne der gesamten Therapiesitzung zu blockieren oder zu erleichtern. Diese Information ist nicht nur für den Kliniker hilfreich, sondern auch für den Menschen 13, da die kognitive Auswirkung auf den Menschen 13 seine Fähigkeit steigern kann, gewisse bioelektrische Frequenzen weiter zu blockieren.

Die Rückkopplung zu dem Menschen 13 erfolgt zwar hauptsächlich durch die Signalisiereinrichtung 33, die Signalisierein richtung 33 kann durch den Menschen jedoch benutzt werden, um seinen eigenen Fortschritt beim Erleichtern oder Blockieren von gewissen bioelektrischen Frequenzen zu überwachen.

Außerdem wird gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 3 die Vorrichtung darüber hinaus ohne die Rückkopplungs- oder Signalisiereinrichtung 33 einfach benutzt, um gewisse ausgewählte bioelektrische Frequenzen aus dem Körper 5 oder dem Kaninchen 11, wie dargestellt, genau und leicht zu überwachen. Es sei außerdem angegeben, daß eine Anzahl von unterschiedlichen EEG-Kanälen einbezo gen werden kann, um verschiedene Bereiche zu überwachen, vorausgesetzt, daß die geeigneten Software- und Hardware-Modi fikationen vorgenommen werden, wie es auf dem Gebiet der EEG-Überwachung und -Aufzeichnung bekannt ist. Eine große Anzahl von Kabeln, Steckern und Buchsen, die für den richtigen Betrieb notwendig sind, werden hier nicht beschrieben, weil diese Zubehörteile auf dem Gebiet der Datenverarbeitung mit einem Personalcomputer 27 allgemein be kannt sind.

Die Software, die benutzt wird, arbeitet mit Parametern, wie sie im folgenden beschrieben und im Anhang A angegeben sind, sowie mit der beschriebenen Hardware. Für den Fach mann werden die folgenden Überlegungen hilfreich sein.

Das Datensammeln durch die Software geschieht durch Umlauf von Zeigern in dem Datenspeicher.

Das Datensammeln geht immer dann kontinuierlich vonstat ten, wenn das System freigegeben wird. Ein Zeiger "ad_pr" zeigt immer auf den nächsten benutzbaren Speicherplatz. Dieser Zeiger wird durch eine Unterbrechungshandhabe inkre mentiert und wird durch andere niemals geändert, außer bei dem Start des Datensammelns, wenn er auf den Start des Rohdatenspeichers eingestellt wird.

Das digitale Absondern oder die Datenfilterung geht unter den meisten Umständen ebenfalls kontinuierlich vonstatten. Ein Filterzeiger zeigt immer auf die nächsten Daten, die dem digitalen Filter zuzufüh ren sind. Er wird durch den Kopf von Filterprogrammen in krementiert und durch andere niemals geändert, mit Ausnahme am Beginn des Datensammelns oder am Beginn einer Datenbe trachtung.

Ein Aufzeichnen der Daten kann gestartet, gestoppt, umgekehrt, wie dergestartet, usw. werden. Zwei Zeiger sind beteiligt:

(1) "plotted" (d. h. aufgezeichnet), der auf die nächsten aufzuzeichnenden Daten zeigt;
(2) "plotptr", der durch Unterbrechungshandhabe aktualisiert wird, um anzuzeigen, daß es Zeit ist, einen weiteren Punkt aufzuzeichnen, wenn mit normaler Geschwindigkeit aufge zeichnet wird. Diese Zeiger werden gemäß der Aufzeichnungs richtung inkrementiert oder dekrementiert: "int runn" ist +1 für Vorwärtsaufzeichnen, -1 für rückwärts und 0 für ge stoppt. Das Hinzufügen von "runn" zu dem Zeiger ändert die sen entsprechend.

Es gibt eine Anzahl von Punkten bei dem Aufbau des Pro gramms zu überlegen: das Errichten einer Patientendatei, Verbindung mit dem Patienten, Starten des Programms und Lauf des Programms.

Errichten einer Patientendatei

Ein Beispiel einer Patientendatei (File) ist unten gezeigt. Neue Dateien können erzeugt und mit einem Testeditor bear beitet werden, der in dem System vorgesehen werden kann. Die Beispielsdatei enthält Anmerkungen über die Dateiin halte. Wenn eine neue Patientendatei errichtet wird, können diese Anmerkungen aus der neuen Datei gelöscht werden.

Beispiel

c:/adinp/adcoef
20  100 Rohdatenabbildungsmaßstab und Artefaktunterdrückungspegel
20   30 Mittlerer Abbildungsmaßstab und Schwellenwert
20   20 Unterer Abbildungsmaßstab und Schwellenwert

Anmerkungen:
Der Name des Patienten muß in der ersten Zeile der Da tei erscheinen.
adcoef bezeichnet eine Datei, wo Filterkoeffizienten zu finden sind. Es muß als zweite Zeile dieser Datei er scheinen.
Maßstab und Artefaktunterdrückungspegel müssen in Zeile 3 sein.
Maßstab und Schwellenwert für die mittlere Abbildung müssen in Zeile 4 sein.
Maßstab und Schwellenwert für die untere Abbildung müs sen in Zeile 5 sein.
Alle anderen Anmerkungen können in dieser Datei später plaziert werden, und die Datei kann dann durch den DOS-Befehl gelesen werden:
Tippe Patient ein

Anmerkungen können durch die Verwendung eines Wortpro zessors, der saubere ASCII-Dateien erzeugt, aber nicht wie z. B. Wordstar, hinzugefügt werden.

Starten des Programms

Wenn der Computer abgeschaltet ist, wird das Floppy-Disk-Lauf werk 57 geöffnet und der Strom wird eingeschaltet. Der Computer 27 durchläuft ein aufwendiges Selbsttestprogramm; dann schaut der nach dem Laufwerk A: um zu sehen, ob er dort eine Disk lesen kann. Wenn die Klappe offen ist, kann er aus dem Laufwerk A nicht lesen: deshalb wird er die Hard-Disk lesen, Laufwerk C:. Er wird weiteres Testen und Laden durchführen, und schließlich wird er das DOS "prompt" auf dem Bildschirm anzeigen.

C<

Man führt nun eine vorhandene oder neu zu erzeugende Patienten-Disk in das Laufwerk A: ein und schließt die Klappe. Dann tippt man auf der Tastatur "EEG" ein, und betätigt anschließend die "Enter"-Taste.

Das Programm kann aus der Hard-Disk 55 geladen werden, und eine mit "Patient" bezeichnete Patientendatei auf der Floppy-Disk kann gelesen werden. Wenn diese Patientendatei nicht gefunden wird, wird das durch das Programm mit einer Nachricht quittiert, welche lautet: "Kann Patientendatei nicht finden.".

Wenn die notwendige Patientendatei vorhanden ist, wird eine Anzeige das anzeigen. Die Anzeige zeigt den Namen der Patientenda tei in der Zeile 12 an. Dieser kommt normalerweise aus dem Disk-Laufwerk A, weshalb sie zeigen wird: "a: patient geöffnet.", Das System kann aber auch so eingerichtet wer den, daß es die Datei aus dem Laufwerk B oder C oder aus einem Unterverzeichnis von C nimmt.

Der Name des Patienten erscheint in Zeile 14 der Anzeige, und unter der Zeile 14 befinden sich Skalierinformation und der Name, die Größe und das Datum der letzten Datei, die auf der entsprechenden Disk gespeichert worden ist. Dann zeigt die Anzeige den Namen der neuen Datei an, die erzeugt wird, wenn Daten gespeichert werden, die aus der gegenwärtigen Sitzung re sultieren, und zeigt an, wieviel mehr Daten auf der Disk untergebracht werden können.

Das Programm fragt dann, ob die angezeigte Information kor rekt ist. Es ist ratsam, eine separate Floppy-Disk für jeden Pati enten und oft mehrere Floppy-Disks für einen Patienten zu verwen den.

Wenn mit Ja geantwortet wird, indem "Y" eingetippt wird, wird der Personalcomputer 27 dazu übergehen, mehr Information zu laden und ein Menü anzuzeigen. Wenn die Antwort "N" lautet (oder irgendeine andere Taste gedrückt wird), wird das Pro gramm gestatten, die Floppy-Disk zu ändern oder auf ein anderes Laufwerk umzuschalten oder aufzuhören.

Lauf des Programms

Die Zahlen, die von Programmvariablen "raw input" (für Roheingaben), "low pass filtered input" (für tiefpaßgefilterte Eingaben) und "top" (für oben angezeigte Werte), "mid" (für in der Mitte angezeigte Werte) und "bot" (für unten angezeigte Werte) dargestellt werden, haben mehrere Skalierfaktoren, und zwar entwe der von Haus aus oder absichtlich. Unten sind diese Bezie hungen angegeben.

Eingaben "in" können folgendermaßen definiert werden:
"raw" (roh) = vollständig rohe Eingabe in den Verstärker, gemessen in Mikrovolt.
"sig" = Signalwert nach Verstärkung, Analog/Digital-Um wandlung, Umwandlung in 16-Bit-2er-Komplement-Schreibweise und Tiefpaßfilterung. "sig" ist in beliebigen Einheiten, und "sig"-Zahlen werden im allgemeinen größer sein als die entsprechenden Mikrovoltzahlen. "sig" wird im Speicher abgespeichert und an die 4-7 Hz und an die 12-15 Hz digitalen Filter angelegt, die hier als mittlere und untere Filter bezeich net werden.

Ausgaben können folgendermaßen definiert werden:
"top" (oben) = Ablenkung einer oberen Abbildung aufgrund von "sig".
"mid" (Mitte) = Ablenkung einer mittleren Abbildung aufgrund des Ausgangssignals des mittleren Filters, wenn ein statio näres Im-Bereich-Signal mit Amplitudenvorzeichen angelegt wird.
"bot" (unten) = Ablenkung einer unteren Abbildung aufgrund des Ausgangssignals des unteren Filters, wenn ein statio näres Im-Bereich-Signal mit Amplitudenvorzeichen angelegt wird.

Das Skalieren ist wichtig und unten beschrieben. Weil das mittlere und untere Filter geändert werden können und die Skalierung geändert werden kann und weil die neuen Filter und Maßstäbe bei der Betrachtung von vorhandenen Daten an gewandt werden können, ist es zweckmäßig, die Skalierung als Teil des Filterungsprozesses vorzunehmen. Deshalb wer den "mid" und "bot" direkt aus den Filtern erzeugt, bereit zur Anzeige, so daß auch definiert werden kann:
"mid" = Ausgangssignal des mittleren Filters mit "sig" als einem Eingangssignal.
"bot" = Ausgangssignal des unteren Filters mit "sig" als einem Eingangssignal.

Es ist unerwünscht, die Werte der ursprünglichen Daten durch Skalieren zu ändern. Deshalb wird das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters, "sig", unmittelbar vor dem Anzeigen und/oder Aufzeichen separat skaliert, indem es von Mikrovolt in eine Abbil dungsablenkung, gemessen in Pixel, umgewandelt wird.

Die Skalierfaktoren müssen richtig eingestellt werden. Das Skalieren erfolgt zum Teil als ein Nebeneffekt von anderen Funktionen, wie zum Beispiel Signalverstärkung, Ana log/Digital-Umwandlung und Filterung und zum Teil, weil der Systembediener einen Maßstab zum bequemen Betrachten aus wählt.

Der detaillierte Systementwurf befaßt sich mit der Abbil dungsablenkung, gemessen in Pixel, für den Systembediener ist es aber bequemer, einen Maßstab in Mikrovolt pro Zenti meter oder irgendeine andere Gittereinheit zur Verfügung zu haben. Deshalb wird eine Beziehung folgendermaßen festge legt:
"grid" (Gitter) = Zahl der Pixels, die dem durch den Benut zer gewählten Maßstab entspricht. Ein wahrscheinlicher Wert ist 20, so daß, wenn der Benutzer einen Maßstab von 50 Mi krovolt wählt, eine Signalablenkung von 50 Mikrovolt eine Aufzeichnungsablenkung von 20 Pixel erzeugen wird.

Der Personalcomputer 27 sorgt für die Eingabe von drei Skalierwer ten aus der Patientendatei oder durch manuelle Betätigung während eines Laufes. (Der Bediener drückt die Taste "F4" und gibt dann drei Zahlen ein.) Diese Werte werden so be zeichnet:
"iscale[top]", "iscale[mid]", iscale[bot]", welches Si gnalpegel in Mikrovolt sind, die eine Ablenkung der "grid"-Pixel auf dem Anzeigemonitor 45 darstellen.

Es sei beachtet, daß bei einem gegebenen Signal ein großes "iscale" ein kleineres Bild erzeugt. Die Beziehung ist so, daß eine Abbildung auf dem Monitor 45 von zum Beispiel zwei Gittereinheiten in der Höhe ein Signal von 2 "iscale" Mi krovolt darstellt.

Andere beliebige Skalierfaktoren können benutzt werden. Zum Erzielen der gewünschten Skalierung auf dem Anzeigebild schirm 45 wird, angesichts anderer Skalierfaktoren, die nicht vollständig bekannt oder verständlich sind, ein Satz Faktoren (einer jeweils für "top", "mid" und "bot") experi mentell gewählt, mit dem das gewünschte Ergebnis erzielt wird. Diese Werte stehen in Beziehung zu dem Verstärker 21, der Auswähleinrichtung 29 und möglicherweise einigen ande ren Faktoren, alle sind aber von dem Bediener und dem Pati ent unabhängig, weshalb sie in einer Filterkoeffizientenda tei gespeichert werden und keiner Änderung durch den Bedie ner unterliegen. Sie beziehen die willkürlichen "sig"-Ein heiten, die im Speicher abgespeichert sind, auf wahre Mi krovolt-Meßwerte und werden (in dem Computerprogramm) mit "fullscal[trace]" bezeichnet. Deshalb:

Mikrovolt = sig/fullscal[trace].

Wenn der Maßstab, der durch den Bediener gewählt wird, gleich der Gittergröße ist, dann wird ein Pixel einem Mi krovolt entsprechen. Wenn der Bediener eine andere Skalie rung wählt, muß sie ebenfalls eingesetzt werden.

Mehrere Faktoren für die obere Abbildung werden zu einem Signalfaktor verknüpft. Der Zweckmäßigkeit halber wird die ser Faktor in einem Koeffizientenfeld gespeichert:

coeff[top][16] = grid/(iscale[top] _* fullscal[top]),

so daß die Multiplikation in dem Aufzeichnungsprogramm lau tet:

top = sig _* coeff[top][16]

mit "sig" in beliebigen Ein heiten und "top" in Pixels.

Die "fullscal[trace]"-Werte für die mittlere und die untere Abbildung enthalten dieselbe Beziehung von "sig"-Einheiten zu Mikrovolt und kompensieren außerdem den Verstärkungsfak tor der Filter. Wie oben werden die Gittergröße und die vom Bediener gewählte Skalierung mit "fullscal[trace]" zu einem einzigen Faktor kombiniert. Zweckmäßigkeitshalber wird das in dem Filterkoeffizientenfeld gespeichert als:

coeff[trace][16] = grid/(iscale[trace] _* fullscal[trace])

Diese Faktoren werden auf die Daten (in "sig"-Einheiten) an den Filtereingängen angewandt, so daß das Filterausgangssi gnal direkt in Pixels ist.

Schwellenwerte müssen für das System festgelegt werden. Jede Abbildung hat einen zugeordneten Schwellenwert, der zu einer Entscheidung führt: Klemmen der Filter in dem Fall der oberen Abbildung, Belohnung für die mittlere Abbildung und Blockieren der Belohnung für die untere Abbildung. Des halb gibt es "thresh[top]", "thresh[mid]", "thresh[bot]" und Ent scheidungswerte in Mikrovolt, d. h. eingegeben aus der Pati entendatei und angezeigt als Zahlen.

Für die obere Abbildung basiert die aktuelle Entscheidung auf dem Wert des diskreten Digitalsignals, der in dem Speicher in den willkürli chen "sig"-Einheiten gespeichert ist. Deshalb wird der Mi krovolt-Schwellenwert der oberen Abbildung in diese Einhei ten umgewandelt durch:

sigthres = thresh[top] _* fullscal[top]

Für die anderen Abbildungen basiert die Entscheidung auf den Ausgangssignalen aus den digitalen Filtern, die bereits in Pixels sind, so daß die Mikrovolt-Schwellenwerte in Pixels umgewandelt wer den durch:

m.thres = thresh[mid] _* grid/iscale[mid]
b.thres = thresh[bot] _* grid/iscale[bot]

Eine ähnliche Umwandlung wird für den Schwellenwert der oberen Abbildung zum Zweck der graphischen Anzeige des Schwellenwerts durchgeführt.

topthres = thresh[top] _* grid/iscale[top]

Diese Berechnungen der Schwellenwerte und der Skalierfakto ren werden in einer Funktion "chscale()" gemacht, die Teil eines Moduls "thrhold.c" ist.

Die Belohnungslogik des Programms ist für den richtigen Be trieb kritisch. Die Digitalfilter in "philtre.asm" erzeugen zwei Werte: "bottom.led" und "middle.led", welche die inte grierte Amplitude des gefilterten Digitalsignals dividiert durch den für dieses Digitalsignal eingestellten Schwellenwert darstel len. (Daher bedeutet eine Zahl < 1,0, daß das Signal größer als der Schwellenwert ist). Anzeigelichter 32 der Signalisier einrichtung 33 und ein Zähler (nicht gezeigt) hängen von diesen beiden Werten ab. Ein Zähler kann benutzt werden, um die Zahl festzuhalten, wie oft das Subjekt über der Test zeitspanne belohnt worden ist.

Drei Anzeigelichter 32 können zusätzlich zu dem Zähler vor gesehen werden: sie werden als rot, gelb und grün bezeich net. Rot ist eine Blockieranzeige, die durch eine zu überwachende uner wünschte besondere Frequenz über das 5-Hz-Filter und die Variable "middle.led" gesteuert wird. Gelb ist ein Steigerungsanzei ger, der durch eine zu überwachende gewünschte besondere Frequenz gesteuert wird. Das grüne Licht signalisiert, daß eine Belohnung in dem Zähler festgehalten wird.

Das rote Licht wird eingeschaltet, wenn "middle.led" größer als 1,0 ist, was angibt, daß das 5-Hz-Signal den Schwellen wert übersteigt. Tatsächlich muß "middle.led" um ein festes Inkrement größer als 1,0 werden, um das rote Licht einzu schalten, und kleiner als 1,0 in demselben Ausmaß, um den Anzeiger abzuschalten. Bei exakt 1,0 oder sehr nahe bei diesem Wert ändert sich die Anzeige nicht. Dadurch wird ein Flackern des roten Lichts reduziert.

Das gelbe Licht ist kontinuierlich variabel. Seine Hellig keit ist proportional zu:

was gleich "bottom.led" = -1,0 ist.

Das gelbe Licht wird unabhängig von dem 5-Hz-Blockiersignal eingeschaltet. Beide Lichter gehen jedoch aus, wenn ein Muskel- oder Augenblinzelartefakt erfaßt wird, weil die Eingangssignale an den Filtern bei der Erfassung des Arte fakts durch die Unterdrückungseinrichtung 39 für eine Sekunde geklemmt werden.

Das grüne Licht signalisiert eine Belohnung. Wenn das gelbe Licht kontinuierlich für 0,5 s eingeschaltet ist, während das rote Licht ausgeschaltet ist, wird das grüne Licht ein geschaltet. Ein hörbares Signal wird gegeben, und der Zäh ler wird inkrementiert. Das grüne Licht bleibt für 0,5 s an und anschließend bis zur nächsten Belohnung aus. Das Pro gramm gestattet die Zeiteinstellung eines Intervalls nach einer Belohnung, bevor mit dem Verdienen der nächsten be gonnen werden kann, so daß die Frequenz von Belohnungen bei Bedarf begrenzt werden kann.

Offenbar kann die hier beschriebene Lösung durch den Klini ker oder einen Patienten stark modifiziert werden.

Die vorstehende Beschreibung dürfte zeigen, daß das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ein verbessertes, vereinfachtes, genaueres und weniger zeitintensives Überwachen und/oder Steuern von bioelektrischen Spannungssignalen eines menschlichen oder tierischen Körpers mit besonderen bioelektrischen Frequenzen ermög licht. Die Vorrichtung kann aus Kompo nenten zusammengebaut werden, die ohne weiteres verfügbar sind und leicht zusammengebaut werden können. Weiter sind die diagnostische Auswertung und der Gebrauch durch den Patien ten stark verbessert. Darüber hinaus kann die Verwen dung von Leistungsspektralanalysen und analoger, aktiver Bandpaßsignalfilterungen eliminiert werden.

Anhang A

Claims

1. Verfahren zum Überwachen, Anzeigen und/oder Aufzeichnen von bioelektrischen Spannungssignalen eines menschlichen oder tie rischen Körpers, durch

a) Erfassen eines analogen bioelektrischen Spannungssignals, in dem bioelektrische Frequenzen vorhanden sind, an einer ausge wählten Stelle des Körpers,
b) Verstärken des bioelektrischen Spannungssignals,
c) Erfassen der in dem bioelektrischen Spannungssignal enthal tenen bioelektrischen Frequenzen,
d) Umwandeln des analogen bioelektrischen Spannungssignals in diskrete Digitalsignale,
e) Analysieren der diskreten Digitalsignale nach den erfaßten bioelektrischen Frequenzen und Auswählen eines interessierenden diskreten Digitalsignals, das einer zu überwachenden bioelek trischen Frequenz entspricht und zu einem Ausgangssignal wei terverarbeitet wird,
f) Festlegen von Schwellenwerten für dieses Ausgangssignal, und
g) Anzeigen und/oder Aufzeichnen des Ausgangssignals, wenn die Amplitude des Ausgangssignals für eine vorbestimmte Dauer in nerhalb eines durch die Schwellenwerte festgelegten Amplituden bereiches liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Rückkoppeln des Ausgangssignals zu dem Körper, wenn die Amplitude des Aus gangssignals für eine vorbestimmte Dauer innerhalb des durch die Schwellenwerte festgelegten Bereiches liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an das Festlegen von Schwellenwerten für das Ausgangssignal ein zusätzlicher Schritt beinhaltet, die Ampli tude des Ausgangssignals über einer vorbestimmten Zeitdauer zu integrieren und den sich ergebenden Wert durch den Schwellen wert zu dividieren, um so die der bioelektrischen Frequenz ent sprechende Periode zu bestimmen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Anzeigen der Schwellenwerte als horizontale Linien und Anzeigen des ausgewählten Digitalsignals als eine kontinuierli che Wellenform zwischen den horizontalen Linien.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Aufzeichnen der Digitalsignale auf einem magnetischen Me dium zur Überprüfung und Datenmanipulation.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Unterdrücken von Störsignalen, die nicht in Beziehung zu dem interessierenden analogen bioelektrischen Spannungssignal stehen.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit:

a) einer Sensoreinrichtung (7) zur Befestigung an dem menschli chen oder tierischen Körper (5) an einer Stelle, an der ein interessierendes analoges bioelektrisches Spannungssignal auf tritt, und zum Abgeben des bioelektrischen Spannungssignals,
b) einer Verstärkereinrichtung (21) zum Verstärken des von der Sensoreinrichtung (7) gelieferten bioelektrischen Spannungssi gnals,
c) einer Analog/Digital-Wandlereinrichtung (23) zum Umwandeln des analogen bioelektrischen Spannungssignals in diskrete Digi talsignale und Erfassen der in dem bioelektrischen Spannungssi gnal enthaltenen bioelektrischen Frequenzen,
d) eine Auswähleinrichtung (29) mit einem numerischen Analysa tor zum Auswählen eines interessierenden Digitalsignals, das einer zu überwachenden bioelektrischen Frequenz entspricht, um daraus ein Ausgangssignal zu erzeugen, und
e) eine Einrichtung (47, 53) zum Anzeigen und/oder Aufzeichnen des Digitalsignals, wenn es in einem vorbestimmten Amplituden bereich für eine vorbestimmte Dauer aufrechterhalten wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Inte griereinrichtung (31), welche das besondere Digitalsignal über einer vorbestimmten Zeitdauer integriert und den sich ergeben den Wert durch den den Amplitudenbereich festlegenden Schwel lenwert dividiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Monitor (45) zum Anzeigen der diskreten Digitalsignale als eine Wellenform, die sich über der Zeit ändert, und zum An zeigen des vorbestimmten Amplitudenbereiches.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeich net durch eine Aufzeichnungseinrichtung (53) zum Aufzeichnen der Digitalsignale auf einem magnetischen Medium zur Überprü fung und Datenmanipulation.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeich net durch eine wahlweise einstellbare Unterdrückungseinrichtung (39) zum Unterdrücken von unerwünschten Signalen, die durch die Sensoreinrichtung (7) empfangen werden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (7) zwei Elektroden (9) aufweist, die mit der Verstärkereinrichtung (21) verbunden sind, daß die Analog/Digital-Wandlereinrichtung (23) eine Ana log/Digital-Eingangskarte (25) aufweist, welche das verstärkte bioelektrische Spannungssignal empfängt, und daß die Integrier einrichtung (31) eine numerische Prozessorkarte (26) aufweist, welche die Digitalsignale empfängt und verarbeitet und als Aus gangssignal eine sich über der Zeit ändernde Spannung liefert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Integriereinrichtung (31) die Amplitude des interessieren den diskreten Digitalsignals über einer vorbestimmten Zeitdauer integriert und den sich ergebenden Wert durch einen Schwellen wert dividiert, um eine Änderung über der Zeit festzustellen und dadurch die der bioelektrischen Frequenzen entsprechende Periode zu ermitteln, und daß die Integriereinrichtung (31) dann den sich ergebenden Wert in ein Format umwandelt, das über der Zeit angezeigt und aufgezeichnet werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine An zeige- und Aufzeichnungseinrichtung (45, 47, 53) zum Anzeigen bzw. Aufzeichnen des sich ergebenden Wertes.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, gekennzeich net durch eine Zeitgeber- und Signalisiereinrichtung (33, 51) zum Rückkoppeln des Ausgangssignals zu dem Körper, wenn die Am plitude des Ausgangssignals für eine vorbestimmte Dauer inner halb des durch die Schwellenwerte festgelegten Bereiches liegt.