AT505339B1 - METHOD FOR EVALUATING AND / OR PREPARING A MULTIVARIATE SIGNAL - Google Patents
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Description
österreichisches Patentamt AT505 339B1 2012-10-15Austrian Patent Office AT505 339B1 2012-10-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.Description: The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
[0002] Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung multivariater Gehirnsignale (Elektroencephalogramme (EEG), Elektrokortikogramme (ECoG) oder von Tiefenelektroden abgeleitete Signale), die gleichzeitig von mehreren Elektroden abgeleitet, verstärkt und für die digitale Verarbeitung abgetastet und analog-digital gewandelt wurden.In particular, the invention relates to a method for processing multivariate brain signals (electroencephalograms (EEG), electrocorticograms (ECoG) or derived from deep electrodes signals) derived simultaneously from multiple electrodes, amplified and sampled for digital processing and converted analog-to-digital ,
[0003] Ziel der Erfindung ist vor allem die Definition eines Maßes, das eine exaktere Bewertung eines multivariaten Hirnsignals hinsichtlich des Auftretens bestimmter Ereignisse ermöglicht, worüber das Signal Informationen birgt. Derartige Ereignisse können z.B. durch Denkprozesse bzw. durch Bewegungen bzw. Bewegungsversuche des Körpers verursacht sein, sodass bei einer exakten Bewertung der damit zusammenhängenden elektrischen Signale Schaltvorgänge ausgelöst werden können.The aim of the invention is primarily the definition of a measure that allows a more accurate evaluation of a multivariate brain signal with regard to the occurrence of certain events, about which the signal contains information. Such events may e.g. be caused by thinking processes or by movements or movement attempts of the body, so that switching processes can be triggered in an exact evaluation of the associated electrical signals.
[0004] Die erfindungsgemäßen Ziele werden mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmalen erreicht.The objectives of the invention are achieved by a method of the type mentioned above with the features mentioned in the characterizing part of claim 1.
[0005] Mit der erfindungsgemäßen Vorgangsweise können die von dem Ereignis stammenden bzw. die durch das Ereignis bewirkten Signale für eine Weiterverarbeitung bzw. Verwertung in einer Art aufbereitet werden, die der Ursache des Ereignisses gerecht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Bewertungsmaße für die Signale erstellt, womit die Aussagekraft der Signale bzw. die Zuverlässigkeit der Beurteilung und Klassifikation dieser Signale erhöht wird. Diese Vorteile werden durch die spezielle Verknüpfung der abgetasteten Signale erreicht und dadurch, dass in den erhaltenen Bewertungsmaßen für das multivariate Signal entsprechende Gestaltungsmöglichkeiten durch Wahl von Koeffizienten bzw. Parametern vorhanden sind, welche durch Anwendung entsprechender Ermittlungsverfahren bzw. Algorithmen variierbar sind. Je nach der gewünschten Aussagekraft des Bewertungsmaßes kann eine der beiden im Anspruch 1 angeführten alternativen Vorgangsweisen gewählt werden.With the procedure according to the invention, the originating from the event or caused by the event signals can be processed for further processing or recovery in a manner that is the cause of the event justice. With the method according to the invention, evaluation measures for the signals are created, whereby the significance of the signals or the reliability of the assessment and classification of these signals is increased. These advantages are achieved by the special combination of the sampled signals and the fact that in the obtained evaluation measures for the multivariate signal corresponding design options are available by selecting coefficients or parameters which can be varied by using appropriate determination methods or algorithms. Depending on the desired validity of the evaluation measure one of the two listed in claim 1 alternative procedures can be selected.
[0006] Zu bemerken ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewertung von multivariaten Signalen beliebigen Ursprungs eingesetzt werden kann; in Hinblick auf die gewählte Bildung des Bewertungsmaßes eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem zur Auswertung von elektrischen Signalen, die von einem Menschen abgeleitet werden, so z.B. Hirn- oder Herzoder Muskelsignale, insbesondere für den Einsatz in Brain-Computer-Interfaces (BCI). Die erhaltenen Bewertungsmaße können insbesondere eingesetzt werden, um einen Schaltvorgang, z.B. für das Schalten eines Gerätes, auszulösen.It should be noted that the inventive method for the evaluation of multivariate signals of any origin can be used; in view of the selected formation of the evaluation measure, the method according to the invention is particularly suitable for the evaluation of electrical signals derived from a human being, e.g. Brain or cardiac or muscle signals, in particular for use in brain-computer interfaces (BCI). The obtained evaluation measures can be used in particular to determine a switching operation, e.g. for switching a device to trigger.
[0007] Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Zeichnung ist ein Blockschaltbild für die Berechnung von a[n] dargestellt.In the following the method according to the invention will be explained by way of example with reference to the drawing. The drawing shows a block diagram for the calculation of a [n].
[0008] Das zu bewertende abgetastete multivariate Signal x[n\ = [x;[n],...,xL[n]] setzt sich aus L aufgenommenen Signalen x;[n],/ = 1,...,L zusammen. Zuerst erfolgt eine Einteilung dieser Signale in A^Signalgruppen x(k)[n] = [xW___(χ[n]]T k = Ι,.,.,Κ (1) insbesondere unterschiedlicher Größe L(/c), mit x;(fe)[n] = xP(feJ)[n] gemäß einer definierten Zuordnung P(k, l).The sampled multivariate signal x [n \ = [x; [n],..., XL [n]] is composed of L recorded signals x; [n], / = 1,. L together. First, these signals are classified into A ^ signal groups x (k) [n] = [xW ___ (χ [n]] T k = Ι,.,., Κ (1), in particular of different size L (/ c), with x (fe) [n] = xP (feJ) [n] according to a defined assignment P (k, l).
[0009] Für jedes Signal χ^\η] in (1) jeder Signalgruppe £wird weiters eine Prädiktionsfunktion fiKn.) gebildet, d.h., insgesamt ££=iL(/c) Funktionen, die jeweils vergangene Werte in der Gruppe x(fe)[n - MJ, ...,x(fe)[n - l] und zusätzlich bereits vorhandene vergangene Prädiktionswerte für die Gruppe x(k)[n-M2], ...,x(k)[n-l], mit x(fe)[n] = [x[k)[n], ...,x^)[n]]T, auf einen Wert 1 /5 österreichisches Patentamt AT 505 339 B1 2012-10-15 x^k\n] = f^k,n\x^[n — M-J, ...,x^[n — l];x^[n — M2], ...,x^[n — Z]) abbilden. Derartige Prädiktionsfunktionen werden in der Literatur z.B. in Zusammenhang mit linearer Prädiktion oder autoregressiven Modellen behandelt (siehe z.B. S.M. Kay, Modern spectral Estimation. Englewood Cliffs (NJ): Prentice Hall, 1988). Somit stellt x;(fc)[n] einen Schätz- bzw. Prädiktionswert eines Gehirnsignalwertes dar, der aus den vorhergegangenen aufgenommenen Signalwerten und den vorhergegangenen M2 Prädiktionswerten berechnet wird.For each signal χ ^ \ η] in (1) of each signal group £, a prediction function fiKn.) Is formed, ie, a total of ££ = iL (/ c) functions, each representing past values in the group x (fe ) [n - MJ, ..., x (fe) [n - l] and additionally existing past prediction values for the group x (k) [n-M2], ..., x (k) [nl], with x (fe) [n] = [x [k) [n], ..., x ^) [n]] T, to a value 1/5 Austrian Patent Office AT 505 339 B1 2012-10-15 x ^ k \ n] = f ^ k, n \ x ^ [n - MJ, ..., x ^ [n - l]; x ^ [n - M2], ..., x ^ [n - Z]) depict. Such prediction functions are described in the literature e.g. in the context of linear prediction or autoregressive models (see, for example, S. M. Kay, Modern Spectral Estimation, Englewood Cliffs (NJ): Prentice Hall, 1988). Thus, x; (fc) [n] represents an estimate value of a brain signal value calculated from the previous received signal values and the previous M2 prediction values.
[0010] Um die Genauigkeit dieser Prädiktion zu beurteilen, wird für jede Prädiktionsfunktion ein Gütemaß p;(fc’n) berechnet, definiert z.B. als Erwartungswert des quadratischen Abstands p(M0 _ _ x;(fc)[n])2j oder als Erwartungswert des Abstandsbetrages ρ[Κ7ί) = E j, etc.In order to judge the accuracy of this prediction, a quality measure p (fc'n) is defined for each prediction function, defined e.g. as the expected value of the quadratic distance p (M0 _ _ x; (fc) [n]) 2j or as the expected value of the distance amount ρ [Κ7ί) = E j, etc.
[0011] Die Prädiktionsfunktionen werden aus einem definierten Funktionenraum F so gewählt, dass der Wert für das Gütemaß optimal wird, also fik'n) = arg min p\k’n) (2)The prediction functions are selected from a defined function space F such that the value for the quality measure becomes optimal, that is fik'n) = arg min p \ k'n) (2)
f*Ff * F
[0012] Zu beachten ist, dass die angegebenen Beispiele für plk,n) den Prädiktionsfehler messen, d.h., kleine Werte entsprechen großer Genauigkeit. Natürlich können auch Gütefunktionen bzw. -maße definiert werden, die umgekehrt die Übereinstimmung zwischen Prädiktionswert und Signal messen, sodass große Werte angestrebt werden.It should be noted that the examples given for plk, n) measure the prediction error, i.e., small values correspond to high accuracy. Of course, quality functions or measures can also be defined, which conversely measure the match between the prediction value and the signal, so that large values are sought.
[0013] Im Allgemeinen wird die Prädiktionsfunktion zeitabhängig sein (Zeitindex n), weil zumindest dadurch das Erkennen von Instationaritäten im Signal, hervorgerufen durch das zu erkennende Ereignis, erst ermöglicht wird.In general, the prediction function will be time-dependent (time index n), because at least the detection of instationarities in the signal, caused by the event to be detected, is made possible in the first place.
[0014] Für praktische Implementierungen von (2) können Adaptionsalgorithmen verwendet werden, wie sie z.B. in „Adaptive Filter Theory" (S. Haykin, Adaptive Filter Theory, Englewood Cliffs (NJ): Prentice Hall, 4th ed., 2002) beschrieben werden. Diese bestimmen (adaptieren) f(k,n) jn ^2) näherungsweise und rekursiv aus p^k’n~Q\... ,p[k’n~1^. Die Optimierung wird auch bei adaptiven Algorithmen bezüglich einer Funktion aus einem definierten Funktionenraum F durchgeführt.For practical implementations of (2), adaptation algorithms may be used, such as e.g. in "Adaptive Filter Theory" (Haykin, Adaptive Filter Theory, Englewood Cliffs (NJ): Prentice Hall, 4th ed., 2002). These determine (adapt) f (k, n) jn ^ 2) approximately and recursively from p ^ k'n ~ Q \ ..., p [k'n ~ 1 ^. The optimization is also carried out in adaptive algorithms with regard to a function from a defined function space F.
[0015] Als Alternative zu rekursiven Adaptionsverfahren kann auch mit moving-window Techniken das Signal in Abschnitte ("Windows") zerlegt werden, innerhalb derer ffk,n^ zeitinvariant und derart gewählt wird, dass das entsprechende Gütemaß im Mittel optimiert wird.As an alternative to recursive adaptation methods, moving-window techniques can also be used to decompose the signal into sections ("Windows") within which ffk, n ^ are time-invariant and are chosen such that the corresponding quality measure is optimized on average.
[0016] Aus den Gütemaßen p[k,n^ wird schließlich entweder das Bewertungsmaß K L(k) a[n\ = Yb(k) log Σαϊ*]ΡΪ*’η) k= 1 1=1 oder das Bewertungsmaß K L(k) -Wi- (3) Z^iog ΣΛ,(Μ) k=l 1=1 berechnet, das die Grundlage für die Bewertung des multivariaten Gehirnsignals darstellt.Finally, either the evaluation measure KL (k) a [n \ = Yb (k) log Σαϊ *] ΡΪ * 'η) k = 1 1 = 1 or the evaluation measure KL (from the quality measures p [k, n] k) -Wi- (3) Z ^ iog ΣΛ, (Μ) k = l 1 = 1, which is the basis for the evaluation of the multivariate brain signal.
[0017] Hierfür müssen die Parameter a[fc) und bzw. die Parameter a\k\ Mfc), c;(fc) und 2/5For this purpose, the parameters a [fc) and / or the parameters a \ k \ Mfc), c; (fc) and 2/5
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