WO2005022398A1 - Method for selecting parameters from an eeg signal for monitoring narcosis - Google Patents

Method for selecting parameters from an eeg signal for monitoring narcosis Download PDF

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WO2005022398A1
WO2005022398A1 PCT/EP2004/009593 EP2004009593W WO2005022398A1 WO 2005022398 A1 WO2005022398 A1 WO 2005022398A1 EP 2004009593 W EP2004009593 W EP 2004009593W WO 2005022398 A1 WO2005022398 A1 WO 2005022398A1
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parameters
time periods
objects
assigned
parameter values
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/009593
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German (de)
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Inventor
Gudrun Stockmanns
Michael Ningler
Eberhard Kochs
Gerhard Schneider
Hans-Dieter Kochs
Original Assignee
B. Braun Melsungen Ag
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Publication date
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369Electroencephalography [EEG]
    • A61B5/372Analysis of electroencephalograms
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48Other medical applications
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    • A61B5/369Electroencephalography [EEG]

Definitions

  • the present invention relates to a method for selecting parameters for anesthetic monitoring from a biosignal, in particular from EEG signals and evoked signals for anesthetic monitoring.
  • EEG and evoked potentials are increasingly being used as a biosignal to detect intraoperative alertness during general anesthesia.
  • EEG EEG and evoked potentials
  • EP evoked potentials
  • the object of the present invention is to enable an improved method for anesthetic monitoring.
  • preselected individual parameters which can be relevant in a biosignal, in particular EEG and EP signals (signals from evoked potentials), generally for a distinction between different anesthetic states, for example "awake” and "unconscious” reduced a smaller number of individual parameters.
  • periods of time in which the one anesthesia state (for example “awake”) is present and those in which another anesthesia state (for example “unconscious”) is present are extracted from the recorded biosignal.
  • the individual parameter values of the time segments are determined for the preselected individual parameters and categorized into predetermined categories (eg low / medium / high).
  • the categorized individual parameter values of the time segments determine whether there are dependencies between combinations of the total of the categorized individual parameter values, ie whether there are any Parameters for differentiating the time periods are unnecessary. In order to reduce the number of individual parameters, the unnecessary individual parameters are eliminated.
  • this method can also be used to use parameters that would be classified as unusable parameters in the isolated evaluation of individual parameters.
  • the method is a transparent method in which, for example, a treating doctor is able to understand on the basis of which individual parameters a distinction, such as "awake” or "unconscious", was determined. This also increases the safety of anesthesia monitoring, since the automatically determined distinction can also be verified if necessary.
  • the above-mentioned object is achieved by a method with the features mentioned in claim 2.
  • the parameter values of the time segments are determined for the selected parameters and categorized into predetermined categories (e.g. low / medium / high).
  • the categorized parameter values of the time segments are used to determine whether there are dependencies between the parameters, i.e. whether individual parameters are unnecessary for differentiating the time periods. In order to reduce the number of parameters, the unnecessary parameters are eliminated.
  • FIG. 1 shows an exemplary decision table in which calculated and categorized parameters and the associated patient status for eight EEG time segments are shown
  • FIG. 2 shows the example table of FIG. 1 in reduced form
  • FIG. 5 shows a diagram for the assignment of the values of the condition attributes from FIG. 4
  • 6 shows a table in which the assignment of the numerical values of the condition attributes of the scheme from FIG. 5 is shown
  • FIG. 7 shows a table in which several objects are generated from an object from FIG. 4 and which are shown in the table from FIG. 6 contains combinations of this object
  • FIG. 8 a table in which a weighting is given for the object from FIGS. 4 and 7,
  • FIG. 9 a correspondingly derived table for another object from FIG. 4,
  • FIG. 10 also Correspondingly derived table for a further object from FIGS. 4 and 11 is a table in which objects of the objects shown in FIGS. 8 to 10 are summarized.
  • EEG signals or signals from evoked potentials are recorded before and during a general anesthesia, from which temporal EEG sections are extracted.
  • Parameters for assessing the state of anesthesia are determined, which are selected so that they generally have characteristics relevant to the assessment.
  • These parameters which represent complex signal contents, are converted into numerical values by calculation, which reflect the special properties of the signal. In order to reduce the number of parameters to be considered, those parameters are eliminated which are not necessary or cannot be used to distinguish between the "awake” and "unconscious” anesthetic states.
  • a method is described below with which parameters can be combined, superfluous parameters can be eliminated and rules for classification can be derived.
  • This method examines the extent to which objects (here different EEG sections) can be assigned to a class (here a decision between the states "awake” and "unconscious") using their known properties. For objects with the same properties but different decisions, the decision cannot be clearly derived from the properties. The decisions can therefore only be roughly described by the known properties.
  • the properties are represented by condition attributes, the decisions by (at least) one decision attribute, which is given here by the states "awake” and "unconscious".
  • condition attributes can be reduced in two reduction steps to the condition attributes that are necessary for the differentiation of the objects without Consideration of the decision (first reduction step) and the assignment of objects to decisions (second reduction step).
  • Classification rules for the assignment of the objects are formed with the remaining condition attributes.
  • FIG. 1 shows an exemplary decision table that calculates and subsequently categorizes parameters from an EEG signal and the empirically determined associated patient status for, for example, eight EEG signal sections, which form objects Nos. 1 to 8 in FIG. 1. For example, selected as parameters
  • SEF95 i.e. the frequency value that divides the power spectrum so that the sum of the band powers over all frequencies f ⁇ SEF95 is 95% of the total power
  • -Crestf. Crest factor, i.e. the maximum amplitude / rms value
  • -RMS rms value, i.e. the root mean square over all amplitudes of the EEG section
  • condition attributes which are categorized into the values “low”, “high” and “middle”.
  • the states “awake” and “unconscious” (“conscious” in FIG. 1) represent the decision attribute ,
  • condition attribute divides the set of objects Nos. 1 to 8, ie the eight EEG sections, into groups, so-called equivalence classes, which cannot be distinguished by considering this condition attribute alone.
  • the condition attribute median divides the objects into three equivalence classes ⁇ 1, 5, 6 ⁇ , ⁇ 2, 3, 4, 7 ⁇ , ⁇ 8 ⁇ corresponding to the three median values "low”, "high” and “medium”, the equivalence class ⁇ 1, 5, 6 ⁇ being assigned the median "low”, the equivalence class ⁇ 2, 3, 4, 7 ⁇ being the median "high”, and the equivalence class ⁇ 8 ⁇ being the median "medium” is.
  • Equivalence classes can be determined in the same way for the other condition attributes, for the entire set of condition attributes and for subsets of the condition attributes. If all condition attributes median, SEF95, crest factor and RMS in the table of FIG. 1 are viewed simultaneously, which can all assume the values “low”, “high” and “medium”, one finds the equivalence classes ⁇ 1, 6 ⁇ , ⁇ 2 , 4 ⁇ , ⁇ 3 ⁇ , ⁇ 5 ⁇ , ⁇ 7 ⁇ and ⁇ 8 ⁇ for the total set of condition attributes. In general, an equivalence class is thus formed by the set of objects or EEG sections, which cannot be distinguished with regard to the set of condition attributes considered in each case.
  • the number of condition attributes is reduced in the exemplary embodiment in preferably two reduction steps.
  • condition attributes are not necessary for the differentiation of the objects. For example, it would not be necessary a condition attribute that takes on the same values for all objects, or a condition attribute that distinguishes individual objects, but this distinction is already clearly given by other condition attributes.
  • the first reduction step can be carried out, for example, by forming the equivalence classes from each subset of the condition attributes and comparing them with the equivalence classes that are found while considering all condition attributes at the same time.
  • a subset of the condition attributes, which forms the same equivalence classes as the entire set of condition attributes, is then a subset (hereinafter also reduced) to which the set of confirmation attributes is reduced in the first reduction step.
  • reductions are the subsets of the condition attributes that divide the objects into the same equivalence classes as the set of all condition attributes.
  • the condition attributes Mediän, SEF95 and RMS form a reduct and divide the objects into the equivalence classes ⁇ 1, 6 ⁇ , ⁇ 2, 4 ⁇ , ⁇ 3 ⁇ , ⁇ 5 ⁇ , ⁇ 7 ⁇ and ⁇ 8 ⁇ , which are also found when considering all condition attributes median, SEF95, crest factor and RMS.
  • condition attribute crest factor can be omitted because the Condition attribute Crest factor distinguishes object No. 5 from all other objects, but this object is already clearly identified by Mediän and SEF95.
  • the condition attribute crest factor is therefore not necessary to differentiate the objects and can therefore be omitted.
  • Algorithms can be used for the first step, by means of which subsets of the condition attributes are formed and by which it is checked whether the same equivalence classes are formed.
  • the second reduction step taking into account the decision, i.e. Whether the condition is classified as "awake” or "unconscious” determines which condition attributes of the reduct (or all condition attributes ⁇ are not required for an assignment of the objects to a decision attribute. For example, if a condition attribute only distinguishes those objects from each other that have the same value for the decision attribute, this condition attribute is not required for the assignment to a decision attribute.
  • the second reduction step is preferably carried out by counting the objects to all subsets of the condition attributes that cannot be clearly assigned to a value of the decision attribute (i.e. a decision) with the aid of the condition attributes. This assignment is not possible if objects of an equivalence class are assigned to different decisions and thus contradict each other.
  • a subset of the condition attributes in which the number of objects that cannot be assigned to a decision does not increase (hereinafter referred to as a relative reduction) is sufficient to assign the objects to a decision.
  • the second reduction step shows that the condition attribute RMS can be omitted.
  • the reduced median, SEF95, and RMS (and also the set of all condition attributes median, SEF95, crest factor and RMS) thus means that two objects are not clearly assigned to a decision awake / unconscious can be.
  • the subset Mediän and SEF95 does not mean that other objects cannot be clearly assigned to a decision. Leaving out the condition attribute RMS therefore does not result in a higher number of objects that cannot be assigned to a decision than the reduct.
  • RMS is necessary to distinguish object no. 3 from object no. 2 and 4.
  • the set of condition attributes remaining after the second reduction step is thus median and in the example from FIG. 1 SEF95 (see also Fig. 2).
  • FIG. 2 shows the decision table from FIG. 1 in reduced form, which is reduced to the relative reduced, namely the condition attributes Mediän and SEF95, and in which objects Nos. 2, 3 and 4, and thus the associated EEG sections, are summarized are.
  • Rules for assigning the objects to an anesthetic state and a decision system can be derived directly from a decision table reduced to the reduced or to the relative reduced.
  • the rules are derived according to the general scheme
  • parameter 1 median and parameter 2: SEF95
  • SEF95 the parameters used
  • rules can be derived for objects no. 2 to 5 and 7.
  • No valid rules can be derived from objects no. 1 and 6, since these cannot be distinguished in terms of their condition attributes, but are assigned to different decisions.
  • several valid rules can be derived from an object.
  • the method described above for selecting parameters for anesthesia monitoring from a biosignal is thus based on the principle of first extracting time segments nos. 1 to 8 from the biosignal recorded, in order to then determine numerical values, the predetermined individual parameters such as median, SEF95, crest factor , RMS, in each of these periods and assign categories (low / medium / high) to these individual parameter values.
  • the predetermined individual parameters such as median, SEF95, crest factor , RMS, in each of these periods and assign categories (low / medium / high) to these individual parameter values.
  • a comparison of combinations of the total of the categorized individual parameter values of the time segments No. 1 to 8 is carried out. Individual parameters which are determined to be indispensable for differentiating the time periods are combined.
  • Figure 3 shows in a table results of an investigation in which the method described above was applied to data from a study of 40 patients who underwent surgery under general anesthesia.
  • EEG signals are continuously derived both when awake and under anesthesia.
  • segments of 8 s length are selected in equal parts from the states "awake” and "unconscious” and 52 parameters are calculated for each segment.
  • the parameters are divided into four groups: 24 basic parameters (eg RMS RMS value), 20 spectral parameters (eg power in frequency bands), 4 statistical parameters ("Statistics"("Stat.” In Fig. 3) eg skewness, excess ), 5 complexity measures ("complexity"("compl.” In Fig. 3) e.g. Shannon entropy).
  • the value range of each parameter is divided into intervals and each parameter value is assigned to an interval.
  • Three different categorizations (4, 6, and 8 intervals) are examined.
  • the distribution of the parameter values among the states is taken into account when determining the interval limits.
  • the available objects i.e. 2/3 of the segments divided into a training set and 1/3 into a test set.
  • a state is determined for the objects in the test set and the classification rate is calculated. Three calculations are carried out with different training and test quantities.
  • the table in Fig. 3 shows i.a. the number of condition attributes in the relative reducts, the total number of rules generated in the practical embodiment and the classification rates achieved for the test quantities, which are each averaged over the three calculations.
  • the number of incoming condition attributes is given in brackets for the "Combination" parameter group.
  • the number of rules calculated is relatively large in all cases.
  • the last two columns of the table in FIG. 3 show the number of rules and the classification rate after the rules have been omitted with support 1.
  • Categorical condition attributes are required for the application of the method, i.e. those that can only take a small number of different attribute values.
  • Real-value condition attributes such as voltage values, must be appropriately categorized.
  • a variant of the categorization is explained below using an example with reference to FIGS. 4 to 9, in which a deliberately fuzzy categorization of the condition attributes is carried out before the first reduction step.
  • a decision attribute D which here takes on the values 0 and 1, is set to 1 for objects No.1 and No.2 and to 0 for object No.3.
  • FIG. 5 shows, for example on the basis of object 1, a scheme for assigning the values of the condition attributes B1, B2 and B3 to the elements of the basic sets 1 to 6, which are determined, for example, by a customary, sharp categorization (as described above), and Membership functions ⁇ for the elements of the basic set.
  • Each real-valued parameter value is assigned to two elements of the basic set (two categories) using the membership functions ⁇ .
  • These elements are determined as follows: A membership function is determined for each element of the basic set (category) of each parameter. This assigns a numerical value between 0 and 1 to the real parameter value, which represents a measure of how much (or to what extent) a (real) parameter value is to be assigned to the element of the basic set under consideration.
  • condition attributes B1, B2 and B3 represented by number lines in FIG. 5, takes place via the membership functions. As shown in Fig. 5, each condition attribute value (at most) can be assigned to two elements of the basic set, i.e. ⁇ ⁇ 0 is only for two elements of the basic set.
  • the smaller element from basic set 1 to 6 is called element x, the larger element from basic set 1 to 6 with element y.
  • Tables can be created for the other objects no. 2 and 3 in the same way, in which each condition attribute value (one or) is assigned two elements of the basic sets.
  • FIG. 7 shows a table in which an object, here, for example, No. 1; several objects, here, for example, Nos. 1.1 to 1.8, are generated, which contain each of the combinations of the categories (elements of the basic set) of the object No. 1 contained in the table from FIG. 6.
  • the table in FIG. 7 has columns for the assignment of the elements of the basic sets to the condition attributes Bl, B2 and B3 and columns ⁇ su ⁇ m and ⁇ ß 3 for values of ⁇ , which are respectively assigned to the condition attributes Bl, B2 and B3 in the basic sets ,
  • a categorization is thereby obtained, which delivers eight objects Nos. 1.1 to 1.8 from the object No. 1 of FIG.
  • Corresponding tables can be created in the same way for objects No. 2 and 3 from FIG. 4, whereby a categorization is obtained in each case, which generates eight objects 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.8 from objects 2 and 3, respectively.
  • FIGS. 8 to 10 each show tables in which the objects obtained in this way are shown with their parameter values categorized via the respective assignment to elements of the basic set, and a weighting of the objects is indicated.
  • 8 shows the table for object no. 1, or the objects no. 1.1 to 1.8 generated therefrom.
  • the sum values Sum ⁇ from FIG. 7 are divided by the total sum of the sum values for all objects (here, for example, 12, see last row of the table in FIG. 7).
  • the assignment to elements of the basic set of parameter values for the parameters B1, B2 and B3, as well as that assigned to object No. 1 in FIG. 4 is entered in the table of FIG. 7 Value of decision attribute D specified.
  • FIG. 9 shows a correspondingly derived table for object no. 2 from FIG. 4, the objects derived from object no. 2 being designated 2.1 to 2.8 in FIG. 9.
  • FIG. 10 A corresponding table for object no. 3 from FIG. 4 is created in FIG. 10.
  • Fig. 11 shows a table in which the newly created tables for objects Nos. 1 to 3 (Fig. 8 to 10) are combined.
  • objects 1.5 and 2.4 in FIGS. 8 and 9 cannot be distinguished because they both have the values 2, 2, 3, 1. Therefore object 2.4 is not newly inserted into the table of FIG. 11, but the weight of 5 '(originally 1.5) is increased by the weight of 2.4. All other objects in the table of FIG. 9 are added to the table of FIG. 8.
  • the table obtained in this way can be processed further with a program which processes an input table which contains an attribute with the number of objects described by a line and takes this number into account in the calculation.
  • the weight also describes the number of objects, but in the form of a non-integer value).
  • membership functions ⁇ can be used.
  • a non-equidistant division into elements of the basic set can take place.
  • asymmetrical membership functions can also be used. Such variants can be used to adapt the categorization to the parameters or parameter values to be categorized in each case.
  • the basic set and the membership functions are generally defined for each parameter. Therefore, unlike the example described above, the number of elements contained in the basic set can be different for different parameters. For example, the basic set can only contain four elements for B1 and eight elements for B3.
  • This weighting factor can then be taken into account when applying rules that have been derived from the respective object (or, in the exemplary embodiment, time period). modifications
  • the second reduction step is used, in which condition attributes are determined which cannot be used to distinguish between the states "awake” and “unconscious” in order to remove these condition attributes from the decision table.
  • This second reduction step can also be omitted, with the result that u. U. redundant rules can be derived.
  • rule-based classification used in the above-described embodiments may be omitted and another type of classification may be used instead.
  • the first reduction step can also be omitted.
  • the method described is also suitable for treating more than two states.
  • the method can therefore also be used to distinguish between several stages of anesthesia and is not limited to the distinction between the states “awake” and “unconscious”.
  • no valid rules can be generated from objects 1 and 6, since these cannot be distinguished with regard to their condition attributes, but are assigned to different decisions. No rules are generated for these.
  • EEG signals are used for anesthetic monitoring.
  • the method is not limited to this, but can also be carried out accordingly with other biosignals, such as blood pressure values.

Abstract

The invention relates to a method for selecting parameters from a biosignal, especially EEG and EP signals, for monitoring narcosis, said method comprising the following steps: time segments (nos. 1 to 8) are extracted from the detected biosignal; numerical values respectively representing pre-determined parameters (Median, SEF95, ..) in the time segments (nos. 1 to 8) are determined; said parameter values are classified into pre-determined categories (low /middle/high); the categorised parameter values of the time segments (nos. 1 to 8) are compared in order to establish which parameters are dispensable for the differentiation of one time segment from the other; and the parameters that are dispensable for the differentiation of the time segments (nos. 1 to 8) are eliminated.

Description

Verfahren zur Auswahl von Parametern aus einem EEG-Signal für das Narkosemonitoring Method for selecting parameters from an EEG signal for anesthesia monitoring
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswahl von Parametern für das Narkosemonitoring aus einem Biosignal, insbesondere aus EEG-Signalen und evozierten Signalen für das Narkosemonitoring.The present invention relates to a method for selecting parameters for anesthetic monitoring from a biosignal, in particular from EEG signals and evoked signals for anesthetic monitoring.
Zur Erkennung intraoperativer Wachheit während Allgemeinanästhesie werden als Biosignal zunehmend das EEG und evozierte Potentiale eingesetzt. Für eine automatisierte Narkoseüberwachung ist es notwendig, aus dem EEG-Signal bzw. aus den evozierten Potentialen (EP) geeignete Parameter zu extrahieren, die eine möglichst gute Unterscheidung unterschiedlicher Narkosezustände, z.B. „wach" und „bewusstlos" erlauben. Auf der Grundlage der Bewertung von isolierten Einzelparametern gelingt diese Unterscheidung jedoch nur bedingt.EEG and evoked potentials are increasingly being used as a biosignal to detect intraoperative alertness during general anesthesia. For automated anesthesia monitoring, it is necessary to extract suitable parameters from the EEG signal or from the evoked potentials (EP) that differentiate different anesthetic conditions as well as possible, e.g. Allow "awake" and "passed out". However, based on the evaluation of isolated individual parameters, this distinction is only partially successful.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren für das Narkosemonitoring zu ermöglichen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem mehrere, effizient für die Erfassung von Narkosezustanden zu verwendende Parameter gefunden werden können.The object of the present invention is to enable an improved method for anesthetic monitoring. In particular, it is the object of the present invention to provide a method with which several parameters which can be used efficiently for the detection of anesthesia states can be found.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Bei diesem Verfahren werden vorausgewählte Einzelparameter, die in einem Biosignal, insbesondere EEG- und EP-Signale (Signale aus evozierten Potentialen), im Allgemeinen für eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Narkosezuständen, bspw. „wach" und „bewusstlos", relevant sein können, auf eine kleinere Anzahl von Einzelparametern reduziert. Hierzu werden aus dem erfassten Biosignal sowohl Zeitabschnitte extrahiert, in welchen der eine Narkosezustand, (bspw. „wach") vorliegt, als auch solche, in welchen ein anderer Narkosezustand, (bspw. „bewusstlos") vorliegt. Dann werden für die vorausgewählten Einzelparameter die Einzelparameterwerte der Zeitabschnitte bestimmt und in vorbestimmte Kategorien (z.B. niedrig/mittel/hoch) kategorisiert. Mittels der kategonsierten Einzelparameterwerte der Zeitabschnitte wird festgestellt, ob zwischen Kombinationen der Gesamtheit der kategonsierten Einzelparameterwerte Abhängigkeiten vorliegen, d.h. ob einzelne Parameter für die Unterscheidung der Zeitabschnitte entbehrlich sind. Um die Anzahl der Einzelparameter zu reduzieren, werden die entbehrlichen Einzelparameter eliminiert.This object is achieved by a method with the features mentioned in claim 1. In this method, preselected individual parameters, which can be relevant in a biosignal, in particular EEG and EP signals (signals from evoked potentials), generally for a distinction between different anesthetic states, for example "awake" and "unconscious" reduced a smaller number of individual parameters. For this purpose, periods of time in which the one anesthesia state (for example “awake”) is present and those in which another anesthesia state (for example “unconscious”) is present are extracted from the recorded biosignal. Then the individual parameter values of the time segments are determined for the preselected individual parameters and categorized into predetermined categories (eg low / medium / high). The categorized individual parameter values of the time segments determine whether there are dependencies between combinations of the total of the categorized individual parameter values, ie whether there are any Parameters for differentiating the time periods are unnecessary. In order to reduce the number of individual parameters, the unnecessary individual parameters are eliminated.
Durch den Vergleich von Kombinationen der Gesamtheit der kategonsierten Einzelparameterwerte, der Zeitabschnitte und die anschließende Kombination der nicht entbehrlichen Einzelparameter können mit diesem Verfahren auch solche Parameter verwendet werden, welche bei der isolierten Bewertung von Einzelparametern als nicht verwertbare Parameter klassifiziert würden. Des weiteren handelt es sich bei dem Verfahren um ein transparentes Verfahren, bei welchem es beispielsweise einem behandelnden Arzt möglich ist, nachzuvollziehen, auf der Grundlage welcher Einzelparameter eine Unterscheidung wie beispielsweise "wach" oder "bewusstlos", festgestellt wurde. Hierdurch erhöht sich auch die Sicherheit des Narkosemonitorings, da die automatisiert festgestellte Unterscheidung gegebenenfalls auch verifiziert werden kann.By comparing combinations of the total of the categorized individual parameter values, the time periods and the subsequent combination of the indispensable individual parameters, this method can also be used to use parameters that would be classified as unusable parameters in the isolated evaluation of individual parameters. Furthermore, the method is a transparent method in which, for example, a treating doctor is able to understand on the basis of which individual parameters a distinction, such as "awake" or "unconscious", was determined. This also increases the safety of anesthesia monitoring, since the automatically determined distinction can also be verified if necessary.
Gemäß einem anderen Aspekt wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 2 genannten Merkmalen gelöst. Anders als bei dem Verfahren nach Anspruch 1 werden bei diesem Verfahren für die ausgewählten Parameter die Parameterwerte der Zeitabschnitte bestimmt und in vorbestimmte Kategorien ( z.B. niedrig/mittel/hoch) kategorisiert. Mittels der kategorisierten Parameterwerte der Zeitabschnitte wird festgestellt, ob zwischen den Parametern Abhängigkeiten vorliegen, d.h. ob einzelne Parameter für die Unterscheidung der Zeitabschnitte entbehrlich sind. Um die Anzahl der Parameter zu reduzieren, werden die entbehrlichen Parameter eliminiert.According to another aspect, the above-mentioned object is achieved by a method with the features mentioned in claim 2. In contrast to the method according to claim 1, in this method the parameter values of the time segments are determined for the selected parameters and categorized into predetermined categories (e.g. low / medium / high). The categorized parameter values of the time segments are used to determine whether there are dependencies between the parameters, i.e. whether individual parameters are unnecessary for differentiating the time periods. In order to reduce the number of parameters, the unnecessary parameters are eliminated.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine beispielhafte Entscheidungstabelle, in der berechnete und kategorisierte Parameter und der zugehörige Patientenzustand für acht EEG-Zeitabschnitte dargestellt ist,1 shows an exemplary decision table in which calculated and categorized parameters and the associated patient status for eight EEG time segments are shown,
Fig. 2 die Beispieltabelle von Fig. 1 in reduzierter Form,2 shows the example table of FIG. 1 in reduced form,
Fig. 3 eine Tabelle mit Ergebnissen eines praktischen Ausfuhrungsbeispiels des Verfahrens und gemittelten Klassifikationsraten,3 shows a table with results of a practical exemplary embodiment of the method and averaged classification rates,
Fig.4 eine Tabelle, in welcher drei Objekten Zahlenwerte für drei Bedingungsattribute zugeordnet sind,4 shows a table in which three objects are assigned numerical values for three condition attributes,
Fig. 5 ein Schema für die Zuordnung der Werte der Bedingungsattribute aus Fig. 4, Fig. 6 eine Tabelle, in der die Zuordnung der Zahlenwerte der Bedingungsattribute des Schemas von Fig.5 dargestellt ist, Fig. 7 eine Tabelle, in welcher aus einem Objekt aus Fig.4 mehrere Objekte erzeugt sind und welche in der Tabelle aus Fig. 6 enthaltene Kombinationen dieses Objekts enthält, Fig. 8 eine Tabelle, in der für das Objekt aus Fig. 4 und 7 eine Gewichtung angegeben ist, Fig. 9 eine entsprechend abgeleitete Tabelle für ein anderes Objekt aus Fig.4, Fig.10 eine ebenfalls entsprechend abgeleitete Tabelle für ein weiteres Objekt aus Fig.4 und Fig.11 eine Tabelle, in welcher Objekte der in den Fig. 8 bis 10 wiedergegebenen Objekte zusammengefasst sind.5 shows a diagram for the assignment of the values of the condition attributes from FIG. 4, 6 shows a table in which the assignment of the numerical values of the condition attributes of the scheme from FIG. 5 is shown, FIG. 7 shows a table in which several objects are generated from an object from FIG. 4 and which are shown in the table from FIG. 6 contains combinations of this object, FIG. 8 a table in which a weighting is given for the object from FIGS. 4 and 7, FIG. 9 a correspondingly derived table for another object from FIG. 4, FIG. 10 also Correspondingly derived table for a further object from FIGS. 4 and 11 is a table in which objects of the objects shown in FIGS. 8 to 10 are summarized.
Bei einem Ausführungsbeispiel, das unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erläutert wird, werden vor und während einer Allgemeinanästhesie EEG-Signale, bzw. Signale aus evozierten Potentialen (EP), aufgezeichnet, aus welchen zeitliche EEG-Abschnitte extrahiert werden. Es werden Parameter für die Beurteilung des Narkosezustandes bestimmt, die so ausgewählt werden, dass diese im Allgemeinen für die Beurteilung relevante Merkmale aufweisen. Diese Parameter, die komplexe Signalinhalte darstellen, werden durch Rechnung in Zahlenwerte umgesetzt, die die speziellen Eigenschaften des Signals wiedergeben. Um die Anzahl der zu betrachtenden Parameter zu verringern, werden solche Parameter eliminiert, die für die Unterscheidung zwischen den Narkosezuständen „wach" und „bewusstlos" nicht erforderlich bzw. nicht verwendbar sind.In one embodiment, which is explained with reference to FIGS. 1 and 2, EEG signals or signals from evoked potentials (EP) are recorded before and during a general anesthesia, from which temporal EEG sections are extracted. Parameters for assessing the state of anesthesia are determined, which are selected so that they generally have characteristics relevant to the assessment. These parameters, which represent complex signal contents, are converted into numerical values by calculation, which reflect the special properties of the signal. In order to reduce the number of parameters to be considered, those parameters are eliminated which are not necessary or cannot be used to distinguish between the "awake" and "unconscious" anesthetic states.
Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Parameter kombiniert, überflüssige Parameter eliminiert und Regeln zur Klassifikation abgeleitet werden können. Dieses Verfahren untersucht, inwieweit Objekte (hier unterschiedliche EEG-Abschnitte) mit Hilfe ihrer bekannten Eigenschaften einer Klasse (hier einer Entscheidung zwischen den Zuständen „wach" und „bewusstlos") zugeordnet werden können. Bei Objekten mit gleichen Eigenschaften, aber unterschiedlichen Entscheidungen kann die Entscheidung nicht eindeutig aus den Eigenschaften abgeleitet werden. Die Entscheidungen können daher nur grob durch die bekannten Eigenschaften beschrieben werden. Die Eigenschaften werden durch Bedingungsattribute dargestellt, die Entscheidungen durch (mindestens) ein Entscheidungsattribut, das hier durch die Zustände „wach" und „bewusstlos" gegeben ist.A method is described below with which parameters can be combined, superfluous parameters can be eliminated and rules for classification can be derived. This method examines the extent to which objects (here different EEG sections) can be assigned to a class (here a decision between the states "awake" and "unconscious") using their known properties. For objects with the same properties but different decisions, the decision cannot be clearly derived from the properties. The decisions can therefore only be roughly described by the known properties. The properties are represented by condition attributes, the decisions by (at least) one decision attribute, which is given here by the states "awake" and "unconscious".
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Zahl der Bedingungsattribute reduziert werden. Hierzu können die Bedingungsattribute in zwei Reduktionsschritten auf die Bedingungsattribute reduziert werden, die notwendig sind für die Unterscheidbarkeit der Objekte ohne Berücksichtigung der Entscheidung (erster Reduktionsschritt), und die Zuordnung von Objekten zu Entscheidungen (zweiter Reduktionsschritt).With this method, the number of condition attributes can be reduced. For this purpose, the condition attributes can be reduced in two reduction steps to the condition attributes that are necessary for the differentiation of the objects without Consideration of the decision (first reduction step) and the assignment of objects to decisions (second reduction step).
Mit den jeweils verbleibenden Bedingungsattributen werden Klassifikationsregeln für die Zuordnung der Objekte gebildet.Classification rules for the assignment of the objects are formed with the remaining condition attributes.
In Fig. 1 sind in einer beispielhaften Entscheidungstabelle aus einem EEG-Signal berechnete und anschliessend kategorisierte Parameter und der empirisch ermittelte zugehörige Patientenzustand für beispielsweise acht EEG-Signalabschnitte dargestellt, welche in Fig. 1 Objekte Nr. 1 bis 8 bilden. Als Parameter sind beispielsweise gewählt1 shows an exemplary decision table that calculates and subsequently categorizes parameters from an EEG signal and the empirically determined associated patient status for, for example, eight EEG signal sections, which form objects Nos. 1 to 8 in FIG. 1. For example, selected as parameters
-Mediän (d.h. der Frequenzwert, der das Leistungsspektrum des EEG- Abschnittes in zwei Teile gleicher Leistung aufteilt),-Media (i.e. the frequency value that divides the power spectrum of the EEG section into two parts of the same power),
SEF95 (d.h. der Frequenzwert, der das Leistungsspektrum so aufteilt, dass die Summe der Bandleistungen über alle Frequenzen f < SEF95 95% der Gesamtleistung beträgt), -Crestf. (Crestfaktor, d.h. die maximale Amplitude / der Effektivwert) und -RMS (Effektivwert, d.h. der quadratische Mittelwert über alle Amplituden des EEG- Abschnittes).SEF95 (i.e. the frequency value that divides the power spectrum so that the sum of the band powers over all frequencies f <SEF95 is 95% of the total power), -Crestf. (Crest factor, i.e. the maximum amplitude / rms value) and -RMS (rms value, i.e. the root mean square over all amplitudes of the EEG section).
Diese in Zahlenwerten ausgedrückten Parameter bilden Bedingungsattribute, die in die Werte „niedrig", „hoch" und ,,mitteι" kategorisiert sind. Die Zustände „wach" und „bewusstlos" („bew." in Fig. 1) stellen das Entscheidungsattribut dar.These parameters expressed in numerical values form condition attributes which are categorized into the values “low”, “high” and “middle”. The states “awake” and “unconscious” (“conscious” in FIG. 1) represent the decision attribute ,
Jedes der Bedingungsattribute unterteilt die Menge der Objekte Nr. 1 bis 8, d.h. die acht EEG- Abschnitte, in Gruppen, sogenannte Äquivalenzklassen, die unter alleiniger Betrachtung dieses Bedingungsattributes nicht unterscheidbar sind. Das Bedingungsattribut Mediän unterteilt bspw. in der Tabelle von Fig. 1 die Objekte in drei Äquivalenzklassen {1, 5, 6}, {2, 3, 4, 7}, {8} entsprechend den drei Medianwerten „niedrig", „hoch" und „mittel", wobei die Aquivalenzklasse {1, 5, 6} dem Medianwert „niedrig", die Aquivalenzklasse {2, 3, 4, 7} dem Medianwert „hoch", und die Äquivalenzklasse {8} dem Medianwert „mittel" zugeordnet ist. Auf die gleiche Weise können Äquivalenzklassen für die anderen Bedingungsattribute, für die gesamte Menge der Bedingungsattribute und für Teilmengen der Bedingungsattribute bestimmt werden. Bei gleichzeitiger Betrachtung aller Bedingungsattribute Mediän, SEF95, Crestfaktor und RMS in der Tabelle von Fig. 1, die alle die Werte „niedrig", „hoch" und „mittel" annehmen können, findet man die Äquivalenzklassen {1, 6}, {2, 4}, {3}, {5}, {7} und {8} bezüglich der gesamten Menge der Bedingungsattribute. Allgemein wird somit eine Äquivalenzklasse durch die Menge der Objekte bzw. EEG-Abschnitte gebildet, die bezüglich der jeweils betrachteten Menge der Bedingungsattribute nicht unterscheidbar sind.Each of the condition attributes divides the set of objects Nos. 1 to 8, ie the eight EEG sections, into groups, so-called equivalence classes, which cannot be distinguished by considering this condition attribute alone. In the table of FIG. 1, for example, the condition attribute median divides the objects into three equivalence classes {1, 5, 6}, {2, 3, 4, 7}, {8} corresponding to the three median values "low", "high" and "medium", the equivalence class {1, 5, 6} being assigned the median "low", the equivalence class {2, 3, 4, 7} being the median "high", and the equivalence class {8} being the median "medium" is. Equivalence classes can be determined in the same way for the other condition attributes, for the entire set of condition attributes and for subsets of the condition attributes. If all condition attributes median, SEF95, crest factor and RMS in the table of FIG. 1 are viewed simultaneously, which can all assume the values “low”, “high” and “medium”, one finds the equivalence classes {1, 6}, {2 , 4}, {3}, {5}, {7} and {8} for the total set of condition attributes. In general, an equivalence class is thus formed by the set of objects or EEG sections, which cannot be distinguished with regard to the set of condition attributes considered in each case.
Mit Hilfe eines Vergleichs auf der Basis von Äquivalenzklassen wird bei dem Ausführungsbeispiel die Anzahl der Bedingungsattribute in vorzugsweise zwei Reduktionsschritten reduziert.With the aid of a comparison on the basis of equivalence classes, the number of condition attributes is reduced in the exemplary embodiment in preferably two reduction steps.
Erster ReduktionsschrittFirst reduction step
Bei dem ersten Reduktionsschritt wird ohne Berücksichtigung der Entscheidung (wach oder bew.) festgestellt, welche der Bedingungsattribute für die Unterscheidung der Objekte nicht erforderlich sind. Nicht erforderlich wäre z.B. ein Bedingungsattribut, welches für alle Objekte die gleichen Werte annimmt, oder ein Bedingungsattribut, welches einzelne Objekte unterscheidet, diese Unterscheidung aber durch andere Bedingungsattribute bereits eindeutig gegeben ist.In the first reduction step, regardless of the decision (awake or conscious), it is determined which of the condition attributes are not necessary for the differentiation of the objects. For example, it would not be necessary a condition attribute that takes on the same values for all objects, or a condition attribute that distinguishes individual objects, but this distinction is already clearly given by other condition attributes.
Allgemein ausgedrückt kann der erste Reduktionsschritt beispielsweise dadurch ausgeführt werden, dass von jeder Teilmenge der Bedingungsattribute die Äquivalenzklassen gebildet und mit den Äquivalenzklassen verglichen werden, die bei gleichzeitiger Betrachtung aller Bedingungsattribute gefunden werden. Eine Teilmenge der Bedingungsattribute, welche die gleichen Äquivalenzklassen bildet wie die gesamte Menge der Bedingungsattribute, ist dann eine Teilmenge (nachfolgend auch Redukt), auf die die Menge der Beαuigungsattribute bei dem ersten Reduktionsschritt reduziert wird.In general terms, the first reduction step can be carried out, for example, by forming the equivalence classes from each subset of the condition attributes and comparing them with the equivalence classes that are found while considering all condition attributes at the same time. A subset of the condition attributes, which forms the same equivalence classes as the entire set of condition attributes, is then a subset (hereinafter also reduced) to which the set of confirmation attributes is reduced in the first reduction step.
Die Menge der nach dem ersten Reduktionsschritt verbleibenden Bedingungsattribute heißt Redukt. Allgemein sind Redukte die Teilmengen der Bedingungsattribute, welche die Objekte in dieselben Äquivalenzklassen aufteilen wie die Menge aller Bedingungsattribute. In dem Beispiel aus Fig. 1 bilden beispielsweise die Bedingungsattribute Mediän, SEF95 und RMS ein Redukt und teilen die Objekte in die Äquivalenzklassen {1, 6}, {2, 4}, {3}, {5}, {7} und {8}, die auch bei Betrachtung aller Bedingungsattribute Mediän, SEF95, Crestfaktor und RMS gefunden werden.The set of condition attributes remaining after the first reduction step is called the reduced. In general, reductions are the subsets of the condition attributes that divide the objects into the same equivalence classes as the set of all condition attributes. In the example from FIG. 1, for example, the condition attributes Mediän, SEF95 and RMS form a reduct and divide the objects into the equivalence classes {1, 6}, {2, 4}, {3}, {5}, {7} and { 8}, which are also found when considering all condition attributes median, SEF95, crest factor and RMS.
Bei dem in der Tabelle der Fig. 1 dargestellten Beispiel folgt somit aus dem ersten Reduktionsschritt, dass das Bedingungsattribut Crestfaktor weggelassen werden kann, weil das Bedingungsattribut Crestfaktor zwar Objekt Nr. 5 von allen anderen Objekten unterscheidet, dieses Objekt aber durch Mediän und SEF95 bereits eindeutig gekennzeichnet ist. Das Bedingungsattribut Crestfaktor ist somit zur Unterscheidung der Objekte nicht erforderlich und kann deshalb weggelassen werden.In the example shown in the table in FIG. 1, it follows from the first reduction step that the condition attribute crest factor can be omitted because the Condition attribute Crest factor distinguishes object No. 5 from all other objects, but this object is already clearly identified by Mediän and SEF95. The condition attribute crest factor is therefore not necessary to differentiate the objects and can therefore be omitted.
Für den ersten Schritt können Algorithmen angewandt werden, durch die Teilmengen der Bedingungsattribute gebildet werden und durch die geprüft wird, ob dieselben Äquivalenzklassen gebildet werden.Algorithms can be used for the first step, by means of which subsets of the condition attributes are formed and by which it is checked whether the same equivalence classes are formed.
Zweiter ReduktionsschrittSecond reduction step
Bei dem zweiten Reduktionsschritt wird unter Berücksichtigung der Entscheidung, d.h. ob der Zustand als „wach" oder „bewusstlos" klassifiziert wird, festgestellt, welche Bedingungsattribute des Redukts (oder aller Bedingungsattribute^ für eine Zuordnung der Objekte zu einem Entscheidungsattribut nicht erforderlich sind. Wenn beispielsweise ein Bedingungsattribut nur solche Objekte voneinander unterscheidet, die denselben Wert für das Entscheidungsattribut aufweisen, so ist dieses Bedingungsattribut für die Zuordnung zu einem Entscheidungsattribut nicht erforderlich.In the second reduction step, taking into account the decision, i.e. Whether the condition is classified as "awake" or "unconscious" determines which condition attributes of the reduct (or all condition attributes ^ are not required for an assignment of the objects to a decision attribute. For example, if a condition attribute only distinguishes those objects from each other that have the same value for the decision attribute, this condition attribute is not required for the assignment to a decision attribute.
Vorzugsweise wird der zweite Reduktionsschritt dadurch ausgeführt, dass zu allen Teilmengen der Bedingungsattribute die Objekte gezählt werden, die nicht mit Hilfe der Bedingungsattribute eindeutig einem Wert des Entscheidungsattributs (d.h. einer Entscheidung) zugeordnet werden können. Diese Zuordnung ist dann nicht möglich, wenn Objekte einer Äquivalenzklasse unterschiedlichen Entscheidungen zugeordnet sind, und sich somit gegenseitig widersprechen. Eine Teilmenge der Bedingungsattribute, bei der sich die Zahl der Objekte, die nicht einer Entscheidung zugeordnet werden können, nicht erhöht, (nachfolgend relatives Redukt) reicht zur Zuordnung der Objekte zu einer Entscheidung aus.The second reduction step is preferably carried out by counting the objects to all subsets of the condition attributes that cannot be clearly assigned to a value of the decision attribute (i.e. a decision) with the aid of the condition attributes. This assignment is not possible if objects of an equivalence class are assigned to different decisions and thus contradict each other. A subset of the condition attributes in which the number of objects that cannot be assigned to a decision does not increase (hereinafter referred to as a relative reduction) is sufficient to assign the objects to a decision.
Bei dem in der Tabelle der Fig. 1 dargestellten Beispiel zeigt der zweite Reduktionsschritt, dass das Bedingungsattribut RMS weggelassen werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel widersprechen sich die Objekte Nr. 1 und Nr. 6, die der Äquivalenzklasse {1, 6} zugehören und unterschiedlichen Zuständen wach und bewusstlos zugeordnet sind. Das Redukt Mediän, SEF95, und RMS (und auch die Menge aller Bedingungsattribute Mediän, SEF95, Crestfaktor und RMS) bewirkt somit, dass zwei Objekte nicht eindeutig einer Entscheidung wach/bewusstlos zugeordnet werden können. Die Teilmenge Mediän und SEF95 bewirkt nicht, dass weitere Objekte nicht eindeutig einer Entscheidung zugeordnet werden können. Ein Weglassen des Bedingungsattributs RMS bewirkt deshalb keine höhere Anzahl von Objekten, die nicht einer Entscheidung zugeordnet werden können, als das Redukt.In the example shown in the table in FIG. 1, the second reduction step shows that the condition attribute RMS can be omitted. In this exemplary embodiment, objects No. 1 and No. 6, which belong to the equivalence class {1, 6} and are assigned to different states awake and unconscious, contradict each other. The reduced median, SEF95, and RMS (and also the set of all condition attributes median, SEF95, crest factor and RMS) thus means that two objects are not clearly assigned to a decision awake / unconscious can be. The subset Mediän and SEF95 does not mean that other objects cannot be clearly assigned to a decision. Leaving out the condition attribute RMS therefore does not result in a higher number of objects that cannot be assigned to a decision than the reduct.
Mit anderen Worten ist RMS zwar notwendig, um das Objekt Nr. 3 von den Objekten Nr. 2 und 4 zu unterscheiden. Da aber alle drei Objekte zum Zustand „wach" gehören, ist diese Unterscheidung für eine Zuordnung zum Entscheidungsattribut nicht notwendig. Die Menge der nach dem zweiten Reduktionsschritt verbleibenden Bedingungsattribute, das heißt das relative Redukt, ist in dem Beispiel aus Fig. 1 also Mediän und SEF95 (siehe auch Fig.2).In other words, RMS is necessary to distinguish object no. 3 from object no. 2 and 4. However, since all three objects belong to the "awake" state, this distinction is not necessary for an assignment to the decision attribute. The set of condition attributes remaining after the second reduction step, that is to say the relative reduction, is thus median and in the example from FIG. 1 SEF95 (see also Fig. 2).
Fig.2 zeigt die Entscheidungstabelle aus Fig. 1 in reduzierter Form, die auf das relative Redukt, nämlich die Bedingungsattribute Mediän und SEF95, reduziert ist und in welcher die Objekte Nr. 2, 3 und 4, und somit die zugehörigen EEG-Abschnitte zusammengefasst sind.FIG. 2 shows the decision table from FIG. 1 in reduced form, which is reduced to the relative reduced, namely the condition attributes Mediän and SEF95, and in which objects Nos. 2, 3 and 4, and thus the associated EEG sections, are summarized are.
Resel-basierte KlassifizierungResel-based classification
Aus einer auf das Redukt oder auf das relative Redukt reduzierten Entscheidungstabelle lassen sich unmittelbar Regeln zur Zuordnung der Objekte zu einem Narkosezustand und daraus ein Entscheidungssystem ableiten. Die Ableitung der Regeln erfolgt nach dem allgemeinen SchemaRules for assigning the objects to an anesthetic state and a decision system can be derived directly from a decision table reduced to the reduced or to the relative reduced. The rules are derived according to the general scheme
„WENN [Parameter 1] = [kategorisierter Wert des Parameters 1 in dem Objekt] UND [Parameter 2] = [kategorisierter Wert des Parameters 2 in dem Objekt] UND [Parameter 3] = [kategorisierter Wert des Parameters 3 in dem Objekt] UND"IF [parameter 1] = [categorized value of parameter 1 in the object] AND [parameter 2] = [categorized value of parameter 2 in the object] AND [parameter 3] = [categorized value of parameter 3 in the object] AND
[Parameter n] = [kategorisierter Wert des Parameters n in dem Objekt] DANN [Entscheidungsattribut] =[Entscheidung in dem Objekt]"[Parameter n] = [categorized value of parameter n in the object] THEN [decision attribute] = [decision in the object] "
wobei in die Klammem vor dem Gleichheitszeichen jeweils die verwendeten Parameter (hier bspw. Parameter 1: Mediän und Parameter 2: SEF95) und in die Klammern nach dem Gleichheitszeichen jeweils die kategorisierten Werte dieser verwendeten Parameter einzusetzen sind.the parameters used (for example parameter 1: median and parameter 2: SEF95) must be inserted in the parentheses before the equal sign and the categorized values of these parameters used in the parentheses after the equal sign.
So erhält man beispielsweise aus der auf das relative Redukt reduzierten Entscheidungstabelle in Fig. 2 für Objekt Nr. 8: „WENN Mediän = mittel UND SEF95 = hoch DANN Zustand = bew.".For example, the following is obtained from the decision table in FIG. 2, reduced to the relative reduct, for object no. 8: "IF Mediän = medium AND SEF95 = high THEN condition = moved."
Diese Regel kann noch vereinfacht werden, weil bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestelltenThis rule can be simplified because the one shown in FIGS. 1 and 2
Beispiel das Bedingungsattribut Mediän nur in dem Objekt Nr. 8 den Wert „mittel" annimmt. So ist die RegelExample, the condition attribute Mediän only takes the value "medium" in object no. 8. This is the rule
„WENN Mediän = mittel DANN Zustand = bew." ebenfalls gültig"IF median = medium THEN condition = proven" also valid
Auf die gleiche Weise können für die Objekte Nr.2 bis 5 und 7 Regeln abgeleitet werden. Aus den Objekten Nr. 1 und 6 können keine gültigen Regeln abgeleitet werden, da diese hinsichtlich ihrer Bedingungsattribute nicht unterscheidbar, aber verschiedenen Entscheidungen zugeordnet sind. Im Allgemeinen können aus einem Objekt auch mehrere gültige Regeln abgeleitet werden.In the same way, rules can be derived for objects no. 2 to 5 and 7. No valid rules can be derived from objects no. 1 and 6, since these cannot be distinguished in terms of their condition attributes, but are assigned to different decisions. In general, several valid rules can be derived from an object.
Mit diesen durch einen Mikroprozessor ausführbaren Regeln ist dann eine Zuordnung der extrahierten EEG-Abschnitte mittels der Parameterwerte zu den Narkosezuständen „wach" undWith these rules, which can be carried out by a microprocessor, an assignment of the extracted EEG sections using the parameter values to the anesthetic states is then “awake” and
„bewusstlos" möglich."Unconscious" possible.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Auswahl von Parametern für das Narkosemonitoring aus einem Biosignal basiert somit auf dem Prinzip, aus dem erfassten Biosignal zunächst Zeitabschnitte Nr. 1 bis 8 zu extrahieren, um dann Zahlenwerte zu bestimmen, die vorbestimmte Einzelparameter wie beispielsweise Mediän, SEF95, Crestfaktor, RMS, in diesen Zeitabschnitten jeweils annehmen, und diesen Einzelparameterwerten Kategorien (niedrig/mittel/hoch) zuzuordnen. Um festzustellen, welche Einzelparameter für eine Unterscheidung eines Zeitabschnitts von dem anderen Zeitabschnitt entbehrlich sind, wird ein Vergleich von Kombinationen der Gesamtheit der kategorisierten Einzelparameterwerte der Zeitabschnitte Nr. 1 bis 8 durchgeführt. Einzelparameter, bei welchen festgestellt wird, dass sie für eine Unterscheidung der Zeitabschnitte nicht entbehrlich sind, werden kombiniert.The method described above for selecting parameters for anesthesia monitoring from a biosignal is thus based on the principle of first extracting time segments nos. 1 to 8 from the biosignal recorded, in order to then determine numerical values, the predetermined individual parameters such as median, SEF95, crest factor , RMS, in each of these periods and assign categories (low / medium / high) to these individual parameter values. In order to determine which individual parameters are unnecessary for distinguishing one time segment from the other time segment, a comparison of combinations of the total of the categorized individual parameter values of the time segments No. 1 to 8 is carried out. Individual parameters which are determined to be indispensable for differentiating the time periods are combined.
Fig. 3 zeigt in einer Tabelle Ergebnisse einer Untersuchung, bei welcher das vorstehend beschriebene Verfahren auf Daten einer Studie mit 40 Patienten angewandt wurde, die sich einer Operation unter Allgemeinanästhesie unterzogen. Bei diesem praktischen Ausführungsbeispiel werden EEG-Signale sowohl im Wachzustand, als auch unter Narkose kontinuierlich abgeleitet. Aus dem EEG werden als Objekte Segmente von 8 s Länge zu gleichen Teilen aus den Zuständen „wach" und „bewusstlos" ausgewählt und zu jedem Segment 52 Parameter berechnet. Die Parameter werden in vier Gruppen eingeteilt: 24 Basis-Parameter (z.B. RMS Effektivwert), 20 Spektral-Parameter (z.B. Leistung in Frequenzbändern), 4 statistische Parameter („Statistik" („Stat." in Fig. 3) z.B. Schiefe, Exzess), 5 Komplexitätsmaße (,,Komplexität" („Kompl." in Fig. 3) z.B. Shannon Entropie). Zur Kategorisierung der Parameterwerte wird der Wertebereich jedes Parameters in Intervalle aufgeteilt und jeder Parameterwert einem Intervall zugeordnet. Es werden drei verschiedene Kategorisierungen (4, 6, und 8 Intervalle) untersucht. Bei der Festlegung der Intervallgrenzen wird die Verteilung der Parameterwerte auf die Zustände berücksichtigt.Figure 3 shows in a table results of an investigation in which the method described above was applied to data from a study of 40 patients who underwent surgery under general anesthesia. In this practical embodiment, EEG signals are continuously derived both when awake and under anesthesia. From the EEG, segments of 8 s length are selected in equal parts from the states "awake" and "unconscious" and 52 parameters are calculated for each segment. The parameters are divided into four groups: 24 basic parameters (eg RMS RMS value), 20 spectral parameters (eg power in frequency bands), 4 statistical parameters ("Statistics"("Stat." In Fig. 3) eg skewness, excess ), 5 complexity measures ("complexity"("compl." In Fig. 3) e.g. Shannon entropy). To categorize the parameter values, the value range of each parameter is divided into intervals and each parameter value is assigned to an interval. Three different categorizations (4, 6, and 8 intervals) are examined. The distribution of the parameter values among the states is taken into account when determining the interval limits.
Um die Rechenzeiten für eine gleichzeitige Untersuchung aller 52 Parameter zu verkürzen, werden -getrennt nach Parametergruppen- drei Berechnungen durchgeführt, wobei die Gruppen „Statistik" und „Komplexität" zusammengefasst werden, wie aus der Tabelle in Fig. 3 hervorgeht. In einer weiteren Berechnung zur Kombination der Gruppen werden die Bedingungsattribute der relativen Redukte der drei Gruppen verwendet.In order to shorten the computing times for a simultaneous examination of all 52 parameters, three calculations are carried out, separated according to parameter groups, the groups “statistics” and “complexity” being combined, as can be seen from the table in FIG. 3. In a further calculation for the combination of the groups, the condition attributes of the relative reduct of the three groups are used.
Für die Anwendung des Verfahrens werden die vorliegenden Objekte, d.h. die Segmente zu 2/3 in eine Trainings- und zu 1/3 in eine Testmenge aufgeteilt. Mit Hilfe der gefundenen Regeln wird für die Objekte der Testmenge ein Zustand bestimmt und die Klassifikationsrate berechnet. Es werden je drei Berechnungen mit unterschiedlichen Trainings- und Testmengen durchgeführt.For the application of the method, the available objects, i.e. 2/3 of the segments divided into a training set and 1/3 into a test set. Using the rules found, a state is determined for the objects in the test set and the classification rate is calculated. Three calculations are carried out with different training and test quantities.
Die Tabelle in Fig. 3 zeigt u.a. die Anzahl der Bedingungsattribute in den relativen Redukten, die Gesamtzahl der erzeugten Regeln bei dem praktischen Ausführungsbeispiel und die bei diesem erzielten Klassifϊkationsraten für die Testmengen, die jeweils über die drei Berechnungen gemittelt sind. Bei der Parametergruppe „Kombination" ist die Anzahl der eingehenden Bedingungsattribute in Klammern angegeben.The table in Fig. 3 shows i.a. the number of condition attributes in the relative reducts, the total number of rules generated in the practical embodiment and the classification rates achieved for the test quantities, which are each averaged over the three calculations. The number of incoming condition attributes is given in brackets for the "Combination" parameter group.
Die Anzahl der berechneten Regeln ist in allen Fällen relativ gross. Häufig beschreibt eine Regel nur ein einziges Objekt der Trainingsmenge („Support" der Regel = 1). Die letzten beiden Spalten der Tabelle in Fig. 3 zeigen die Anzahl der Regeln und die Klassifϊkationsrate nach Weglassen der Regeln mit Support 1.The number of rules calculated is relatively large in all cases. A rule often describes only a single object of the training set (“support” of the rule = 1). The last two columns of the table in FIG. 3 show the number of rules and the classification rate after the rules have been omitted with support 1.
Die Untersuchung zeigt, dass das vorgestellte Verfahren die Anzahl der Parameter erheblich reduziert und die erzeugten Regeln befriedigende Klassifikationsraten erzielen. Das Einschränken der Regeln auf solche mit Support grösser als 1 wirkt sich nur minimal auf die Klassifikationsraten aus. Mit zunehmender Anzahl von Intervallen für die Kategorisierung wird die Anzahl der benötigten Parameter und Regeln kleiner, wahrend sich die Klassifikationsrate kaum ändert. Die grosse Anzahl der Regeln ist vor allem darauf 2urüclsxιführen, dass alle Regeln im Hinblick auf die Trainingsmenge unbedingt gültig sein müssen, so dass kleine Störungen, wie bspw. Rauschen, die Erzeugung von wenigen, einfachen Regeln verhindern. Eine Verbesserung kann die Anwendung eines Modells schaffen, in welchem eine geringe Fehlklassifikation der Objekte zugelassen wird.The investigation shows that the method presented significantly reduces the number of parameters and that the rules generated achieve satisfactory classification rates. Restricting the rules to those with support greater than 1 has a minimal impact on the classification rates. As the number of intervals for categorization increases, the number of parameters and rules required decreases, while the classification rate hardly changes. The large number of rules is mainly due to the fact that all rules must be valid with regard to the amount of training, so that small disturbances, such as noise, prevent the generation of a few simple rules. An improvement can be achieved by using a model in which a slight misclassification of the objects is permitted.
Für die Anwendung des Verfahrens sind kategorische Bedingungsattribute erforderlich, d.h. solche, die nur eine kleine Zahl verschiedener Attributwerte annehmen können. Reellwertige Bedingungsattribute, wie bspw. Spannungswerte, müssen geeignet kategorisiert werden.Categorical condition attributes are required for the application of the method, i.e. those that can only take a small number of different attribute values. Real-value condition attributes, such as voltage values, must be appropriately categorized.
Fuzzykategorisierung der BedingunssattributeFuzzy categorization of the condition attributes
Nachfolgend wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Fig.4 bis 9 eine Variante der Kategorisierung (Fuzzykategorisierung) erläutert, bei der eine gezielt unscharfe Kategorisierung der Bedingungsattribute vor dem ersten Reduktionsschritt vorgenommen wird.A variant of the categorization (fuzzy categorization) is explained below using an example with reference to FIGS. 4 to 9, in which a deliberately fuzzy categorization of the condition attributes is carried out before the first reduction step.
In Fig. 4 ist eine Tabelle dargestellt, in welcher drei Objekten Nr. 1 bis 3 (d.h. hier bspw. EEG- Signalabschnitte oder EP-Signalabschnitte) Zahlenwerte für drei Bedingungsattribute Bl, B2 und B3 zugeordnet sind. Ein Entscheidungsattribut D, das hier die Werte 0 und 1 annimmt, ist für die Objekte Nr.1 und Nr.2 auf 1 , und für das Objekt Nr.3 auf 0 gesetzt.4 shows a table in which three objects Nos. 1 to 3 (i.e. here EEG signal sections or EP signal sections) are assigned numerical values for three condition attributes B1, B2 and B3. A decision attribute D, which here takes on the values 0 and 1, is set to 1 for objects No.1 and No.2 and to 0 for object No.3.
Fig. 5 zeigt beispielsweise anhand des Objektes 1 ein Schema für die Zuordnung der Werte der Bedingungsattribute Bl, B2 und B3 zu den Elementen der Grundmengen 1 bis 6, die bspw. durch eine übliche, scharfe Kategorisierung (wie oben beschrieben) bestimmt werden, und Zugehörigkeitsfunktionen μ für die Elemente der Grundmenge. Jeder reelwertige Parameterwert wird zwei Elementen der Grundmenge (zwei Kategorien) unter Verwendung der Zugehörigkeitsfunktionen μ zugeordnet. Diese Elemente werden wie folgt bestimmt: Für jedes Element der Grundmenge (Kategorie) jedes Parameters wird eine Zugehörigkeitsfunktion bestimmt. Diese ordnet dem reelwertigen Parameterwert einen Zahlenwert zwischen 0 und 1 zu, der ein Mass dafür darstellt, wie sehr (bzw. in welchem Masse) ein (reeler) Parameterwert dem betrachteten Element der Grundmenge zuzuordnen ist. Die Zugehörigkeitsfunktionen nehmen in der Mitte zwischen den Intervallgrenzen den Funktionswert (bei der hier gewählten Normierung) μ = 1 an. Zu grösser werdenden reelen Werten hin fällt μ linear ab, bis zur Mitte zwischen den Grenzen des nächst grösseren Elementes μ = 0 erreicht wird. Für weiter steigende Werte (bzw. für grössere Werte) bleibt μ = 0. Analoges gilt für kleiner werdende Werte (Dreiecksfunktionen). Nur die Zugehörigkeitsfunktionen benachbarter Elemente überlappen, wie in Fig. 5 dargestellt ist, und die Summe ihrer Funktionswerte ihre ergibt immer, d.h. für jeden Parameterwert 1.5 shows, for example on the basis of object 1, a scheme for assigning the values of the condition attributes B1, B2 and B3 to the elements of the basic sets 1 to 6, which are determined, for example, by a customary, sharp categorization (as described above), and Membership functions μ for the elements of the basic set. Each real-valued parameter value is assigned to two elements of the basic set (two categories) using the membership functions μ. These elements are determined as follows: A membership function is determined for each element of the basic set (category) of each parameter. This assigns a numerical value between 0 and 1 to the real parameter value, which represents a measure of how much (or to what extent) a (real) parameter value is to be assigned to the element of the basic set under consideration. The membership functions assume the function value (with the standardization selected here) μ = 1 in the middle between the interval limits. As the real values increase, μ drops linearly down to the middle between the limits of the next larger element μ = 0 is reached. For further increasing values (or for larger values) μ = 0 remains. The same applies to decreasing values (triangular functions). Only the membership functions of adjacent elements overlap, as shown in FIG. 5, and the sum of their function values always results in them, ie 1 for each parameter value.
Die Zuordnung der Bedingungsattribute Bl, B2 und B3, in Fig. 5 durch Zahlenstrahlen dargestellt, erfolgt über die Zugehörigkeitsfunktionen. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann jeder Bedingungsattributwert (höchstens) zwei Elementen der Grundmenge zugeordnet werden, d.h. nur für zwei Elemente der Grundmenge ist μ ≠ 0.The assignment of the condition attributes B1, B2 and B3, represented by number lines in FIG. 5, takes place via the membership functions. As shown in Fig. 5, each condition attribute value (at most) can be assigned to two elements of the basic set, i.e. μ ≠ 0 is only for two elements of the basic set.
Für Objekt 1 erhält man z.B. die in einer Tabelle in Fig. 6 dargestellte Zuordnung derFor object 1 you get e.g. the assignment of the shown in a table in Fig. 6
Zahlenwerte der Bedingungsattribute Bl, B2 und B3 („Attribute") zu den Elementen derNumerical values of the condition attributes B1, B2 and B3 ("attributes") for the elements of the
Grundmenge mit μ ≠ 0. Das kleinere Element aus der Grundmenge 1 bis 6 wird mit Element x bezeichnet, das grössere Element aus der Grundmenge 1 bis 6 mit Element y. Weiter sindBasic set with μ ≠ 0. The smaller element from basic set 1 to 6 is called element x, the larger element from basic set 1 to 6 with element y. Are further
Zugehörigkeitsgrade μx und μy für die beiden Elemente angegeben.Degrees of membership μ x and μ y are given for the two elements.
Der Wert 1.7 für Bl wird mit dem Zugehörigkeitsgrad μx = 0.3 dem Element 1 der GrundmengeThe value 1.7 for Bl with element of membership μ x = 0.3 becomes element 1 of the basic set
(Elemente x), und mit dem Zugehörigkeitsgrad μy = 0.7 dem Element 2 der Grundmenge(Elements x), and with the degree of membership μ y = 0.7 element 2 of the basic set
(Elemente y) zugeordnet (siehe Fig.4 und strichlierte Linie I in Fig. 5).(Elements y) assigned (see Fig. 4 and dashed line I in Fig. 5).
Entsprechend wird dem Wert 26 für B2 der Zugehörigkeitsgrad μx= 0.4 bezüglich des ElementesCorresponding to the value 26 for B2, the degree of membership μ x = 0.4 with respect to the element
2 der Grundmenge (Elemente x), und der Zugehörigkeitsgrad μy = 0.6 bezüglich des Elementes2 of the basic set (elements x), and the degree of membership μ y = 0.6 with respect to the element
3 der Grundmenge (Element y) zugeordnet (siehe Fig.4 und strichlierte Linie II in Fig. 5). Auf die gleiche Weise wird dem Wert 320 für B3 der Zugehörigkeitsgrad μx= 0.8 bezüglich des Elementes 3 der Grundmenge (Element x) und der Zugehörigkeitsgrad μy = 0.2 bezüglich des Elementes 4 (Element y) der Grundmenge 4 zugeordnet (siehe Fig.4 und strichlierte Linie HI in Fig. 5).3 assigned to the basic set (element y) (see FIG. 4 and dashed line II in FIG. 5). In the same way, the value 320 for B3 is assigned the degree of membership μ x = 0.8 with respect to element 3 of the basic set (element x) and the degree of membership μ y = 0.2 with respect to element 4 (element y) of basic set 4 (see FIG. 4 and dashed line HI in Fig. 5).
Für die anderen Objekte Nr. 2 und 3 können auf die gleiche Weise Tabellen erstellt werden, in welchen jedem Bedingungsattributwert (ein oder) zwei Elemente der Grundmengen zugeordnet werden.Tables can be created for the other objects no. 2 and 3 in the same way, in which each condition attribute value (one or) is assigned two elements of the basic sets.
In Fig. 7 ist eine Tabelle dargestellt, in welcher aus einem Objekt, hier bspw. Nr. 1; mehrere Objekte, hier bspw. Nr. 1.1 bis 1.8, erzeugt sind, die jede der in der Tabelle aus Fig. 6 enthaltenen Kombinationen der Kategorien (Elemente der Grundmenge) des Objekts Nr. 1 enthält. Hierzu weist die Tabelle in Fig. 7 Spalten für die Zuordnung der Elemente der Grundmengen zu den Bedingungsattributen Bl, B2 und B3 und Spalten μsu μm und μß3 für Werte von μ auf, welche den Bedingungsattributen Bl, B2 und B3 in den Grundmengen jeweils zugeordnet sind.FIG. 7 shows a table in which an object, here, for example, No. 1; several objects, here, for example, Nos. 1.1 to 1.8, are generated, which contain each of the combinations of the categories (elements of the basic set) of the object No. 1 contained in the table from FIG. 6. For this the table in FIG. 7 has columns for the assignment of the elements of the basic sets to the condition attributes Bl, B2 and B3 and columns μsu μm and μß 3 for values of μ, which are respectively assigned to the condition attributes Bl, B2 and B3 in the basic sets ,
Die Objekte Nr. 1.1 bis 1.4 beziehen sich auf die Kombinationen aus Fig. 6, bei welchen Bl dem Wert 1 der Grundmenge zugeordnet ist (Feld links oben in Fig. 6 und linke Spalte, obere Hälfte in Fig. 7). Bei diesem ist μx = 0.3, wie aus der Tabelle in Fig. 6 zu sehen ist. μsi ist deshalb für die Objekte Nr. 1.1 bis 1.4 auf 0.3 gesetzt. Die Objekte Nr. 1.5 bis 1.8 beziehen sich auf die Kombinationen aus Fig. 6, bei welchen Bl dem Element 2 der Grundmenge zugeordnet ist (Fig. 6). Bei diesen ist μy = 0.7, wie aus der Tabelle in Fig. 6 zu sehen ist. μm ist deshalb für die Objekte Nr. 1.5 bis 1.8 auf μsi = 0.7 gesetzt.Objects 1.1 to 1.4 relate to the combinations from FIG. 6, in which B1 is assigned the value 1 of the basic set (field at the top left in FIG. 6 and left column, upper half in FIG. 7). In this case, μ x = 0.3, as can be seen from the table in FIG. 6. μsi is therefore set to 0.3 for objects no. 1.1 to 1.4. Objects 1.5 to 1.8 relate to the combinations from FIG. 6, in which B1 is assigned to element 2 of the basic set (FIG. 6). In these, μ y = 0.7, as can be seen from the table in FIG. 6. μm is therefore set to μsi = 0.7 for objects no. 1.5 to 1.8.
Wie ferner aus der Tabelle von Fig. 6 hervorgeht (zweite Reihe) kann B2 den Elementen 2 oder 3 der Grundmenge zugeordnet sein, wobei die Werte μx = 0.4 bzw. μy = 0.6 in Fig.6 zugeordnet sind. Dementsprechend ist μs2 auf 0.4 für die Zuordnung zu Element 2 der Grundmenge und auf 0.6 für die Zuordnung zu Element 3 der Grundmenge gesetzt (vierte Spalte in Fig. 7). Aus der Tabelle von Fig. 6 geht des weiteren hervor (dritte Reihe), dass B3 dem Element 3 der Grundmenge oder dem Element 4 der Grundmenge zugeordnet sein kann, wobei die Werte μx = 0.8 bzw. μy = 0.2 in Fig.6 zugeordnet sind. Dementsprechend ist μe3 auf 0.8 für Element 3 und auf 0.2 für Element 4 gesetzt (sechste Spalte in Fig. 7).As can also be seen from the table in FIG. 6 (second row), B2 can be assigned to elements 2 or 3 of the basic set, the values μ x = 0.4 and μ y = 0.6 being assigned in FIG. 6. Accordingly, μs 2 is set to 0.4 for the assignment to element 2 of the basic set and to 0.6 for the assignment to element 3 of the basic set (fourth column in FIG. 7). The table in FIG. 6 also shows (third row) that B3 can be assigned to element 3 of the basic set or element 4 of the basic set, the values μ x = 0.8 or μ y = 0.2 in FIG. 6 assigned. Accordingly, μe3 is set to 0.8 for element 3 and to 0.2 for element 4 (sixth column in FIG. 7).
Dadurch wird eine Kategorisierung erhalten, die aus dem Objekt Nr. 1 von Fig.4 acht Objekte Nr. 1.1 bis 1.8 liefert.A categorization is thereby obtained, which delivers eight objects Nos. 1.1 to 1.8 from the object No. 1 of FIG.
Für diese Objekte Nr. 1.1 bis 1.8 wird jeweils die Summe der Werte der Zugehörigkeitsgrade μsi, μβ2 und μs3 gebildet (Sum μ in der rechten Spalte von Fig. 7).For these objects Nos. 1.1 to 1.8, the sum of the values of the membership degrees μsi, μβ 2 and μs3 is formed (Sum μ in the right column of FIG. 7).
Entsprechende Tabellen können in gleicher Weise für die Objekte Nr.2 und 3 aus Fig. 4 erstellt werden, wobei jeweils eine Kategorisierung erhalten wird, die aus den Objekten 2 und 3 jeweils acht Objekte 2.1 bis 2.8 bzw. 3.1 bis 3.8 erzeugt.Corresponding tables can be created in the same way for objects No. 2 and 3 from FIG. 4, whereby a categorization is obtained in each case, which generates eight objects 2.1 to 2.8 or 3.1 to 3.8 from objects 2 and 3, respectively.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen jeweils Tabellen, in welchen die auf diese Weise erhaltenen Objekte mit ihren über die jeweilige Zuordnung zu Elementen der Grundmenge kategorisierten Parameterwerten dargestellt sind, und eine Gewichtung der Objekte angegeben ist. Fig. 8 zeigt die Tabelle für das Objekt Nr.1 , bzw. die daraus erzeugten Objekte Nr. 1.1 bis 1.8. Für die hier erfolgende Gewichtung werden die Summenwerte Sum μ aus Fig. 7 durch die Gesamtsumme der Summenwerte für alle Objekte (hier bspw. 12, siehe letzte Reihe der Tabelle von Fig.7) geteilt. Ferner ist in der Tabelle in Fig. 8 für jedes dieser Objekte die in der Tabelle von Fig. 7 eingetragene Zuordnung zu Elementen der Grundmenge der Parameterwerte für die Parameter Bl, B2 und B3, sowie der dem Objekt Nr.l in Fig.4 zugeordnete Wert des Entscheidungsattributs D angegeben.FIGS. 8 to 10 each show tables in which the objects obtained in this way are shown with their parameter values categorized via the respective assignment to elements of the basic set, and a weighting of the objects is indicated. 8 shows the table for object no. 1, or the objects no. 1.1 to 1.8 generated therefrom. For the weighting carried out here, the sum values Sum μ from FIG. 7 are divided by the total sum of the sum values for all objects (here, for example, 12, see last row of the table in FIG. 7). Furthermore, in the table in FIG. 8, for each of these objects, the assignment to elements of the basic set of parameter values for the parameters B1, B2 and B3, as well as that assigned to object No. 1 in FIG. 4, is entered in the table of FIG. 7 Value of decision attribute D specified.
Fig.9 zeigt eine entsprechend abgeleitete Tabelle für das Objekt Nr. 2 aus Fig.4, wobei die aus dem Objekt Nr. 2 abgeleiteten Objekte in Fig. 9 mit 2.1 bis 2.8 bezeichnet sind.FIG. 9 shows a correspondingly derived table for object no. 2 from FIG. 4, the objects derived from object no. 2 being designated 2.1 to 2.8 in FIG. 9.
In Fig. 10 ist eine entsprechende Tabelle für das Objekt Nr. 3 aus Fig. 4 erstellt.A corresponding table for object no. 3 from FIG. 4 is created in FIG. 10.
Fig. 11 zeigt eine Tabelle, in der die neu erzeugten Tabellen für die Objekte Nr. 1 bis 3 (Fig.8 bis 10) vereinigt sind.Fig. 11 shows a table in which the newly created tables for objects Nos. 1 to 3 (Fig. 8 to 10) are combined.
Hinsichtlich der Objekte Nr.l und Nr.2, die gleiche Werte des Entscheidungsattributs D =1 aufweisen, werden alle in mindestens einem Attributwert Bl bis B3 unterschiedlichen Objekte der Tabelle aus Fig. 9 in die Tabelle aus Fig. 8 eingefügt. Treten ununterscheidbare Objekte auf, so wird nur das Gewicht der Tabelle von Fig. 8 erhöht.With regard to objects No. 1 and No. 2, which have the same values of the decision attribute D = 1, all objects of the table from FIG. 9 that are different in at least one attribute value B1 to B3 are inserted into the table from FIG. 8. If indistinguishable objects occur, only the weight of the table in FIG. 8 is increased.
Bei dem hier beschriebenen Beispiel sind die Objekte 1.5 und 2.4 in Fig. 8 bzw. 9 nicht unterscheidbar, weil sie beide die Werte 2, 2, 3, 1 aufweisen. Deshalb wird Objekt 2.4 nicht neu in die Tabelle von Fig. 11 eingefügt, sondern das Gewicht von 5' (ursprünglich 1.5) um das Gewicht von 2.4 erhöht. Alle anderen Objekte der Tabelle von Fig. 9 werden der Tabelle von Fig. 8 hinzugefügt.In the example described here, objects 1.5 and 2.4 in FIGS. 8 and 9 cannot be distinguished because they both have the values 2, 2, 3, 1. Therefore object 2.4 is not newly inserted into the table of FIG. 11, but the weight of 5 '(originally 1.5) is increased by the weight of 2.4. All other objects in the table of FIG. 9 are added to the table of FIG. 8.
Hinsichtlich des Objektes Nr. 3, welches einen anderen Wert des Entscheidungsattributes D = 0 aufweist, werden in die letzten acht Reihen in Fig.11 die Reihen der Tabelle aus Fig.10 eingesetzt. Da Objekt 3 einen anderen Wert des Entscheidungsattributes (D = 0) hat, als die Objekte Nr. 1 und 2 aus Fig. 4 (D = 1), liefert Objekt Nr. 3 acht weitere neue Objekte. Genauer hat zwar das Objekt 3.2 dieselben Werte für die Attribute Bl, B2 und B3 wie Objekt 1.3. Da aber der Wert des Entscheidungsattributes D für das Objekt Nr. 3 sich von den Werten des Entscheidungsattributs D der Objekte Nr.1 und Nr.2 unterscheidet, werden die Objekte 3.2 und 1.3 nicht zusammengefasst.With regard to object no. 3, which has a different value of the decision attribute D = 0, the rows of the table from FIG. 10 are inserted in the last eight rows in FIG. Since object 3 has a different value of the decision attribute (D = 0) than objects no. 1 and 2 from FIG. 4 (D = 1), object no. 3 supplies eight further new objects. Specifically, object 3.2 has the same values for attributes B1, B2 and B3 as object 1.3. But since the value of the decision attribute D for object no. 3 differs from the values of the Decision attribute D of objects No.1 and No.2, objects 3.2 and 1.3 are not summarized.
In der endgültigen Tabelle ergibt die Summe der Gewichte die Anzahl der ursprünglichen Objekte.In the final table, the sum of the weights gives the number of original objects.
Die so erhaltene Tabelle kann mit einem Programm weiterverarbeitet werden, welches eine Eingangstabelle verarbeitet, die ein Attribut mit der Anzahl der von einer Zeile beschriebenen Objekte enthält und diese Anzahl bei der Berechnung berücksichtigt. (In der oben beschriebenen Tabelle beschreibt das Gewicht ebenfalls die Anzahl der Objekte, allerdings in Form eines nicht- ganzahligen Wertes).The table obtained in this way can be processed further with a program which processes an input table which contains an attribute with the number of objects described by a line and takes this number into account in the calculation. (In the table described above, the weight also describes the number of objects, but in the form of a non-integer value).
Anstelle der in Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen und dort gezeigten Dreiecksfunktionen können andere Zugehörigkeitsfunktionen μ verwendet werden. Beispielsweise können ttapezfbrmige Funktionen verwendet werden, in welchen ein mittlerer Abschnitt konstant (bspw. = 1) ist und nur seitliche abfallende Bereiche überlappen. Ebenso kann, anders als in dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel, eine nicht äquidistante Unterteilung in Elemente der Grundmenge erfolgen. Ausserdem können auch unsymmetrische Zugehörigkeitsfunktionen verwendet werden. Derartige Varianten können verwendet werden, um die Kategorisierung an die jeweils zu kategorisierenden Parameter bzw. Parameterwerte anzupassen.Instead of the triangular functions described in connection with FIG. 5 and shown there, other membership functions μ can be used. For example, functions in the form of a ttape can be used in which a central section is constant (for example = 1) and only overlap with falling areas on the side. Similarly, unlike in the example shown in FIG. 5, a non-equidistant division into elements of the basic set can take place. In addition, asymmetrical membership functions can also be used. Such variants can be used to adapt the categorization to the parameters or parameter values to be categorized in each case.
Die Grundmenge und die Zugehörigkeitsfunktionen werden im Allgemeinen für jeden Parameter eigens festgelegt. Deshalb kann, anders als bei dem oben beschriebenen Beispiel, die Anzahl der in der Grundmenge enthaltenen Elemente für verschiedene Parameter unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann für Bl die Grundmenge nur vier Elemente enthalten und für B3 acht Elemente.The basic set and the membership functions are generally defined for each parameter. Therefore, unlike the example described above, the number of elements contained in the basic set can be different for different parameters. For example, the basic set can only contain four elements for B1 and eight elements for B3.
Zusammenfassend wird mit diesem Kategorisierungserfahren eine Kategorisierung der Paramterwerte erhalten werden, welche durch die Überschneidung der Grundmengen berücksichtigt, wie nahe ein Parameterwert an der Intervallgrenze einer Grundmenge liegt, weil die bei der Zuordnung eines Parameterwertes jeweils erhaltenen Werte der Zugehörigkeitsfunktionen μx und μy in einen Gewichtungsfaktor eingehen.In summary, with this categorization method, a categorization of the parameter values will be obtained, which takes into account the overlap of the basic quantities, how close a parameter value is to the interval limit of a basic quantity, because the values of the membership functions μ x and μ y obtained when assigning a parameter value into one Weighting factor.
Dieser Gewichtungsfaktor kann dann bei der Anwendung von Regeln, die aus dem jeweiligen Objekt, (bzw. im Ausfuhrungsbeispiel Zeitabschnitt abgeleitet wurden) berücksichtigt werden. AbwandlungenThis weighting factor can then be taken into account when applying rules that have been derived from the respective object (or, in the exemplary embodiment, time period). modifications
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der zweite Reduktionsschritt angewandt, in welchem Bedingungsattribute bestimmt werden, die nicht zur Unterscheidung zwischen den Zuständen „wach" und „bewusstlos" herangezogen werden können, um diese Bedingungsattribute aus der Entscheidungstabelle herauszunehmen. Dieser zweite Reduktionsschritt kann auch weggelassen werden, mit der Folge, dass u. U. redundante Regeln abgeleitet werden.In the exemplary embodiment described above, the second reduction step is used, in which condition attributes are determined which cannot be used to distinguish between the states "awake" and "unconscious" in order to remove these condition attributes from the decision table. This second reduction step can also be omitted, with the result that u. U. redundant rules can be derived.
Ebenso kann die regel-basierte Klassifizierung, die bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen angewandt wird, weggelassen werden, und anstelle davon eine andere Art der Klassifizierung vorgenommen werden.Likewise, the rule-based classification used in the above-described embodiments may be omitted and another type of classification may be used instead.
Es kann auch der erste Reduktionsschritt weggelassen werden.The first reduction step can also be omitted.
Im übrigen ist das beschriebene Verfahren auch dafür geeignet, mehr als zwei Zustände zu behandeln. Das Verfahren kann deshalb auch zur Unterscheidung mehrerer Narkosestadien genutzt werden und ist nicht auf die Unterscheidung der Zustände „wach" und „bewusstlos" beschränkt.The method described is also suitable for treating more than two states. The method can therefore also be used to distinguish between several stages of anesthesia and is not limited to the distinction between the states "awake" and "unconscious".
Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können aus den Objekten Nr. 1 und 6 keine gültigen Regeln erzeugt werden, da diese hinsichtlich ihrer Bedingungsattribute nicht unterscheidbar, aber verschiedenen Entscheidungen zugeordnet sind. Für diese werden keine Regeln erzeugt.In the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2, no valid rules can be generated from objects 1 and 6, since these cannot be distinguished with regard to their condition attributes, but are assigned to different decisions. No rules are generated for these.
In dem Ausführungsbeispiel werden für das Narkosemonitoring EEG-Signale verwendet. Das Verfahren ist hierauf nicht beschränkt, sondern kann entsprechend auch mit anderen Biosignalen, wie beispielsweise Blutdruckwerten ausgeführt werden. In the exemplary embodiment, EEG signals are used for anesthetic monitoring. The method is not limited to this, but can also be carried out accordingly with other biosignals, such as blood pressure values.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Auswahl von Parametern für das Narkosemonitoring aus einem Biosignal, insbesondere aus EEG- und EP-Signalen, umfassend die Schritte: Extrahieren von Zeitabschnitten (Nr. 1 bis 8) aus dem erfassten Biosignal, Bestimmen von Zahlenwerten, die vorbestirnmte Einzelparameter (Mediän, SEF95, ..) in den Zeitabschnitten (Nr.l bis 8) jeweils annehmen, Einordnen dieser Einzelparameterwerte in vorbestimmte Kategorien (niedrig/mittel/hoch), Vergleich von Kombinationen der Gesamtheit der kategorisierten Einzelparameterwerte der Zeitabschnitte (Nr. 1 bis 8), um festzustellen, welche Einzelparameter für eine Unterscheidung eines Zeitabschnitts von den anderen Zeitabschnitten entbehrlich sind, und Kombination der Einzelparameter, die für eine Unterscheidung der Zeitabschnitte (Nr. 1 bis 8) nicht entbehrlich sind.1.Procedure for selecting parameters for anesthesia monitoring from a biosignal, in particular from EEG and EP signals, comprising the steps: extracting time segments (No. 1 to 8) from the recorded biosignal, determining numerical values, the pre-determined individual parameters ( Accept Mediän, SEF95, ..) in the time periods (No. 1 to 8), classify these individual parameter values into predetermined categories (low / medium / high), compare combinations of the total of the categorized individual parameter values of the time periods (No. 1 to 8 ) to determine which individual parameters are unnecessary for differentiating a time period from the other time periods, and a combination of the individual parameters that are not necessary for differentiating the time periods (No. 1 to 8).
2. Verfahren zur Auswahl von Parametern für das Narkosemonitoring aus einem Biosignal, insbesondere aus EEG- und EP-Signalen, umfassend die Schritte: Extrahieren von Zeitabschnitten (Nr. 1 bis 8) aus dem erfassten Biosignal, Bestimmen von Zahlenwerten, die vorbestimmte Parameter (Mediän, SEF95, ..) in den Zeitabschnitten (Nr.l bis 8) jeweils annehmen, Einordnen dieser Parameterwerte in vorbestimmte Kategorien (niedrig/mittel/hoch), Vergleich der kategorisierten Parameterwerte der Zeitabschnitte (Nr. 1 bis 8), um festzustellen, welche Parameter für eine Unterscheidung eines Zeitabschnitts von den anderen Zeitabschnitten entbehrlich sind, und Eliminieren der Parameter, die für eine Unterscheidung der Zeitabschnitte (Nr. 1 bis 8) entbehrlich sind. 2. A method for selecting parameters for anesthesia monitoring from a biosignal, in particular from EEG and EP signals, comprising the steps: extracting time segments (No. 1 to 8) from the acquired biosignal, determining numerical values, the predetermined parameters ( Mediän, SEF95, ..) in each of the time periods (No. 1 to 8), classify these parameter values into predetermined categories (low / medium / high), compare the categorized parameter values of the time periods (No. 1 to 8) to determine which parameters are unnecessary for differentiating a time period from the other time periods and eliminating the parameters which are unnecessary for differentiating the time periods (No. 1 to 8).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei von jeder Teilmenge der Bedingungsattribute Mengen von Zeitabschnitten (Äquivalenzklassen) gebildet werden, die bezüglich dieser Teilmenge nicht unterscheidbar sind, um mit der Menge von Zeitabschnitten (Aquivalenzklassen) verglichen zu werden, die bei gleichzeitiger Betrachtung aller Bedingungsattribute gefunden werden, und bei Übereinstimmung der Mengen von Zeitabschnitten (Äquivalenzklassen) festgestellt wird, dass ein in dieser Teilmenge nicht enthaltener Parameter für eine Unterscheidung eines Signal-Zeitabschnitts von den anderen Zeitabschnitten entbehrlich ist.3. The method of claim 1 or 2, wherein from each subset of the condition attributes sets of time periods (equivalence classes) are formed, which are indistinguishable with respect to this subset, in order to be compared with the set of time periods (equivalence classes), while considering all Condition attributes are found, and if the sets of time periods (equivalence classes) match, it is found that a parameter not included in this subset is unnecessary for distinguishing a signal time period from the other time periods.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei für jeden extrahierten Zeitabschnitt (Nr. 1 bis 8) ein Narkosezustand (wach/bewusstlos) während des jeweils zugehörigen Zeitabschnittes bestimmt wird, die kategorisierten Parameterwerte der Zeitabschnitte (Nr. 1-8), die dem selben Narkosezustand zugeordnet sind, verglichen werden, um festzustellen, welche Parameter zur Zuordnung des Narkosezustands erforderlich sind, und wobei Parameter eliminiert werden, die nicht zur Zuordnung des Narkosezustands erforderlich sind (zweiter Reduktionsschritt).4. The method of claim 1, 2 or 3, wherein for each extracted time period (No. 1 to 8) a state of anesthesia (awake / unconscious) is determined during the respectively associated time period, the categorized parameter values of the time periods (No. 1-8) which are assigned to the same anesthetic state are compared in order to determine which parameters are required for the assignment of the anesthetic state, and parameters which are not required for the assignment of the anesthetic state are eliminated (second reduction step).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei zu allen Teilmengen der Bedingungsattribute die Zeitabschnitte gezählt werden, die nicht einem Wert des Entscheidungsattributs (Narkosezustand) zugeordnet werden können, weil sie einer Äquivalenzklasse und unterschiedlichen Werten des Entscheidungsattributes (Narkosezustand) zugeordnet sind, und bei Übereinstimmung der Zahl der Zeitabschnitte, die nicht einem Wert des Entscheidungsattributs (Narkosezustand) zugeordnet werden können, festgestellt wird, dass ein in dieser Teilmenge nicht enthaltener Parameter zur Zuordnung des Narkosezustands nicht erforderlich ist.5. The method of claim 4, wherein for all subsets of the condition attributes are counted the time periods that can not be assigned a value of the decision attribute (anesthetic state) because they are assigned to an equivalence class and different values of the decision attribute (anesthetic state), and if the Number of time periods that cannot be assigned to a value of the decision attribute (anesthesia state), it is determined that a parameter not included in this subset is not necessary for the assignment of the anesthetic state.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus den kategorisierten Parameterwerten eines oder mehrerer Zeitabschnitte ein Entscheidungssystem (basiert auf Regeln) abgeleitet wird, das eine Zuordnung von Parameterwerten eines jeweils entsprechenden Zeitabschnittes zu einem Narkosezustand (wach/bewusstlos) ermöglicht.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a decision system (based on rules) is derived from the categorized parameter values of one or more time periods, which enables an assignment of parameter values of a respective corresponding time period to an anesthetic state (awake / unconscious).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Einordnen von Parameterwerten eine Fuzzykategorisierung angewandt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein a fuzzy categorization is used for the classification of parameter values.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei den Zeitabschnitten Gewichtungen zugeordnet werden.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the time periods are assigned weights.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei der Bildung von Regeln den gebildeten Regeln eine Gewichtung zugeordnet wird, die aus den Gewichtungen der Zeitabschnitte bestimmt wird. 9. The method according to claim 8, wherein when the rules are formed, a weighting is assigned to the rules formed, which weighting is determined from the weightings of the time segments.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4454886A (en) * 1981-09-14 1984-06-19 Lee Arnold S J EEG With audio output
US6493576B1 (en) * 1996-06-17 2002-12-10 Erich Jaeger Gmbh Method and apparatus for measuring stimulus-evoked potentials of the brain
US20030055355A1 (en) * 2000-10-16 2003-03-20 Viertio-Oja Hanna Elina Method and apparatus for determining the cerebral state of a patient with fast response

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