G. Henning

Phase estimation of visual evoked responses

The phase of visual evoked responses (VERs) is one of the basic parameters in functional diagnostics of the visual system. A new method for phase estimation of VERs based on the observer model in system identification is introduced. Simulated data show significantly less variance of estimation than actual estimators do. By means of the new estimator, the dynamics of the visual system according to selected optical stimuli has been analyzed.

Untersuchungen zur objektiven Perimetrie

After discussion of the problems concerning objective perimetry by means of VER, the authors demonstrated a way of solution. Nach Schilderung der Probleme, die bei einer objektiven Perimetrie mittels der VER auftreten, zeigen die Autoren einen Lösungsweg auf und weisen an Versuchsergebnissen nach, daß Prinzip und Lösungsweg möglich sind.

Grußwort zur 38. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik im VDE (DGBMT)

Abstract Erstmals in ihrer nahezu 40jährigen Geschichte findet die Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik in Ilmenau statt. Für das Team des Ilmenauer BMT-Instituts – das im Jahre 2004 sein 50jähriges Gründungsjubiläum feiert – ist dies eine hohe Ehre und eine besondere Freude.

ECHTZEITBLICKRICHTUNGSERFASSUNG MIT CMOS-ZWEIKAMERASYSTEM

Es wurde ein Eyetracking-Konzept entworfen, welches sich sich auf die VOG unter Verwendung eines Zweikamerasystems und spezieller Bildverarbeitungs und SD-Algorithmen stutzt. Entwickelt wurde ein Versuchsaufbau, bestehend aus einem Zweikamerasystem, IRBeleuchtung und einem dreh- und verschiebbar gelagerten Augenmodell. Der Algorithmus zur Berechnung der Lage des Messobjektes wurde fur den Echtzeitbetrieb auf PCTechnik optimiert. Messergebnisse am Augenmodell zeigen, dass die angestrebten Genauigkeit s- und Geschwindigkeitsanforderungen erfullt werden. Das wichtigste Ergebnis der Messungen ist die Tatsache, dass die raumliche Lage eines pupillenahnlichen Messobjektes ohne vorherige Kalibration ermittelt werden kann. Weiterfuhrende Untersuchungen mussen zeigen, ob dies auch fur Messungen am menschlichen Auge gilt.

Zur Problematik des Streulichteinflusses bei der lokalisierten Stimulation der Retina

In attempting local retinal stimulation of an intact eye the generation of scattered light cannot be prevented, but it can be sufficiently reduced by a suitable selection of stimulus parameters, especially of stimulus luminance and facial field luminance, of stimulus size and exposition time. By investigating the most important sources of scattered light, e.g. inhomogenities in the dioptric media, reflections at refracting surfaces, diffraction at the pupil borders, and the distribution of scattered light in the retina it becomes possible to develop indications for the construction of a focal optical stimulator. Bei der lokalisierten Stimulation der Retina des intakten Auges läßt sich die Streulichtentstehung nicht verhindern, sondern muß durch geeignete Wahl der Reizparameter, wie Umfeld- und Markenleuchtdichte, Markengröße und Darbietungszeit so gering wie möglich gehalten werden. Durch die Betrachtung der verschiedenen Streulichtquellen, insbesondere der Inhomogenitäten der lichtübertragenden Medien, der Reflexion an den brechenden Flächen, der Beugung an den Pupillenrändern sowie der retinalen Streulichtverteilung, werden Hinweise für die Konstruktion eines Reizgebers möglich.In attempting local retinal stimulation of an intact eye the generation of scattered light cannot be prevented, but it can be sufficiently reduced by a suitable selection of stimulus parameters, especially of stimulus luminance and facial field luminance, of stimulus size and exposition time. By investigating the most important sources of scattered light, e.g. inhomogenities in the dioptric media, reflections at refracting surfaces, diffraction at the pupil borders, and the distribution of scattered light in the retina it becomes possible to develop indications for the construction of a focal optical stimulator.

GESICHTSFELDUNTERSUCHUNGEN MIT MULTIFOKALER BLAUKANALSTIMULATION UND VISUELL EVOZIERTEN POTENTIALEN

Die Untersuchung des Gesichtsfeldes mit blauen Reizmarken besitzt fur die Diagnostik des Glaukoms, des Diabetes mellitus und der Retinitis pigmentosa eine grose Bedeutung, weil Storungen des Blaukanals einen fruhzeitigen Indikator fur diese Augenerkrankungen darstellen konnen [1,2]. Fur eine objektive Gesichtsfelduntersuchung des Blaukanals ist eine Stimulationsstrategie erforderlich, die einerseits selektiv die kurzwelligempfindlichen Zapfen (S-Zapfen) der Retina anspricht und andererseits eine topographische Analyse der simultan aufgenommenen visuell evozierten Potentiale (VEP) ermoglicht. Gegenstand dieses Artikels ist es, die Moglichkeiten einer lokalen Gesichtsfelduntersuchung des Blaukanals und die topographische Analyse kortikaler VEP am Beispiel der Monitorstimulation zu demonstrieren und zu bewerten.

Determinierte Signalverläufe in visuell evozierten Reizantworten

EINLEITUNG Über eine lokale Stimulation der Retina mit kleinflächigen LED sollen perimetrische Untersuchungen auch bei Kleinkindern, Simulanten und Aggravanten unter Zuhilfenahme des über dem visuellen Kortex abgeleiteten EEG ermöglicht werden. Aus Sicht der Signalanalyse bildet dabei die Detektion der visuell evozierten Reizantwort (VER) im EEG den Schwerpunkt. Die geringe Anzahl stimulierter neuronaler Rezeptoren auf der Retina und die unterschiedlichen topographischen Projektionen der Reizantworten auf dem visuellen Kortex könnten die schlechte Unterscheidbarkeit zwischen EEG und Reizantwort bei peripherer Stimulation erklären. Hiermit kann die Form der VER im Zeitbereich, d.h. Latenz bzw. Amplitude, welche bei der Auswertung von Musterumkehrbzw. Ganzfeldreizantworten ihre Berechtigung besitzt, nicht zu einer Analyse herangezogen werden. Eine konsistente Mittelung zahlreicher Realisierungen bezüglich des Lichtreizes und die Verwendung statistischer Tests sind für eine zuverlässige Detektion notwendig. Da durch eine längere Mittelungszeit auch die Untersuchungszeit steigt, kann dies dazu führen, daß Patienten zu schnell ermüden und somit das Resultat der Untersuchung unzuverlässig ist. Mit Hilfe der flicker-burst Stimulation ist es möglich, quasistationäre sinusförmige Reizantworten im poststimulativen Intervall hervorzurufen (Abb. la). Die Detektionsstrategie reduziert sich auf den Nachweis der harmonischen Komponenten [1], Jedoch führt das ständige Flickern mit konstanter Frequenz zur Ermüdung bzw. Gewöhnung, selbst wenn die Stimuli nach dem Scramblingprinzip etabliert werden.

EEG/MEG-Quellenlokalisation bei lokaler Stimulation der Retina

EINLEITUNG Mit Hilfe perimetrischer Untersuchungen ist es möglich, Gesichtsfeldausfälle durch punktförmige Stimulation der Retina zu lokalisieren. Die erzeugten Reizantworten können am visuellen Kortex über die Ableitung des EEG oder MEG aufgezeichnet werden. Zwar ist der primäre visuelle Kortex (area VI, fissura calcarina) eines der am weitesten erforschten Areale des menschlichen Gehirns, dennoch sind die Quellen der visuell evozierten Reizantworten besonders bei lokaler Stimulation hinsichtlich ihres zeitlichen Verhaltens, d.h. der Veränderung von Lage, Anzahl und Größe weitestgehend unerforscht. Eine diesbezügliche Untersuchung erfordert den Einsatz von \erfahren mit ausreichender zeitlicher und räumlicher Genauigkeit. P ET und fMRI bieten die Möglichkeit einer sehr hohen räumlichen Auflösung, sind aber aufgrund des schlechteren Zeitverhaltens für eine Quellenlokalisation bei perimetrischen Untersuchungen mit kurzen Stimulusdauern von 10 — 30ms und Anwortzeiten im Bereich von 70 320ms ungeeignet. Im Gegensatz dazu gestatten MEG und EEG in Verbindung mit bildgebenden Verfahren wie Computeroder Magnetresonanz-Tomographie die Möglichkeit einer zeitbezogenen Quellenlokalisation. Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen ist es, über die zeitveränderliche Topographie bzw. interindividuelle Variabilität visuell evozierter Reizantworten neue Erkenntnisse zu gewinnen, um vorhandene Stimulationsund Ableittechniken bei perimetrischen Untersuchungen zu validieren bzw. zu optimieren.

Biosignalverarbeitung in der Perimetrie

Ziel perimetrischer Untersuchungen ist es, die Topographie sowie den Grad von Beeinträchtigungen bei Gesichtsfeldausfällen zu bestimmen. Dazu werden lokale Bereiche der Retina mit kleinflächigen optischen Reizen stimuliert. Bei subjektiven Verfahren der Perimetrie wird anhand von Aussagen des Untersuchten zur Sichtbarkeit einzelner Reize eine Gesichtsfeldkarte erstellt. Da die aktive Mitarbeit des Patienten mitunter nicht oder nur zum Teil vorausgesetzt werden kann, soll versucht werden, Reizantworten des visuellen Systems als objektivem Indikator für dessen Funktion zu verwenden. Grundlage zur Objektivierung bilden die dem spontanen EEG überlagerten visuell evozierten Potentiale (VEP). Das Grundproblem der vorliegenden Aufgabe besteht in der Detektion des durch lokale Blitzreize ausgelösten Signals (VEP) im Rauschen (EEG). Die Signaleigenschaften von VEP und EEG sind im Bezug auf diese Detektionsaufgabe äußerst ungünstig: der Signal-Rausch-Abstand (SNR) beträgt weniger als OdB, die Spektren sind einander vollständig überlagert, das EEG ist instationär und z.T. stark artefaktbehaftet, die Parameter des VEP sind zeitlich nicht konstant.

Integration von adaptiven und nichtadaptiven Methoden zur Vorverarbeitung objektiv-perimetrischer Daten und deren Einfluß auf die VEP-Detektion

EINLEITUNG: Im Unterschied zu konventionellen perimetrischen Verfahren werden bei der objektiven Perimetrie die nach lokaler Netzhautstimulation entstehenden visuell evozierten Potentiale (VEP) als Kriterium für die Wahrnehmung ausgewertet. Zu perimetrischen Zwecken werden nach lokaler Applikation von Xenonblitzund LED-Reizen peristimulierte Datensätze mit einer Länge von 1024 ms am okzipitalen Kortex in drei unipolaren Kanälen (2, 7, 12 cm Ober dem Inion) aufgenommen. Die so abgeleiteten VEP werden vom EEG und eventuell auftretenden Artefakten biologischen und nicht biologischen Ursprungs überlagert, wobei sehr ungünstige Signal-StörAbstände (OdB > SNR >= -20dB) zu beobachten sind. Sowohl die Nutzals auch die Störsignaleigenschaften sind a priori nicht bekannt und können zeitvariant sein. Das VEPPhänomen ist durch hohe interund intraindividuelle Variabilität der Signalform, vor allem bei pathologischen Zuständen, gekennzeichnet. Das VEP weist andererseits bei sukzessiven Stimulationen einer Person und einer Reizlokalisation unter konstanten Bedingungen eine relative Stabilität der Gipfelzeiten auf. Aus diesen Nutz· und Störsignalcharakteristika ergeben sich Forderungen an die Detektionsansätze wie Signalformunabhängigkeit, Robustheit bezüglich der Signalvariabilität, kein Bedarf an a-priori-Information. Um die Patientenbelastung zu minimieren, ist eine Signaldetektion mit variabler Satzanzahl und Abbruch bei positivem bzw. negativem Befund anzustreben. Diese Anforderung setzt eine on-line-Kopplung des Erkennungsalgorithmus mit dem Prozeß voraus, wobei unter on-line die Funktion des Detektors zum Ableitungszeitpunkt zu verstehen ist. Konform zu Signaleigenschaften und Verfahrensanforderungen läßt sich der signaltheoretische Aspekt der objektiven Perimetrie als qualitativer Nachweis eines unbekannten quasi-deterministischen Signals im Rauschen formulieren. Dieses impliziert zwei seriell verbundene Komplexe: -lesitungsfähige Detektion: Sie basiert auf prä· poststimulativen Vergleichen der Varianzen nach A veraging. Werden höher disperse Stichproben nach der Reizapplikation festgestellt, gilt das VEP als delektiert [1], [2]. •dem Signalnachweis vorgelagerte robuste VEP·Schätzung: Infolge dessen, daß eine Vielzahl von Artefakten und Störungen, inibesondere bei Untersuchung pathologischer Fälle, auftreten, könnten sowohl falsch positive als auch falsch negative Fehlentscheidungen der VEP-Detektoren verursacht werden. Die Detektionsqualität kann maßgeblich durch eine effektive Signalvorverarbeitung beeinflußt werden. METHODE: Als Vorstufe der Signalerkennung wurde eine wirkungsvolle Kombination aus artefakterkennenden, -zurückweisenden und -minimierenden Methoden entwickelt. Aus psycho-physiologischer Sicht liegen nur kurzzeitig angenähert konstante Bedingungen für ein Reizprogramm vor. Dementsprechend sind adaptive Vorverarbeitungsstrategien vorzuziehen. Diese Methoden, integriert mit klassischen nicht adaptiven Verfahren, ermöglichen das Erreichen einer deutlichen SNR-Verbesserung. Der Vorverarbeitungskomplex besteht aus: -Schwellwertkriterium zur Erkennung von Oberläufen des eingesetzten AD Wandlers. -Bandpaßfilterung zur Beschränkung des Spektrums auf den für die primäre und mittlere VEP-Antwort relevanten Bereich. Anhand spektralanalytischer und kurzzeitspektraler Untersuchungen wurde festgestellt, daß er zeitvarinat ist und allgemein im Bereich zwischen 3 und 20-25 Hz liegt. Erfolgt nur eine Tiefpaßfilterung, soll zusätzlich eine Approximation und Elimination des Trends erster Ordnung durchgeführt werden. -Erkennung und Ausblenden von mit starker -Aktivität behafteten Ableitungen. Diese Maßnahme ist notwendig, da auf Grund der hohen Amplituden eine eventuelle permanente oder sporadische a-Wellenpräsenz bei kleinerer Datensatzanzahl zu falschen Detektionsergebnissen führen kann. Werden anhand der Autokorrelationsfunktion (AKF) unter Einführung von Signifikanzschwellen für die Extrema der einzelnen AKF-Wellen starke Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 8 und 13 Hz nachgewiesen, gilt die erhöhte Aktivität als identifiziert. Der entsprechende Datensatz wird zurückgewiesen. Die Signifikanzwerte fdr die Korrelationskoeffizienten wurden anhand der t-Verteilung (3] bei einer Irtumswahrscheinlichkeit von 0.05 ermittelt. Sie betragen ±0.174. Mit dem Ziel, die Untersuchungszeiten nicht zu verlängern, werden Schwellen von 0.2-OJ eingesetzt. •Erkennung und Ausblenden von Artefakten wie Stößen, Sprüngen und Strukturbrüchcn unter Benutzung eines Datensatzauswahlverfahrens mit adaptiver Schwelle. Es funktioniert im Sinne einer Zensierung des Typs I mit adaptiv einstellbarem Zensierungspunkt. Grundlage dieser Methode ist die Tatsache, daß artefaktbehaftete Sätze eine viel höhere Varianz als artefaktfreie Sitze tufweisen. Das Prinzip ist wie folgt: die Vtrianz des neu abgeleiteten Satzes wird berechnet und mit dem mit einem Faktor a multiplizierten Mediän aus den Varianzen der während des ganzen Reuprogramms zuletzt abgeleiteten k Datensätze (k-29-59) verglichen. Ist diese größer, wird der Satz verworfen. Die Bestimmung dei Faktors a«) erfolgte empirisch. Es besteht die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Verfahrens zu