Priv.-Doz. Dr.-Ing Gerhard Staude - Informationsverarbeitung im motorischen System des Menschen
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Forschungsthemen:
- Biomedizinische Informationstechnik mit den Schwerpunkten
Informationsverarbeitung im motorischen System des Menschen
Im Rahmen des Arbeitsschwerpunkts "Informationsverarbeitung in biologischen Systemen - sensomotorische Systeme" wird die Erzeugung menschlicher Bewegung untersucht. Dazu ist die Koordination unterschiedlichster motorischer Aufgaben erforderlich. Meist entziehen sich die dabei vom motorischen System des Menschen eingesetzten komplexen, im Zentralnervensystem (ZNS) ablaufenden Kontrollmechanismen einer direkten Beobachtung von außen. Manchmal jedoch bilden sich diese in der "äußeren Welt" für den Betrachter ab, als ein auffallendes Phänomen anormaler Bewegung bei Patienten oder, weniger spektakulär, als ein charakteristisches Merkmal bei normalen Bewegungsabläufen (z.B. eine bestimmte Bewegungsbahn im Raum, ein spezielles Entladungsmuster im Elektromyogramm (EMG) eines Muskels). In diesen Fällen ermöglicht eine Analyse der messbaren elektrophysiologischen oder biomechanischen Größen oft Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden internen Mechanismen. In Zusammenarbeit mit neurologischen Kliniken in München, Düsseldorf und Hannover werden zwei Schwerpunktthemen untersucht:
Ist die Struktur der Informationsverarbeitung im ZNS zyklisch?
Rhythmische motorische Aktivität (z.B. Tremor) ist ein häufig auftretendes Merkmal menschlicher Bewegung. Dies wirft die Frage nach einer generell zyklischen Grundstruktur der Informationsverarbeitung im ZNS auf. Ein vielversprechender Ansatz ist hierbei die Vorstellung gekoppelter nichtlinearer Oszillatoren, die wechselweise miteinander interagieren - ein Modell, das mit einer geringen Zahl von Parametern eine Vielzahl unterschiedlichster Verhaltensweisen nachbilden kann. Im Rahmen dieses Projektes wird der Einfluss rhythmischer Aktivität pathologischen wie physiologischen Ursprungs auf das motorische Antwortverhalten untersucht. Dies schließt insbesondere die Hypothese mit ein, dass anormale Bewegungsmuster bei Tremorpatienten (z.B. verlängerte Reaktionszeiten, unregelmäßige Muskelaktivität, Akinese) auf eine an sich "normale" Interaktion der Willkürbewegung mit der überlagerten rhythmischen Aktivität zurückzuführen sein könnten.
Ist menschliche Bewegung diskontinuierlich?
Der Muskel und der ihn kontrollierende Regelkreis stellt ein hochgradig nichtlineares Element dar, welches die vom ZNS kommende bipolare Information (anregende bzw. hemmende Signale ) in ein rein unipolares Signal (Muskelkraft durch Kontraktion) transformiert. Diese diskontinuierliche Eigenschaft des Muskels könnte eine wesentliche Einschränkung speziell bei der Erzeugung komplexerer Bewegungen darstellen. Es ist das Ziel dieses Projektes, diskontinuierliche Effekte in den messbaren kinematischen (Kraftverlauf, Bewegungsbahn) und EMG-Signalen für derartige kritische Bewegungsaufgaben nachzuweisen. Dazu werden experimentell gewonnene Bewegungsdaten mit Hilfe eines neuen diskontinuierlichen Modells des Muskels und seiner Reflexverschaltung analysiert.
- Erfassung und Verarbeitung biomedizinischer Signale
- Signalaufbereitung und Mustererkennung
- Ereignisdetektion und “intelligente“ Alarmsysteme
- Echtzeitverarbeitung mit digitalen Signalprozessorsystemen
