Het Notch-filter in EEG

Wat is een notch-filter?

Een notch-filter is een signaalverwerkingsfilter dat een smal frequentiebereik sterk verzwakt, terwijl frequenties onder en boven dat bereik met relatief weinig verandering worden doorgelaten. Het afgewezen gebied wordt de stopband genoemd en het centrum ervan wordt vaak de notch-frequentie genoemd. Omdat de stopband smal is, is het filter bedoeld voor een bekende, geconcentreerde interferentie in plaats van voor breedspectrumruis.

In EEG is de storende component vaak elektrische netvervuiling die wordt geïntroduceerd via de opnameomgeving, kabels, versterkers of verschillen in elektrode-impedantie. Een notch-filter kan een prominente component van 50 Hz of 60 Hz verminderen, afhankelijk van de lokale elektriciteitsnorm en de opnameomstandigheden. Het verwijdert niet elke bron van artefacten en maakt geen inhoudelijk onderscheid tussen elektrische ruis en hersenactiviteit; het werkt in op de frequentie-inhoud.

Hoe een notch-filter werkt (en wat het niet doet)

Een notch-filter werkt door een scherpe dip te creëren in wat ingenieurs de amplituderespons van het filter noemen, wat simpelweg een grafiek is van hoeveel een filter elke frequentie doorlaat.

Bij de meeste frequenties ligt de respons dicht bij de volledige sterkte, wat betekent dat het signaal onveranderd doorlaat. Bij de doelfrequentie, meestal 50 of 60 hertz, daalt de respons scherp, waardoor die frequentieband wordt verzwakt terwijl naburige frequenties grotendeels intact blijven. Het resultaat is in theorie een opgeschoond signaal waarin de brom van het elektriciteitsnet is verdwenen, maar de eigen oscillaties van de hersenen behouden blijven.

Wat een notch-filter niet doet, is even belangrijk. Het is geen universele artefactenverwijderaar.

Breedbandige verontreiniging, zoals de spieractiviteit die zich over een breed frequentiebereik verspreidt tijdens het klemmen van de kaken, of de grote afwijkingen veroorzaakt door knipperen met de ogen, gaat rechtstreeks door een notch-filter omdat die verontreiniging niet beperkt is tot een smalle band.

Het notch-filter voert ook geen spectrale decompositie uit. Het splitst het signaal niet op in zijn samenstellende ritmes zoals tijd-frequentieanalyse dat doet wanneer onderzoekers willen zien hoe het vermogen in de theta-, alfa- of bètabanden in de loop van de tijd verandert. Een notch-filter verwijdert eenvoudigweg één smal segment van de frequentie-inhoud en laat de rest van de spectrale structuur precies waar deze was.

Basisprincipes van het ontwerp van een bandstop-notch-filter

Het ontwerpen van een bandstop begint met een duidelijke definitie van de ongewenste frequentie en de hoeveelheid naburig spectrum die kan worden opgeofferd. Een notch gecentreerd op 60 Hz met een zeer smalle bandbreedte gedraagt zich anders dan een notch die 55-65 Hz verzwakt. De juiste keuze hangt af van de stabiliteit van de interferentie, de signaalbandbreedte, de bemonsteringsfrequentie en de wetenschappelijke of klinische vraag.

De kwaliteitsfactor, meestal geschreven als Q, drukt de relatie uit tussen de centrumfrequentie en de bandbreedte. Een filter met een hoge Q heeft een smalle stopband in verhouding tot de centrumfrequentie; een ontwerp met een lagere Q beïnvloedt een breder gebied. Een grotere verzwakking en scherpere overgangen vereisen mogelijk een hogere filterorde, maar een hogere orde kan ook de ringing, de rekenkosten en de gevoeligheid voor implementatiedetails verhogen.

Ontwerpspecificaties kunnen het beste worden geëvalueerd via gedrag in zowel het frequentie- als het tijdsdomein. Frequentiegrafieken tonen verzwakking, bandbreedte en rimpel in de doorlaatband, terwijl impuls- of stapresponsen ringing en transiënt gedrag laten zien. Voor EEG moet een schijnbare verbetering in het spectrum worden overwogen in samenhang met golfvornmorfologie, timing van gebeurtenissen en eventuele downstream kenmerkextractie.

Notch-filter vs. bandstopfilter: wat is het verschil?

Een notch-filter wordt over het algemeen begrepen als een smalle vorm van een bandstopfilter. Beide verzwakken frequenties binnen een stopband en laten frequenties daarbuiten door, maar de notch richt zich meestal op een specifieke, geïsoleerde frequentie of een zeer klein interval.

Een breed bandstopfilter kan geschikt zijn wanneer de interferentie een breder, goed gedefinieerd gebied beslaat. Een notch is conservatiever wanneer het doel is om één enkele lijncomponent te verwijderen met behoud van nabijgelegen activiteit. Bij EEG heft die schijnbare conservatieve benadering de noodzaak van controle niet op, omdat een smal filter nog steeds invloed kan hebben op harmonischen, fase- of spectrale schattingen rond het doel.

De volgende vergelijking vat het typische onderscheid samen. Het werkelijke gedrag hangt af van de filterspecificatie and de implementatie, dus de labels mogen niet in de plaats komen van het onderzoeken van de responscurve.

Het praktische verschil is er dus een van selectiviteit. Een notch-filter is niet automatisch veiliger en een breed bandstopfilter is niet automatisch overdreven; elk filter moet worden beoordeeld op basis van de signaalkenmerken die van belang zijn voor de opname.

Een notch-filter gebruiken bij EEG-signaalverwerking

EEG-signalen bevatten spanningsschommelingen met een lage amplitude die worden gegenereerd door verspreide neurale activiteit, samen met fysiologische en omgevingsartefacten. Een notch-filter kan worden gebruikt tijdens de voorverwerking wanneer een smalle spectrale piek consistent is met netinterferentie.

Het is één handeling binnen een grotere workflow die kan bestaan uit:

• Herreferentiëren

• Beoordeling van slechte kanalen

• Artefactcorrectie

• Segmentatie

• Baseline-afhandeling

De timing van het filteren is belangrijk. Het toepassen van een filter vóór het epoching-proces kan randeffecten veroorzaken aan de grenzen van de continue opname, terwijl het afzonderlijk toepassen ervan op korte epochs verschillende transiënten en frequentieresponsen kan creëren.

Onderzoekers maken ook onderscheid tussen offline verwerking en real-time verwerking: niet-causale of zero-fase methoden kunnen praktisch zijn voor opgeslagen gegevens, maar kunnen niet op dezelfde manier worden gebruikt wanneer beslissingen onmiddellijk moeten worden genomen.

Een notch moet worden geëvalueerd in relatie tot het analysedoel. Het kan redelijk zijn om een stabiele lijnfrequentiepiek te verminderen, maar het kan elektrodenbeweging, spieractiviteit, oogbewegingen, slecht contact of breedbandige versterkerruis niet corrigeren. De EEG-opnamecontext, montage, referentie, bemonsteringsfrequentie en het artefactprofiel beïnvloeden allemaal of een smal frequentiefilter informatief of misleidend is.

Veelvoorkomende frequenties voor notch-filters (50Hz en 60Hz)

De bekendste notch-frequenties in EEG zijn 50 Hz en 60 Hz, die in grote lijnen overeenkomen met regionale elektrische energiesystemen. Het juiste doel wordt bepaald door de opnameomgeving, niet door een universele voorkeur. Een spectrum kan laten zien welke lijncomponent aanwezig is, hoewel harmonischen en apparatuurspecifieke interferentie het beeld kunnen compliceren.

Een instelling van 50 Hz of 60 Hz kan ook invloed hebben op harmonischen bij veelvouden van de basisfrequentie, afhankelijk van het filter of het acquisitiesysteem. Een filter gecentreerd op de basisfrequentie elimineert niet noodzakelijkerwijs elke harmonische, tenzij die frequenties afzonderlijk worden aangepakt of het systeem een gedocumenteerd harmonische-onderdrukkingsgedrag heeft. Het verwijderen van harmonischen kan de signaalinhoud verder veranderen en moet worden behandeld als een expliciete verwerkingskeuze.

De onderstaande frequenties zijn eerder gebruikelijke referentiepunten dan een volledig voorschrift. Ze beschrijven de gebruikelijke reden voor het selecteren van elk doel en de belangrijkste waarschuwing die ermee samenhangt.

Deze waarden moeten worden gedocumenteerd samen met de acquisitielocatie, filterbandbreedte, verzwakking en of harmonischen zijn opgenomen. Alleen rapporteren dat er een "notch-filter" is toegepast, maakt latere interpretatie en replicatie moeilijker.

Veelgemaakte fouten bij het toepassen van een notch-filter

De meest voorkomende fout is het behandelen van een notch-filter als een universele opschoonstap. Een smal filter heeft een specifiek doel, dus het moet worden gekoppeld aan een waargenomen of goed onderbouwde storingsbron. Als de interferentie onstabiel of breed is, of gedomineerd wordt door transiënten, kan een vaste notch een beperkt voordeel opleveren terwijl het signaal toch verandert.

Een andere fout is het negeren van de relatie tussen filteren en de rest van de voorverwerkingspijplijn. Referentiewijzigingen, herbemonstering, epoch-grenzen en het verwerpen van artefacten kunnen allemaal invloed hebben op het schijnbare spectrum.

Een filter dat wordt toegepast zonder de ruwe opname en de acquisitieparameters te controleren, kan een probleem verbergen dat beter had kunnen worden aangepakt door elektrode-onderhoud, afscherming, aarding of controle van de kanaalkwaliteit.

Een compacte controle-volgorde kan helpen om de beslissing traceerbaar te houden:

• Inspecteer het ongefilterde spectrum en de golfvorm op een stabiele, smalle storingscomponent.

• Bevestig de lokale netfrequentie en de bemonsterings- en filterinstellingen van het opnamesysteem.

• Vergelijk kandidaat-bandbreedtes met behulp van zowel spectrale verzwakking als golfvormen in het tijdsdomein.

• Leg het filtertype, de orde, de centrumfrequentie, de bandbreedte, de fasemodus en de verwerkingsfase vast.

Het risico op signaalvervorming

Onderzoekers suggereren dat het notch-filter, ondanks dat het veelvuldig wordt gebruikt, “het risico in zich draagt van potentieel ernstige signaalvervormingen.”

Om dit te testen, bouwde een studie uit 2019 synthetische testsignalen en werkte ook met echte EEG- en MEG-opnames, waaronder EEG-gegevens verzameld in een niet-afgeschermde omgeving waar de ruis van het elektriciteitsnet bijzonder sterk was. Met behulp van een Butterworth-notch-filter, een veelgebruikt IIR-filterontwerp, ontdekten ze dat netruis effectief werd verwijderd. De interferentie op 50 of 60 hertz verdween zoals verwacht uit het frequentiespectrum. Maar ditzelfde filterproces introduceerde vervormingen in het tijdsdomein, wat betekent dat de vorm van de golfvorm in de loop van de tijd werd veranderd op manieren die verder gingen dan alleen het verwijderen van de ongewenste frequentie.

Toen dezelfde tests werden uitgevoerd met spectrum-interpolatie, kwam de methode overeen met het vermogen van het notch-filter om netruis te verwijderen, maar de studie meldt dat het “minder vervormingen in het tijdsdomein vertoonde in veel voorkomende situaties.”

Het voordeel was niet universeel of absoluut. Het bleek in veel veelvoorkomende situaties, wat ruimte laat voor gevallen waarin de twee methoden vergelijkbaar presteren, of waarin andere factoren de uitkomst kunnen beïnvloeden.

Waarom het verwijderen van netruis uit EEG meer verdient dan een standaardoplossing

Een notch-filter biedt een nauwkeurige manier om een smalle frequentiecomponent te verzwakken, waardoor het relevant is voor EEG-opnames die worden beïnvloed door stabiele netinterferentie. Het nut ervan hangt af van nauwkeurige frequentie-identificatie, een geschikte bandbreedte, bewustzijn van fase- en randeffecten, en vergelijking met het ongefilterde signaal.

Gebruikt als één gedocumenteerde stap binnen bredere praktijken voor signaalkwaliteit en voorverwerking in neurowetenschappelijke opstellingen, kan het interferentie verminderen zonder onnodig naburige informatie weg te gooien.

Referenties

1. Leske, S., & Dalal, S. S. (2019). Reducing power line noise in EEG and MEG data via spectrum interpolation. NeuroImage, 189, 763–776. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.01.026

Veelgestelde vragen

Wat is de hoofdtaak van een notch-filter bij EEG-opnames?

Een notch-filter is een smal bandstopfilter dat één specifieke frequentie onderdrukt — typisch de 50 of 60 Hz brom van het elektriciteitsnet — terwijl de rest van het EEG-spectrum behouden blijft. Het richt zich alleen op deze elektrische ruis met een vaste frequentie, niet op breedbandige artefacten zoals spieractiviteit of oogknipperingen.

Waarom zijn 50 Hz en 60 Hz notch-filters gebruikelijk?

Deze frequenties komen in grote lijnen overeen met de wisselstroomnormen die in verschillende regio's worden gebruikt. Elektrische interferentie uit de opnameomgeving kan verschijnen als een prominente lijncomponent op een van deze frequenties en soms op de harmonischen daarvan.

Waarom gebruiken we niet gewoon onafhankelijke componentenanalyse (ICA) om netruis te verwijderen?

ICA scheidt verschillende bronsignalen over elektroden, niet specifieke frequentiebanden, en is dus niet ontworpen om zich te richten op een enkele sinusgolf met een vaste frequentie zoals netbrom. Het notch-filter blijft het standaardhulpmiddel omdat het die ene frequentie direct verzwakt, terwijl ICA netruis mogelijk niet als een afzonderlijke bron isoleert.

Welk type signaalvervorming is direct waargenomen bij notch-filters?

Een studie met zowel synthetische signalen als echte EEG-gegevens wees uit dat een Butterworth-notch-filter vervormingen in het tijdsdomein kon introduceren, waardoor de vorm van de golfvorm veranderde buiten het simpelweg verwijderen van de brom. Deze vervormingen werden gedocumenteerd als potentieel ernstig, hoewel de exacte impact op specifieke neurale maten zoals ERP's in diezelfde studie niet werd onderzocht.

Wat is de veiligste manier om een notch-filter te gebruiken als dat echt moet?

Als er een notch-filter wordt toegepast, kunnen mildere parameters — zoals een iets bredere bandbreedte en een minder steile verzwakking — het risico op overmatige ringing in het tijdsdomein verminderen, hoewel de exacte schade aan downstream-analyses niet is gekwantificeerd in de onderzochte gegevens. Het is ook verstandig om ruwe en gefilterde signalen visueel te vergelijken en elke voorverwerkingsstap te documenteren om onverwachte vervormingen op te sporen.

Kan een notch-filter echte hersenactiviteit verwijderen?

Ja. Als betekenisvolle neurale activiteit overlapt met de doelfrequentie of de beïnvloede bandbreedte ervan, kan filteren die activiteit verminderen. Deze mogelijkheid is vooral relevant bij het analyseren van hoogfrequentere ritmes of harmonischen in de buurt van de notch.