Dissertations / Theses on the topic 'ECG segmentation'

L'enregistrement ambulatoire continu de l'électrocardiogramme par la méthode de Holter (ECG ambulatoire) pourvoit des informations pour le dépistage de l'ischémie myocardique pour des patients atteints d'une maladie coronarienne. Dans ce contexte, nous proposons un système automatique d'analyse d'ECG ambulatoire basé sur la fusion d'une approche markovienne et d'une approche heuristique capable de détecter des épisodes ischémiques. L'approche markovienne permet d'extraire du signal ECG les informations nécessaires à l'analyse du décalage du segment ST. Notre approche est capable de prendre en compte des morphologies complexes grâce à une modélisation individuelle des ondes P, QRS et T par des modèles de Markov spécifiques. De plus, une stratégie originale d'apprentissage non supervisée permet d'adapter les paramètres du modèle markovien au signal de la personne. Pour obtenir une classification en terme de pathologie, nous avons ajouté des règles qui s'appliquent aux informations extraites du signal par l'approche markovienne. Nous avons aussi exploré la fusion des informations obtenues sur plusieurs dérivations produisant ainsi des résultats plus fiables. Finalement, notre système a été validé sur deux bases d'ECG ambulatoires. La performance a été évaluée pour différents problèmes : détection des complexes QRS, segmentation précise des ondes P et T, et du complexe QRS, détection des battements ventriculaires et détection des épisodes ischémiques. Les résultats permettent de mettre en valeur l'intérêt de la modélisation proposée et se situent favorablement par rapport à l'état de l'art
Ambulatory electrocardiography (AECG) provides precise and rich information from the clinical point of view for the diagnostic of cardiac diseases and particularly myocardial ischemia in patients with coronary disease. Early detection of myocardial ischemia allows fast diagnostic and makes treatment more effective. Ischemic episodes are detected through the ST-segment deviation function, wich is built after analysis of each heartbeat. In this context, we propose a system combining a Markovian approach and a heuristic approach to perform automatic ischemic episode detection. Our markovian approach extracts from the ECG signal the information needed to perform ST-sergment deviation analysis. It is able to take into account complex morphologies thanks to the use of individual HMM to model each beat waveform (P, QRS and T). In addition, our original non supervised training strategy provides HMM parameter adaptation to the ECG signal of each patient. To classify the ECG signal in terms of a specific abnormality, we added a set of rules to manage the information extracted from the signal. We also explored the information fusion obtained from different leads yielding to more reliable detection results. Finally, we assessed our system performance over two AECG databases. Different problems were concerned QRS complex detection, waveform sergmentation precision, premature ventricular contraction beat detection and ischemic episode detection. All results attest the interest in the approach proposed and compare favourably to the state of the art

Method of QRS-definition based on the wavelet transformation had been developed and realized in Matlab. The ECG-signal had been transformed by the complex Morlet-wavelet. Principle of QRS borders is based on the features of regular and irregular components of the certain wavelet spectrum.

This thesis studies Bayesian estimation/detection algorithms for P and T wave analysis in ECG signals. In this work, different statistical models and associated Bayesian methods are proposed to solve simultaneously the P and T wave delineation task (determination of the positions of the peaks and boundaries of the individual waves) and the waveform-estimation problem. These models take into account appropriate prior distributions for the unknown parameters (wave locations and amplitudes, and waveform coefficients). These prior distributions are combined with the likelihood of the observed data to provide the posterior distribution of the unknown parameters. Due to the complexity of the resulting posterior distributions, Markov chain Monte Carlo algorithms are proposed for (sample-based) detection/estimation. On the other hand, to take full advantage of the sequential nature of the ECG, a dynamic model is proposed under a similar Bayesian framework. Sequential Monte Carlo methods (SMC) are also considered for delineation and waveform estimation. In the last part of the thesis, two Bayesian models introduced in this thesis are adapted to address a specific clinical research problem referred to as T wave alternans (TWA) detection. One of the proposed approaches has served as an efficient analysis tool in the Endocardial T wave Alternans Study (ETWAS) project in collaboration with St. Jude Medical, Inc and Toulouse Rangueil Hospital. This project was devoted to prospectively assess the feasibility of TWA detection in repolarisation on EGM stored in ICD memories.

This diploma thesis is devoted to segmentation of ECG signal based on its quality and compression of quality segments suitable for diagnostics (in telemedicine). A completely new approach is to use accelerometer data to estimate ECG signal quality. This is possible thanks to the Bittium Faros mobile recorder. It records both the ECG signal motion – accelerometric data. A total of 34 features were extracted from accelerometric data. Using these features the predictive model was taught to classify the ECG signal into 3 quality groups according to the level of noise. Quality segments were compressed. The wavelet transform in combination with high-frequency bands zeroing and length encoding was used as a compression method.

This semestral thesis deals with methods for continuous estimation of the quality of the ECG signal. The theoretical part includes the functional anatomy of the heart, the basics of electrocardiography, the types of noise that can be found in the ECG records, and a description of several methods for the continuous estimation of the ECG signal quality. Next here are some approaches to segmenting ECG signals based on their quality. The practical part deals with the implementation of two methods. The first method is the SNR estimation method based on the Wiener filter. The second method is the method of segmentation of ECG signals based on their quality. Both methods were tested on artificial and real signals.

This work is dedicated to dynamic time warping in biosignal processing, especially it´s application for ECG signals. On the beginning the theoretical notes about cardiography are summarized. Then, the DTW analysis follows along with conditions and demands assessments for it’s successful application. Next, several variants and application possibilities are described. The practical part covers the design of this method, the outputs comprehension, settings optimization and realization of methods related with DTW

The brain requires a continuous supply of oxygen and nutrients, and even a short period of reduced oxygen supply can cause severe and lifelong consequences for the affected individual. The unborn baby is fairly robust, but there are of course limits also for these individuals. The mostsensitive and most important organ is the brain. When the brain is deprivedof oxygen, a process can start that ultimately may lead to the death of braincells and irreparable brain damage. This process has two phases; one more orless immediate and one delayed. There is a window of time of up to 24 hourswhere action can be taken to prevent the delayed secondary damage. One recently clinically available technique is to reduce the metabolism and thereby stop the secondary damage in the brain by cooling the baby.It is important to be able to quickly diagnose hypoxic injuries and to followthe development of the processes in the brain. For this, the electroencephalogram (EEG) is an important tool. The EEG is a voltage signal that originates within the brain and that can be recorded easily andnon-invasively at bedside. The signals are, however, highly complex and require special competence to interpret, a competence that typically is not available at the intensive care unit, and particularly not continuously day and night. This thesis addresses the problem of automatic classification ofneonatal EEG and proposes methods that would be possible to use in bedside monitoring equipment for neonatal intensive care units.The thesis is a compilation of six papers. The first four deal with the segmentation of pathological signals (burst suppression) from post-asphyctic full term newborn babies. These studies investigate the use of various classification techniques, using both supervised and unsupervised learning.In paper V the scope is widened to include both classification of pathologicalactivity versus activity found in healthy babies as well as application of thesegmentation methods on the parts of the EEG signal that are found to be of the pathological type. The use of genetic algorithms for feature selection isalso investigated. In paper VI the segmentation methods are applied onsignals from pre-term babies to investigate the impact of a certain medication on the brain.The results of this thesis demonstrate ways to improve the monitoring of the brain during intensive care of newborn babies. Hopefully it will someday be implemented in monitoring equipment and help to prevent permanent brain damage in post asphyctic babies.

This master's thesis deals with the method of functional examination of brain electric activity. In the first part is description of central nervous system, method of electroencephalography and possible connections. Furthermor the project involves characteristic of EEG signal and its artifacts. It also includes signal processing and list of symptoms, which will be used for an analysis of the EEG during anesthesia. The second part of thesis involves development of application, which allow viewing and proccesing of EEG signal. In conclusion of thesis is carried out unequal segmentation and statistical processing.

The environmental impacts of air travel have become more prominent. Governments and environmental groups have increasingly focussed on the effect that air transport has on the environment, and airlines have started to respond to the increasing awareness of their environmental impacts. The aim of this research is to develop an understanding of how leisure air travellers perceive the environmental marketing mix of airlines. Resource-Advantage Theory is used to analyse green marketing in the airline sector. This theory will be extended to the airline sector by establishing green market segments, analysing green brand images among air travellers and evaluating Market-Orientation Strategy. The data for this research stems from a large, quantitative survey conducted at Liverpool John Lennon Airport. Using attitudinal and behavioural variables, five leisure air travel segments are identified. Some market segments perceive certain marketing initiatives as more effective in addressing the environmental impact of air transport than others and are also more likely to take up certain initiatives. Segmenting the market enables airlines to use their green marketing mix in a more targeted way. Many passengers differentiate airlines based on their environmental image. Some airlines are perceived as more environmentally-friendly than others. Yet, the business model does not affect the environmental image, while having flown with an airline has a positive impact on green image in many cases. Green communication is key for airlines, as actual environmental efficiency does not affect the eco-positioning of the airline. Yet it is important that any environmental claims are substantiated, as environmental groups and government regulators might address these otherwise. Three case studies (Virgin Atlantic, easyJet and Flybe) discuss that while all three airlines have applied a green marketing mix, only two (Virgin Atlantic and easyJet) are able to benefit from this in their environmental image. The thesis addresses the importance and relevance of Resource-Advantage Theory in airline marketing research. This theory proves to be an appropriate and necessary underpinning for green airline marketing, an area that has received little attention in theory application. The theory can be used to explain why green marketing segments can be identified in airline leisure markets and why airlines should adopt a green marketing mix to enhance their green brand-equity. These aspects are supported by the data collected and analysed. The research shows that an understanding of passenger perceptions with regard to green marketing is highly relevant for airline marketing managers, in order for them to establish a successful green marketing mix.

Dans cette étude, nous avons mis l’accent sur la segmentation automatique des évènements dans le signal EMG utérin et l’identification ensuite des contractions parmi ces évènements en se référant aux données de l’expert. Notre base de données comprend des signaux EMG utérins de différentes semaines de gestation acquis grâce à une matrice de 4x4 électrodes. Par conséquent, notre travail a compris tout d’abord une application de la méthode de somme cumulé dynamique (DCS) en approche monodimensionnelle sur les signaux monopolaires afin d’obtenir une grande résolution spatiale des données. Suite aux résultats obtenus, notre étude a porté sur les signaux bipolaires afin d'augmenter le rapport signal/bruit (SNR) des EMG utérin. En fait, la méthode DCS a continué en y associant une série des techniques d’éliminations des fausses ruptures détectées, soit basée sur Fisher, soit sur le SNR d’une part, et en développant des méthodes de fusion de ces ruptures d’autre part : l’une automatique tandis que l’autre est basée sur le système de vote à la majorité pondérée où chaque canal est pondéré par un facteur lors de la fusion des instants de ruptures détectés. De plus, la méthode DCS est appliquée en approche multidimensionnelle, tout d’abord sur ces signaux bipolaires, ensuite sur leurs détails après décomposition en ondelettes. En fait, nous sommes intéressés à la sélection dynamique de ces détails dans les deux approches en utilisant une technique basée sur la distance Kullback Leibler. Enfin et dans le but d’identifier les contractions et de réduire le nombre des autres évènements détectés, un essai d’extraction des paramètres de ces évènements obtenus est présenté et validé
In this study , we have focused on the automatic segmentation of events in the uterine EMG signal and then on the identification of contractions among these events by referring to the expert's knowledge. Our database includes uterine EMG signals of different weeks of gestation acquired through a matrix of 4x4 electrodes. Therefore, our work has first included an application of the dynamic cumulative sum (DCS) method in a monodimensional approach on monopolar signals in order to obtain a high spatial resolution of the data. Based on the obtained results, our study has then focused on bipolar signals in order to increase the signal-to-noise ratio (SNR) of uterine EMGs. In fact, the DCS method has continued by associating first a series of techniques for the elimination of false detected ruptures either based on Fisher or on the SNR and by developing secondly two fusion methods of these ruptures : the firts one is automatic while the other one is based on the weighted majority voting system, where each channel is weighted by a factor when merging the instants of detected ruptures. In addition, the DCS method is applied in a multidimensional approach, first on the bipolar signals, then on their details after wavelet decomposition. Infact, we were interested in the dynamic selection of these details in both approaches by using a technique based on the Kullback Leibler ditance. Finally, in order to indentify the contractions and reduce the number of other detected events, an assay of parameters extraction of these obtained events has been presented and validated

Orientador: Erivaldo Antonio da Silva
Resumo: Este trabalho apresenta um modelo matemático alternativo aos filtros passa-baixas convencionais no Processamento Digital de Imagens. O modelo de Equação Diferencial Parcial (EDP) foi aplicado em imagens orbitais para extração das feições de interesse e os resultados obtidos foram comparados com os resultados do operador de Sobel e o Gradiente Morfológico. O modelo matemático utilizado no trabalho foi baseado na teoria de EDPs e surge como uma proposta metodológica alternativa para a área de Cartografia. O modelo de EDP consiste em aplicar seletivamente a equação, suavizando adequadamente uma imagem sem perder as bordas e outros detalhes contidos na imagem, principalmente pistas de aeroportos e estradas pavimentadas.
Abstract: This work presents an alternative mathematical model for conventional low-pass filters in Digital Image Processing. The model of Partial Differential Equation (PDE) was applied to orbital image to extract features of interest and the obtained results were compared to over obtained for Sobel operator and Morphological Gradient. The mathematical model used in this work was based on PDE theory and was intented to be on alternative methodology for Cartography area. This model consists in selectivels applying the model of PDE, in order adequatels smooth an image without losing edges and other details on the image, mainls airports tracks and paved roads.
Mestre

Orientador: Célia Regina Lopes Zimback
Banca: Zacarias Xavier de Barros
Banca: Osmar Delmanto Junior
Resumo: Entre as diversas áreas de estudo reunidas sob o denominador comum de processamento digital de imagens, encontra-se a área conhecida como análise de imagens. Este campo de estudos visa ao desenvolvimento de técnicas que permitam extrair informações das imagens, possibilitando às pessoas e aos equipamentos maior poder de análise, resultando em maior suporte às decisões. Neste processo, uma etapa importante é a de segmentação que se refere à divisão da imagem em diversas partes elementares, permitindo a análise destas isoladamente. Este é um processo complexo porque tenta traduzir para o computador um processo cognitivo extremamente sofisticado realizado através da visão humana que realiza agrupamentos baseados na proximidade, similaridade e continuidade das imagens captadas. Tais agrupamentos são utilizados na classificação e análise semântica dos objetos percebidos. Atualmente, o processamento de imagens de satélite é uma ferramenta importante e eficaz no planejamento agrícola e no monitoramento ambiental. Fazendo uso de imagens de satélite e de técnicas de processamento de imagens, o profissional pode analizar a área de interesse e realizar um planejamento prévio sem a necessidade de uma visita ao local. As técnicas de segmentação dividem a imagem em partes homogêneas, identificando, assim, as áreas de cultivo, as áreas de mata, rios e lagos, facilitando o processo de identificação de áreas de interesse do profissional. Diante deste contexto, o presente trabalho visou facilitar a detecção de áreas de cultivo de eucalipto através do desenvolvimento do programa SmartClass, que realiza a composição de imagens, a partir das bandas espectrais isoladas coletadas pelos satélites imageadores, e o processamento para este fim, sendo que as etapas do processamento são realizadas de forma automática. A detecção das áreas de cultivo de eucalipto foi... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: Among the various fields of study grouped under the common denominator of digital image processing, is the area known as analysis of images. This field of study aims to develop techniques that allow extracting information from images, enabling the people and equipment increased power of analysis, resulting in greater support for the decisions. In the process, an important step is to target regard to the division of the image in various parts elementary, allowing the analysis of isolation. This is a complex process because the computer tries to translate to an extremely sophisticated cognitive process through the vision that conducts human groupings based on proximity, similarity and continuity of images. Such groupings are used in the classification and semantic analysis of the objects perceived. Currently, the processing of satellite imagery is an important and effective tool in agricultural planning and environmental monitoring. Making use of satellite imagery and techniques of image processing, the operator can analyze the area of interest and conduct a preliminary planning without the need for a site visit. The techniques of image segmentation divided into parts homogeneous, identifying thus the areas under cultivation, the areas of forest, rivers and lakes, facilitating the process of identifying areas of interest to the profession. In this context, the present study to facilitate the detection of areas of cultivation of eucalyptus by developing the SmartClass program, which makes the composition of images, from the individual spectral bands collected by satellite images, and processing for this purpose, with the processing stages are performed automatically. The detection of areas of cultivation of eucalyptus has been successful and the program proved to be easy to use.
Mestre

Ce travail a pour but de proposer une méthode de modélisation et de segmentation du cortex en IRM qui soit adaptée aux utilisations en électroencéphalographie (EEG) et en magnétoencéphalographie (MEG). La complexité du cortex a nécéssité le développement de modèles mathématiques spécifiques. Les contributions de la thèse se situent donc à deux niveaux : au niveau théorique avec le développement d'un modèle discret à la fois volumique et surfacique reposant sur les complexes cellulaires, l'étude de ses propriétés, et le développement d'une méthodologie de segmentation prenant en compte ses caractéristiques ; et au niveau applicatif avec l'utilisation de ce modèle sur des IRM tridimensionnelles pour des applications en EEG et en MEG. L'étude des aspects algorithmiques, imposé par le volume de données, a également constitué une partie importante du travail.

L'objectif de cette thèse est de fournir une contribution aux études anatomiques et fonctionnelles du cerveau en proposant une méthode de modélisation et de segmentation du cortex en IRM qui soit adaptée aux utilisations en électroencéphalographie (EEG) et en magnétoencéphalographie (Meg). Dans la première partie de ce travail, nous abordons rapidement les différentes modalités d'imagerie fonctionnelle cérébrale et montrons l'importance que revêt la modélisation de l'anatomie corticale pour l'analyse des données fonctionnelles, en particulier pour la Meg et l’EEG. Ensuite, nous faisons le point sur les différentes méthodes permettant d'extraire l'anatomie corticale à partir d'une image IRM. Nous montrons que la prise en compte de la géométrie et de la topologie des sillons ne peut se faire qu'en développant d'une modélisation appropriée. La seconde partie de ce rapport présente un modèle cellulaire permettant d'accroitre les possibilités de modélisation des images classiques en permettant notamment de représenter, sans apparition de paradoxe topologique, des scènes constituées de plusieurs objets ayant différentes dimensions locales. Nous introduisons ensuite une caractérisation originale des déformations homotopiques d'un objet discret s'appuyant sur son graphe de voisinage. Nous utilisons ces résultats pour caractériser localement les déformations homotopiques élémentaires d'une scène représentée par un modèle cellulaire. Enfin nous présentons un cadre informatique permettant de représenter et d'utiliser un modèle cellulaire homotopiquement déformable. La dernière partie de ce manuscrit présente une méthode de segmentation de la surface corticale s'appuyant sur les déformations homotopiques d'un modèle cellulaire. Le modèle est initialise à partir d'une segmentation du cerveau lisse puis déforme homotopiquement vers l'intérieur des sillons, la modélisation cellulaire permettant au modèle de s'adapter à la géométrie profonde des sillons corticaux.

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG
Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\"uckstr\"ome im leitf\"ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\"arstr\"ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\"osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\"arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\"ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\"olkerung betroffen sind und f\"ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\"ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\"aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\"angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\"ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\"ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\"ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\"onnten L\"ahmungen, H\"or- und Sensibilit\"atsst\"orungen vermieden werden. Dazu werden \"uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \"uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\"osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\"uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\"ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\"ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\"osung des Vorw\"artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\"adel, die Zerebrospinalfl\"ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\"ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\"adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\"ahige spongi\"ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \"au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\"adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\"adel demnach eine richtungsabh\"angige oder {\em anisotrope} Leitf\"ahigkeit mit einem gemessenen Verh\"altnis von bis zu 1 zu 10. F\"ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \"ahnlichen Verh\"altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\"ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\"ugender Aufl\"osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\"ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \"uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\"urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\"ankte Mobilit\"at \"uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\"atze f\"ur die L\"osung des Vor\-w\"arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\"oht sich die Komplexit\"at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\"aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \"ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\"adel und das Gehirn repr\"asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\"achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\"ur isotrop leitf\"ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\"aten eingehen zu k\"onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\"ahigkeits-Anisotropien n\"otig und in welchen F\"allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\"onnen komplexe FE-Vorw\"artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\"ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\"ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \"Offnungen im Sch\"adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\"aten wie L\"asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\"adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\"assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\"arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\"at zweier ausgew\"ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\"adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\"ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\"at auf Sch\"adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\"assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\"artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\"osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\"onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\"atz\-liche Annahmen \"uber die Quellen sind dementsprechend unerl\"asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\"arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\"oglichst genau erkl\"art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\"osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \"Ubersch\"atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\"onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\"o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\"a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \"uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\"a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\"ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\"adelkante \"uber ein Gl\"atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\"ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\"atzte. \"Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\"ucksichtigung der MR-Inhomogenit\"aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\"adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\"attete Spongiosaoberfl\"ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\"ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\"oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \"uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\"adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\"a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\"oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\"artsproblems. Zun\"achst wurde ein \"Uberblick \"uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\"ater eingesetzten hochaufgel\"osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\"utzpunkte zur Gl\"attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\"ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\"ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\"osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\"osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\"oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\"ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\"ur hochaufgel\"oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \"Uber\-blick \"uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\"asentiert. Es wurde zun\"achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\"uhrt. F\"ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\"arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\"ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\"urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\"uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\"atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\"at} durchgef\"uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\"arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\"ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\"adelanisotropie einen nicht-vernachl\"assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\"o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\"ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\"ahigkeits\"anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\"usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\"achlich tangential orientierten oberfl\"achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\"uber einer 1 zu 10 Sch\"adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\"adel re\-la\-tiv d\"unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\"adel relativ dick) zu oberfl\"achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\"adelanisotropie in BE-Modellen \"uber eine Anpassung des skalaren Sch\"adelleitf\"ahigkeitswertes nicht m\"oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\"assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\"ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\"atzten Quellst\"arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\"ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\"achennahen Dipole, welche als Aktivit\"atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\"adel\-anisotropie als vernachl\"assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\"ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\"alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\"ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

One of the goals of Electroencephalography (EEG) is to correctly localize brain activities by the help of voltage measurements taken on scalp. However, due to computational difficulties of the problem and technological limitations, the accuracy level of the activity localization is not perfect and should be improved. To increase accuracy level of the solution, realistic, i.e. patient dependent, head models should be created. Such head models are created via assigning realistic conductivity values of head tissues onto realistic tissue positions. This study initially focuses on obtaining patient dependent spatial information from T1-weighted Magnetic Resonance (MR) head images. Existing segmentation algorithms are modified according to our needs for classifying eye tissues, white matter, gray matter, cerebrospinal fluid, skull and scalp from volumetric MR head images. Determination of patient dependent conductivity values, on the other hand, is not considered as a part of this study, and isotropic conductivity values anticipated in literature are assigned to each segmented MR-voxel accordingly. Upon completion of the tissue classification, forward problem of EEG is solved using the Finite Difference (FD) method employing a realistic head model. Utilization of the FD method aims to lower computational complexity and to simplify the process of mesh creation for brain, which has a very complex boundary. Accuracy of the employed numerical method is investigated both on Electrical Impedance Tomography (EIT) and EEG forward problems, for which analytical solutions are available. The purpose of EIT forward problem integration into this study is to evaluate reciprocal solution of the EEG forward problem.

Hamid Krim and Dana H. Brooks.
Caption title.
Includes bibliographical references (p. [4]).
Supported in part by the Army Research Office. DAAL-03-92-G-115 Supported in part by the Air Force Office of Scientific Research. F49620-92-J-2002 Supported also by a grant from the Whitaker Foundation.

This thesis proposes an automatic detection procedure to detect the presence of undesirable frequency bursts, called microarousals (MA), within any of the various stages of sleep. Sleep is examined through the acquisition of the electroencephalogram (EEG). Traditionally, a sleep technologist manually inspects the EEG signal to correctly detect the occurrence of MAs. The presence of these MAs causes a medical condition known as excessive daytime sleepiness (EDS). Since the EEG is a non-stationary signal, the proposed procedure analyzes it in three stages. The first stage involves spectral decomposition using the discrete wavelet transform (DWT). The DWT is efficient and possesses excellent time-frequency resolution that makes it well suited to exploit the characteristics of a non-stationary signal. The second stage of the proposed procedure partitions the decomposed signal into stationary segments. Both parametric and nonparametric segmentation techniques are applied. The nonparametric autocorrelation function (ACF) and the nonlinear energy operator (NLEO) methods as well as the parametric generalized likelihood ratio (GLR) method are each applied to the component waveforms of the EEG signal produced by the DWT. The third stage of the proposed procedure involves evaluating information about each stationary segment's power and spectral content. Once this information is determined, segments satisfying the definition of a MA are detected and scored. To examine the effectiveness of the overall procedure, long-term EEG records containing MAs that have been marked by a sleep technologist are compared against the proposed procedure's detected MAs. The successful results obtained demonstrate the effectiveness of the proposed procedure.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
Este trabalho tem como objetivo principal a deteção, reconhecimento e classificação de gestos através de dados recolhidos a partir de sensores de eletromiografia superficiais (sEMG). A performance dos sensores é avaliada através a recolha de dados com intenção da criação de uma base de dados offline. A implementação de features e o valor do threshold das mesmas é estudado tanto para a segmentação como para a classificação de gestos. Os melhores resultados obtidos na avaliação offline foram conseguidos com uma base de dados equilibrado entre gestos e não gestos. Para a segmentação os resultados apresentaram um erro de (3.7%) com recurso ao classificador ensemble Gentleboost. Para a classificação os resultados mostram um erro na ordem de (0.9%) e foi obtido com recurso a um classificador K-nn Spearman com 1 vizinho mais próximo e 7 features implementadas. A implementação online começa a ser explorada e é rapidamente apresentada, com erro de 15% na segmentação e 35% na classificação. (((A segmentação de dados de gestos tem sido estudada nos últimos anos, por exemplo (Simão et al. 2017) abordou esse problema com o uso de uma Cyber Data Glove para detectar os gestos de mão e braço do usuário. No entanto, este método tem as desvantagens de ser caro e não prático. Além disso, em (Lopes, João 2016) este problema é abordado usando uma braçadeira MYO que usa sensores EMG combinados com unidade de movimento inercial (IMU). Esta pulseira tinha a vantagem de ser acessível, mas nem sempre era a mais confiável em termos de dados, apresentando algum erro usando os sensores juntos ou separadamente.)))
This work has as its main objective the segmentation and classification of gestures through the data collected from surface electromyography (sEMG) sensors. The performance of the sensors is evaluated through the collection of data to create an offline dataset. The implementation of different features and their threshold values is studied both for the segmentation and classification of gestures. The best offline results were obtained using a balanced dataset and for a library of 7 gesture patterns. For segmentation, the result showed an error of 3.7% using a Gentle boost ensemble classifier. For classification, the results showed an error of around 0.9% and were obtained for a K - Nearest Neighbors (K-NN) Spearman classifier with one nearest neighbor and seven implemented features. The online implementation is briefly presented with the error for segmentation of 15% and an error for classification of 35%. (((The segmentation of gesture data has been studied in the last few years, for example (Simão et al. 2017) addressed this problem with the use of a Cyber Data Glove to detect the hand and arm gestures of the user. However, this method has the drawbacks of being expensive and not practical. Also, in (Lopes, João 2016) this problem is addressed using a MYO Armband that uses EMG sensors combined with inertial movement unit (IMU). This bracelet had the advantage of being affordable, but it was not always the most reliable in terms of data, presenting some error using both the sensors together or separately.)))

yes
Throughout the developed world, consumers are increasingly being encouraged to adopt cleaner, more eco-friendly behaviours. However, hybrid car adoption remains low, which impedes the move towards a lower carbon economy. In this paper, we examine the risks and drivers of hybrid car purchases, drawing on consumer behaviour and cultural dimensions theory to account for the heterogeneous, segmented nature of the market. As risk perceptions differ across cultures, and in order to address the lack of cross cultural research on eco-friendly cars, we focus on Australian, South Korean, and Japanese consumers. Based on a survey of 817 respondents we examine how five types of risk (social, psychological, time, financial, and network externalities) and three factors that drive purchasing behaviour (product advantages, product attractiveness, and product superiority) influence consumers perceptions of hybrid cars. Four segments of consumers are identified (pessimists, realists, optimists, and casualists) that also vary according to their environmental self-image, and underlying cultural values. Our results extend theory by incorporating self-image and cultural dimension theories into a multi-country analysis of the risks and drivers of hybrid car adoption. Our findings have practical implications in terms of marketing strategies and potential policy interventions aimed at mitigating risk perceptions and promoting the factors that drive hybrid car adoption.

Tourism as an industry in the 20th and 21st Century has primarily been an international money-making industry which has attracted many governments of less developed countries as a fast mechanism for development. This has often involved a trade-off between the pursuit of economic wealth and support for the social, cultural and natural environments. The negative impacts of mass tourism in these economies are countless and well documented, especially as many of these countries are still trying to deal with impacts caused during colonial occupancy. Consequently, alternative tourism has been presented as a way to manage tourism development which is economically, social and ecologically sustainable. One manifestation of this trend is community-based tourism, which aims to be inclusive of the host communities as they plan for tourism and considers the socio cultural and natural resources and desires of tourists in a more equitable manner. The aim of this thesis is to determine how ecotrekking as a form of community-based tourism can provide a foundation for development for remote rural communities in developing countries. It was conceptually determined that if the needs of the community matched those of the tourists, then a sustainable ecotrekking industry can evolve. To explore this issue contextually, a case study of the Kokoda Track (KT) in Papua New Guinea is presented based around three research questions: 1. What role can market segmentation play in sustainable tourism development in remote rural communities? 2. What outcomes do the Kokoda Track communities envisage for the future of tourism on the Kokoda Track? 3. Do Kokoda tourists meet the outcomes envisaged by the community? A review of the literature found that market segmentation is a tool used in destination planning to assess visitor characteristics and match these to resource capabilities. It was employed in this study to determine the characteristics and needs of Kokoda tourists through a questionnaire survey distributed to trekkers via the tour operators. It was found that the Kokoda tourist is a university educated, middle-aged man who visits the KT for adventure and historical reasons. They have higher-order needs of personal development and knowledge and value the authenticity of the experience. The second research question was approached using secondary data analysis. Notes from Participatory Rural Appraisal workshops with community leaders in 2004 and 2005 were reinterpreted. The key themes to emerge were that the communities have a great need for basic facilities (education, transportation, telecommunications, medical infrastructure and water supplies) and they see tourism as an economic means to develop those facilities. They would like to build more guesthouses and provide food for tourists to increase revenue however, they are unsure of the extent to which this will be supported by trekkers. A comparative analysis of the findings from research questions 1 and 2 was employed to address the third research question. The quantitative needs of the tourist market segment were matched to the qualitative expectations of the communities. It was found that the current Kokoda tourist is in favour of many of the outcomes that the Kokoda communities envisage. These include the provision of locally made food and guesthouses. Further to this, the empirical results from the questionnaire found that ecotourists and cultural tourists are the tourist types that need to be targeted by operators. They indicated a strong match with the desires and needs of the Kokoda communities. For example, they indicated that the KT can cater for a much smaller number of trekkers than the other three pre-determined tourist types (adventure, organised and historic tourists). Additionally, the natural and cultural environments are more important to these tourist types inferring that the protection of these resources is of primary importance. Consequently, it was established that ecotrekking can play an important role in development in less developed countries, if the right market segment is targeted to meet the needs of the community. Generally this can then ensure a slower rate of development, which allows the communities to adjust to the changes that occur at both a socio-cultural level and also in the infrastructure within their communities. In the longer term it also allows them to see how tourism can provide long term benefits not offered in extractive industries such as forestry and mining.

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.
Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. . Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung.