Detschew, Vesselin

Funkat, Gert

Heyn, A.

Kaeding, Anne-Kathrin

Specht, Martin

Digitale Bibliothek Thüringen

TU Ilmenau | Universitätsbibliothek | ilmedia, 2019 http://www.tu-ilmenau.de/ilmedia Kaeding, Anne-Kathrin; Heyn, A.; Detschew, Vesselin; Funkat, Gert; Specht, Martin: Objektorientierte Modellierung für mehrkanalige EEG-Signale Zuerst erschienen in: Biomedizinische Technik = Biomedical Engineering. - Berlin [u.a.] : de Gruyter. - 43 (1998), s3, S. 57-59. Erstveröffentlichung: 1998 Datum Digitalisierung: 17.07.2009 ISSN (online): 1862-278X ISSN (print): 0013-5585 DOI: 10.1515/bmte.1998.43.s3.57 [Zuletzt gesehen: 31.07.2019] „Im Rahmen der hochschulweiten Open-Access-Strategie für die Zweitveröffentlichung identifiziert durch die Universitätsbibliothek Ilmenau.“ “Within the academic Open Access Strategy identified for deposition by Ilmenau University Library.” „Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.“ „This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.” Moderne Informationstechnologien und Konzepte II A.-K. Kaeding et al.Objektorientierte Modellierung für mehrkanalige EEG-SignaleKaeding A.-K.1, Heyn A.1, Detschew V.1, Funkat G.1 und Specht M.21 Institut für Biomedizinische Technik und Informatik, Technische Universität IlmenauPF 10 05 65, 98684 Ilmenau2 Klinik für Anästhesiologie und Intensivtherapie, Friedrich-Schiller-Universität JenaBachstraße 18, 07740 JenaABSTRAKTDer Erfolg moderner Softwareentwicklung ist maßgeb-lich abhängig von einer sorgfältigen Analyse und deranschließenden Modellierung der betrachteten Problem-domäne. Der Beitrag stellt die formale Beschreibung vonEEG-Signalen mit Hilfe der Unified Modelling Languagevor und berichtet über die Implementierung des resultie-renden Datenmodells.EINLEITUNGIm klinischen Bereich und in der Forschung wird für dieAnalyse von mehrkanaligen bioelektrischen Signalen eineVielzahl unterschiedlichster Dateiformate verwendet. Siesind häufig hardware-spezifisch oder für ganz spezielleAnwendungen entwickelt. Die Aufzeichnung bio-elektrischer Signale gestaltet sich durch eine Reihe vonZusatzinformationen u.U. sehr komplex. Dadurch bedingtist immer wieder ein großer Zeitaufwand für dieprogrammtechnische Umsetzung simpler Aufgaben (z.B.Lese- und Schreibroutinen). Ebenso inakzeptabel ist es,daß uneinheitliche Datenformate wieder und wiederNeuimplementierungen von Standardroutinen derSignalverarbeitung erzwingen.Durch die Entwicklung eines einheitlichen Datenmodellszur Kapselung und Verwaltung von mehrkanaligen bio-elektrischen Signale kann ein gemeinsamer Ausgangs-punkt für weitere Applikationen geschaffen werden.Folgende Anforderungen werden als wichtig für ein sol-ches Modell erachtet:• Stabilität gegenüber Änderungen und Erweiterungen.Neue Dateiformate und Ergebnisse von Standardisie-rungsbemühungen sollen ohne großen Aufwand ein-geführt werden können. Gleiches gilt für die Integra-tion von neuen oder verfeinerten Signalverarbei-tungsroutinen.• Wahrung eines hohen Grades an Flexibilität undTransparenz der zugrundeliegenden Klassenhierar-chie. Dadurch ist eine effektive Wartung des Modellsmöglich.• Kapselung der Datenstrukturen und Bereitstellungeiner Schnittstelle nach außen. Daten in unterschied-lichen Dateiformaten werden über diese Schnittstellein einem einheitlichen Format verfügbar gemacht.• Einsatz von objektorientierten formalen Beschrei-bungsmitteln für das Modell. Dadurch wird gleich-zeitig eine sehr gute Dokumentation der entwickeltenKlassen erreicht und die Wiederverwendbarkeit un-terstützt.• Realisierung des Modells mit Hilfe einer objektori-entierten Programmiersprache.• Wiederverwendbarkeit in Applikationen.Für ein Forschungsprojekt gemeinsam mit der KlinikAnästhesiologie und Intensivtherapie der FSU Jena zumEntwurf von Mustererkennungsobjekten und gekapseltenMethoden zu deren Verarbeitung war es erforderlich, fürverschiedene EEG-Formate ein einheitliches Datenmo-dell zu entwickeln. Die dazu erforderlichen Schritte wer-den im Artikel beschrieben.VERWENDETE TECHNOLOGIEN: OBJEKT-ORIENTIERUNG UND UNIFIED MODELINGLANGUAGEFür die Entwicklung des Datenmodells ist eine methodi-sche Vorgehensweise und ein formales Beschreibungs-mittel notwendig. Beides kann das objektorientierte Para-digma leisten. Dieses in seinen Grundlagen einfacheParadigma verwendet Konzepte, die von Nutzern, Analy-sten, Designern und Programmierern gleichermaßenverstanden werden. Objektorientierte Modelle sind in derLage, die Realität in hohem Maße zu reflektieren undkönnen eine für den Anwendungsbereich hinreichendgenaue Beschreibung der zusammenhängenden Datenund Prozesse geben. Die objektorientierte Analyse basiertauf der Zerlegung natürlicher Komponenten. Die Ver-wendung von objektorientierten Prinzipien bei der Soft-ware-Entwicklung ermöglicht die Wiederverwendungvon Architektur und Programm-Code. Weiterhin nehmenobjektorientierte Systeme für sich in Anspruch, daß sieeinfach zu verstehen und zu warten sind.Die genannten Vorteile des objektorientierten Paradigmastreten nur in Erscheinung, wenn es in allen Phasen derSoftwareentwicklung konsequent angewendet wird. Dasbetrifft vor allen Dingen die Eigenschaft der Stabilitätgegenüber Änderungen und die Wiederverwendbarkeit.Die Durchsetzung der Objekttechnologie wird durch dieVerwendung eines formalen Beschreibungsmittels unter-stützt, das in allen Phasen der Softwareentwicklung ver-wendet wird. Ein solches Beschreibungsmittel ist dieBiomedizinische Technik · Band 43 · Ergänzungsband 3 · 1998 57Bereitgestellt von | Technische Universität IlmenauAngemeldetHeruntergeladen am | 31.07.19 07:29A.-K. Kaeding et al. Moderne Informationstechnologien und Konzepte IIUnified Modeling Language (UML) [2]. Die UML ist dasErgebnis eines Standardisierungsprozesse zur Beschrei-bung von objektorientierten Modellen in der Analyse-/Designphase des Software-Engineerings. Sie ist von derObject Management Group (OMG) als Standard für dieBeschreibung von Objektmodellen akzeptiert. Durch denEinsatz der UML können Ausschnitte einer Problemdo-mäne mit Hilfe verschiedener Modellsichten repräsentiertwerden. Dazu wurde eine ausdrucksstarke und konsi-stente Notation definiert. Die UML ermöglicht dadurcheinen einfachen Übergang von der Analyse über dasDesign zur Implementierung. Damit wird die Kommuni-kation zwischen Entwicklern und Nutzern erleichtert.Mißverständnisse und Inkonsistenzen sind bereits imModell auffindbar und eventuell fehlerhafte Implementie-rungen können vermieden werden. Die UML unterstütztdie Analyse und das Design sowohl von kleinen als auchvon großen Systemen. Eine Auswahl der am häufigstenbenötigten UML-Elemente ist in den Abbildungen l, 2und 3 zu sehen.Abb. 1: UML-Notationfürdie Vererbung [2]v-Multip lizitäK• M beziehungsname * ,Masse MasseAbb. 2: UML-Notation ßr AssoziationenAbb. 3: UML-Notation für AggregationsbeziehungenVORGEHENSWEISE BEI DER MODELLIERUNGDie in der Klinik für Anästhesiologie und Intensivthera-pie der FSU Jena verwendeten EEG-Dateiformate Wal-ter-Graphtek, verschiedene Dateiformate der Analyse-Software ATISA für Windows, EBS [1], [3], sowie einASCII-Format sind in ihrer Struktur analysiert und ver-glichen worden. Die Ergebnisse der Analyse führten zurEntwicklung einer Klassenstruktur zur Kapselung mehr-kanaliger bioelektrischer Signale.Der Anspruch eines stabilen und vor allem problemlosander- und erweiterbaren Datenmodelles ist an Hand deskonkreten Problemfeldes geprüft worden. Bedingt durchdie Projektaufgabe ist diese Klassenstruktur um spezielleKlassen und Methoden zur Repräsentation von EEG-Daten erweitert worden. Trotz der hohen Komplexitätund der Vielzahl der notwendigen Attribute ist die Er-weiterung des Datenmodells für mehrkanalige Biosignaleweitgehend problemlos möglich gewesen.Das entstandene Datenmodell wurde formal mit der UMLbeschrieben. Die entstandene Klassenstruktur ermöglichtdie Repräsentation der EEG-Daten aus unterschiedlichenDateiformaten in einem einheitlichen Datenmodell.Die Implementierung des Datenmodells ist in Java er-folgt. Da sowohl UML als auch Java dem puren objekt-orientierten Paradigma entsprechen, birgt der Schritt derImplementierung auch nicht das Risiko von Informa-tionsverlusten oder -Verfälschungen. Wird für die Spei-cherung der Datenobjekte eine objektorientierte Daten-bank eingesetzt, so wird auch dort ein Paradigmenbruchvermieden.BESCHREIBUNG DER KLASSENHIERARCHIEFür die Realisierung der Klassenhierarchie standen meh-rere Möglichkeiten der Implementierung zur Auswahl.Komplexität und Anzahl der benötigten Attribute erfor-derte eine Aufteilung der benötigten Funktionalität aufmehrere Klassen. Im Modell ist die Abbildung der beibioelektrischen Signalen üblichen Strukturierung in ein-zelne Kanäle auf die Datenstruktur erhalten geblieben. ImFolgenden werden kurz Aufbau und Zusammenspiel dereinzelnen Datenstrukturen anhand ihrer Schnittstellenerläutert.Die Interface-Klasse DataSource steht an der Wurzelder Hierarchie. Sie stellt verschiedene Lesemethodenbereit. Ein beliebiges Objekt, das dieses Interface imple-mentiert, kann als Datenquelle für entsprechende Viewsund Datejiverarbeitungsklassen dienen. Die Daten sind inZeilen und Spalten (bzw. indizierten Kanälen) angeord-net. DataSource unterstützt Kanäle mit unterschiedli-cher Länge und Abtastrate. Es werden keine Datenmani-pulationen unterstützt.Die Interface-Klasse EditableDataSource reprä-sentiert eine editierbare Datenquelle und implementiertzusätzliche Schreibmethoden.Die Interface-Klasse Mär kable definiert alle Metho-den, die zur Verwaltung eines Sets von Markern benötigtwerden (kopieren, löschen, hinzufügen, sortieren...).Die Interface-Klasse Obs erver. Eine Klasse (View,Verarbeitungsobjekt) kann dieses Interface implementie-ren, wenn es über Änderungen von "Observable"-Ob-jekten (Model) informiert werden will. Dazu muß eineInstanz sich selbst bei einem "Observable"-Objekt regi-strieren.Die Interface-Klasse Observable. Dieses Interfacedefiniert diejenigen Methoden, die ein "Observable"-Objekt implementieren muß. Eine Klasse sollte diesesInterface implementieren, wenn sie nicht direkt von derKlasse Model abgeleitet werden kann. Ein "Obser-vable"-Objekt kann eine beliebige Anzahl von"Observern" verwalten.Die Klasse Model repräsentiert ein "Observable"-Ob-jekt. Sie implementiert das "Observable" Interface und58 Biomedizinische Technik · Band 43 · Ergänzungsband 3 · 1998Bereitgestellt von | Technische Universität IlmenauAngemeldetHeruntergeladen am | 31.07.19 07:29Moderne Informationstechnologien und Konzepte II A.-K. Kaeding et al.stellt eine Minimai-Implementierung von diesem Inter-face zur Verfügung.Die Klasse Global Info sammelt und verwaltet einigeglobale Eigenschaften zur Beschreibung von bioelektri-schen Signalen.Die Klasse Channel bildet die Superklasse für allespezialisierten Kanalklassen und repräsentierte einenKanal eines mehrkanaligen Signals. Sie implementiertverschiedene Eigenschaften zur Beschreibung eines Da-.tenkanals, es werden jedoch keine wirklichen Daten indieser Klasse gespeichert. Die Klasse DataFile nutztdiese Klasse zur Beschreibung der in einer Datei gespei-cherten Daten.Die Klasse DataObject stellt das eigentliche ge-wünschte Datenobjekt dar. Hier wird die Speicherungvon Gleitkomma-Werten im Speicher ermöglicht.«Interface»Observer«Interface»ObservaUe«Interface»DataSourceAbb. 4: EEG-unspezifische Klassen des DatenmodellsDie Klasse DataChannel ist direkt von der KlasseChannel abgeleitet und ermöglicht die Speicherung vonGleitkomma-Werten im Speicher. Sie dient der KlasseDataOb j ect zur Verwaltung der einzelnen Kanäle.Die abstrakte Klasse DataModel stellt die abstrakteBasisklasse für alle weiteren Datenklassen dar. Sie istdirekt von der Klasse Model abgeleitet. RegistrierteBeobachter werden durch geeignete Ereignisobjekte überÄnderungen des Zustandes des Datenobjekts informiert.DataModel implementiert das Interface Editable-DataSource und ermöglicht so das definierte Lesenund Schreiben der verwalteten Daten. Über einebool'sche Eigenschaft läßt sich der Schreibzugriff steu-ern. Sie implementiert das Interface Mär kable undkann so eine beliebige Anzahl von Markern verwalten.Die gespeicherten Marker werden automatisch nach ih-rem Start-Sample sortiert. Außerdem verwaltet sie eineInstanz der Klasse Global Info zur Speicherung derallgemeinen Daten-Eigenschaften. Die eigentlichen Datenwerden in einer Liste von Instanzen der Klasse Channelgespeichert. Unterklassen von DataModel arbeitenteilweise mit speziellen Unterklassen der KlasseChannel.Die Klasse DataFile bildet die Basisklasse für allespeziellen Daten-Dateiklassen und implementiert zusätz-liche Routinen zum gepufferten Lesen und Schreiben.ChannelJataChannei ^00..*o DataObjert«abstract»DataFiktl l lWarterfile EBSFile A730Fifo AsciiFile1 1 1 1ATSOLongFile AT30\ferLongFile AT30SngleFile AT30AnäyseFileAbb. 5: EEG-spezifisches Klassen des DatenmodellsERGEBNISSEDie beschriebene Klassenhierarchie ermöglicht die Dar-stellung und die Manipulation von ein- und mehrkanali-gen EEG-Daten aus dem Speicher und aus unterschiedli-chen Dateiformaten in einem einheitlichem Datenmodell.Es unterstützt unterschiedliche Kanallänge und variableFrequenzen Das beschriebene Datenmodell ist dieGrundlage für die Implementierung in einer prototypi-schen Stationssoftware für die Intensivstation.Der entscheidende Vorteil der vorgestellten Lösung be-steht in der sicheren und weitgehend problemlosen An-der- und Erweiterbarkeit des Datenmodells sowie deranschließenden Überführung in die Implementation.Weitere Datenformate können hinzugefügt werden, ohnedaß im Modell grundsätzliche Änderungen vorgenommenwerden müssen. Denkbar ist z.B. eine Erweiterung fürdes Feld der Polygraphie. Damit ist zu jedem Zeitpunktder Entwicklung die Kontrolle über das System möglich.Es werden Inkonsistenzen, Redundanzen und Unvoll-ständigkeiten weitgehend vermieden.Darüber hinaus ist ein nicht zu unterschätzende Nebenef-fekt die entstandene Dokumentation der Entwicklung, diez.B. einen Vergleich mit dem Pflichtenheft des Anwen-ders ebenso wie eine effektive Einarbeitung weitererEntwickler ermöglicht.LITERATUR[1] "Specification of the EBS File Format for Biosignals"http://www.ipb.uni-erlangen.de/biokybernetik/ebsspec.html[2] Oestereich, B.: 'Objektorientierte Softwareentwick-lung mit der Unified Modeling Language" 3. Aufl.,München : Oldenburg, 1997[3] Hellmann, G. ; Kühn, M. ; Frosch, M. ; Spreng, M.:Extensible biosignal (EBS) file formal simple methodfor EEG data exchange. EEG Clin. Neurophysiol. 99(1996)426-431Biomedizinische Technik · Band 43 · Ergänzungsband 3 · 1998 59Bereitgestellt von | Technische Universität IlmenauAngemeldetHeruntergeladen am | 31.07.19 07:29

Objektorientierte Modellierung für mehrkanalige EEG-Signale

https://www.db-thueringen.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbt_derivate_00045093/1862-278X_43_1998_s3_57-59.pdf

Objektorientierte Modellierung für mehrkanalige EEG-Signale

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