3. Magnetenzephalographie (MEG) & Elektroenzephalographie (EEG) 3.3. Rauschen und Artefakte

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Moritz Waldfogel
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1 3. Magnetenzephalographie (MEG) & Elektroenzephalographie (EEG) 3.3. Rauschen und Artefakte

2 Rauschen und Artefakte Information über Rauschen in einem Signal: Spektralanalyse Spektrale Leistungsdichte Frequenz Spektrale (Leistungs-)Dichte: die in einer Welle enthaltene Leistung pro Frequenzeinheit 1/f-Rauschen (flicker noise, pink noise, rosa Rauschen): dominierendes Rauschen bei niedrigen Frequenzen; bei doppelter Frequenz ist die Leistung halbiert; in der Elektronik/Messtechnik abhängig von Qualität der betreffenden Bauelemente, z.b. Halbleiter. 2 Weißes Rauschen: Rauschen mit konstanter Amplitude im Spektrum, d.h. konstanter Leistung pro Bandbreiteneinheit; z.b. thermisches Rauschen aufgrund thermischer Fluktuationen von Ladungsträgern

3 Das Hauptproblem: (jede Art von) Rauschen Externe Rauschquellen ( Elektromagnetische Verschmutzung innerhalb einer großen Stadt ): Stromversorgungen, Straßenbahn, Autos, Telekommunikation, Intrinsische Rauschquellen / Artefakte: Augenzwinkern, Herzschlag, Muskelanspannung, spontane Hirnoszillationen After: Hämäläinen et al., Review of Modern Physics (1993) Spektrale Dichte 3 Frequenz (Hz)

Abschirmung Abschirmung externer Störquellen Abgeschirmte Kabine: Reduktion des magnetischen Rauschens der Umgebung verursacht durch Stromversorgungen, Eisenbahn- und Strassenbahntrassen,

4 Abschirmung Abschirmung externer Störquellen Abgeschirmte Kabine: Reduktion des magnetischen Rauschens der Umgebung verursacht durch Stromversorgungen, Eisenbahn- und Strassenbahntrassen, Telekommunication etc.; Materialien: µ-metall (FeNi-Legierung), Kupfer, Aluminium aktive und passive Schirmung; Schirmfaktoren bis zu 10 8 möglich Abschirmfaktor: B ext / B int 4 Quelle: PTB

5 5 Filter

6 Spontane (induzierte, evozierte) Hirnoszillationen z.b. Alpha: 8 12 Hz, Beta: Hz, Gamma: 30 80Hz Zeit 6 Spontane Oszillation: vollständig unkorreliert mit der experimentellen Bedingung Induzierte Oszillation: korreliert mit experimenteller Bedingung, Jitter möglich Evozierte Oszillation: kein Jitter (phase-locked)

7 Passives Zuhören 10 Hz Frequenz Zeit Richtungsunterscheidung 10 Hz 7

8 Augen-Artefakte Zeit 8

9 Augen-Artefakte Bewegung des Augapfels über drei Muskelpaare: horizontale Bewegungen: lateral & medial rectus vertikale Bewegungen: superior & inferior rectus Rotation: superior & inferior oblique Bewegung der Augenlider: Heben des Augenlids durch Musculus levator palbrae Schließen durch M. orbicularis oculi 9 Muskeln des linken Auges. Nach J. Seifert: Ereigniskorrelierte EEG-Aktivität

10 Augen-Artefakte im EEG: Elektrookulogramm (EOG) Überwachung der Bewegungen des Augapfels auf der Grundlage der damit verbundenen elektrischen Aktivität ursprüngliche Annahme: Aktionspotentiale der Augenmuskeln sind für Artefakte verantwortlich heutiger Kenntnisstand: Augapfel selbst ist Ursache dieses Phänomens Cornea (Hornhaut) ist positiv, Fundus (Augenhintergrund) negativ geladen Folge: es existiert ein elektrisches Potential (Dipol, Bestandspotential ) Beispiel: Rotation des Auges Dipol rotiert mit Abstand Cornea/Fundus zu den Elektroden ändert sich. 10 Statischer Augendipol. Nach J. Seifert: Ereigniskorrelierte EEG-Aktivität

11 Herzschlag Stimulus Herzschlagkorrektur z.b. mittels PCA (Hauptkomponentenanalyse) Zeit 11

12 3. Magnetenzephalographie (MEG) & Elektroenzephalographie (EEG) 3.4. Signalmittelung 12

13 Mittelung Mittelung: Technik, die die Abschätzung (Messung) von Signalen kleiner Amplitude erlaubt, die von Rauschen überdeckt sind. Grundlegende Annahmen zur Mittelung von Daten: gleicher zu Grunde liegender kortikaler Prozess Signal und Rauschen sind unkorreliert. Der Zeitverlauf des Signals ist bekannt (Zeitmuster, Trigger). Eine wiederkehrende Signalkomponente existiert bei wiederholten Messungen. Das Rauschen ist zufällig (ein stochastischer Prozess) und hat den Mittelwert Null: noise = 0 13

14 Mittelung Annahme: Eine Messung M in einer k-ten Epoche (Trial, Messwiederholung) zu einem Zeitpunkt t setzt sich aus einem deterministischen Signal R(t) und einem Rauschsignal E(t) zusammen. M k ( t) = R( t) + Ek ( t) Für dieses Modell ergibt sich aus dem Mittelwert über alle K Wiederholungen, d.h. für M ( t) = 1 K K k= 1 M k eine Abschätzung für das gesuchte Signal R(t). Das Rauschen wird (zumindest zu einem großen Teil) herausgemittelt, da wir angenommen haben, dass ( t) noise = E ( t) = k 0 Damit diese Bedingung erfüllt ist, muß die Gesamtzahl K der Trials sehr groß sein! 14

15 Typisches Beispiel eines E/MEG-Stimulus auditorische Stimulation (monaural oder binaural) frequenz-modulierte (FM) Töne ( chirps ) randomisierte Präsentation bei einer Wiederholrate von 0.5 Hz, evtl. Jitter typische Wiederholrate pro Stimulus ~ , 20: Event code frequency time 0.5s 1.5s Charakteristische zeitliche Entwicklung ( Waveform ) des Signals (Feld- bzw. Potentialverteilung); Quellenlokalisation ( diskrete oder verteilte Quellen ) 15

16 Mittelung Rohdaten gemittelte Daten (K ~ 200) (zwei ausgewählte Sensoren) MEG-Sensor über Frontalkortex MEG-Sensor über Hörkortex ca. 200 Stimulus-Wiederholungen 16

17 Mittelung von MEG/EEG-Rohdaten 17 Quelle: Yeung et al., Psychophysiology 41 (2004)

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