KAPITEL
III
DAS EEG:
Frequenzen und normale und auffällige Wellen
Der
Elektroenzephalograph dient dazu die elektrische Aktivität von Neuronen, den
Nervenzellen des Gehirns, zu messen. Die daraus
resultierende Darstellung wird Elektroenzophalogram genannt. (EEG)
Definitionen
und
Beschreibungen
vielgenutzer Begriffe
Quantitatives EEG
Definition
QEEG ist die Abkürzung für Quantitatives EEG. Dieser
Begriff wird immer dann benutzt, wenn die Analysesoftware das EEG Signal in den
verschiedensten Aspekten quantifiziert. Bei diesem Prozess geht einiges an
Information verloren, während andererseits Informationen gewonnen werden. Beispielsweise
gibt dieser Prozess keinerlei Auskunft über bestimmte Aspekte der Morphologie
der EEG Wellen oder über das Vorkommen von einzelnen Wellenformen wie Burts von
Wellen mit hoher Amplitude, die unregelmäßig erscheinen. Solche Ereignisse
werden den Durchschnittswerten, die das QEEG zeigt, geopfert. Andererseits
macht die Darstellung gemittelter Werte in zu beobachtenden Frequenzbereichen
und deren Ratios, es dem Therapeuten leichter, zu sehen, was im Gehirn des
Probanden geschieht. Der Computer stellt die unterschiedlichsten Werte in
Grafiken dar als ein Spektrum der
Magnitude, also der durchschnittlichen Amplitude in einem bestimmten
Zeitabschnitt oder der Power im Verhältnis zur Frequenz, oder er zeichnet eine
topographische Karte, die die EEG Aktivität an verschiedenen
Elektrodenpositionen zeigt.
Normative
Datenbanken
Es können auch Vergleichswerte aus normativen
Datenbanken zur Auswertung benutzt werden. Es gibt mehrere Datenbanken, die auf
dem Markt erhältlich sind und die dazu genutzt werden können 19 Kanal
Assessments auszuwerten. Diese Datenbanken sind, in alphabetischer Reihenfolge,
die von Frank Duffy, William Hudspeth, E. Roy John, Yuri Kropotov (WIN-EEG),
,Sterman und Kaiser (SKIL), Robert Thatcher (NeuroGuide), Thompson und Hagedorn
(Evoke Neuroscience).
Amplitude und Power
Normalerweise wird das QEEG die Amplituden in
Microvolt (µV) darstellen und die Power in Pikowatt (pW) für jede spezielle
Frequenz an jedem der Messpunkte. Berechnungen der Ratios, der
Standardabweichungen und andere statitische Größen werden ebenfalls angezeigt.
Das QEEG wird in der Regel durch ein 19 kanal EEG Assessment gewonnen, aber es
ist auch möglich, quantitative Auswertungen von einer einzigen
Elektrodenposition zu erhalten. Eine Einzelelektrode an Cz wurd in der
Metastudie von Monastra, Lubar, Green und Linden (1999) benutzt, um die
Theta/Beta Ratios von ADHS Kindern mit denen einer Kontrollgruppe zu
vergleichen. Der begriff QEEG ist also unabhängig von der Anzahl der
ausgewerteten Messpunkte anwendbar.
Die Interpretation eines 19 Kanal QEEG ist nicht für
Anfänger im Feld des Neurofeedback, deshalb wird es erst viel weiter hinten in
diesem Buch behandelt werden. Dort wird man auch graphische Beispiele für solche
19 Kanal Assessments finden.
Das EEG Spektrum
(Frequenzen) – Fast Fourier Transformation
Transformation von Time-Related Domain zur Frequenzy Domain.
Die Transformation der time-related domain des
Roh EEG zur frequency domain zur Erstellung von statistischen
Asuwertungen erfolgt durch eine mathematische Kalkulationf, die Fast Fourier
Transform (FFT). Jean Baptiste Fourier entdeckte, dass jedes wiederkehrende
Signal in eine Serie von Sinuswellen interptretiert werden kann. Die
Aufsplitterung einer komplexen Welle in ihre Komponenten kann man eine Furier
Analyse nennen. Fisch bemerkte dazu: “Die FFT Funktion basiert auf der
Tatsache, dass jedes Signal als eine Kombination von Sinus und Kosinus Wellen
unterschiedlicher Phasen, Frequenzen und Amplituden dargestellt werden kann.” (Fisch, 1999, p 125[L1] ). Das
Quadrieren dieser Fourier Koeffizienten erfolgt, um ein Power Spektrum zu
erhalten, das die in Picowatt (pW) gemessene Power verschiedener Frequenzen zu
einem bestimmten Messpunkt anzeigt. Diese Art der Darstellung wird
beispielsweise benutzt, in den Datenauswertungen der meisten Assessment
Programme der unterschiedlichen Anbieter von Neurofeedbacksoftware. Der Begriff
Power wird auch in thatchers NeuroGuide Programm benutzt, steht dort aber für quadrierte
Microvolt Daten, die nicht mit einem Konstantwert multipliziert werden. Die NeuroGuide Software nennt diese Einheiten
Picowatt. Andere Programme wie
beispielsweise BioGraph benutzen als Messgröße Mikrovolt, ein Wert, der besser
zum Roh EEG passt, der aber keine so dramatischen Differenzen zwischen den
Magnituden der Frequenzbänder anzeigt, weil die gewählte Maßeinheit kleiner
ist. (Das Quadrieren einer Mikrovolt Ration ergibt eine Ratio in Pikowatt; wie
auch immer, leichte Variationen der Messbedingungen die zu den ermittelten
Werten führten, können diese Differenz überlagern.) Es muss angemerkt werden,
dass das EEG nicht tatsächlich nur aus Signalen von Sinus Wellen besteht. Nichtsdestotrotz
ist das Power Spektrum beachtenswert genau und ein wertvolles Instrument zur
Auswertung des EEG.
Absolute Messwerte
in den Frequenzbändern
Absolute band values sind Berechnungen, die auf Werten unterhalb der
Spektralkurve dieser Frequenz basieren (Beispielsweise 4-8 Hz). Das Dividieren zweier absolute band values
führt zum Wert der RATIO genannt wird (eine solche Ration für Theta/Beta Werte wird
berechnet durch den Wert der Aktivität bei 4-8 Hz geteilt durch den pW Wert der
Aktivität zwischen 13 und 21 Hz) Theoretisch gleicht diese Berechnung die unterschiedlichen
Messbedingungen verursacht durch Haut und schlechten Kontakt aus. Nur so werden
Vergleiche zwischen den Ratios von Personen mit ADHS wissenschftlich vergleichbar.
(Monastra et al., 1999;
Jansen, 1995; Mann, 1992).
Warnungen
Erinnern sie sich: nach dem Quantifizieren des EEG
verfügen wir über Messwerte und Grafiken (Spektral und topographische
Darstellungen) die aber keine Aussage über die Morphologie des EEG beinhalten
oder über unvermittelt auftretende Einzelwellen. Spikes und Wave Komplexe sind
nicht in dieser Information enthalten. Die topographische Karte hilft uns auch
nicht dabei, eine Aktivität zu lokalisieren. Topographische Karten sind ein
Hilfsmittel die EEG Aktivität unter einer großen Anzahl von Elektrodenpositionen
darzustellen. Sie zeigen exakt, welche Elektrodenposition die maximale Power
einer bestimmten Frequenz aufweist. Man sollte aber sehr vorsichtig sein, bei
der Interpretation dieser Karten. Aber erinnern sie sich bitte daran, dass einige
wenige Amplituden mit hoher Amplitude den gleichen Messwert haben können wie
eine deutlich kleiner Amplituden derselben Frequenz. Die Analyse wird aber
ebenso durch Artefakte erschwert, so dass es Pflicht ist, die EEG Daten
sorgfältig zu erheben und von Artefakten zu säubern, ehe man eine quantitative
Auswertung versucht. Es ist unabdingbar, dass man das roh EEG immer im Auge
hat, bevor man zu irgendeinem Schluss gelangt. Topografische Karten
beeindrucken, aber sie sollten im Gedächtnis behalten, dass es in Wahrheit nur
19 Messwerte eines 19 Kanal Assessments sind. All diese Messwerte, die farblich
dargestellt werden, sind Annäherungswerte (Schätzwerte) Die einzige
Möglichkeit, die räumliche Auflösung zu verbessern besteht darin, die Anzahl
der Messelektroden zu vermehren. Wie auch immer, auf die zielsetzungen der
Neurofeedbackanwendungen hat das alles nur einen geringen Einfluss.
Wellenformen, Frequenzen, Pahase und Synchronizität
Morphologie
Morphologie
(oder Wellenform) meint die Form einer Welle. Die folgenden Begriffe werden nur kurz im Basis text definiert, weil
sie diese wahrscheinlich nie benutzen werden, aber sie könnten in Fachbüchern
auf sie stoßen.
Reguläre und Irreguläre Wellen
Reguläre Wellen können als Sinuswellen auftreten,
bogenförmig oder auch asymmetrisch und triangular, wobei sie wie die Zacken
eines Sägeblattes aussehen. Irreguläre Wellen verändern in einem bestimmten Rhythmus
Frequenz und Morphologie.
Monophasische/Biphasische/Triphasische, Transiente, und
Rythmische Wellenformen und Wellenkomplexe
Eine Welle ist monophasisch, wenn sie entweder auf
oder abwärts geht, biphasisch, wenn sie auf- und abwärts geht und triphasisch,
wenn sie aus dreien solcher Komponenten besteht. Eine transiente Welle hebt
sich deutlich gegen das Hintergrundeeg ab. Ein Komplex ist eine Sequenz von
zwei oder mehreren Wellen, die wiederkehren in einer bestimmten,
gleichbleibenden Form (Fisch, p 145). Sinuswellen, wie z.B. Alphawellen oder
Spindeln wie Schlafspindeln oder ähnliche Wellen wie die des sensomotorischen
Rhythmus, werden als rhythmisch beschrieben.
Aktivität:
Generalisierte und Lateralisierte Wellen
Tdie beobachtete
Aktivität kann generalisiert, lateralisert oder fokal sein. Generaliserte
Wellen sind weitgefächert und diffus, erscheinen zur gleichen Zeit in den
meisten Kanälen, die aufgezeichnet werden Die Quelle kann näher eingegrenzt
werden, wenn man eine Referentiale Montage zur Auswertung benutzt, die anzeigt,
dass das Maximum dieser Welle nur an einer Elektrode gemessen wurde, oder bei
einer Phasenumkehr, die man in einer bipolaren Montage erkennen kann. Lateraliserte
Wellen sind solche, die hauptsächlich auf einer Seite des Kopfes beobachtet
werden. Fokale Wellen treten nur an einem Messpunkt oder unter einem Areal auf.
Phase
Wenn
Wellen in Phase auftauchen, bedeutet das, dass sie zur gleichen Zeit absolut
identisch auf einer anderen Region des Gehirns auftauchen. Wenn sie nicht
übereinstimmen sind sie „out of phase“. Wie auch immer, die Wellen können auf
gleiche Art und Weise auf und ab schwingen, aber trotzdem nicht zusammenhängen. In diesem Falle würde eine Zeitlücke
bestehen, die als „phase angle“ bekannt ist. Wenn dieser Winkel 180 Grad
beträgt, wandern die Peaks in die jeweilige Gegenrichtung und das Ganze würde „phase
reversal“ genannt.
Anmerkungen (Fisch): “Phase:
(1) Zeit oder Polaritäts Verhältnis zwischen einem Punkt auf einer Welle, in
einer Ableitung und dem identischen Punkt auf derselben Welle, die sich gleichzeitig
in einer anderen Ableitung findet. (2) Zeit oder
Winkelverhältnis zwischen einem Punkt auf einer Welle und dem Anfang der
Bewegung auf derselben Welle, gewöhnlicherweise ausgedrückt in Winkelgraden
oder Radien.” (Fisch, p450)
Note: Für den Begriff Richtung
kann man auch das Synonym Kanal benutzen. Derivation meint den Prozess der
Messung von einem Elektrodenpaar in einem EEG Kanal. (Fisch, p 443).
Synchronizität
Wenn
die gleiche Wellenform zur gleichen Zeit auf beiden Seiten des Kopfes erscheint,
sind sie in Phase und bisynchron. Wellen, die in verschiedenen Frequenzbändern ohne
eine konstante zeitliche Beziehung erscheinen, werden asynchrone Wellen
genannt. (Fisch, p 152)
Dominante Frequenz und Alter
Alter ist
ein bestimmender Faktor bei der Feststellung der dominanten Hirnfrequenz. Die dominante Frequenz, gemessen mit geschlossenen Augen, liegt beim
Erwachsenen normalerweise im Alpha Band um die 10 Hz. Es ist allgemein
beschrieben, dass höhere Alpha Peak Frequenzen bei intelligenteren Menschen
gefunden werden, das ist hauptsächlich dann der Fall, wenn der Alphapeak bei
geschlossenen Augen bei 11 Hz und höher liegt. Die Intelligenz eines solchen
Probanden ist wahrscheinlich höher als die eines, dessen Alpha Peak Frequenz
bei 9,5 Hz endet. Eine höhere Intelligenz ist aber nicht immer vorteilhaft. Tom
Budzynski merkte an, dass einige der brilliantesten Köpfe des Silicon Vallesy,
mit denen er gearbeitet hat, sehr hohe Alpha Frequenzen besaßen, dafür aber
sehr fragil waren.
In frontalen
und zentralen Regionen ist bei Kindern unter 3 Jahren Delta dominant. Von 3 bis 5
Jahren wechselt die dominante Frequenz zu Theta. Low Alpha wird dominant
zwischen 6 und 8 Jahren und diese dominante Frequenz verschiebt sich dann
Schritt für Schritt zu höheren Alpha Frequenzen, bis beim Herwanwachsenden 10 Hz
erreicht worden sind. Es ist wichtig, dass man den Entwicklungsaspekt des EEG
im Gedächtnis behält, wenn man mit verschiedenen Altersgruppen arbeitet. Was
bei einem 12 jährigen als Theta Exzess gelten würde, wäre beim 4 jährigen
völlig normal.
Ryhthmen und Asymmetrien
Alpha
Alpha ist
normalerweise höher auf der rechten Seite, aber die Differenz zwischen den
Hirnhälften sollte nicht größer als 1,5 sein (Gibbs & Knott, 1949). Der Alpha Rhythmus sollte beim Erwachsenen höher
als 8 Hz liegen. Wenn die Alpha Frequenz niemals 8 Hz überschreitet, ist das
eine Auffälligkeit. Eine Differenz von 1 Hz zwischen beiden Hirnhälften im
Alpha Bereich weist auf eine Auffälligkeit hin und zwar auf der Seite mit der
niedrigeren Alpa Frequenz. (Fisch, p185, 187). Alpha wird in erster
Linie in den posterioren Regionen gefunden und weit entfernt vom präfrontalen Alpha,
das nach Fisch in erster Linie als Augen Artefakt zu interpretieren ist,
zumindest, solange man das Gegenteil nicht festlegen kann. Frontale und
zentrale Alphadominanz ist auffällig.
Der
Alpha Rhythmus wird normalerweise geblockt, oder zumindest reduziert, wenn die
Augen geöffnet werden. Die Abwesenheit jeglicher Abschwächung ist abnormal,
ebenso wenn nur auf einer Seite Alpha geblockt wird (Bancaud’s phenomenon). Das
Alpha bei geschlossenen Augen repräsentiert einen aufmerksamen Wachzustand,
wenn die Person schläfrig wird, reduziert sich Alpha und Theta Aktivität steigt
an.
Alpha
wird mit dem visuellen System in Verbindung gebracht und scheint mit einem
Ruhezustand bei vermindertem visuellen Input zusammenzuhängen.
Beta
Beta Aktivität
im Bereich über 13 Hz wird vornehmlich beim Erwachsenen gefunden. Beta läuft
eher desynchron als rhythmisch. Es ist fast immer ein Zeichen für eine normale
Hirnfunktion. Sie Asymmetrie von Beta zwischen den Hirnhälften sollte nicht
größer als 35% der Amplitude auf der Seite mit der höheren Amplitude sein. Wenn
die Differenz größer ist, ist die Seite mit der niedrigeren Amplitude abnormal.
(Fisch, p 181)
Bewusstseinszustände,
Wellenformen und EEG Bänder
Historischer Kontext
Unterschiedliche
Wellen werden in den unterschiedlichen
EEG Bändern beobachtet. Eine sehr schöne Analogie ist die zu einer
Seeoberfläche. Es gibt sehr große Wellen, zum Beispiel von einer Fähre, und
kleinere regelmäßigere Wellen wenn ein Motorboot vorbeifährt, und leicht
unregelmäßige und desynchrone Bewegungen, wenn ein Wind über den See fegt. Wechselnde
Ladungen wechseln zwischen postiv, negativ und dann wieder positiv. Wechselnde
Ladungen werden deshalb Wellen verursachen, wenn sie eine Zeitlang
aufgezeichnet werden. Dieser Vorgang wurde erstmals von Richard Caton 1875
beschrieben, als er einen Galvanometer benutzte, um die elektrische Aktivität
im Kortex eines Hasen nachzuweisen. Er zeigte die Wellen mit Hilfe eines
Lichts, das die Wellen als Schatten auf der Wand sichtbar machte. 1920 war es
Hans Berger, der als erster ein menschliches EEG aufzeichnete und darüber
berichtete. Er benutzte Papieraufzeichnungen mit Hilfe einer Reihe von Stiften
die mit den verschiedenen EEG Kanälen verbunden waren. Das war die allgemein
übliche Methode, bis uns Computer ermöglichten, das EEG als digitalisiertes
Signal einzufangen und auf dem Computerbildschirm darzustellen. Einige
Krankenhaus EEG Geräte schreiben immer noch auf Papier, aber auch die
Neurologen wechseln immer öfter zum Computer Display.
Frequenzbänder
Bevor
wir Bandbreiten beschreiben ist es wichtig, zu verstehen, dass die Frequenz
einer Welle nur die Anzahl des Vorkommens dieser Welle in der Sekunde ist. Wenn
wir uns vorstellen, dass ein Motorboot 4 Wellen produziert, die in einer
Sekunde ein Dock passieren, dann wissen wir, dass jede von diesen Wellen 250 ms
dauerte. Die Frequenz dieser Welle würde bei 4 Zyklen in der Sekunde liegen. Das
wird gewöhnlich als 4 Hz berzeichnet. Hz ist eine Abkürzung des Namens
eines deutschen Physikers, Heinrich Hertz, der am Ausgang des 19 Jahrhunderts als
erster Wellen auf diese Art beschrieb. Vier Hz liegt im Theta Band, wie weiter
unten beschrieben werden wird. Das EEG ist größtenteils eine wellenförmige
Linie. Diese Linie besteht aus Wellen mit vielen unterschiedllichen
Morphologien und Frequenzen, gemessen nach der Anzahl des Vorkommens dieser
Welle in einer Sekunde. Manchmal sieht man schnelle Wellen, die auf langsameren
Wellen reiten. Alle Frequenzen sind in der schmalen Wellenlinie des EEG
zusammengemischt anwesend.
Bandbreiten
beschreiben die Breite bestimmter Frequenzbänder.
Beispielsweise wird die relativ hohe Amplitude einer synchronen Alpha Welle,
die wir bei geschlossenen Augen des Probanden zu sehen bekommen, normalerweise
in einem Frequenzbereich zwischen 8 und 12 Hz liegen 8-12 Cycles pro Sekunde. Es
gibt aber auch langsamere Alpha Wellen, speziell bei Kindern, die nur bei 6-7 Hz
liegen oder auch schnellere, die bei 13-14 Hz liegen. Es ist die Morphologie,
nicht die Frequenz, die entscheidet, was eine Alpha Welle ist und was nicht. Ort,
Amplitude und Reaktivität wie beispielsweise beim Alpha Block durch Augen Öffnen,
bieten weitere Hinweise. Eine typische Bandbreite ist niemals statisch. Der
folgende Abschnitt diskutiert einige der typischen Bandbreiten und das Alter
sowie den mentalen Zustand, der vorliegt, wenn eine bestimmte Bandbreite
hauptsächlich beobachtet wird.
Das
Spektrum
Um es
leichter zu machen, welche Bandbreite hohe Amplituden aufweist und welche
niedrige während unterschiedlichen mentalen Zuständen und Tätigkeiten, wird
eine Spektrum benutzt, also ein Histogramm, dass die Amplitude in jeder Frequenz
normaleweise zwischen 2 und 32 Hz zeigt. Es kann hilfreich sein, ein Spektrum
abzudecken, das bis 60 Hz reicht, so dass man elektrische Interferenzen aus dem
Stromnetz oder Muskelartefakte besser erkennen kann. Hohe 60 Hz Aktivität kann
aber auch ein Hinweis auf eine schlechte Impedanz sein, die von einem
unzureichenden Kontakt zwischen Haut und Elektrode herrührt. (In Europa, Asien
und Australien arbeitet das Stromnetz mit 50 Hz) Um zu verstehen, was ein
Spektrum ist, stellen sie sich bitte 61 Container in einer Reihe vor. Dann
fragen sie den Computer, aus dem sehr komplexen EEG all jene hervorzuheben, die
1 Hz haben, um diese in einem Turm zu stellen. Dann bitten sie den Computer
dasselbe mit allen 2 Hz Wellen zu tun und diese als zweiten Turm aufzubauen,
dann alle mit 3 Hz und so immer weiter bis 62 Hz. Dann befehlen sie dem Computer daraus ein
Histogramm zu erstellen, der Höhe jeder Reihe, um die Power in Pikowatt zu
repräsentieren (oder die Amplitude in Mikrovolt, abhängig davon, welches EEG Gerät
sie benutzen.) Die schnellen, modernen Computer sind in der Lage, diese mathematische
Leistung (Fast Fourier Transformation) in Millisekunden als Graphik zu präsentieren.
Die Amplitude nimmt gewöhnlich kontinuierlich ab, wenn man sich von 2 hz zu 62
hz bewegt, weil Knochen und Haut schneller Frequenzen stärker reduzieren als
langsame Frequenzen. Deshalb gilt, wenn man einen starken Anstieg oder eine Absenkung
in irgendeinem speziellen Bandbereich wahrnimmt, dass diese Tatsache auffällig
ist. Als Ausnahme gilt der Anstieg des Alpha Bands beim Erwachsenen mit
geschlossenen Augen. Man wird einen steilen Anstieg der Alpha Aktivität sehen.
Magnitude und Amplitude
Wir
sprachen bereits über die Magnitude der Welle als gemittelten Powerwert in
Picowatt innerhalb einer definierten Zeitperiode. Die Amplitude ist die Höhe
der EEG Welle gemessen in Mikrovolt, einem Millionenstel Volt. In den meisten
EEG Geräten, zeigt jede Grafik die durchschnittliche Amplitude dieser frequenz
in einer Sekunde. Das Verhältnis zwischen zwei messungen ist das Power das
Quadrat der Amplitudensstärke ist (x 6.14) Dementsprechend ist die Power
erheblich höher.
Sensitivität
und Gewinn
Die EEG
Geräte wurden so eingestellt, dass sie eine genaue Schätzung der Amplituden der
EEG Wellen erhalten. Diese Amplituden Messung basiert auf dem Vergleich des EEG
Signals mit der Höhe eine Welle eines Kalibrierungssignals. Ihr Verstärker vollbringt
seine Arbeit in Kategorien der Sensitivität und des Gewinns. Dementsprechend
haben Verstärker bekannte Sensitivitäten die in einer festen Einheit in µV/mm
bekannt sind (Eine höhere Sensitivität bedeutet geringere Verstärkung der
Aufnahme) Damit wird ein Kalibrierungssignal von 50 mv eine Abschwächung der
Welle um 7 mm bedeuten, da der Verstärker eine Sesitivität von 7 mv/mm besitzt. Also wird
jedes Signal, das 4 mm hoch ist zu einer Amplitude von 28 mv (7 mm x 4 mv)(see Fisch, 1999, p45,
149). (Diese Ausführungen setzen voraus, dass das Kalibrierungssignal mit
demselben Filter und den gleichen Gains gesetzt wurde. Sie müssen die
Sensitivität verändern, wenn sie mit verschiedenen Altersgruppen arbeiten, weil
Kinder eine sehr viel höhere Amplitude besitzen als Erwachsene. Sie müssen die
Sensitivität herabsetzen und damit die Verstärkung mindern, wenn sie mit
Kindern arbeiten.
[L1]Do we need a year, at least on first reference in this section? It
is only text by fish and s in the reference list
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