Der UMC 0.18 Design Flow am Beispiel eines PDA ... - Mpc.belwue.de

Prototyp eines digitalen EEGs auf Basis eines FPGAs
für die Neurofeedbacksignalverarbeitung
treten und jederzeit kontrolliert reproduziert werden
können.
Ein wesentlicher Anwendungsbereich des BCI ist der
Einsatz als unterstützendes Hilfsmittel bei neurologischen
Störungen und Verletzungen. Patienten mit
erheblichen Beeinträchtigungen des neurologischen
Systems bietet das BCI die Möglichkeit, Teile dieser
Beeinträchtigungen zu kompensieren. An ALS 5 erkrankten
Patienten, die aufgrund der Zerstörung des
peripheren 6 Nervensystems in ihrer Bewegungs- und
Verständigungsmöglichkeit erheblich eingeschränkt
sind, ermöglicht das BCI beispielsweise die Steuerung
einer Computereingabeschnittstelle, um sich ihrer
Umwelt mitzuteilen.
Grundlegende Methode, die sowohl für das Neurofeedback
als auch das BCI eingesetzt wird, ist die
Elektroenzephalographie.
2.2. Elektroenzephalographie
Eine weit verbreitete Methode zur Messung, Aufzeichnung
und Analyse der elektrischen Hirnaktivität
ist die Elektroenzephalographie. Erfasst werden mit
dieser Methode die spontanen oder evozierten 7 Potentialschwankungen,
die bei der Informationsverarbeitung
der Nervenzellen in der Großhirnrinde entstehen.
Die feststellbaren Potentialschwankungen
beruhen dabei auf den synchronisierten Aktivitäten
ganzer Nervenzellverbänden.
Typischerweise erfolgt eine nichtinvasive Ableitung
der EEG-Signale mit Hilfe von Metallelektroden, welche
an den entsprechenden Ableitpunkten auf der
Schädeloberfläche angebracht werden. An der Kontaktstelle
zwischen dem physiologischen Körpergewebe
und dem Elektrodenmaterial erfolgt der Übergang
von einer körperseitigen Ionenleitung auf eine
Elektronenleitung in der Elektrode. Das elektrische
Verhalten der Kontaktstelle stellt für den Signaltransport
insgesamt einen komplexen Übergangswiderstand
dar. Diese Elektrodenimpedanz wirkt sich in
einem hohen Maße auf die erreichbare Qualität der
Signalableitung aus und ist massiv vom verwendeten
Elektrodenmaterial abhängig.
Für die Ableitung, Verarbeitung und Ausgabe von
EEG-Signalen können prinzipiell zwei unterschiedliche
Systemarten unterschieden werden. Bei einem
analogen System werden die abgeleiteten EEG-Signale
ausschließlich analog verarbeitet und ausgegeben.
Die Ausgabe des Elektroenzephalogramms, die
5 ALS - Amyotrophe Lateralsklerose
grafische Darstellung der einzelnen Signalverläufe,
basiert hierbei auf einem mechanischen Schreibsystem,
bei dem der Verlauf der Potentialschwankungen
entweder mit Tinte oder mit einem Thermokamm auf
Papier übertragen wird. Die zeitliche Auflösung des
abgeleiteten EEGs kann bei diesen Verfahren über
die Papiergeschwindigkeit variiert werden.
Bei einem digitalen System erfolgt hingegen eine
Wandlung der abgeleiteten EEG-Signale in eine digitale
Repräsentationsform. Die digitale Verarbeitung
und Ausgabe der Signale erlaubt eine flexible und beliebig
oft wiederholbare Auswertung des EEGs ohne
zusätzliche Verluste bei der Signalqualität. Die Archivierung
ist auf einem beliebigen Datenträger über einen
langen Zeitraum hinweg möglich. Ein Monitor
dient zur Ausgabe des EEGs, wobei je nach Auflösung
des verwendeten Geräts und eingestellter Zeitbasis,
die Auflösung des abgeleiteten EEGs verändert
werden kann. Gegenüber analogen Systemen bieten
digitale Systeme weitere Zusatzmöglichkeiten, wie
etwa eine direkte Analyse des Frequenzspektrums.
In der diagnostischen Anwendung können neuronale
Funktionen oder mit ihnen verbundene Störungen und
Ausfälle anhand des EEGs festgestellt werden. Dies
ist möglich, da neurologische Zustände und Aktivitäten
über charakteristische Merkmale in den Signalverläufen
des EEGs identifizierbar sind. Grundlage für
das Neurofeedback und BCI bilden daher die individuell
extrahierten und aufbereiteten Merkmale aus
den relevanten Signalverläufen, was eine digitale Signalverarbeitung
voraussetzt.
Gebräuchliche Merkmale für die Beschreibung von
EEG-Signalen sind unter anderem:
• Frequenz
• Amplitude
• Signalverlauf
Beim Neurofeedback werden bevorzugt die in einem
EEG-Signal enthaltenen Frequenzanteile für die Generierung
des Feedbacks herangezogen. In den enthaltenen
Frequenzen spiegeln sich die rhythmischen
Aktivitäten des Kortex 8 wider und liefern einen groben
Anhaltspunkt über die Aktivierung des Bewusstseins.
Insgesamt erstreckt sich der klinisch relevante Frequenzbereich
bis etwa 70 Hz.
Die zu erwartenden Amplitudenwerte bei einer nichtinvasiven
Ableitung der EEG-Signale an der Schädeloberfläche
liegen in einem Bereich von etwa 1 -
100 μV. Invasiv, bei einer Ableitung direkt an der Kortexoberfläche,
sind diese Amplitudenwerte ungefähr
6 in den äußeren Bereichen des Körpers befindlich
7 bewirken, erzeugen; syn. hervorrufen
8 äußere Schicht des Großhirns
MPC-Workshop, Juli 2009
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