WO2015177080A1 - Method and arrangement for increasing the signal-to-noise ratio of evoked and event-related potentials in the recordings of a neuronal activity - Google Patents

Abstract

The invention specifies a method and an associated arrangement for increasing the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and event-related potential signals of a neuronal activity. The method comprises the following steps: – transforming single sweep signals of the neuronal activity for obtaining current phases of the single sweep signals from an original time interval, – providing a time representation of the current phases in a 2D single sweep matrix, – changing the current phases in such a way that the circular variance along at least one phase track in the 2D single sweep matrix is reduced, and – performing a back transformation with the modified current phases into the original time interval for forming phase-regularized single sweep signals. The invention offers the advantage that the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and event-related potential signals of a neuronal activity is significantly improved by the phase regularization.

Description

Beschreibung description

Verfahren und Anordnung zur Vergrößerung des Signal- Rauschabstandes von evozierten und ereigniskorrelierten Method and arrangement for increasing the signal-to-noise ratio of evoked and event-related

Potenzialen in den Ableitungen einer neuronalen Aktivität Potentials in the derivations of a neural activity

Gebiet der Erfindung Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstands bei evozierten und ereigniskorrelierten Potenzialen in den Ableitungen einer neuronalen Aktivität, beispielsweise des Gehirns. The invention relates to a method and an arrangement for increasing the signal-to-noise ratio at evoked and event-related potentials in the derivatives of a neuronal activity, for example of the brain.

Hintergrund der Erfindung Background of the invention

Evozierte und ereigniskorrelierte Potenziale sind ein Evoked and event-related potentials are one

etabliertes Werkzeug der objektiven neurologischen established tool of objective neurological

Diagnostik. Weltweit werden in Kliniken verschiedenster Diagnostics. Globally, clinics are becoming very diverse

Fachrichtungen täglich viele medizinische Entscheidungen aufgrund von evozierten und ereigniskorrelierten Potenzialen gefällt. Evozierte und ereigniskorrelierte Potenziale (EP und EKP) bezeichnen Potenzialunterschiede bzw. Wellenformen im Elektroenzephalogramm (EEG) , die entweder durch Reizung eines Sinnesorgans bzw. eines peripheren Nervs ausgelöst werden oder mit kognitiven Prozessen, wie beispielsweise Specializations Every day many medical decisions due to evoked and event-related potentials like. Evoked and event-related potentials (EP and EKP) indicate potential differences or waveforms in the electroencephalogram (EEG), which are triggered either by stimulation of a sensory organ or a peripheral nerve, or with cognitive processes, such as

Aufmerksamkeit oder Sprachverarbeitung, korreliert sind. Mit dem Begriff EKP werden im Folgenden evozierte,  Attention or speech processing, are correlated. The term EKP is evoked below,

ereigniskorrelierte und induzierte Potenziale event-related and induced potentials

zusammengefasst . summarized .

EKPs haben im EEG eine sehr kleine Amplitude von einigen wenigen μν. Um daher die EKPs im ereignisunabhängigen EKPs in the EEG have a very small amplitude of a few μν. Therefore, the EKPs in event-independent

Spontan-EEG mit einer Amplitude von etwa 50 bis 100 pV sichtbar machen zu können, müssen die gemessenen EEG-Signale mit Hilfe von Methoden der Signalanalyse ausgewertet werden. Dazu werden im einfachsten Fall mehrere Realisierungen eines EKPs gemittelt. Das Spontan-EEG wird dabei als stochastisches Störsignal betrachtet, das von dem Reiz oder dem kognitiven Prozess unabhängig und dessen Mittelwert Null ist. Hingegen sind die interessierenden EKPs zeitlich an den Reiz bzw. dem kognitiven Prozess gekoppelt. Das EKP zeigt nach jedem Reiz bzw. kognitiven Prozess nahezu den gleichen Verlauf. Durch die wiederholte Darbietung eines Reizes bzw. die Wiederholung eines kognitiven Prozesses und die Mittelung des nachfolgenden EEG-Segments strebt die unabhängige Aktivität gegen Null, während das EKP aufsummiert wird. Die Anzahl der in der Praxis notwendigen Realisierungen hängt von dem Signal-Rausch-Verhältnis ab und ist je nach Sinnesmodalität und physikalischen Charakteristika To be able to visualize spontaneous EEG with an amplitude of approximately 50 to 100 pV, the measured EEG signals must be evaluated by means of signal analysis methods. For this purpose, several implementations of an EKP are averaged in the simplest case. The spontaneous EEG is considered as a stochastic interference signal, that of the stimulus or the cognitive Process independent and whose mean is zero. By contrast, the EKPs of interest are temporally coupled to the stimulus or the cognitive process. After each stimulus or cognitive process, the EKP shows almost the same course. By repeating a stimulus or repeating a cognitive process and averaging the subsequent EEG segment, the independent activity tends to zero as the ECP accumulates. The number of realizations required in practice depends on the signal-to-noise ratio and is dependent on the sense modality and physical characteristics

verschieden. Bei beispielsweise einem durch Lichtblitze ausgelösten Potenzial genügen etwa 50 Reize, während zur Messung der frühen akustischen Hirnstammpotenziale etwa 1000 bis 2000 Reize dargeboten werden müssen. Die Auswertung der EKPs berücksichtigt die Form der Welle, die Wellenhöhe different. For example, in the case of a potential triggered by flashes of light, about 50 stimuli are sufficient, while about 1000 to 2000 stimuli have to be presented to measure the early auditory brainstem potentials. The evaluation of the EKPs takes into account the shape of the wave, the wave height

(Amplitude) und die Laufzeit (Latenz) . Je nachdem, wie lange nach einem Ereignis eine Komponente im EEG auftritt, kann man diese verschiedenen Gehirnregionen zuordnen. Grob gilt folgende Einteilung: frühe Komponenten (0 bis 10 ms), mittlere Komponenten (10 bis 50 ms) und späte oder langsame Komponenten (50 bis 1000 ms) . (Amplitude) and the runtime (latency). Depending on how long after an event occurs a component in the EEG, you can assign these different brain regions. The following roughly applies: early components (0 to 10 ms), middle components (10 to 50 ms) and late or slow components (50 to 1000 ms).

Um die Signalauswertung der EKPs zu verbessern, werden seit einiger Zeit Methoden der Signalanalyse verwendet. Mit ihnen lassen sich beispielweise Veränderungen in den In order to improve the signal evaluation of the EKPs, methods of signal analysis have been used for some time. With them, for example, changes in the

Schwingungsstärken (Zeit-Frequenz-Analyse, Wavelet-Analyse) , in der Synchronisation oder in der Kohärenz über die Vibration levels (time-frequency analysis, wavelet analysis), in synchronization or in coherence over the

Einzelmessungen nachweisen. Vielversprechend ist die Analyse der Momentanphase von EKPs für verschiedene  Detect individual measurements. Promising is the analysis of the momentary phase of EKPs for different ones

neurodiagnostische Anwendungen. Beispielsweise wird in neurodiagnostic applications. For example, in

F. Corona-Strauss et al . „Phase Stability Analysis of Chirp Evoked Auditory Brainstem Response by Gabor Frame Operators", IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation  F. Corona-Strauss et al. "Phase Stability Analysis of Chirp Evoked Auditory Brainstem Response by Gabor Frame Operators", IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation

Engineering, Vol. 17, No . 6, December 2009 ein signifikanter Vorteil der Momentanphasenanalyse belegt. Momentanphasen haben eine zirkuläre Verteilung, die für eine statistische Auswertung die Anwendung der linearen Statistik verbietet. Zur Auswertung kommt daher die zirkuläre Engineering, Vol. 17, No. 6, December 2009 shows a significant advantage of instantaneous phase analysis. Instantaneous phases have a circular distribution that prohibits the application of linear statistics for a statistical evaluation. For evaluation, therefore, comes the circular

Statistik, im Englischen auch „directional statistic" Statistics, in English also "directional statistic"

genannt, zum Einsatz. Die Tatsache, dass 0° und 360° called, used. The fact that 0 ° and 360 °

identische Winkel sind, hat zur Folge, dass beispielweise 180° nicht der richtige Mittelwert von 2° und 358° sein kann. Daraus folgt, dass für einige Datentypen, wie zum Beispiel für zeitlich periodische, besondere mathematische Verfahren erforderlich sind. Beispielsweise müssen für die identical angles have the consequence that, for example, 180 ° can not be the correct mean of 2 ° and 358 °. It follows that some types of data, such as time-periodic ones, require special mathematical procedures. For example, for the

Mittelwertsbildung trigonometrische Funktionen verwendet werden . In D. J. Strauss et al „Denoising of single-trial matrix representations using 2D nonlinear diffusion filtering", Journal of Neuroscience Methods, 185: 284—292, 2010 wird beschrieben, wie aktuelle 2D Verfahren der Bildverarbeitung zur Verbesserung der Darstellung von EKPs genutzt werden können. Der Kern des 2D Ansatzes besteht dabei darin, eine Matrix-Darstellung von Einzelsweep-Signalen mit EKP zu verwenden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Averaging trigonometric functions can be used. Describing how current 2D image processing techniques can be used to improve the representation of ECPs, DJ Strauss et al., "Denoising of single-trial matrix representations using 2D non-linear diffusion filtering", Journal of Neuroscience Methods, 185: 284-292, 2010 The core of the 2D approach is to use a matrix representation of single sweep signals with EKP, as shown in FIG.

Fig. 1 zeigt links oben die Amplitude A in mV mehrere Fig. 1 shows the upper left in the amplitude A in mV more

abgeleitete Einzelsweeps in Abhängigkeit der Zeit t in s .derived single sweeps as a function of time t in s.

Einzelsweeps sind einzelne Antworten auf einen beispielsweise auditiven Burst-Reiz, wobei N die Nummer des Sweeps Single sweeps are individual responses to, for example, an auditory burst stimulus, where N is the number of the sweep

bezeichnet. Rechts unten zeigt Fig. 1 das gemittelte designated. Bottom right Fig. 1 shows the averaged

Potenzial aus 100 Einzelsweeps, das häufig zur Analyse von späten auditorischen EKPs eingesetzt wird. Rechts oben zeigt Fig. 1 Einzelsweeps in einer Matrix angeordnet. Dabei ist die normierte Amplitude in Graustufen kodiert, von schwarz (= 0) bis weiß (= 1) . Die Spur der dominanten Nl und P2 Welle dieses Potenzials sind deutlich zu erkennen. Informationen über Latenz- und Amplitudenvariationen können im Gegensatz zu dem gemittelten Potenzial aus der Einzelsweep -Matrix Potential of 100 single sweeps, which is often used to analyze late auditory ECPs. In the upper right, FIG. 1 shows a single sweep arranged in a matrix. The normalized amplitude is coded in gray scale, from black (= 0) to white (= 1). The trace of the dominant Nl and P2 wave of this potential can be clearly seen. Information about latency and amplitude variations may be in contrast to the averaged potential from the single sweep matrix

entnommen werden. In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 114 045 AI wird beispielhaft beschrieben, wie Phasenspuren in be removed. In the patent application DE 10 2011 114 045 AI is described as an example how phase traces in

Matrixdarstellungen von Momentanphasen sichtbar werden. In Fig. 2 sind auditorisch evozierte Einzelsweeps in Matrix representations of instantaneous phases become visible. In Fig. 2 are auditory evoked Einzelsweeps in

Matrixdarstellung, die aus einem Auditory Streaming Matrix representation consisting of an Auditory Streaming

Experiment gewonnen wurden, dargestellt. Dabei müssen Experiment were shown. It must

Zielsilben in Babble Noise erkannt werden. Das Erkennen der Zielsilbe wird durch das Drücken eines Knopfes quittiert. In dem oberen Diagramm der Fig. 2 sind Einzelsweeps N in Target syllables can be detected in Babble Noise. The recognition of the target syllable is confirmed by pressing a button. In the upper diagram of Fig. 2, single sweeps N in

Abhängigkeit der Zeit t in ms als elektroenzephalografische Antwort auf die Zielsilben dargestellt. In dem unteren  Dependence of time t in ms as the electroencephalographic response to the target syllables. In the lower one

Diagramm der Fig. 2 sind die Einzelsweeps N absteigend nach der Reaktionszeit sortiert. Besonderes für spätere 2, the individual sweeps N are sorted in descending order of the reaction time. Special for later

Komponenten (P300) sind deutlich komplexe 2D Strukturen zu erkennen, die teilweise beispielsweise mit Components (P300) are clearly recognizable complex 2D structures, some of which, for example, with

Verhaltensparametern korrelieren, wie die geordnete Spur im P300 Bereich in dem Diagramm der Fig. 2 zeigt. Neben der beschriebenen 2D-Matrixdarstellung, ergeben sich diese Spuren auch für die Momentanphase, wie in Fig. 3 für die Einzelsweeps N in Abhängigkeit der Zeit t in ms  Behavioral parameters correlate, as the ordered track in the P300 area in the diagram of Fig. 2 shows. In addition to the described 2D matrix representation, these tracks also result for the instantaneous phase, as in FIG. 3 for the individual sweeps N as a function of the time t in ms

dargestellt ist. Zu sehen sind die Momentanphasen der is shown. You can see the momentary phases of the

Einzelsweepmatrix aus dem unteren Diagramm der Fig. 2 mit einer nach der Reaktionszeit sortierten EKP Einzelsweep-Single sweep matrix from the lower diagram of FIG. 2 with an EKP individual sweep sorted according to the reaction time.

Sequenz (= Vielzahl von Einzelsweeps) für eine Darstellung im Zeitbereich, wobei die Phase in Graustufen dargestellt ist (schwarz = -Pi, weiß = +Pi) . Die sich ergebende direktionale Phasenspur ist mir einer weißen Linie gekennzeichnet. Sequence (= multiplicity of single sweeps) for a representation in the time domain, where the phase is represented in gray scale (black = -Pi, white = + Pi). The resulting directional phase trace is marked by a white line.

Phasenspuren werden definiert durch ähnliche Phasenwerte in der durch N Sweeps sich ergebenden Struktur in der bezüglich der Momentanphase transformierten Version der Einzelsweep- Matrixdarsteilung . Die Auswertung von EKPs kann unter anderem auch für diePhase traces are defined by similar phase values in the N sweeps resulting structure in the instantaneous phase transformed version of the single sweep matrix indication. The evaluation of EKPs can also be used for the

Einstellung von Hörgeräten verwendet werden. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 10 2009 060 093 AI ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen, rekursiven Anpassung eines von einer Person getragenen Hörgeräts. Die Anordnung umfasst eine Stimuli-Generatoreinheit, die an das Hörgerät einen akustischen Reiz abgibt, und eine Adjustment of hearing aids are used. For example, published patent application DE 10 2009 060 093 A1 discloses a method and an arrangement for automatic, recursive Adaptation of a hearing aid worn by a person. The arrangement comprises a stimuli generator unit, which emits an acoustic stimulus to the hearing aid, and a

Signalerfassungseinheit mit einem Sensor, die eine neuronale Aktivität des Gehirns aufgrund des akustischen Reizes Signal acquisition unit with a sensor that detects neural activity of the brain due to the acoustic stimulus

erfasst. Die Anordnung umfasst des Weiteren eine Rechen- und Steuereinheit, die ein Maß der Höranstrengung aus der detected. The arrangement further comprises a computing and control unit, which is a measure of the listening effort from the

erfassten neuronalen Aktivität ermittelt und daraus detected and detected neural activity

Änderungen von Hörgeräteparametern bestimmt, sowie eine Changes in hearing aid parameters, as well as a

Hörgerätesteuereinheit, die die Hörgeräteparameter ändert. Die Rechen- und Steuereinheit veranlasst wiederholt die Hearing aid control unit that changes the hearing aid parameters. The computing and control unit repeatedly causes the

Stimuli-Generatoreinheit zum Abgeben eines Hörreizes und die Hörgerätesteuereinheit zum Ändern eines Hörgeräteparameters, bis das Maß der Höranstrengung einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Dadurch können auf sehr robuste und Stimuli generator unit for dispensing a hearing stimulus and the hearing aid control unit for changing a hearing aid parameter until the amount of hearing effort falls below a predefinable threshold value. This can be very robust and

verlässliche Weise Hörgeräte objektiv und automatisch Reliable way hearing aids objectively and automatically

angepasst werden. be adjusted.

Wegen der oben beschriebenen Kleinheit der Amplitude der EKPs im EEG spielt das Signal-Rauschverhältnis eine wichtige Because of the small size of the amplitude of the EKPs in the EEG described above, the signal-to-noise ratio plays an important role

Rolle. Eine Vergrößerung des Signal-Rauschverhältnisses würde die Erfassung und Analyse von EKPs deutlich verbessern. Role. Increasing the signal-to-noise ratio would significantly improve the detection and analysis of EKPs.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein digitales Speichermedium, ein Computerprogramm und eine It is therefore an object of the invention to provide a method, a digital storage medium, a computer program and a

Anordnung anzugeben, die das Signal-Rauschverhältnis bei der Erfassung von evozierten und ereigniskorrelierten Potenzialen in der Ableitung von neuronalen Aktivitäten des Gehirns verbessern . To provide an arrangement that improves the signal-to-noise ratio in the detection of evoked and event-related potentials in the derivation of neuronal activities of the brain.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem According to the invention, the object is achieved with the

Verfahren, dem digitales Speichermedium, dem Computerprogramm und der Anordnung gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Erdfindungsgemäß werden die Momentanphasen von Einzelsweep- Signalen einer 2D-Einzwlsweep-Marix vor einer Method, the digital storage medium, the computer program and the arrangement according to the independent claims solved. According to Earth's theory, the instantaneous phases of single sweep signals of a 2D single sweep sweep become one before

Rücktransformation in den Zeitbereich so verändert, dass die zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird.  Reverse transformation in the time domain changed so that the circular variance along at least one phase trace is reduced in the 2D single sweep matrix.

Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: The invention claims a method for increasing the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and event-related potential signals of neural activity. The method comprises the following steps:

eine Transformation von N Einzelsweep-Signalen der  a transformation of N single sweep signals of

neuronalen Aktivität zur Gewinnung von Momentanphasen der Einzelsweep-Signale aus einem originalen Zeitbereich, eine zeitliche Darstellung der Momentanphasen in einer 2D- Einzelsweep-Matrix,  neural activity for obtaining instantaneous phases of the single sweep signals from an original time domain, a temporal representation of the instantaneous phases in a 2D single sweep matrix,

eine Änderung der Momentanphasen derart, dass die  a change of momentary phases such that the

zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird, und  circular variance is reduced along at least one phase trace in the 2D single-sweep matrix, and

eine Rücktransformation mit den geänderten Momentanphasen in den originalen Zeitbereich zur Bildung von N  an inverse transformation with the changed instantaneous phases into the original time domain to form N

phasenregularisierten Einzelsweep-Signalen.  phase-regularized single sweep signals.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die The invention offers the advantage that through the

Phasenregularisierung das Signal-Rauschverhältnis von Phase regularization the signal-to-noise ratio of

evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten evoked potential signals and event-related

Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität deutlich verbessert wird. Potential signals of neural activity is significantly improved.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Änderung der Momentanphasen durch eine Änderung des Real- und In a further development of the method, the change of momentary phases by changing the real and

Imaginärteils der komplex transformierten Einzelsweep-Signale erzielt .  Imaginärteils the complex transformed Einzelwewe signals achieved.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren nach der Transformation folgende Schritte auf: In a further embodiment, the method after the transformation comprises the following steps:

eine Extraktion der Phaseninformation der transformierten Einzelsweep-Signale (auch mit erstellten Projektionen bezeichnet) zur Bildung der Momentanphasen und eine Speicherung von zu den Momentanphasen an extraction of the phase information of the transformed single sweep signals (also called created projections) to form the instantaneous phases and a storage of at the momentary phases

korrespondierenden Betragswerten .  corresponding amounts.

D.h. ein analytisches Signal, das mit Betrag und That an analytic signal with amount and

darstellbar ist, wird gebildet und gespeichert. is representable, is formed and stored.

Des Weiteren weist das Verfahren nach der Änderung der Momentanphasen folgenden Schritt auf: Furthermore, the method after the change of the instantaneous phases comprises the following step:

ein Zusammenführen der geänderten Momentanphasen mit den gespeicherten Betragswerten.  merging the changed instantaneous phases with the stored magnitude values.

Zusammenführen bzw. Zusammenfassen bzw. Kombination mit Absolutwerten sind in der komplexen Signalverarbeitung Synonyme für die Bildung eines komplexen Signals (eines analytischen Signals) aus Betrag und Phase durch Merging or combining with absolute values are in complex signal processing synonyms for the formation of a complex signal (an analytic signal) of magnitude and phase

Multiplikation oder aus Real- und Imaginärteil durch Multiplication or from real and imaginary part through

Addition . Addition.

In einer weiteren Ausbildung weist das Verfahren noch folgenden zusätzlichen Schritt auf: In a further embodiment, the method has the following additional step:

eine Mittelung der phasenregularisierten Einzelsweep- Signale zu einem resultierenden evozierten Potenzial- Signal oder zu einem resultierenden ereigniskorrelierten Potenzial-Signal.  an averaging of the phase-regularized single sweep signals into a resulting evoked potential signal or a resulting event-related potential signal.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine isotrope anisotrope Glättung, Regularisierung oder Filterung der Betragswerte . In a further embodiment, an isotropic anisotropic smoothing, regularization or filtering of the magnitude values takes place.

In einer weiteren Ausprägung erfolgt die Änderung der Momentanphasen durch ein isotropes oder anisotropes In a further embodiment, the change of the instantaneous phases is effected by an isotropic or anisotropic

Regularisierungs- oder Glättungsverfahren . Regularization or smoothing method.

In einer Weiterbildung werden die N Einzelsweep-Signale vorgebbar systematisch aufgeteilt, aufgeteilt verändert und aufgeteilt rücktransformiert und die Kohärenz oder In a further development, the N individual sweep signals can be predefined, systematically divided, split and split back-transformed and the coherence or

Korrelation der aufgeteilt ermittelten phasenregulierten Einzelsweep-Signale wird ermittelt. In einer weiteren Ausbildung handel es sich bei der Correlation of the split-determined phase-regulated single sweep signals is determined. In a further training, it is in the

Transformation um eine Hardy-Raum Projektion. Transformation around a Hardy-Space projection.

Die Erfindung beansprucht auch ein digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. The invention also claims a digital storage medium having electronically readable control signals which can cooperate with a programmable computer or digital signal processor such that the method according to the invention is carried out.

Die Erfindung beansprucht auch ein Computerprogramm mit The invention also claims a computer program

Programmcodemitteln, um alle Verfahrensschritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird. Program code means for performing all method steps according to the method of the invention when the program is executed on a computer or a digital signal processor.

Außerdem beansprucht die Erfindung eine Anordnung zur In addition, the invention claims an arrangement for

Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Increased the signal-to-noise ratio of evoked

Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial- Signalen einer neuronalen Aktivität, aufweisend: Potential signals and event-related potential signals of a neural activity, comprising:

eine Stimuli-Generatoreinheit, die ausgebildet ist, mindestens einen Reiz darzubieten,  a stimulus generator unit configured to provide at least one stimulus;

eine Signalerfassungseinheit mit mindestens einem Sensor, die ausgebildet ist, eine neuronale Aktivität aufgrund des Reizes zu erfassen, und  a signal detection unit having at least one sensor configured to detect a neural activity due to the stimulus, and

einer Rechen- und Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.  a computing and control unit which is designed and programmed to carry out the method according to one of claims 1 to 9.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of several embodiments with reference to schematic drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1: eine 2D-Matrixdarstellung von Einzelsweep- Signalen, 1 shows a 2D matrix representation of single sweep signals,

Fig. 2: auditorisch evozierte Einzelsweep-Signale in einer  Fig. 2: Auditory evoked Einzelsweep signals in one

2D-Matrixdarstellung, Momentanphasen einer 2D Einzelsweep- Matrixdarstellung geordnet nach der Reaktionszeit, ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstands von 2D matrix representation, Instantaneous phases of a 2D single-sweep matrix representation ordered by the response time, a flow chart of a method of increasing the signal-to-noise ratio of

evozierten oder ereigniskorrelierten Potenzial- Signalen in einem EEG,  evoked or event-related potential signals in an EEG,

Momentanphasen einer 2D Einzelsweep- Matrixdarstellung mit und ohne Rauschminderung, eine Darstellung von 250 gemittelten Einzelsweep- Siganlen mit 30 dB HL Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens,  Instantaneous phases of a 2D single sweep matrix representation with and without noise reduction, a plot of 250 averaged single sweep patterns with 30 dB HL stimulation with and without phase noise reduction,

eine Darstellung von 500 gemittelten, auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL  a representation of 500 averaged auditory evoked single sweep signals with 30 dB HL

Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens ,  Stimulation with and without reduction of the phase noise,

eine Darstellung von 750 gemittelten, auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL  a representation of 750 averaged, auditory evoked single sweep signals with 30 dB HL

Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens ,  Stimulation with and without reduction of the phase noise,

eine Darstellung von 1000 gemittelten, auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL  a representation of 1000 averaged, auditory evoked single sweep signals with 30 dB HL

Stimulation mit und ohne Reduktion des Phasenrauschens, und  Stimulation with and without phase noise reduction, and

ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und  a block diagram of an arrangement for increasing the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and

ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität. Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele  event-related potential signals of a neural activity. Detailed description of several embodiments

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur 4 shows a flowchart of a method for

Vergrößerung des Signal-Rauschabstands von evozierten oder ereigniskorrelierten Potenzialen in den Ableitungen einer neuronalen Aktivität. Aus dem EEG einer Testperson mit evozierten Potenzial-Signalen und/oder ereigniskorrelierten Potenzial-Signalen wird im ersten Schritt 100 eine Einzelversuchsmatrix mit N Einzelsweep-Signalen durch Increasing the signal-to-noise ratio of evoked or event-related potentials in the derivatives of neural activity. From the EEG of a subject with evoked potential signals and / or event-related potential signals, in the first step 100 a Single test matrix with N single sweep signals through

Triggerung des EEG gebildet. Triggering of the EEG formed.

Auf jede Zeile der Einzelversuchsmatrix wird im Schritt 101 eine Fast Fourier Transformation (FFT) angewandt. Im On each line of the single test matrix, a Fast Fourier Transformation (FFT) is applied in step 101. in the

folgenden Schritt 102 wird ein interessierendes Frequenzband extrahiert und das Differenzspektrum für jede Zeile Following step 102, a frequency band of interest is extracted and the difference spectrum for each line

gespeichert. Beispielsweise wird vom Originalspektrum das interessierende Frequenzband abgezogen. saved. For example, the frequency band of interest is subtracted from the original spectrum.

Anschließend wird im Schritt 103 das analytische Signal jeder einzelnen Zeile ermittelt, woraus sich auch die Subsequently, in step 103, the analytical signal of each individual line is determined, from which also the

Momentanphasen ergeben. Das heißt, negative Frequenzen werden gleich Null gesetzt, positive Frequenzen des extrahierten Bandes werden mit zwei multipliziert und anschließend darauf eine inverse FFT angewandt. Die mit dem Rahmen 200 Momentary phases result. That is, negative frequencies are set equal to zero, positive frequencies of the extracted band are multiplied by two, and then an inverse FFT is applied. The frame 200

eingefassten Schritte 101 bis 103 kann als eine Hardy-Raum Projektion angegeben werden. In dem Schritt 104 erfolgt zur Rauschminderung eine enclosed steps 101 to 103 can be indicated as a Hardy-space projection. In step 104, a noise reduction is performed

Phasenregulierung der Momentanphase der analytischen Signale, d.h. jeder Zeile der Einzelsweepmatrix . Dabei wird ein isotropes oder anisotropes Regularisierungs- oder  Phase regulation of the instantaneous phase of the analytical signals, i. each line of the single sweep matrix. This is an isotropic or anisotropic regularization or

Glättungsverfahren zur Reduktion der zirkulären Varianz entlang von Phasenspuren in der Einzelsweepmatrix verwendet. Die Phasenregulierung wird in Fig. 4 durch den Rahmen 201 hervorgehoben . Smoothing method used to reduce the circular variance along phase traces in the single sweep matrix. The phase regulation is highlighted in FIG. 4 by the frame 201.

In dem Schritt 105 wird die so phasenregulierte In step 105, the so-phase-regulated

Einzelsweepmatrix mit den zugehörigen Absolutwerten aus Single sweep matrix with the corresponding absolute values

Schritt 103 zusammengefasst , darauf eine FFT angewandt und das Differenzspektrum aus Schritt 102 hinzuaddiert, so dass ein kombiniertes Spektrum der phasenregulierten Zeilen  Step 103, then applying an FFT and adding the difference spectrum from step 102, so that a combined spectrum of the phase-regulated lines

(analytische Signale) erzielt wird. Auf diese so gewonnen Zeilen wird im schritt 106 eine inverse FFT angewandt (zur Gewinnung des analytischen Signals können die negativen (analytical signals) is achieved. On these lines thus obtained, an inverse FFT is applied in step 106 (to obtain the analytical signal, the negative

Frequenzen wieder zu Null gesetzt werden) . Die mit dem Rahmen 202 eingefassten Schritte 105 und 106 stellen die Rückprojektion in den originalen Zeitbereich dar. Frequencies are reset to zero). The one with the frame 202 enclosed steps 105 and 106 represent the back projection into the original time range.

Im abschließenden Schritt 107 wird der Mittelwert des In the final step 107, the mean value of the

Realteils der so entrauschten Einzelsweep-Signale im Real part of the so entanzschten single sweep signals in

Zeitbereich gebildet und das resultierende entrauschte evozierte Potenzial-Signal oder das resultierende Time domain formed and the resulting depleted evoked potential signal or the resulting

ereigniskorrelierte Potenzial-Signa beispielsweise auf einem Bildschirm angezeigt. Anschließend wird zur EEG-Messung zurück gesprungen und für die nächsten N Einzelsweep-Signale das Verfahren mit den Schritten 100 bis 107 durchgeführt. Das Ergebnis jedes weiteren Verfahrensdurchlaufs wird mit den vorher ermittelten Ergebnissen gemittelt und wieder event-related potential signa, for example, displayed on a screen. Then the jump back to the EEG measurement and for the next N single sweep signals, the method with steps 100 to 107 performed. The result of each further process run is averaged and compared with the previously determined results

dargestellt . shown.

Andere Algorithmen als die oben beschriebene FFT basierte Hilbert Transformation sind für die Extraktion der Other algorithms than the FFT based Hilbert transform described above are for the extraction of the

Frequenzbänder und Hardy-Raum Projektionen bzw. die Frequency bands and hardy-space projections or the

Extraktion der Momentanphasen ebenfalls möglich. Extraction of instantaneous phases also possible.

Beispielsweise können Gabor Frames, komplexe Wavelets, eine Hilbert Transformation ohne FFT und eventuell auch For example, Gabor frames, complex wavelets, a Hilbert transformation without FFT and possibly also

Vorfilterungen zum Einsatz kommen. Pre-filtering used.

Die gemessenen Einzelsweep-Signale können auch aufgeteilt und aufgeteilt dem beschriebenen Verfahren unterzogen werden. Anschließend kann die Kohärenz oder Korrelation der so getrennt ermittelten Mittelwert-Signale bestimmt werden. The measured single sweep signals can also be split up and subjected to the described procedure. Subsequently, the coherence or correlation of the thus determined separately determined mean value signals can be determined.

Beispielsweise können gerade und ungerade Einzelsweep-Signale getrennt ausgewertet werden. For example, even and odd single sweep signals can be evaluated separately.

Fig. 5 zeigt zwei Diagramme der Momentanphasen in FIG. 5 shows two diagrams of the instantaneous phases in FIG

Matrixdarstellung für 100 gemessene Einzelsweep-Signale in Abhängigkeit der Zeit t in Millisekunden. Die Graustufen der Diagramme geben den Wert der Momentanphase an, wobei die Farbe „schwarz" für ,,-Pi" und die Farbe „weiß" für „+Pi" steht. Das linke Diagramm der Fig. 5 zeigt die Momentanphasen ohne Phasenregulierung und das rechte Diagramm zeigt die mit einem Verfahren nach Fig. 4 entrauschten Momentanphasen. Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen Diagramme von gemittelten, Matrix representation for 100 measured single sweep signals as a function of time t in milliseconds. The gray levels of the graphs indicate the value of the instantaneous phase, with the color "black" for "- Pi" and the color "white" for "+ pi". The left-hand diagram of FIG. 5 shows the instantaneous phases without phase regulation, and the right-hand diagram shows the instantaneous phases denuded by a method according to FIG. 4. FIGS. 6 to 9 show diagrams of averaged,

auditorisch evozierten Einzelsweep-Signalen mit 30 dB HL Stimulation, wobei die Einzelsweep-Signale experimentell mit einem Verfahren nach Fig. 4 und einer Anordnung nach Fig. 10 an einer Testperson ermittelt wurden. Die durchgezogenen Kurven zeigen jeweils die Mittelwerte mit einer Reduktion des Phasenrauschens. Die gestrichelten Kurven zeigen im Vergleich dazu jeweils die Mittelwerte ohne Reduktion des auditory evoked single sweep signals with 30 dB HL stimulation, where the single sweep signals were determined experimentally by a method according to Fig. 4 and an arrangement according to Fig. 10 on a subject. The solid curves each show the average values with a reduction of the phase noise. The dashed curves show the mean values without reduction of the

Phasenrauschens. Eine nennenswerte Aktivität ist bei einer derartigen Reizung zwischen 14 ms und 18 ms zu erwarten. Im Algorithmus nach Fig. 4 wird N=10 gesetzt. Phase noise. A significant activity is to be expected with such an irritation between 14 ms and 18 ms. In the algorithm of Fig. 4, N = 10 is set.

Diverse Verfahren zur isotropen oder anisotropen Various methods for isotropic or anisotropic

Regularisierung von zirkulären Varianzen sind aus dem Bereich der Optik und Bildverarbeitung bekannt. Regularization of circular variances are known in the field of optics and image processing.

In Fig. 5 werden 250 Einzelsweep-Signale ausgewertet, in In Fig. 5, 250 single sweep signals are evaluated, in

Fig. 6 500, in Fig. 7 750 und Fig. 9 1000. In allen Fig. 6 500, in Fig. 7 750 and Fig. 9 1000th In all

Diagrammen ist deutlich zu erkennen, dass durch das Diagrams can be clearly seen that through the

„Entrauschen" der Momentanphasen eine deutliche "Entrauschen" the momentary phases a clear

Signalverbessrung erreicht wird. Schon bei 250 Einzelsweep- Signalen ist dies signifikant sichtbar. Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Signal improvement is achieved. This is significantly visible even with 250 single sweep signals. 10 shows a block diagram of an arrangement for

Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Increased the signal-to-noise ratio of evoked

Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten Potenzial- Signalen einer neuronalen Aktivität. Mit einer Stimuli- Generatoreinheit 1 werden auditorische Reize (Stimuli) einer Testperson 2 mittels Kopfhörern 6 dargeboten. Mit einer EEG- Einheit, umfassend eine Signalerfassungseinheit 3 mit Potential signals and event-related potential signals of a neural activity. With a Stimuli generator unit 1 auditory stimuli (stimuli) of a test person 2 are presented by means of headphones 6. With an EEG unit, comprising a signal detection unit 3 with

Sensoren 5, wird die neuronale Aktivität des Gehirns aufgrund des dargebotenen Reizes erfasst (sogenannte Ableitungen der EKPs) . Sensors 5, the neural activity of the brain is detected due to the offered stimulus (so-called derivatives of the EKPs).

Mit einer Rechen- und Steuereinheit 4 wird das oben With a computing and control unit 4 is the above

beschriebene Verfahren zur Rauschminderung durchgeführt. Auf einem Bildschirm 7 wird der Mittelwert des Realteils der so entrauschten Einzelsweep-Signale im Zeitbereich dargestellt. described method for noise reduction carried out. On A screen 7 shows the mean value of the real part of the so-called single swept signals in the time domain.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Stimuli-Generatoreinheit 1 stimuli generator unit

2 Testperson  2 test person

3 Signalerfassungseinheit  3 signal detection unit

4 Rechen- und Steuereinheit  4 computing and control unit

5 Sensor  5 sensor

6 Kopfhörer  6 headphones

7 Bildschirm  7 screen

100 Bildung einer Einzelversuchsmatrix 100 Formation of a single test matrix

101 FFT  101 FFT

102 Extraktion eines Frequenzbands und Bildung eines  102 extraction of a frequency band and formation of a

Differenz spektrum  Difference spectrum

103 Momentanphasengewinnung  103 instantaneous phase recovery

104 Phasenregularisierung  104 phase regularization

105 Kombination mit Absolutwerten  105 Combination with absolute values

106 inverse FFT  106 inverse FFT

107 Mittelung und Darstellung  107 Averaging and Representation

200 Hardy-Raum Projektion 200 Hardy space projection

201 Phasenregulierung  201 phase regulation

202 Rückprojektion in den Zeitbereich A Amplitude  202 Rear projection into the time domain A amplitude

N Nummer des Einzelsweep-Signals  N Number of the single sweep signal

t Zeit t time

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten 1. A method for increasing the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and event-related ones

Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität, durch: Potential signals of a neural activity, by:

eine Transformation von Einzelsweep-Signalen der  a transformation of single sweep signals of

neuronalen Aktivität zur Gewinnung von Momentanphasen der Einzelsweep-Signale (200) aus einem originalen  neural activity for obtaining instantaneous phases of single sweep signals (200) from an original one

Zeitbereich,  Time range,

- eine zeitliche Darstellung der Momentanphasen in einer 2D- Einzelsweep-Matrix (103), a temporal representation of the instantaneous phases in a 2D single sweep matrix (103),

eine Änderung der Momentanphasen derart, dass die  a change of momentary phases such that the

zirkuläre Varianz entlang mindestens einer Phasenspur in der 2D-Einzelsweep-Matrix verringert wird (201), und  circular variance along at least one phase trace in the 2D single sweep matrix is reduced (201), and

- eine Rücktransformation mit den geänderten Momentanphasen in den originalen Zeitbereich zur Bildung von an inverse transformation with the changed instantaneous phases into the original time domain for the formation of

phasenregularisierten Einzelsweep-Signalen (202).  phase-regularized single sweep signals (202).

2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,

dadurch gekennzeichnet, characterized,

dass die Änderung der Momentanphasen durch eine Änderung des Real- und Imaginärteils der komplex transformierten that the change of the instantaneous phases by a change of the real and imaginary part of the complex transformed

Einzelsweep-Signale erreicht wird. Single sweep signals is achieved.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. The method according to claim 1 or 2,

gekennzeichnet durch : marked by :

nach der Transformation, after the transformation,

eine Extraktion der Phaseninformation aus den  an extraction of the phase information from the

transformierten Einzelsweep-Signalen zur Bildung der  transformed single sweep signals to form the

Momentanphasen (103) und  Momentary phases (103) and

eine Speicherung von zu den Momentanphasen  a storage of at the momentary phases

korrespondierenden Betragswerten .  corresponding amounts.

4. Verfahren nach Anspruch 3, 4. The method according to claim 3,

gekennzeichnet durch: marked by:

nach der Änderung der Momentanphasen, after changing the momentary phases,

ein Zusammenführen der geänderten Momentanphasen mit den gespeicherten Betragswerten (105). merging the changed instantaneous phases with the stored magnitude values (105).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Method according to one of the preceding claims,

gekennzeichnet durch : marked by :

eine Mittelung der phasenregularisierten Einzelsweep- Signale zu einem resultierenden evozierten Potenzial- Signal oder zu einem resultierenden ereigniskorrelierten Potenzial-Signal (107).  an averaging of the phase-regularized single-sweep signals into a resulting evoked potential signal or a resulting event-related potential signal (107).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, 6. The method according to any one of claims 3 to 5,

gekennzeichnet durch : marked by :

eine isotrope oder anisotrope Glättung, Regularisierung oder Filterung der Betragswerte.  an isotropic or anisotropic smoothing, regularization or filtering of the magnitude values.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, characterized,

dass die Änderung der Momentanphasen durch ein isotropes oder anisotropes Regularisierungs- oder Glättungsverfahren that the change of instantaneous phases by an isotropic or anisotropic regularization or smoothing process

erfolgt . he follows .

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, characterized,

dass die Einzelsweep-Signale vorgebbar systematisch that the single sweep signals can be specified systematically

aufgeteilt, aufgeteilt verändert und aufgeteilt split, split and split

rücktransformiert werden und eine Kohärenz oder Korrelation der aufgeteilt ermittelten phasenregulierten Einzelsweep- Signale ermittelt wird. be transformed back and a coherence or correlation of the divided determined phase-regulated Einzelweweep signals is determined.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. The method according to any one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, characterized,

dass es sich bei der Transformation um eine Hardy-Raum that the transformation is a Hardy space

Projektion handelt. Projection acts.

10. Digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, dass das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10. A digital storage medium with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer or digital signal processor, that the method according to any one of the preceding claims

ausgeführt wird. is performed.

11. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle 11. Computer program with program code means to all

Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 Process steps according to one of claims 1 to 9

durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird. when the program is run on a computer or digital signal processor.

12. Anordnung zur Vergrößerung des Signal-Rauschabstandes von evozierten Potenzial-Signalen und ereigniskorrelierten 12. Arrangement for increasing the signal-to-noise ratio of evoked potential signals and event-related ones

Potenzial-Signalen einer neuronalen Aktivität, aufweisend: eine Stimuli-Generatoreinheit (1), die ausgebildet ist, mindestens einen Reiz darzubieten, Potential signals of a neural activity, comprising: a stimulus generator unit (1) designed to present at least one stimulus,

eine Signalerfassungseinheit (3) mit mindestens einem Sensor (5) , die ausgebildet ist, eine neuronale Aktivität aufgrund des Reizes zu erfassen, und  a signal detection unit (3) having at least one sensor (5) configured to detect a neural activity due to the stimulus, and

einer Rechen- und Steuereinheit (4), die ausgebildet und programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.  a calculating and control unit (4) which is designed and programmed to carry out the method according to one of Claims 1 to 9.