Volume 51, Issue 2

In the last two decades conventional linear methods for biosignal analysis have been substantially extended by non-stationary, non-linear, and complexity approaches. So far, complexity is usually assessed with regard to one single time scale, disregarding complex physiology organised on different time scales. This shortcoming was overcome and medically evaluated by information flow functions developed in our research group in collaboration with several theoretical, experimental, and clinical partners. In the present work, the information flow is introduced and typical information flow characteristics are demonstrated. The prognostic value of autonomic information flow (AIF), which reflects communication in the cardiovascular system, was shown in patients with multiple organ dysfunction syndrome and in patients with heart failure. Gait information flow (GIF), which reflects communication in the motor control system during walking, was introduced to discriminate between controls and elderly patients suffering from low back pain. The applications presented for the theoretically based approach of information flow confirm its value for the identification of complex physiological systems. The medical relevance has to be confirmed by comprehensive clinical studies. These information flow measures substantially extend the established linear and complexity measures in biosignal analysis. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden die konventionellen linearen Methoden der Biosignalanalyse in beträchtlichem Maße durch nichtstationäre, nichtlineare und Komplexitäts-Verfahren erweitert. Bisher wurde bei der Definition von Komplexitätsmaßen üblicherweise nur eine einzelne Zeitskala betrachtet. Mit solchen Maßen können jedoch komplexe physiologische Vorgänge, die auf unterschiedlichen Zeitskalen organisiert sind, nicht adäquat erfasst werden. Der Informationsfluss erfasst komplexe Vorgänge über spezielle Zeitskalen. Darauf aufbauend wurden in unserer Forschungsgruppe in Zusammenarbeit mit den oben erwähnten verschiedenen theoretischen, experimentellen und klinischen Partnern neue Ansätze entwickelt. In der vorliegenden Arbeit wird der Begriff des Informationsflusses erklärt und typische Informationsfluss-Charakteristika werden gezeigt. Der prognostische Wert des autonomen Informationsflusses (AIF), der die Kommunikation innerhalb des kardiovaskulären Systems widerspiegelt, wird an Patienten mit Multiorganversagen und an Patienten mit Herzinsuffizienz demonstriert. Mit Hilfe des Gang-Informationsflusses (GIF), der die Kommunikation im motorischen Kontrollsystem beim Gehen widerspiegelt, ist eine Unterscheidung zwischen gesunden Kontrollpersonen und an Rückenschmerzen leidenden älteren Personen möglich. Die vorgestellten Anwendungen, die theoretisch auf dem Konzept des Informationsflusses basieren, zeigen dessen Bedeutung für die Charakterisierung komplexer physiologischer Systeme. Die medizinische Relevanz muss in weiteren umfassenden klinischen Studien bestätigt werden. Informationsflussmaße stellen eine wichtige Erweiterung der etablierten linearen und Komplexitäts-Maße in der Biosignalanalyse dar.

Current alarm systems in intensive care units create a very high rate of false positive alarms because most of them simply compare physiological measurements to fixed thresholds. An improvement can be expected when the actual measurements are replaced by smoothed estimates of the underlying signal. However, classical filtering procedures are not appropriate for signal extraction, as standard assumptions, such as stationarity, do no hold here: the time series measured often show long periods without change, but also upward or downward trends, sudden shifts and numerous large measurement artefacts. Alternative approaches are needed to extract the relevant information from the data, i.e., the underlying signal of the monitored variables and the relevant patterns of change, such as abrupt shifts and trends. This article reviews recent research on filter-based online signal extraction methods designed for application in intensive care.

Transferring a brain-computer interface (BCI) from the laboratory environment into real world applications is directly related to the problem of identifying user intentions from brain signals without any additional information in real time. From the perspective of signal processing, the BCI has to have an uncued or asynchronous design. Based on the results of two clinical applications, where ‘thought’ control of neuroprostheses based on movement imagery in tetraplegic patients with a high spinal cord injury has been established, the general steps from a synchronous or cue-guided BCI to an internally driven asynchronous brain-switch are discussed. The future potential of BCI methods for various control purposes, especially for functional rehabilitation of tetraplegics using neuroprosthetics, is outlined. Möchte man ein Brain-Computer Interface (BCI) aus der Laborumgebung in eine “Real-World”-Anwendung übertragen, so ist dies vergleichbar mit dem Problem, die Intentionen eines Benutzers einzig aus EEG-Signalen zu erkennen. Vom Gesichtspunkt der Signalverarbeitung aus muss das BCI im sogenannten asynchronen (“uncued”) Betrieb arbeiten. Die Schritte von einem synchronen (“cued”) BCI bis hin zu einem asynchronen “Brain-Switch” werden anhand zweier klinischer Anwendungen dargestellt. Dabei wird die “Gedankensteuerung” von Neuroprothesen, basierend auf Bewegungsvorstellungen, bei hoch-querschnittgelähmten Tetraplegikern angewandt und das zukünftige Potential des BCI als Steuerung für verschiedene Zwecke, speziell für funktionelle Rehabilitation bei Tetraplegikern, präsentiert.

An important feature of interaction between two signal components is the direction of the interaction. Recently, different methods have been developed and applied for detecting the direction of interactions. Besides frequency-dependent methods, Granger causality is a well-known frequency-independent approach. One popular linear approach is based on autoregressive modeling of the underlying process and evaluates prediction errors under different past assumptions. In the present study, this linear concept is extended to self-exciting threshold autoregressive models, which cover a wider class of processes. An approach for the definition of a state-dependent Granger causality is given and applied to simulated data.

In recent years the analysis of heart rate variability (HRV) has become a suitable method for characterizing autonomous cardiovascular regulation. The aim of this study was to investigate the differences in HRV estimated from continuous blood pressure (BP) measurement by different methods in comparison to electrocardiogram (ECG) signals. The beat-to-beat intervals (BBI) were simultaneously extracted from the ECG and blood pressure of 9 cardiac patients (10 min, Colin system, 1000-Hz sampling frequency). For both data types, slope, peak, and correlation detection algorithms were applied. The short-term variability was calculated using concurrent 10-min BP and ECG segments. The root mean square errors in comparison to ECG slope detection were: 1.74 ms for ECG correlation detection; 5.42 ms for ECG peak detection; 5.45 ms for BP slope detection; 5.75 ms for BP correlation detection; and 11.96 ms for BP peak detection. Our results show that the variability obtained with ECG is the most reliable. Moreover, slope detection is superior to peak detection and slightly superior to correlation detection. In particular, for ECG signals with higher frequency characteristics, peak detection often exhibits more artificial variability. Besides measurement noise, respiratory modulation and pulse transit time play an important role in determining BBI. The slope detection method applied to ECG should be preferred, because it is more robust as regards morphological changes in the signals, as well as physiological properties. As the ECG is not recorded in most animal studies, distal pulse wave measurement in combination with correlation or slope detection may be considered an acceptable alternative.

Sudden cardiac death (SCD) is a leading cause of mortality with an incidence of 3 million cases per year worldwide. Therapies for patients who have survived an SCD episode or have a high risk of developing lethal ventricular arrhythmia are well established and depend mainly on risk stratification. In this study we investigated the suitability of the non-linear measure compression entropy ( H C ) for improved risk prediction in cardiac patients. We recorded 24-h Holter ECG for 300 patients with congestive heart failure (CHF). During a mean follow-up period of 12 months, 32 patients died due to a cardiac event. H C depends on the compression parameters window length w and buffer length b , which were optimised by analysing a subgroup of patients. Compression entropies based on the beat-to-beat interval (BBI) were subsequently calculated and compared with standard heart-rate variability parameters. Statistical analysis revealed significant differences between high- and low-risk CHF patients in standard HRV measures, as well as compression entropy based on the BBI (cardiac death, p=0.005; SCD, p=0.02). In conclusion, the implementation of non-linear compression entropy analysis in multivariate analysis seems to be useful for enhanced risk stratification of cardiac death, especially SCD, in ischaemic cardiomyopathy patients. Der plötzliche Herztod (SCD) ist die Haupttodesursache weltweit (3 Millionen Fälle/Jahr). Moderne Methoden zur Therapie und Prävention des SCD sind abhängig von der Erkennung der Hochrisikopatienten. Das Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Eignung des nichtlinearen Parameters der Kompressionsentropie ( H C ) zur Risikostratifizierung bei ischämischer Herzinsuffizienz (CHF). Von 300 CHF-Patienten wurden 24-h Holter-EKGs im Rahmen einer spanischen Multicenter-Studie (MUSIC) aufgezeichnet. Innerhalb der anschließenden Follow-up-Phase (12 Monate) verstarben 32 Patienten aufgrund eines kardialen Ereignisses (Hochrisikogruppe). Mittels einer Patientenuntergruppe wurden die in die H C -Analyse eingehenden Parameter Fenster- und Bufferlänge optimiert. Zusätzlich zu der Berechnung von H C wurden die Standardparameter der Herzfrequenzvariabilität (HRV) bestimmt. Die statistische Analyse zeigte signifikante Unterschiede zwischen CHF-Patienten mit hohem und niedrigem Risiko in den Standardparametern der HRV (kardialer Tod: p=0,02; SCD: p=0,04) sowie Parametern der H C (kardialer Tod: p=0,005; SCD: p=0,02). Diese Ergebnisse zeigen die prinzipielle Eignung der H C für die Risikoanalyse des kardialen Todes insbesondere des plötzlichen Herztodes bei Patienten mit ischämischer Kardiomyopathie. Durch eine anschließende multivariate Analyse dieses nichtlinearen Parameters soll die Verbesserung der Ergebnisse bezüglich Sensitivität und Spezifität bestätigt werden.

Introduction : Magnetocardiography (MCG), which measures the magnetic component of the heart's electrical activity, offers an alternative approach for analyzing changes induced by coronary artery disease (CAD). This study examines several parameters that quantify spatial and temporal aspects of cardiac magnetic signals in CAD. Materials and methods : MCGs were registered at rest in 144 subjects, aged 58.3±9.8 years: 50 healthy subjects, 43 CAD patients without myocardial infarction (MI), 36 with MI, and 15 with spontaneous episodes of ventricular tachycardia (VT). Spatial characteristics of magnetic field maps (MFM), quantified using their centers of gravity, included MFM orientation and trajectory plots. Spatio-temporal analysis was performed by determining the spatial distribution of the QT interval. Results : In CAD patients, MFM orientation during the QT interval deviated from normal in 67% of patients without MI and in 85% of patients with MI. Trajectory plots deviated from those of the normal group, with deviation increasing with disease severity. Quantifying the distribution of QT interval duration using a smoothness index demonstrated a significant difference between the values for healthy subjects and non-MI patients, as well as MI patients with and without VT (p<0.001). Conclusion : The results reported demonstrate that disturbances in cardiac electrogenesis resulting from CAD may be assessed using MCG signal analysis.

EEG parameters for assessment of depth of anaesthesia are typically based on different signal processing methods, such as spectral and complexity analysis. In the present study, the parameters investigated (WSMF, qWSMF, approximate entropy and Lempel-Ziv complexity) do not correlate monotonically to depth of anaesthesia. To obtain this correlation, parameters are combined based on fuzzy inference, whereby each parameter only operates in a specific range. Fuzzy inference seems to be a suitable approach, as the indicator designed separates wakefulness from unconsciousness as well as the best single parameter does and correlates to the depth of anaesthesia.

Zusammenfassung Die aseptische Lockerung von Tibiakomponenten infolge Degradation der Grenzfläche zwischen Knochenzement und metallischer Tibiaoberfläche ist besonders bei nur oberflächenzementierten Tibiakomponenten nach wie vor ein klinisch bedeutsames Problem. Der zementierte Stem, der kleinere Raten der aseptischen Lockerung ermöglicht, bedeutet im Falle der Revision erhöhten metaphysären Knochenverlust. Außerdem bewirkt der zementierte Stem “stress shielding”. In dieser Studie wird diskutiert, wie für nur oberflächenzementierte Prothesen ähnliche Lockerungsraten wie für vollständig zementierte Tibiakomponenten erzielbar sein sollten. Es wird gezeigt, dass nach zyklischer Belastung ausgehend von der Oberfläche der Tibiakomponente exzessiv Risse und Spalten in den Knochenzement ausstrahlen, wenn die Oberfläche wie üblich nur rau ist. Zur Vermeidung dieser Risse und Spalten schlagen wir einen PVD-Prozess vor, in dem die metallische Oberfläche mit SiOx beschichtet wird. Ein biomechanisches Modell für einen zyklischen Ermüdungstest soll beweisen, dass Risse und Spalten signifikant reduziert werden, wenn die Oberfläche beschichtet ist. Die Rissanalyse zeigt, dass beschichtete Tibiakomponenten in der Grenzfläche Metall/Knochenzement eine hochsignifikant (p<0,01) verringerte Rissbildung aufweisen. Die Spaltbildung ist signifikant (p<0,05) verringert. Die Beschichtung reduziert in der Grenzfläche Metall/Knochenzement signifikant die durch hydrolytische Einwirkung der Körperflüssigkeit und zyklisch sich wiederholende Belastung bedingte Riss- und Spaltenbildung. Die Spannungsverteilung in der Grenzfläche wird homogener. Dadurch sollten sich bei nur oberflächenzementierten Tibiakomponenten die Lockerungsraten reduzieren lassen, so dass sie sich den Raten wie bei Komponenten annähern, bei denen nicht nur die Oberfläche, sondern auch der Stem zementiert ist.

Keramische Hüftköpfe aus Aluminiumoxidkeramik haben sich seit Jahren in der Endoprothetik etabliert, und ihre überragenden Verschleißeigenschaften gelten als wissenschaftlich belegt. Die konische Verbindung zwischen dem harten, aber auch spröden Keramikkopf und dem metallischen Hüftstiel muss der Operateur intraoperativ durchführen und wird dabei mit unpräzisen und sich von Hersteller zu Hersteller stark unterscheidenden Anweisungen oftmals allein gelassen. Die vorliegende Studie verdeutlicht die enorm großen Interpretationsvariationen im klinischen Alltag anhand der unterschiedlichen Handhabung bei der Montage. In vergleichbaren Situationen variierten die axialen Konussetzkräfte, die insgesamt 39 Operateure aus deutschen Kliniken aufwendeten, zwischen 273 N und 7848 N. Eine ergänzende Bauteilprüfung zeigt anhand der Messung der zur Lockerung der Konusverbindung erforderlichen Torsionsmomente, dass unter bestimmten Voraussetzungen bereits die Gelenkreibung des künstlichen Hüftgelenkes bei alltäglichen Aktivitäten ein Verdrehen und damit ein Lösen des Keramikkopfes vom Hüftstiel verursachen kann. Die Autoren sehen die dringende Notwendigkeit von eindeutigen Handhabungshinweisen und der Bereitstellung einer reproduzierbar sicheren Konuskopplungsmethode.