Neuere Untersuchungen zur Prädiktion von EEG-Signalen bei Epilepsie

Seit einigen Jahren ist die Analyse von EEG-Signalen bei Epilepsie Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten; Zielvorstellung ist dabei die Entwicklung von Verfahren zur Erkennung eines möglichen Voranfallszustandes. Im Vordergrund steht beispielsweise die Approximation einer so genannten effektiven Korrelationsdimension, die Bestimmung der maximalen Lyapunov-Exponenten, Detektionsverfahren für Muster bei Zellularen Nichtlinearen Netzwerken, die Bestimmung der mittleren Phasenkohärenz und Verfahren zur nichtlinearen Prädiktion von EEG-Signalen. Trotz umfangreicher Bemühungen kann bis heute eine Erkennung von Anfallsvorboten mit einer Sensitivität und Spezifität, die eine automatisierte Anfallsvorhersage ermöglichen würde, noch nicht durchgeführt werden. In diesem Beitrag werden neue Ergebnisse zur Prädiktion von EEG-Signalen bei Epilepsie vorgestellt. Dabei werden Signale, welche mittels intrakranieller electrocorticographischer (ECoG) und stereoelectroencephalographischer (SEEG) Ableitungen registriert wurden, segmentweise analysiert. Unter der Annahme, dass sich Änderungen des Systems ,,Gehirn" als Änderungen im Prädiktor, d.h. in seinen Systemparametern widerspiegeln, könnte eine nähere Betrachtung der Prädiktoreigenschaften zu einer Erkennung von Anfallsvorboten führen

Simultaneous EEG-fMRI at ultra-high field for the study of human brain function

Scalp electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) have highly complementary domains, and their combination has been actively sought within neuroscience research. The important gains in fMRI sensitivity achieved with higher field strengths open exciting perspectives for combined EEG-fMRI; however, simultaneous acquisitions are subject to highly undesirable interactions between the two modalities, which can strongly compromise data quality and subject safety, and most of these interactions are increased at higher fields. The work described in this thesis was centered on the development of simultaneous EEG-fMRI in humans at 7T, covering aspects of subject safety, signal quality assessment, and quality improvement. Additionally, given the potential value of high-field EEG-fMRI to study the neuronal correlates of so-called negative BOLD responses, an initial fMRI study was dedicated to these phenomena. The initial fMRI study aimed to characterize positive (PBR) and negative BOLD responses (NBR) to visual checkerboard stimulation of varying contrast and duration, focusing on NBRs occurring in visual and in auditory cortical regions. Results showed that visual PBRs and both visual and auditory NBRs significantly depend on stimulus contrast and duration, suggesting a dynamic system of visual-auditory interactions, sensitive to stimulus contrast and duration. The neuronal correlates of these interactions could not be addressed in higher detail with fMRI alone, yet could potentially be clarified in future work with combined EEG-fMRI. Moving on to simultaneous EEG-fMRI implementation, the first stage comprised an assessment of potential safety concerns at 7T. The safety tests comprised numerical simulations of RF power distribution and real temperature measurements on a phantom during acquisition. Overall, no significant safety concerns were found for the setup tested. A characterization of artifacts induced on MRI data due to the presence of EEG components was then performed. With the introduction of the EEG system, functional and anatomical images exhibited general losses in spatial SNR, with a smaller loss in temporal SNR in fMRI data. B0 and B1 field mapping pointed towards RF pulse disruption as the major degradation mechanism affecting MRI data. The main part of this work focused on EEG artifacts induced by MRI. The first step focused on optimizing signal transmission between the EEG cap and amplifiers, to minimize artifact contamination at this important stage. Along this line, adequate cable shortening and bundling effectively reduced environment noise in EEG recordings. Simultaneous acquisitions were then performed on humans using the optimized setup. On average, EEG data exhibited clear alpha modulation and average visual evoked potentials (VEP), with concomitant BOLD signal changes. In the second step, a novel approach for head motion artifact detection was developed, based on a simple modification of the EEG cap, and simultaneous acquisitions were performed in volunteers undergoing visual checkerboard stimulation. After gradient artifact correction, EEG signal variance was found to be largely dominated by pulse artifacts, but contributions from spontaneous motion were still comparable to those of neuronal activity. Using a combination of pulse artifact correction, motion artifact correction and ICA denoising, strong improvements in data quality could be obtained, especially at a single-trial level

Untersuchung von EEG-Signalen und Merkmalsextraktion in der Vorhersage von epileptischen Anfällen bei fokaler Epilepsie

Epileptische Anfälle, unabhängig von ihrer Art und Auftrittshäufigkeit, bilden eine Symptomatik, welche bei ca. 1% der Weltbevölkerung auftritt. Hierbei kann es beispielsweise zu unkontrollierten Muskelkrämpfen kommen, ebenso aber zu einer Vielzahl anderer Symptome, die in ihrer Gesamtheit das Krankheitsbild der sogenannten Epileptogenesis bilden. Bei etwa zwei Drittel der an Epilepsie leidenden Patienten kann in vielen Fällen Anfallsfreiheit im Rahmen einer medikamentösen Therapie erreicht werden. Dies umso besser, wenn die Medikation präventiv zum geeigneten Zeitpunkt erfolgen könnte. Demzufolge würden in einer großen Anzahl von Fällen Patienten von einem System profitieren, das eine automatisierte zuverlässige Anfallsvorhersage ermöglicht. Bei nur 20% der anderen Patienten kann eine chirurgische Behandlung erfolgreich sein. In dieser Arbeit soll eine weitergehende Untersuchung des im Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe- Universität entwickelten Prädiktionsverfahrens an verschiedenen EEG-Registrierungen unterschiedlicher Patienten erfolgen. Dabei soll im speziellen untersucht werden, ob basierend auf den Resultaten einer Signalprädiktion eine Unterscheidung zwischen Voranfallszeitraum, Anfall und anfallsfreier Phase getroffen werden kann, und ob basierend auf den Kenngrößen eines Prädiktors und des Prädiktionsfehlers eine Merkmalsdefinition gefunden werden kann, welche in einem späteren, implantierbaren Frühwarnsystem eine automatisierte Anfallsvorhersage ermöglicht. Als Datenbasis sollen vier Langzeit-EEG-Registrierungen mit einer Länge von jeweils 5 – 10 Tagen zugrunde gelegt werden. Zur Prädiktion sollen zeitdiskrete, gedächtnisbehaftete, mehrschichtige Zellulare Nichtlineare Netzwerke herangezogen werden. Dabei soll insbesondere anhand von unterschiedlichen Netzwerken festgestellt werden, inwieweit mittels einer Signalprädiktion Synchronisationseffekte zwischen EEG-Signalen verschiedener Hirnareale festgestellt werden können

Convergence of Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems

This book is a collection of published articles from the Sensors Special Issue on "Convergence of Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems". It includes extended versions of the conference contributions from the 10th IEEE International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS’2019), Metz, France, as well as external contributions

MS FT-2-2 7 Orthogonal polynomials and quadrature: Theory, computation, and applications

Quadrature rules find many applications in science and engineering. Their analysis is a classical area of applied mathematics and continues to attract considerable attention. This seminar brings together speakers with expertise in a large variety of quadrature rules. It is the aim of the seminar to provide an overview of recent developments in the analysis of quadrature rules. The computation of error estimates and novel applications also are described

Generalized averaged Gaussian quadrature and applications

A simple numerical method for constructing the optimal generalized averaged Gaussian quadrature formulas will be presented. These formulas exist in many cases in which real positive GaussKronrod formulas do not exist, and can be used as an adequate alternative in order to estimate the error of a Gaussian rule. We also investigate the conditions under which the optimal averaged Gaussian quadrature formulas and their truncated variants are internal