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1
von Timo Stomberg
13.06.2016
Elektroenzephalographie
Abb.: fisioshare.com
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• griech.: „encephalon“: Gehirn
• griech.: „graphía“: schreiben, zeichnen
• „elektro“: elektrische Aktivität
Elektroenzephalographie Elektroenzephalographie Elektroenzephalographie
EEG
2
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Elektroenzephalographie (EEG) • Aufzeichnung von Spannungs-
schwankungen an der
Kopfoberfläche
• Grundlage: Ionenströme im Intra-
und Extrazellulärraum
3
gute Zeit- & Ortsauflösung
linke Abb.: medicalexpo.de, rechte Abb.: cdn.imotions.com
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Anwendung
• klinische Diagnostik
– Epilepsie
– Schlafstörungen
– Koma, Hirntoddiagnostik
– neurodegenerative Erkrankungen
– …
• Hirnforschung
– nahezu jedes Wissen über Funktionsweisen des Gehirns durch EEG
4
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Themen • anatomische & neuronale Grundlagen
– Nervensystem
– Nervenzellen
– Potentialentstehung
• Messtechnik
– Elektroden
– Differenzverstärker
– Filter
• Analyse
– Ableitungsmethoden
– Frequenzbänder 5
obere Abb.: askabiologist.asu.edu, mittlere Abb.: img.medicalexpo.de, untere Abb.: cdn.imotions.com
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Zentrales Nervensystem
6 Abb.: Schünke, Schulte, Schumacher, Voll, Wesker: „Prometheus“
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Graue und Weiße Substanz
• graue Substanz:
– Ansammlung von Nervenzellkörpern
– Gehirn: Cortex (Hirnrinde)
• weiße Substanz:
– Axone und Gliazellen
7 Abb.: leukonet.de
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Neurone / Nervenzellen
8 Abb.: askabiologist.asu.edu
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Ruhemembranpotential
9
• Na-K-ATPase:
– intrazellulär erhöhte K+-Konzentration
– extrazellulär erhöhte Na+-Konzentration
– K+-Konzentration > Na+-Konzentration
• Diffusionsstrom
Zelle innen negativ geladen
(Δ𝑈 ≈ −70 mV)
Abb.: wwwmath.uni-muenster.de
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Signalübertragung
10 linke Abb.: Campbell: „Biologie“, rechte Abb.: upload.wikimedia.org
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Messung des Aktionspotentials
• hohe Spannungsschwankung: 80-100 mV
• lediglich transmembranöse Spannungsdifferenz
kleines, zeitlich kurzes, extrazelluläres Feldpotential
nicht mit EEG messbar
11
?
Abb.: Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“
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12
inhibitorisch wirkende Synapsen:
Postsynaptisches Potential (exzitatorisch wirkende Synapse)
Abb‘en: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Pyramidenzellen • Großteil der Nervenzellen im Cortex (85%)
• Ausrichtung senkrecht zur Oberfläche
– Dendriten Richtung Oberfläche
– Axone Richtung Inneres
• Fernfeldnäherung Dipol
13
Pyramidenzelle aus der Großhirnrinde eines Menschen linke Abb.: Cooper, Osselton, Shaw: „Elektroenzephalographie“ –
„Technik und Methoden“, rechte Abb.: wikiwand.com
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Postsynaptisches Potential bei Pyramidenzellen
14 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
bis zu 10.000 Dendriten pro Pyramidenzelle
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Synchrone Aktivität
a) EPSP an Dendrit
b) EPSP am Soma
c) IPSP an Dendrit
tritt in der obersten Cortex-
schicht quasi nicht auf
d) IPSP am Soma
treten im Cortex insbeson-
dere hier auf
15
zumeist konstruktive Überlagerung der Potentiale
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Synchrone Aktivität
16
• eine Elektrode erfasst in etwa: – Fläche von 6 cm2 – 108 Neuronen – jedes Neuron hat bis zu 10.000
Synapsen
grundsätzlich:
𝟏/𝒇-Rauschen
Modell: Synchrone Aktivität
? experimentell:
EEG ist nicht die Summe der einzelnen Potentiale
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Kortikale Feldpotentiale
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• Ionenbewegungen im Extrazellulärraum
• Potentialentstehung:
Δ𝑈1 = 𝑅 ⋅ 𝐼
Δ𝑈2 = 𝑄/𝐶
N: Neuron, S: Synapse, G: Gliazellen, M: Membranstruktur
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Δ𝑈: Spannung, 𝑅: Ohm‘scher Widerstand, 𝐼: Strom, 𝑄: Ladung, 𝐶: Kapazität
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Gewebsleit-fähigkeit
• Ohm‘sche Widerstände
– intra- und extrazelluläre Flüssigkeitsräume
– Liquor
• kapazitive Widerstände
– Zellmembran
– Schädelknochen
– Haut
18 Abb.: previews.123rf.com
𝑍𝐶 =1
𝜔𝐶 ⇒ Einfluss auf Frequenzanteile
leitend ⇒ reduziert Feldpotentiale erheblich
Leitfähigkeit kann nicht gemessen werden genaue Aussagen über Einfluss nicht möglich
? 𝑍𝐶: Impedanz, 𝜔: Kreisfrequenz, 𝐶: Kapazität
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Liquor und Hirnstamm
• Liquor: hohe Leitfähigkeit
• Signale von Hirnstamm werden an Oberfläche geleitet
• Größenordnung: Attovolt (aV = 10−18V) 19
Abb.: previews.123rf.com
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Messtechnik
• Elektroden
• Verstärker
• Frequenzfilter
20
Amplitude der EEG-Wellen an der
Kopfoberfläche:
𝑈 ≈ 100 μV
Anforderungen an Elektronik:
• sehr exakt • störungsfrei
Abb.: img.medicalexpo.de
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Elektroden
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Me+: nicht-reagierendes Metall
Cup- / Klebe-Elektroden Brückenelektroden
obere Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“, Abb. unten links: ternimed.de, Abb. unten rechts: micromed.com
Elektroden-potential
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Polarisierbare Elektroden
• aus Edelmetall, z.B. Gold
• Ionendifferenzen streben Gleichgewicht an
unzureichende Übertragung langsamer Potentialdifferenzen
Dämpfung niedriger Frequenzen
22
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Nichtpolarisierbare Elektroden
• z.B. aus Silberchlorid
• keine Konzentrationsänderung in el. Doppelschicht
frequenzunabhängig
23
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Elektroden
• Genauigkeit
• Biokompatibilität
• Kosten
• Langzeitmessung
• Komfort (Schlaf)
• …
24
Es gibt nicht die perfekte Elektrode für alle Anwendungen.
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Differenzverstärker • Störspannungen der Umwelt
– vielfaches größer als EEG-
Signal
unipolares Verstärken nicht
möglich
– vom Körper überall
weitgehend gleich
aufgenommen
Differenzverstärkung mit
Referenz zum Körper
25 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Frequenzfilter
• Beseitigung störender Frequenzen zur besseren
Analyse
• Tiefpass (A), Hochpass (B)
• Grenzfrequenz:
𝑓𝑔 ∶= 𝑓 𝑈 2 =𝑈 1
2=
1
2𝜋𝑅𝐶
26
𝑓: Frequenz, 𝑈 : Spannungsamplitude, 𝑅: Ohm’scher Widerstand, 𝐶: Kapazität
Abb.: amateurfunkpruefung.de
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27
Internationales 10-20-System
Abb. oben links: de.dreamstime.com, rechte Abb.: medicalexpo.de, Abb. unten links: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Ableitungsmethoden natürliche Referenzableitung
– gemeinsame Referenz: meist Ohrläppchen
– reale Darstellung der Potentialverteilung
– Übertragung von Artefakten an Referenz in voller Stärke auf
alle Elektroden
Durchschnittsreferenzableitung
– Referenz: Mittelwert aller Elektrodensignale
– geringere Auswirkung der Artefakte
– regional begrenzte Aktivitäten können in Ableitungen anderer
Hirnregionen auftreten, wo sie real nicht vorkommen 28
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Bipolare Ableitung
Verknüpfung aller Elektroden
visuell besser auswertbar
„Kunstprodukt“
Artefakte bleiben auf zwei Elektroden begrenzt
exakte Rekonstruktion der realen Potentialverteilung nicht mehr möglich
29
fokale EEG-Veränderung F1 führt zu Phasenumkehr PU1
Ableitungsmethoden (2)
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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• jede Methode: Vor- & Nachteile
• natürliche Referenzableitung:
Möglichkeit der nachträglichen Umrechnung
• mehrere Methoden pro Untersuchung, insbesondere:
– natürliche Referenzableitung
– bipolare Ableitung
30
Ableitungsmethoden (3)
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Frequenzbänder
31
Typ 𝜈 Deutung (bedingt) Abbildung
𝛿-Wellen
< 4 Hz
traumlose Tiefschlafphase falls Wachzustand: Hirnfunktionsstörungen, Hirnblutungen, Hirntumore
𝜃-Wellen
4 bis 8 Hz
Schläfrigkeit, leichte Schlafphasen
𝛼-Wellen
8 bis 13 Hz
entspannte Wachheit bei geschlossenen Augen
𝛽-Wellen
13 bis 30 Hz
konstantes Anspannen eines Muskels, Konzentration
𝛾-Wellen
> 30 Hz
starke Konzentration, Lernen, Verwechslungsgefahr: Augenartefakte
Abb.: de.wikipedia.org
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Frequenzbänder • komplizierte Extraktion aus 1/𝑓−Rauschen
• Fehlinterpretationsgefahr (Artefakte)
• Interpretation abhängig von Hirnstruktur
• viele weitere Frequenz-Strukturen und Muster
32 Abb.: cdn.imotions.com
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Zusammenfassung
33
𝟏/𝒇-Rauschen
Auslese: „künstlerisch“,
auf Erfahrungen beruhend, komplex mathematisch
postsynaptische Potentiale
kortikale Feldpotentiale ?
Gewebs-leitfähigkeit
jegliche Modelle versagen
Wieso können wir ein „zufälliges“ 1/𝑓-Rauschen
überhaupt auslesen?
?
? ? ?
?
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Backup-Folien
34
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Myelinisierte Nervenfaser
• Axone von Gliazellen umhüllt
• deutlich schnellere Übertragung
35 Abb.: Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“
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Sternzelle
• machen ca. 15% der Nervenzellen im Cortex aus
• viele Dipole in entgegengesetzter Richtung Neutralisation in Fernwirkung
36 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Hirnfurchen
• nur radial zur Kopfoberfläche
ausgerichtete Pyramidenzellen
können durch das EEG erfasst
werden
• in Hirnfurchen tangentiale
Ausrichtung
37 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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Äquipotentiallinien
38 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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• Referenz ist Mittelwert aller umliegenden Elektroden
• gut geeignet für fokale EEG-Veränderungen
• weniger Artefakte
• teilweise schwer durchschaubar
39
Ableitungsmethode: Quellenableitung
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
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S. Zschocke, H. Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“; Springer-Verlag; 3. Auflage; 2012 R. Cooper, J.W. Osselton, J.C. Shaw: „Elektroenzephalographie“ – „Technik und Methoden“; Gustav Fischer Verlag; 3. Auflage; 1984 R. Klinke, H. Pape, A. Kurtz, S. Silbernagel: „Physiologie“; Georg Thieme Verlag; 6. Auflage; 2010 M. Schünke, E. Schulte, U. Schumacher, M. Voll, K. Wesker: „Prometheus“ – „LernAtlas der Anatomie“ – „Kopf, Hals und Neutoanatomie“; Georg Thieme Verlag; 3. Auflage; 2012
Literaturverzeichnis
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Für die Nutzung der Websites kann der 09. Juni 2016 herangezogen werden. Folie 1 http://www.fisioshare.com/Images/EEG-Brain.jpg Folie 3 http://www.medicalexpo.de/prod/mag-more-gmbh/product-76676-699570.html https://cdn.imotions.com/wp-content/uploads/2016/02/EEG.jpg Folie 5 https://askabiologist.asu.edu/sites/default/files/resources/plosable/Brain_Speed/connected-neurons.jpg http://img.medicalexpo.de/images_me/photo-g/70079-6104657.jpg https://cdn.imotions.com/wp-content/uploads/2016/02/EEG.jpg Folie 6 Schünke, Schulte, Schumacher, Voll, Wesker: „Prometheus“ Folie 7 http://www.leukonet.de/typo3temp/pics/GRAUWEI_02a485292d.jpg Folie 8 https://askabiologist.asu.edu/sites/default/files/resources/plosable/Brain_Speed/connected-neurons.jpg Folie 9 https://wwwmath.uni-muenster.de:16030/Professoren/Lippe/lehre/skripte/wwwnnscript/biologie.html
Abbildungsnachweis (1)
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Folie 10 Campbell: „Biologie“ – „Gymnasiale Oberstufe“; Pearson Studium; 8. Auflage; 2009 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Aktionspotential.svg Folie 11 Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“ Folie 12 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 13 Cooper, Osselton, Shaw: „Elektroenzephalographie“ – „Technik und Methoden“ http://www.wikiwand.com/de/Pyramidenzelle Folie 14 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 15 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 16 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 17 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (2)
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Folie 18 http://previews.123rf.com/images/hfsimaging/hfsimaging1107/hfsimaging110700008/9933709-Querschnitt-des-menschlichen-Gehirns-Lizenzfreie-Bilder.jpg Folie 19 http://previews.123rf.com/images/hfsimaging/hfsimaging1107/hfsimaging110700008/9933709-Querschnitt-des-menschlichen-Gehirns-Lizenzfreie-Bilder.jpg Folie 20 http://img.medicalexpo.de/images_me/photo-g/70079-6104657.jpg Folie 21 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ http://www.ternimed.de/WebRoot/Store2/Shops/62826360/4D59/0F5E/E786/2C40/AA1F/C0A8/28BA/EAA0/Goldnapf-NEU-5-St.1_ml.jpg http://www.micromed.com/media/bilder/EEG-Bruecken_Brueckenelektrode.jpg Folie 22 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 23 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 25 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (3)
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Folie 26 http://www.amateurfunkpruefung.de/lehrg/a04/bild4-19.gif Folie 27 http://de.dreamstime.com/stockfotos-eeg-elektrodenplatzierung-image29444803 http://www.medicalexpo.de/prod/mag-more-gmbh/product-76676-699570.html Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 29 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 31 https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroenzephalografie Folie 32 https://cdn.imotions.com/wp-content/uploads/2016/02/EEG.jpg Folie 35 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 36 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 37 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (4)
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Folie 38 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 39 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (5)