Ein Ansatz zur störungsresistenten Bestimmung der Phase visuell evozierter Signale

Abstract Besides the amplitudes of a measurement signal, the phase provides an additional important access point for understanding electrophysiological systems. With evaluation of the phase values and their temporal behaviour, physiological and pathological insights can be gained providing driving contributions for the functional and differential diagnosis. Many conventional phase estimation methods used to determine the temporal behaviour need high calculation capacities or lead to a lot of restrictions. The presented method reproduces the visual transfer function in a state observer where the state variable represents the phase of the physiological signal to be analysed. The observer was designed in the time domain relating to stochastic criterions. In contrast to real physiological systems the phase values of the state observer are measurable immediately. The simplest realization of the observer tracks the phase with high temporal resolution. The results of the phase estimation regarding stochastic criteria are identical to those of known best practices for phase determination of electrophysiological signals. At the same time the calculation effort is much less strenuous compared with conventional methods. In an enhanced realization the phase estimator provides results more accurate by an order of magnitude. The new method will be used to investigate phase values of visual evoked steady- state potentials. From the range and course of phase values and the knowledge of stimulation parameters, the activation states of the visual system can be suggested. With the results of the observer, the time differences between regions of the visual cortex can also be calculated. Furthermore, after a small variation of the observer, it is possible to detect harmonic signal components in the electroencephalogram (EEG). The approaches described are tested in detail with simulated and real EEG-data.Neben den Amplituden bzw. Effektivwerten eines Messsignals liefert die Phase einen weiteren wichtigen Zugang zum Verständnis elektrophysiologischer Systeme. Aus der Bewertung der Phasen und deren zeitlichenVerlauf lassen sich physiologische und pathologische Erkenntnisse ableiten, die zur Funktions- und Differentialdiagnostik einen entscheidenden Beitrag liefern. Bei vielen bekannten Methoden zur Phasenbestimmung ist allerdings die Ermittlung des temporalen Verlaufs der Phase nur mit sehr vielen Einschränkungen möglich, oder muss mit entsprechend hohem Rechenaufwand erkauft werden. Bei dem hier vorgestellten Verfahren wird die visuelle Übertragungsstrecke in einem Zustandsbeobachter abgebildet, dessen Zustandsgröße die gesuchte Phase darstellt. Der Entwurf des Beobachters erfolgt nach stochastischen Kriterien im Zeitbereich. Im Gegensatz zum realen System steht die Phase unmittelbar messtechnisch zur Verfügung. In der einfachsten Ausführung des Zustandsbeobachters wird die Phase mit hoher temporaler Auflösung verfolgt. Dabei sind die Ergebnisse der Phasenschätzung bezüglich stochastischer Kriterien identisch mit den Resultaten der besten bisher bekannten Verfahren zur Ermittlung der Phase elektrophysiologischer Signale. Gleichzeitig ist der Rechenaufwand wesentlich geringer als bei anderen Methoden. In einer weiteren Ausführung liefert der beschriebene Phasenschätzer Ergebnisse, die um eine Größenordnung besser sind als die besten bisher bekannten Schätzer. Angewandt wird das Verfahren zur Bestimmung der Phase visuell evozierter steady-state Potentiale. Aus der Kenntnis der Phasenverläufe und der Stimulationsparameter kann man somit auf Aktivierungszustände des visuellen Systems schließen. Mit den Ergebnissen des Beobachters lassen sich ebenso Laufzeiten zwischen den Ableitorten des EEG bestimmen. Nach einer Variation im Beobachter ist es weiterhin möglich, eine Detektion harmonischer Signalkomponenten im EEG durchzuführen. Die verschiedenen Ansätze werden ausgiebig mit simulierten und realen Daten getestet