Das Elektroenzephalogramm. Skriptum zu den Laborübungen in Grundlagen der Biomedizinischen Technik

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1 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -1- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Das Elektroenzephalogramm Skriptum zu den Laborübungen in Grundlagen der Biomedizinischen Technik Letzte Überarbeitung am Datum: Jul WS 2005/2006 Dipl.-Ing. Dr. Alois Schlögl

2 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -2- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Einleitung Das Elektroenzephalogramm ist eine nicht-invasive Methode um die (elektrische) Aktivität des Gehirns zu bestimmen. Das EEG bei vollem Bewusstsein der Versuchsperson und beinahe in jeder Lebenslage aufgezeichnet werden. Im Vergleich zu anderen Techniken zur Bestimmung von Hirnaktivität ist der Geräteaufwand zur EEG-Messung relative gering. Weiters bietet es den Vorteil einer hohen Zeitauflösung, welche von bildgebenden Verfahren nicht erreicht werden kann. Diese Vorteile werden jedoch von einem Nachteil begleitet, welcher in der sehr kleinen Signalamplitude des EEG begründet ist. Viele verschiedene Einflüsse können Störungen verursachen, welche durchaus in der Größenordnung des EEG s liegen können. Kurz gesagt, das Signal-Rausch Verhältnis ist sehr klein. Wichtige Anwendungsgebiete der EEG-Analyse sind in der Diagnose: (i) Schlafanalyse und Epilepsie. In der Therapie (ii) wird man in Zukunft das EEG für ein nicht-invasiven Brain- Computer Interface verwenden können um behinderten Personen einen zusätzlichen Kommunikationskanal zu ermöglichen. Möglicherweise kann es auch für Biofeedback z.b. in der Schmerztherapie verwendet werden. In der Forschung (iii) wird das EEG naturgemäß in den Neurowissenschaften wie z.b. (Experimentelle) Psychologie, Kognitionswissenschaften und der Neurophysiologie sowie in der Pharmakologie verwendet. In der klinischen Routine (iv) wird es zur Überwachung von Patienten in der Intensivstation, zur Überwachung der Narkosetiefe (Anästhesie) verwendet. Ziel dieser Übung ist es, die Technik der EEG-Messung kennenzulernen. Dazu werden die wichtigsten Phänomene das EEG demonstriert sowie die Schwierigkeiten bei der EEG- Aufzeichnung erläutert und diskutiert. 1. Entstehung des Elektroenzephalogramms Das EEG entsteht durch die elektrische Aktivität der Nervenzellen (Neuronen) im menschlichen Gehirn (ca kg). Die Neuronen erzeugen und übertragen Aktionspotentiale (Spikes) welche bis zu 70mV groß sind und ca. 1ms dauern. Die durchschnittliche Feuerrate kann von 1 bis 1000 Spikes pro Sekunde variieren. Diese Spikes erzeugen sogenannte postsynaptische Potentiale (PSP), welche in exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSP) und inhibitorischen postsynaptische Potentiale (IPSP) unterschieden werden können. Diese PSP s erzeugen Summenpotentiale welche an der Cortexoberfläche gemessen werden können. Solche Aufzeichnungen werden Elektrocorticogramm (ECoG) genannt. Das Elektroenzepaphalogramm (EEG) ist die nicht-invasive Methode, zur Messung dieser Potentiale. Es wird angenommen, dass der Hauptanteile des EEG s in der Oberfläche des Neocortex (0.25m², durchschnittlich etwa 3mm dick) entstehen. Diese enthält ca Neuronen/mm³ (Graue Masse). Die Neuronen sind über sogenannten Synapsen miteinander verbunden, die durchschnittliche Anzahl der Synapsen pro Neuron wird mit 7000 geschätzt. Um Verbindung zwischen Neuronen über größere Distanzen zu ermöglichen, gibt es Nervenfasern (mit einer Dichte von bis zu 4km/mm³), welche hauptsächlich in der Weißen Masse des Gehirns zu finden sind.

3 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -3- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Beim EEG unterscheidet man zwischen (i) Evozierte Potentiale und (ii) dem Spontanen EEG. Evozierte Poetentiale, kurz EP s genannt, sind Potentialschwankungen welche synchron zu einem Stimulus auftreten. Eine Mittelung über viele Versuche minimiert die zufälligen, nicht phasenbezogenen Komponenten. Nur Komponenten mit fester Phasenbeziehung zum Stimulus bleiben nach der Mittelung übrig. Daher nennt man EP s auch phasen-fixierte Phänomene (engl.: Phase- Locked ). Dagegen hat das spontanen EEG keine feste Phasenbeziehung zum Stimulus. Das spontane EEG kann sich zwar auch mit einem Stimulus ändern (z.b. Änderung des Alpha-Rhythmus bei Augen auf und zu), Eine Mittelung über viele Versuche würde jedoch 0 ergeben, da die Phase des Alpha- Rhythmus zufällig, also nicht phase-locked, ist. [1-4]. a) Evozierte Potentiale (EP s) Die Evozierten Potentiale werden nach den auslösenden Sinnesreizen eingeteilt. Sowohl das plötzliche Auftreten (On-Effekt) als auch das Aufhören (Off-Effekt) eines Sinnesreizes (Ton, Bild, Licht...) löst ein evoziertes Potential aus. Zur Trennung der Evozierten Potentiale von der überlagerten kontinuierlichen elektrischen Hirnaktivität wird vor allem die Mittelung der reizsynchronen Potentialschwankungen verwendet. Nach dem Entstehungsort im Zentralnervensystem unterscheidet man (i) kortikale Potentiale und (ii) Hirnstammpotentiale. Diese entstehen wie der Name sagt, im Stammhirn. Bei kortikale Potentiale unterscheidet man weiters: Visuell evozierte Potentiale (Flash, Licht, Muster) Akustisch evozierte Potentiale (Ton, Klick) Somatosensorisch evozierte Potentiale (Taktile Reize, elektrische Stimulation des Nervus Medianus oder Nervus Tibialis) Olfaktorisch evozierte Potentiale (Geruchssinn) [9] b) Spontanes EEG Das spontane EEG enthält in der Regel Spektralkomponenten im Bereich von 0 bis 40 Hz. Selten wird der Bereich bis 80Hz analysiert. Die wichtigsten Komponenten im Spektrum des EEG s sind Delta ( 0-4Hz), Theta (4-8Hz), Alpha (8-13Hz), Beta (13-30Hz), Gamma (>30Hz). In jüngerer Zeit werden die einzelnen Komponenten genauer unterschieden oder es werden personenspezifische Werte ermittelt. Es hat sich jedoch kein einheitlicher Standard daraus entwickelt. Der Amplitude des EEG liegt üblicherweise im Bereich von µv. Diese hängt neben der Aktivierung des entsprechenden Gehirnareals auch vom Elektrodenabstand ab. Größere Werte werden über größere Distanzen (monopolare Ableitung) erreicht. Bipolare EEG-Ableitungen haben geringere Amplituden (siehe auch Elektrodenmontage)

4 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -4- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE 2. Elektrodenanordnung: Die EEG-Elektroden werden entsprechend dem internationalen System mit Ag/AgCl- Elektroden positioniert. Die Elektroden werden mit Colodium geklebt oder mit Elektrodenpaste gefüllt. Auch Gold (Alu) Elektroden, mit leitfähiger Klebe-Paste (EC2, Grass Instr.) geklebt, werden verwendet. Für Vielfachableitungen (bis 128 Kanäle) sind Elektrodenhauben vorteilhaft. Abbildung 1: Das internationale System in Seitenansicht (Bild A) und Ansicht von oben (Bild B). A Ohrlappen, F frontal, C zentral, P parietal, O okzipital, T temporal Im internationalen standardisierten System sind 21 Elektrodenpositionen definiert [10]. Die Positionen werden wie folgt bestimmt: (i) die Distanz der Referenzpunkte: Nasion (N, Nasenwurzel, Augenhöhe) Inion (I, Sporn am Hinterkopf) über den Vertex gehend wird bestimmt; (ii) die Distanz zwischen den beiden Präaurikulären Punkten (Prä1, Prä2) wieder über den Vertex gehend wird bestimmt. Die Elektrodenpositionen werden dann in 10% bzw 20% dieser Abstände ermittelt (siehe Abbildung 1). Daher stammt auch der Name System. Heutzutage werden oft wesentlich mehr Elektroden verwendet. In Anlehnung an das System [10] spricht man vom System [11] und dem 5%-System [12]. In unserem EEG-Labor können bis zu 64 Kanäle gemessen werden. Um die Gleichtaktverstärkung zu minimieren (siehe Artefakte und Störquellen) ist auch noch eine Masseelektrode (engl.: Ground) zu montieren. Diese ist von der Referenzelektrode unabhängig und darf auch nicht mit ihr verbunden werden. Diese wird üblicherweise an der Stirn montiert. c) Referenz Es gibt verschieden Methoden um die Referenz (Bezugspunkt mit 0-Potential) zu bilden. Die

5 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -5- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE einfachste Möglichkeit ist, eine Elektrode als Referenzelektrode anzunehmen. (1) Üblicherweise wird dazu die Elektrode A1 verwendet. Dadurch kann es aber Unsymmetrien kommen. (2) Daher verwendet man den Mittelwert von A1 und A2. Dazu kann man die beiden Elektroden über zwei gleiche Widerstände (ca 5kOhm) verbinden (Achtung! Nicht Kurzschließen) und den Mittelpunkt als Referenz verwenden. Eine dritte Methode ist die bipolare Elektrodenanordnung. (3) Dabei wird das EEG von jeweils zwei benachbarten Elektroden abgeleitet. In jüngerer Zeit werden auch verschiedene rechnerische Verfahren zur Ermittelung des Referenzpunktes angewandt. (4) Eine symmetrische Referenz (wie in (2)) erhält man wenn man das Potential (A2+A1)/2 von allen übrigen Elektroden subtrahiert. (5) Bipolare Ableitungen können ebenfalls auf rechnerische Art von monopolaren Ableitungen ermittelt werden. (6) Die Common Average Reference (CAR) beruht auf der Berechnung des gemeinsamen (globalen) Mittelwertes aller Elektroden. (7) Local Average Reference oder Laplace-Ableitung beruhen auf der Subtraktion des Mittelwertes der 4 (small Laplacian) oder 8 (Large Laplacian) benachbarten Elektroden. d) Filter Bei EEG-Aufzeichnungen sind auch immer die Filtereinstellungen zu beachten. Im wesentlichen gibt es zwei Filter. Das Tiefpassfilter (obere Grenzfrequenz des Bandpasses) ist notwendig um Aliasing-Effekte (siehe Artefakte) zur vermeiden. Daher ist die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters jedenfalls niedriger als die Nyquist-Frequenz (halbe Abtastrate) zu wählen. Das Hochpassfilter verwendet man zur Unterdrückung von langsamen Potentialschwanken bzw. einer Drift der Nulllinie. Solche Potentialschwankungen können durch Elektrodenartefakte verursacht werden. Dieses Hochpassfilter wird häufig durch die Zeitkonstante τ des Filters charakterisiert. Aus der Beziehung eines Hochpassfilters 1. Ordnung kann man den Zusammenhang zwischen der Zeitkonstante τ und der Grenzfrequenz f g herleiten (Herleitung als Übung). Der Zusammenhang lautet: bzw. τ = 1/(2π f g ) f g = 1/(2π τ ) Die beiden Filter, Tiefpass und Hochpass, stellen einen Bandpass mit einer oberen und unteren Grenzfrequenz dar. Ein weiterer Effekt dieser Filter ist, das die Bandbreite des thermischen Rauchens (Widerstandsrauschen der Elektroden und Verstärkerrauschen) begrenzt wird. 3. Artefakte und Störquellen: Grundsätzlich kann man zwischen technischen und biologischen Störungen unterscheiden. Technische Störungen entstehen durch die Elektronik und durch äußere Einflüsse. Dazu zählen:

6 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -6- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Elektromagnetische Felder (z.b. 50Hz). das Verstärkerrauschen, Aliasing, und das Quantisierungsrauschen des AD-Konverters (siehe auch Abb. 1). Elektrodenartefakte (z.b. durch Bewegung der Elektrode) können u.a. zur Sättigung des Eingangsverstärkers bzw. zu einem Overflow im ADC führen. Biologische Artefakte entsehen durch unerwünschte elektrische Aktivität im Organismus, wie z.b.: Elektrocculogramm (EOG), Elektromyogramm (EMG), Elektrokardiogramm (EKG) [8], Hautpotentiale [13], sowie Bewegungs-, Atmungs- und Pulseartefakte und Schweiß können unerwünschte elektrische Potentiale (d.h. Artefakte) verursachen Bei EP-Messungen stellt das spontane EEG ebenfalls eine Störung dar, da es die evozierten Potentiale überlagert [6] EEG and noise spectra 10 0 EEG (0.5-30Hz) Amplitude [µv/hz 1/2 ] Amplifier Noise (0.5-30Hz) Impedance noise R=10kOhm Impedance noise R=4.7kOhm 10-3 Quantization noise frequency f [Hz] Abbildung 1: Typische Spektraldichte eines EEG s und verschiedener Rauschquellen. Das Filter des Verstärkers war auf Hz eingestellt. e) Technische Störungen Elektrodenrauschen: Eine wesentliche Störquelle stellt das thermische Rauschen der Elektroden dar. Messungen (GEDDES, 1972) haben die theoretischen Überlegungen bestätigt, daß der Effektivwert des Rauschens von der Elektrodenimpedanz, der Signalbandbreite und der Temperatur nach folgender Gesetzmäßigkeit abhängt: U si = 4kT * RQ * B wobei k=1.3807e-23 J/K die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, R Q der Widerstand

7 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -7- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE der Signalquelle und B die Bandbreite des Signales ist. Beispiel: Messung von Hirnstammpotentialen Bandbreite B=3 khz Die Elektrodentemperatur T kann mit der Körpertemperatur angenommen werden. T=37 C = 310K U = 4* *10 J / K *310K *3000Hz * 2000Ω = 0.32µ 23 Noise V eff Da zwei Signalquellen am Eingang des Differenzverstärkers anliegen, ist dieser Wert mit multiplizieren. 2 zu Neben dem thermischen Rauschen (oder Widerstandsrauschen) können Elektroden auch andere Störungen verursachen. Mechanische Einflüsse auf die Elektrode, z.b. durch Bewegung, können die Übergangskapazität verändern, wodurch es zu Stromflüssen kommt. Diese Stromflüsse verursachen sprunghafte Spannungsänderungen, welche zur Übersteuerung des Verstärkers oder des nachfolgenden ADC führen können. Das aufgezeichnete Signal entspricht dem oberen und unteren Sättigungswert. Eine weitere Störquelle kann Schweiß sein, welcher das Elektrolyt (Ionengehalt in der Elektrodenpaste) verändert. Dadurch kann es zu Drift der Nulllinie kommen. Diese Drift verändert einerseits das Spektrum, kann aber auch zur Übersteuerung führen. Verstärkerrauschen Aufgrund der thermischen Bewegung der Ladungsträger in den Bauelementen hat jeder Verstärker ein Eigenrauschen, das die gemessenen und verstärkten Signale überlagert. Dieses Eigenrauschen hängt, im wesentlichen, vom Rauschen der ersten Verstärkungsstufe und der Bandbreite des Verstärkers ab. Quantisierungsrauschen Der Quantisierungsfehler wird durch den Messbereich und durch die Bit-Tiefe des Analog-Digital- Konverters (ADC) bestimmt. Da langsame Elektrodenartefakte, Mittelwertverschiebungen und Gleichtaktaussteuerungen auch größere Potentialschwankungen verursachen können, ist es oft sinnvoll den Messbereich größer zu wählen. Auch muss hier nicht der RMS des Signals sondern der Spitze-Spitze Wert berücksichtigt werden. Ein 12bit ADC liefert bei einem Messbereich von 4mV ein LSB von ca. 1µV. Bei einem 16Bit ADC kann entweder der Wertebereich erhöht werden oder das Quantisierungsrauschen verkleinert werden. Der Effektivwert des Quantisierungsrauschen beträgt U St =LSB/ 12 Störungen durch elektrische Felder Die Störung des EEGs durch elektrische Felder kann durch eine kapazitive Kopplung zwischen Störquelle und Mensch dargestellt werden. Wie aus dem Schaltbild zu ersehen ist, wird die dadurch entstehende Störspannung U St durch folgende Parameter bestimmt:

8 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -8- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE U Netz Spannung des Netzes (230 V) R C Kopplungsimpedanz (C = 100 pf) R E Erdungswiderstand (10 k) U St Störspannung C U Netz R E U St Die Störspannung berechnet sich nach der Formel U U Netz St = U 1 Netz * RE RC = U Netz * RE * ω * C + RC RE U st =7*10-3 V = 7 mv Diese Störamplitude würde jede Messung unmöglich machen. Da die Störspannung bei gleicher Elektrodenimpedanz jedoch auf allen Ableitungen gleich groß ist, kann sie bei Verwendung von Differenzverstärkern mit Hilfe der Gleichtaktunterdrückung weitgehend eliminiert werden. Die heutige Verstärkertechnologie erlaubt ohne optisch getrennte Eingangsstufen eine Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) von mind. 80 db (10 4 ), wodurch sich die Störamplitude auf reduzieren lässt. U st =7*10-3 * 10-4 V = 7 µv Die Störamplitude läßt sich durch Verringerung der Kopplungsimpedanz mit Hilfe abgeschirmter Kabel noch weiter reduzieren. Eine wesentlich günstigere Situation bietet sich durch die Verwendung von Isolationsverstärkern, die durch die optische Trennung auch für die Patientensicherheit eine optimale Lösung darstellen. Hier unterscheidet man zwischen einer Common Mode Rejection Ratio (CMRR) und Isolation Mode Rejection Ratio (IMRR). Die Patientenerde hat hier nicht die Funktion als Erde, sondern als Bezugselektrode, wodurch keine Gleichtaktspannung U CM auftritt. Die Störspannungsunterdrückung gegenüber der Geräteerde wird damit allein durch das IMRR bestimmt. Dieses erreicht Werte von über 120 db bei 50 Hz, sodass kapazitive Kopplungen keine Rolle spielen. Für höhere Frequenzen, etwa 30 bzw. 90 khz, von Leuchtstoffröhren neuester Bauart hervorgerufen, wird das CMRR und IMRR wesentlich schlechter. Bei Isolationsverstärkern kann man bei einer Störfrequenz von 30 khz jedoch immer noch mit einer Störunterdrückung (IMRR) von 90 db rechnen. Störungen durch magnetische Felder Bei magnetischen Wechselfeldern wird in der Ableitschleife durch das Magnetfeld B eine Spannung mit der Amplitude

9 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -9- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE U St = ω*b*a U St ω B A Störspannung Kreisfrequenz des Magnetfeldes magnet. Flußdichte Fläche der Ableitschleife induziert. Diese Störung kann nicht durch Differenzschaltung unterdrückt werden. Nur durch verdrillen der Leitungen kann die Ableitschleife und damit die Störspannung reduziert werden. Die Empfehlung für EEG-Ableitungen sieht eine maximale magnetische Flußdichte von B = 200 nt ss (50 Hz) vor. Bei einer Ableitschleife von A = 1 dm 2 (10-2 m 2 ) resultiert daraus eine Störspannung von U St = 0.63 µv SS Aliasing Durch das Abtasten werden Frequenzkomponenten welche größer als die Nyquist-Frequenz (halbe Abtastrate) sind, in den Frequenzbereich von 0 bis Fs/2 gefaltet. Diese nennt man den Aliasing-Effekt. Um diesen Aliasing-Effekt zu vermeiden, ist ein analoges Tiefpass-Filter notwendig, welches Frequenzen über der Nyquist-Frequenz ausreichend unterdrückt. Da nach der Digitalisierung nicht mehr zwischen der korrekten und der gefalteten Frequenzkomponente unterschieden werden kann, muss das Tiefpassfilter vor der Digitalisierung auf das Signal angewandt werden. Dieses Tiefpassfilter nennt daher man auch Anti- Aliasing Filter. Sättigungseffekt Jeder Verstärker und A/D-Konverter hat einen begrenzten Eingangsbereich. Daher kann es unter bestimmten Umständen auch zu einem Überschreiten dieser Grenzen kommen. Häufig wird dies durch langsame Potentialschwankungen und sehr niedrigen Frequenzanteilen (<1Hz) verursacht (z.b. Schweiß und Elektrodenartefakte). Abhilfe kann die Wahl einer kleineren Zeitkonstante (höhere Grenzfrequenz) bieten. Da bei einem ADC der Dynamikbereich immer begrenzt ist, kann man Sättigungseffekte jedoch nie ganz ausschließen. f) Biologische Störungen Biologische Störungen wie EOG, EKG und EMG sind schwer zu verhindern. Teilweise kann man der Versuchsperson sagen, dass die nach Möglichkeit Schlucken, Zähne knirschen u.ä vermeiden soll. Ebenso hilft eine entspannte Nackenmuskulatur, EMG-Artefakte zu minimieren. Da das EMG einen großen Frequenzbereich überstreicht (0-5000Hz) und oft eine vergleichsweise große Amplitude hat, kann es das EEG sehr stark stören. Das EEG ist in diesem Fall nicht rekonstruierbar. In diesem Fall ist es am besten, diese Segmente von der weiteren Analyse auszuschließen (siehe Abb.2, [5-8]). EOG- und EKG-Artefakte können unter bestimmten Voraussetzungen (Aufzeichnung des EOG- bzw. EKG- Kanales) mittels rechnerischer Verfahren korrigiert werden. Der EKG-Artefakt hat eine sehr geringe Leistung und wird daher oft vernachlässigt. EOG-Korrektur ist nicht trivial und da EOG-Artefakte visuell leicht identifizierbar sind, werden Segmente mit EOG-Kontamination von der weiteren Analyse ausgeschlossen.

10 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -10- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Abbildung 2: Verschiedene Artefakte in einem Schlaf-EEG. Es ist EEG (#1-7), EOG (#8-#9), EMG (#10-#11), EKG (#12), Atmung (#13-15) und Sauerstoffsättigung (#16) dargestellt. Die hochfrequenten Anteile im EEG (rechts) sind Muskelartefarte, begleitet von Sättigungsartefakten (flat line Overflow) welche durch die (mechanische) Bewegung der Elektroden verursacht wurde. Die erste Störung nach der Mitte sind durch Augenbewegungen (EOG-Artefakte, siehe auch EOG-Kanäle) verursacht. g) Maßnahmen zur Vermeidung von Artefakten In einigen wenigen Fällen gibt es rechnerische Verfahren um Artefakte zu korrigieren bzw. minimieren. Diese sind jedoch nicht immer einsetzbar und können das korrekte Signal auch nicht vollständig wiederherstellen. Daher ist es wichtig, Artefakte und Störungen nach Möglichkeit zu vermeiden. Im folgenden ist eine Reihe von Möglichkeiten angeführt Notch-Filter zur Entfernung der 50Hz Masseelektrode verwenden um Gleichtaktverstärkung zu minimieren Niedrige Elektrodenimpedanz Abschirmung von Elektromagnetischen Felder Hochpassfilter um Mittelwertschwankungen z.b. durch Schweiß zu minimieren Tiefpassfilter um die Bandbreite des Widerstandsrauschens zu minimieren. Elektroden nicht mechanisch belasten Angenehme Raumtemperatur wählen um Schwitzen und Zittern zu vermeiden Versuchsperson sollte entspannt sein um Muskelartefakte zu vermeiden. Verstärker mit kleinem Eingangsstrom (hoher Innenwiderstand) Mittelungsverfahren

11 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -11- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Mittelung zur Verringerung der Störanteile Die Trennung der stochastischen Störungen und der Evozierten Potentiale wird in allen zu diesem Zweck gebauten und vertriebenen Geräten durch die additive Mittelung nacheinander reizsynchron aufgenommener Signale realisiert. Durch die additive Mittelung, auch averaging genannt, werden gegenüber dem Stimuluszeitpunkt zufällig auftretende Störungen auf den Wert 1 N unterdrückt, wobei N die Anzahl der Mittelungen ist. Bei der Stimulationssteuerung kann es jedoch vorkommen, daß die steuernde Uhr synchron mit der Netzfrequenz läuft. Damit weicht das Mittelungsverhalten der Netzstörung stark vom 1 N -Gesetz ab. Dieser Fall muss gesondert untersucht werden. Das Signalrauschverhältnis (SNR) in Dezibel [db] ist durch folgende Formel gegeben: SNR [db] = 20*log 10 (U S /U N ) = 10 *log 10 (U S ²/U N ²) = 10 *log 10 (P S ²/P N ²) Durch Mittelung über N Wiederholungen kann der Rauschanteil um den Faktor N (im Leistungsbereich) bzw N (im Amplitudenbereich) verringert werden. SNR [db] = 20*log 10 (N * U S /U N ) = 10 *log 10 (N*U S ²/U N ²) = 10 *log 10 (N*P S /P N ) Beispiel 1: geg.: N = 400, Leistung Signal 100 µv 2, Signal-Rausch-Verhältnis SNR=20dB ges.: Leistung des ursprünglichen Rauschens? aus: 20 = 10*log 10 (400*100µV²/N oise ) 2 = *log 10 (400*100µV²/N oise ) 10^2 = 400*100µV²/N oise N oise = 400µV² Noise Amplitude = 20 µv, Beispiel 2: geg.: N = 4000, Signalleistung 25 µv², Signal-Rausch-Verhältnis SNR=30dB ges.: Leistung des ursprünglichen Rauschens? aus: 30 = 10*log 10 (4000*25µV²/N oise ) 3 = *log 10 (2000*100µV²/N oise ) 10^3 = 4000*25µV²/N oise N oise = 100µV² Noise Amplitude = 10 µv, 4. Evozierte Potentiale: h) Akustisch evozierte Potentiale (AEPs) Unter dem Begriff Akustisch evozierte Potentiale versteht man eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Parameter, die mit Elektroden vom äußeren Gehörgang und von der Kopfhaut bei

12 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -12- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Beschallung eines oder beider Ohren abgeleitet werden können. Um AEPs ableiten zu können braucht man unterschiedliche Reiz- und Registrierparameter. i) Klassifizierung akustisch evozierter Potentiale Abbildung 3 stellt AEPs verschiedener Latenz dar. Die Zeitachse ist logarithmisch eingeteilt, um eine gleichzeitige Darstellung von frühen Komponenten (0-10 ms) mittleren Komponenten (10-50 ms) späten Komponenten ( ms) zu ermöglichen. Die Potentiale wurden von der Vertexposition (Cz) auf eine Mastoidelektrode (M; hinter dem Ohr) referenziert. Abbildung 3: AEPs, die unter verschiedenen Bedingungen abgeleitet wurden. Die Zeitachse ist in drei Abschnitte unterteilt: (i) kurze Hirnstammpotentiale (ii) mittlere Kortexreflexantwort (iii) späte Latenzen; Vertex-Latenzen. FAEP: frühe akustisch evozierte Potentiale, AEHP: akustisch evozierte Hirnstammpotentiale, BAEP: Brain stem acoustic evoked potential, CAR: crossed acoustic response, CERA: cortical electric response audiometry, CNV: contingent negative variation. j) Beurteilungskriterien für EPs Amplitude: ist abhängig von der Quantität der intakten neuronalen Strukturen. Die Abmessung erfolgt peak-to-base, base-to-peak oder peak-to-peak. Form

13 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -13- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Skalptopographie: Signale können über verschiedene Punkte an der Schädeloberfläche verteilt werden. Polarität Latenz: die absolute Latenz ist die Zeitspanne zwischen Setzen eines Reizes bis zum Auftreten der Reizantwort. Sie reflektiert die Geschwindigkeit, mit der Impulse im jeweiligen Sinnessystem geleitet werden. Die Interpeaklatenz gilt als Zeitspanne, die zwischen dem Auftreten eines Peaks und dem Auftreten des nachfolgenden Peaks vergeht. 5. Spontanes EEG Die Amplitude des EEGs beträgt ca µv, der Frequenzbereich liegt zwischen l und ca. 30 Hz. Man unterscheidet folgende Aktivitäten, eingeteilt nach dem dominierenden Frequenzband: Delta Theta Alpha Beta Gamma < 4 Hz 4 8 Hz 8 13 Hz Hz > 30 Hz Delta- und Thetawellen sind beim wachen Erwachsenen als pathologisch zu bewerten, sie treten allerdings bei gesunden Kindern und in Tiefschlafphasen beim Erwachsenen auf. So ist der α- Rhythmus am besten bei geschlossenen Augen am okzipitalen Kortex zu sehen. Öffnet man die Augen, wird der α-rhythmus kleiner oder verschwindet ganz. Ein vergleichbares Phänomen kann man über dem somatosensorischen Kortex beobachten. Eine linke (oder rechte) Handbewegung führt zu einer Reduktion des α-rhythmus über dem kontra-lateralen, also rechten (bzw. Linken) Hemisphäre. (Elektrodenposition C3 und C4). Daraus kann man ableiten, dass eine kleiner α- Rhythmus einer Aktivierung entspricht, ein großer α-rhythmus entspricht Ruhe. Obwohl allgemein alle Wellen im Bereich von 8 13 Hz als α-wellen bezeichnet werden, sind die der okzipitale α und der zentrale α-rhythmus (okzipital und zentral) unabhängig. Der zentralen" α-rhythmus wird auch als µ-rhythmus bezeichnet.

14 Grundlagen Biomedizinischen Technik Labor -14- ÜBUNGEN EEG EVOZIERTE POTENTIALE Abbildung 2: Beispiele für typische EEG Zeitverläufe Der µ-rhythmus liegt zwar im gleichen Frequenzbereich, er reagiert aber nicht auf das Öffnen der Augen, sondern desynchronisiert bei Bewegungen und somato-sensorischer Stimulation. Diese Definition umfasst alle zentralen Rhythmen in diesem Frequenzbereich, auch wenn sie nicht die nur selten nachweisbare klassische Arkadenform aufweisen. Als β-rhythmen werden Aktivitäten zwischen 13 und 30 Hz bezeichnet, ihre Amplitude ist meist deutlich niedriger als die des µ- und α- Rhythmus, sodass er durch diese im Roh-EEG meist maskiert ist. Das bedeutet auch dass man in allen EEG-Ableitungen verschiedene Frequenzkomponenten gleichzeitig finden kann. Die einzelnen Komponenten sind nur verschieden stark enthalten. Visuelle erkennbar ist oft nur die größte Komponente. Eine Spektralanalyse hilft uns die verschiedenen Komponenten zu identifizieren. 6. Weiterführende Literatur:!""#$%&'()*+"&( &, -.//., / !!67$"('()*%+86+/ 9.,04 :* ;!!:$"!'&)*+!9/ %.,01; ::*/$(!!! 8,<:5= >7=,.1?@7 A 3 :,7 1 :!!!7$6'&)*&(8&"6

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