Kapitel
IV
EEG
Messung:
Instrumente
und Elektroden
Wenn wir das EEG mittels einer Elektroenzephalographie
beobachten, messen wir die Potentialdifferenz zwischen Paaren kleiner
Messelektroden. Die gemessene Spannungsdifferenz bewegt sich im Bereich von
einem millionenstel Volt. Wir sind in der Lage sehr hohe, womöglich tausende
Volt betragende Spannungen selbst zu erzeugen, indem wir die Füße auf einem
Teppich hin- und herbewegen und eine andere Person berühren. Das Dilemma und
die entscheidende Frage ist also, wie ist das EEG Instrument in der Lage,
minimale elektrische Spannungen, die eine Gruppe von Neuronen im Gehirn erzeugt,
zu messen und dabei den Einfluss erheblicher elektrischer Spannungen, die in
der Umgebung ständig erzeugt werden, zu eliminieren? Um das zu klären, müssen
wir erst erläutern, was eine Potential Differenz, was Strom und was
elektrischer Widerstand überhaupt ist.
Vielleicht erinnern sie sich aus
dem Physikunterricht an den Gleichstrom, den wir bei Taschenlampen benötigen
und den die Batterien liefern. Tatsächlich gibt es eine Beziehung zwischen
Potential Differenzen, die man in Volt misst, Stromstärke, in Ampere und
Widerstand gemessen in Ohm. Diese Beziehung wurde 1826 vom deutschen Physiker
Georg Ohm als Potential Differenz (V) = Stromstärke (i) x Widerstand (R )
postuliert. Die gleiche Formel beschreibt diese Beziehung beim Wechselstrom. (AC). AC oder
Wechselstrom ist der Strom aus der Steckdose, aber auch das, was wir im EEG
messen. Die Formel lautet: Volt (V oder
E) = Strom (I) x Widerstand (z). Impedanz ist ein komplexeres Konstrukt als
der elektrische Widerstand, weil in seine Berechnung nicht nur der Widerstand
der Transistoren sondern auch andere Faktoren wie Kapazität, Induktivität und
die Frequenz des Wechselstroms einfließt. Diese Begriffe und Impedanzmessungen, werden in diesem Kapitel
noch genauer beschrieben.
In
diesen Formeln bedeutet Strom die Rate der Elektronen die durch einen Leiter
fließen. Diese werden in Ampere gemessen. Potential Differenzen kann man
sich als gerichtete Kraft vorstellen, die dafür sorgt, dass der Strom in eine
Richtung fließt. Der Strom fließt abhängig von der Potential Differenz zwischen
der Quelle (Minuspol) zum Ziel (Plus Pol). Der Widerstand (oder die Impedanz
beim Wechselstrom) ist dasjenige im durchflossenen Material, das sich dem freien
Fluss der Elektronen entgegenstellt. R und z
meinen beide diese Kraft. Dieser Widerstand gegen den Fluss der Elektronen ist
sehr hoch in Substanzen wie Gummi, bei denen die meisten äußeren Elektronenbahnen
gut gefüllt sind. Das erschwert das Herauslösen
einzelner Elektronen aus den äußeren Bahnen. Solche Substanzen sind gute Isolatoren,
aber sehr schlechte Leiter.
Stromstärke meint die Größe des Transports einer elektrischen
Ladung von einem Punkt zum anderen. (Ihr Stromversorger misst die
Anzahl der Elektronen die einen Meter in jeder Sekunde passieren. Sie messen
dabei in Ampere, wobei ein Ampere = 6.28
x 1018 Elektronen [Reihen) sind. Elektrische Ladung bezieht sich
auf die negative Ladung, die von den Elektronen transportiert wird. Elektronen
umkreisen den Atomkern auf verschiedenen Bahnen. Die Bahnen haben
unterschiedliche Distanzen zum Kern, die man sich als unterschiedliche Energie
Level vorstellt. Jede Bahn beinhaltet eine genaue Anzahl von Elektronen. Ganz
Nahe am Kern befinden sich zwei Elektronen. Auf der nächsten Bahn sind es acht
Elektronen, auf der nächsten 16. Es sind die Elektronen auf den äußeren Bahnen,
die den Strom erzeugen. Diese Elektronenbahn kann unvollständig gefüllt sein.
Wenn dass der Fall ist, werden Elektronenkollisionen möglich, die das Elektron
zur Verlassung seiner Bahn anregen. Stellen sie sich vor, dass ein solches
Elektron wie eine Billiardkugel agiert. Es kollidiert mit anderen Elektronen
und wird von dem Atom, mit dem es kollidierte eingefangen, aber dessen angeregtes
Elektron löst sich aus seiner Bahn und trifft das nächste Atom usw. usw. in
einer Kettenreaktion. Es ist dieser Ablauf, der das erzeugt, was wir einen
elektrischen Strom nennen.
In
unserer Arbeit als Neurofeedbacktherapeuten benutzen wir die Potentialdifferenz
zwischen einer Plus und einer Minus Elektrode um die Amplitude einen EEG Signals
zu messen. Bei Hirnwellen wird der gemessene Strom in Microvolt (mV) ausgedrückt, wobei
ein Microvolt ein millionenstel Volt ist.
Eine
vielgenutzte Analogie zur Erläuterung von Strom ist der Wasserdruck in einem
System, zu dem ein Wasserturm gehört. Die Höhe des Wasserturms bestimmt den
Druck des Wassers in den Leitungen. Dabei ist der Druck ähnlich der Potentialdifferenz
(Volt) in einem Stromkreis. Die fließende Wassermenge entspricht dem Strom, der
Durchmesser der Röhren ähnelt dem Widerstand im Stromkreislauf. Ein schmaler Durchmesser wird den Stromfluss begrenzen. Dieser
kann nur angehoben werden durch Erhöhung des Drucks (durch einen höheren
Wasserturm) oder durch ein Absenken des Widerstands (durch größere Leitungen).
Das
Gehirn produziert Wechselstrom. Dieser Strom kann als eine Sinuswelle dargestellt
werden. Um die Amplitude dieser Welle zu messen, messen wir gewöhnlicherweise
von der Spitze der positiven Welle zur Spitze der negativen Welle und wir
nennen das Peak to Peak Messung.
Das EEG
Instrument
Wie liest mein EEG
Gerät das Signal und filtert unerwünschte elektrische Aktivität heraus?
Die Kopfelelektroden,
die wir beim Neurofeedback benutzen sind Makroelektroden (>5mm), die in der
Lage sind Mikrovolt Differenzen zwischen den Elektroden an zwei
unterschiedlichen Positionen zu erfassen. Wenn man sich dem Klienten nähert
kann das zu veränderten Stromstärken in den Kabeln führen. Fast in jedem Raum,
den man zum Neurofeedbacktraining benutzt, wird man andere elektrische Quellen
haben, die die Messung beeinflussen. Das einfachste, aber auch dramatischste
Beispiel ist die statische Aufladung. Wenn man die Füße auf dem Teppich reibt
und seine Hand zu einem Menschen bewegt, der vor einem sitzt, wird ein
elektrischer Funke überspringen Die Potential Differenz zwischen beiden
Menschen kann 10,000 Volt betragen. Der Strom ist trotzdem extrem schwach. Die
Potential Differenz liegt im Voltbereich, aber wir messen Microvolt. Es wird
den anderen Menschen nicht umbringen, aber es wird einen großen Einfluss auf
die EEG Messung haben.
[L1] Der
erste Schritt zur EEG Messung benötigt somit einen Präamplifier. Also einen
Vorverstärker. Dieser verstärkt die
minimale Microvolt Differenz um das 100000 fache und verstärkt keiensfalls
irgendein anderes elektrisches Signal. Der
zweite Schritt besteht darin, dass man den analogen Wechselstrom in digitale
Signale umwandelt, mit denen der Computer arbeiten kann. Dieser Prozess nennt
sich Sampling. Der dritte Schritt
besteht darin, dass man das digitale Signal leichter lesbar und auswertbar
macht, indem man es filtert, das bedeutet, indem man die Anteile des EEG zeigt,
die interessant für die Auswertung sind, während man den Rest heraus filtert. Das
nächste Kapitel wird diese Vorgänge genauer beschreiben.
Verstärker
Was ist ein
Vorverstärker?
Der Vorverstärker verstärkt den EEG Strom um ein
Vielfaches damit andere Einflüsse aus der Umgebung klein und unbedeutend im Vergleich
zum verstärkten EEG Signal bleiben. Er verstärkt nur die Voltdifferenzen
zwischen den Inputs. Die Elektrode misst winzige elektrische Spannungen. Wir
messen Millionenstel eines Volts (Microvolt). Wie bereits
beschrieben kann bereits die Annäherung an einen Klienten durch induzierten
Strom, erzeugt durch die Reibung des Fußes am Teppich z.B., eine Voltdifferenz
zwischen Therapeut und Klient von tausenden Volt schaffen. Das wird den
elektrischen Strom, der durch das Kabel vom Patienten zum Verstärker läuft, erheblich
beeinflussen. Lange Kabel sind problematisch, können sie doch mehr
Induktionsstrom erfassen. Kurze Kabel zu einem Vorverstärker, der an der
Schulter des Klienten befestigt ist, oder an einem Stirnband, sollte dieses
Problem verhindern. (Es gibt dann weniger Kabel, das wie eine Antenne
funktioniert!) Andere EEG Instrumente haben den Vorverstärker im gleichen
Gehäuse wie den Enkoder, das bedeutet immer längere Kabel und damit eine größere
Gefahr andere elektrische Einflüsse aus der Umgebung aufzunehmen. Ein gut abgeschirmtes
Kabel ist eine Möglichkeit dieses Problem anzugehen. Die Kabel des Focused
Technology F1000 Equipment besitzen beispielsweise eine zweite Kabelschicht,
die von außen kommende elektrische Einflüsse abschirmt, so dass diese keinen
Einfluss auf das Kabel haben, das das EEG Signal des Klienten zum Vorverstärker
leitet. Andere EEG Instrumente, so z.B. Thought Technologies ProComp+ und
Infiniti, besitzen einen Vorverstärker, der am Kragen des Klienten befestigt
werden kann. Dadurch können die Kabel zum Enkoder kurz bleiben.
Entweder
hat das Instrument einen Vorverstärker in der Nähe der Elektroden, gut
abgeschirmte Kabel oder beides, das Ziel ist es den Anteil von elektrischer
Spannung, die das System beeinträchtigt, zu reduzieren.
Der
Vorverstärker ist eine kleine Einheit, die im Idealfall so nahe an der
Elektrodenposition befestigt wird, wie möglich, weil andere elektrische
Einflüsse, nach der Verstärkung des Signals nur noch einen geringen Einfluss auf
das gemessene EEG haben können. In Stermans Studie mit Top Gun U.S. Navy Piloten
wurde der Vorverstärker in den vom Piloten getragenen Helm eingebaut und zwar
an jeder Elektrodenposition. Das ist eine elegante aber sehr teure Lösung des
Kabelproblems zwischen den Elektroden und dem Vorverstärker, um unerwünschte
elektrische Einflüsse auszuschalten.
Kalibrierung
eines Full Cap EEG Instruments wird
hergestellt durch das Erstellen einer Standardspannung an allen Input Kanälen. Das
garantiert, dass die gelesene Spannung in Ordnung ist und dass alle Inputs das
Signal auf gleiche Art und Weise verstärken und filtern. Die meisten Neurofeedbackgeräte
verlangen nicht nach einer Kalibrierung vor jeder Benutzung. Man wird nur dann
Kalibrieren, wenn es Probleme gibt. Wir vermuten, dass Anwender in der Regel
zwei EEG Instrumente besitzen. Wenn ein Problem vermutet wird, kann der Trainer
die Elektrode am zweiten Gerät anschließen, um die Werte zu überprüfen.
Aber wie arbeitet der Verstärker?
Der
Verstärker entdeckt und verstärkt Unterschiede zwischen zwei Inputs. Er
verstärkt Veränderungen der Signale von jedem Input um denselben Wert aber in
unterschiedliche Richtungen, in Bezug auf eine elektrische Referenz innerhalb
des Verstärkers. Das tut er indem er die Polarität des zweiten Inputs umdreht, so
dass beide Messungen voneinander subtrahiert werden können. Der Verstärker
verstärkt nur die Differenz zwischen beiden Inputs, deshalb wird er auch
Differential Verstärker genannt.
Um es bildhafter zu machen stellen sie sich bitte vor, dass sie einen
Klienten an ein EEG angeschlossen haben, wobei eine Elektrode an Cz liegt und
das andere an einem Ohrläppchen. Eine starke elektrische Störungen beeinträchtigt
beide EEG Kabel mit der gleichen Amplitude und der gleichen Frequenz, Phase und
exakt gleichzeitig. Idealerweise wäre nun nach der Subtraktion beider
Störeinflüsse an den Inputs, die einzige Differenz zwischen beiden Ableitungen
die winzige Mikrovoltspannung von der Elektrodenposition Cz, die von der
Aktivität von Pyramidenzellen des Gehirns stammt. Wenn der Verstärker die Polarität
des Inputs von einem Kabel wechselt, wird jede interferrierende Störaktivität
ausgeschlossen und es wird nur die winzige Mikrovoltaktivität der Hirnzellen
übrigbleiben, die dann vom Vorverstärker um ein Vielfaches erhöht wird.
Das
meint man, wenn man sagt, der Verstärker unterdrückt Signale, die auf beiden
Seiten des Inputs gleich sind. Das ist die so genannte Common Mode Rejection. Die
Maschine ist so verdrahtet, dass bei größerer Negativität an Input 1 gegenüber
Input 2 eine aufwärtsgerichtete Ablenkung des Signals erfolgt.
(Bemerken
Sie: Das dritte Kabel, der Grund, am anderen Ohr des Klienten, hat keine
Verbindung zum Boden oder Grund in dem Sinne wie wir das dritte Kabel einer
elektrischen Leitung Grund nennen. Stellen Sie sich den Begriff “Grund“ vor als
ein elektrisches Wächterkabel. Der echte Grund ist nicht mehr der Referenz
Punkt für Messungen (Frank Diets, der Ingenieur, der das F1000
biofeedback/neurofeedback Instrument schuf)
Die Common
Mode Rejection Ratio ist das Verhältnis
des Common Mode Input Spannung dividiert durch die Volt Spannung des Outputs
(Fisch, p43). Dieses Verhältnis sollt größer als 100,000 sein. Fehler in diesem
System zur Eliminierung externer Common Mode Artefakte stammen entweder von zu
großen Impedanzunterschieden zwischen zwei Elektroden oder einer schlechten „Ground“
Verbindung.
Eine
zweite Verstärkung erfolgt nach der Filterung des Signals. Das wir eine Single-Ended
Amplification genannt, weil es nur einen einzigen Input mit dem “Ground”
vergleicht und dieses Signal verstärkt.
Filter
Ihr
Verstärker besitzt zwei Filter, die dabei helfen, Störungen zu minimieren, die
es schwierig machen würden, das EEG zu lesen. Es gibt den High-Pass Filter
und den Low-Pass Filter. In
einigen Instrumen wird diese Filterung bereits im Vorverstärker vorgenommen,
der den Input von drei Elektroden erhält (Positiv, Negativ und Grund) In diesem
Fall liegt er zwischen den Kabeln und dem Enkoder, der auf dem Tisch steht. Bei
anderen Instrumenten befindet er sich im gleichen Gehäuse. Das Filtern erfolgt
nach der Differentialverstärkung und vor der Single ended Verstärkung. Eine
dritte Art der Filterung erfolgt durch den so genannten Notch Filter, der dazu
dient, bestimmte Frequenzen wie 60 oder 50 Hz (Netzstrom in den USA/Europa) herauszufiltern.
Diese Filter filtern nicht nur Frequenzen oberhalb oder unterhalb. Es ist ein
komplexer Prozess um unerwünschte Frequenzen auszublenden, das bedeutet, deren
Amplitude um einen gesetzten prozentualen Anteil zu mindern. Nähere
Erläuterungen können sie in einem Lehrbuch über EEGs wie etwa das von Fisch
(p46-54) entnehmen. Ein unvermeidbarer, unerwünschter Effekt des
Low-Pass-Filters ist, dass er störende Artefakte wie Muskel Artefakte durch das
Absenken der Amplitude und das Verlangsamen der beobachteten Frequenz
dahingehend ändert, dass sie wie Bestandteile des beobachteten EEG erscheinen.
High-Pass
Filter
Der High-Pass
Filter hat die Aufgabe, die Ampitude der Wellen zu mindern, die in
einer Frequenz unterhalb des Cut Offs gemessen werden. Er lässt nur Wellen
passieren, die oberhalb der Cut off Frequenz liegen. Es handelt sich nicht um
einen Alles Oder Nichts Filter, er sorgt eher für eine graduelle Eliminierung
der Frequenzen. Die meisten Instrumente besitzen High Pass Filter bei 1 oder 2
Hz weil wir normalerweise nur nach Wellen sehen, die oberhalb von 3 Hz liegen,
wenn wir klassisches Neurofeedbacktraining betreiben. In Krankenhäusern werden
aber auch niedrigere Frequenzen zur EEG Beurteilung heran gezogen. Instruments wie
der ProComp+ oder auch der Infiniti haben den High-Pass Filter bei 0.5 Hz. Delta
Wellen können mit diesem Verstärker gut erkannt werden, obwohl man sorgfältig
unterscheiden muss zwischen Delta Aktivität und Artefakten, die durch Augenbewegungen
erzeugt werden.
Einige
EEG Instrumente wie Lexicor, ermöglichen es, den High Pass Filter während des
EEG ein oder auszuschalten. Während des Feedback wird man ihn aber
eingeschaltet lassen. Ein niedriger Cut Off ergibt ein EEG, das Delta Aktivität
anzeigt, was sinnvoll sein kann. Trotzdem können Interferenzen dafür sorgen,
dass der High Pass Filter überfordert ist, wie etwa durch das Anlaufen eines Klimageräts
oder einer Pumpe, die ein falsches Signal erzeugen, das der Amplifier zu spät
entdeckt. Das daraus resultierende EEG könnte eine vereinzelte hohe Welle
zeigen, die längere Zeit andauert, mit eingestreuten Harmonien oberhalb von
Beta. Es gibt für jedes Design der High Pass Filter Argumente pro und kontra. Wenn
wir über die EEG Instrumente sprechen, werden wir sehen, dass die Ingenieure
Entscheidungen auf Grund von Abwägungen treffen mussten. Merken sie sich bitte,
dass ein High Pass Filter eine Schwelle bei 0,5 bis 2 Hz setzt. Er wird deshalb auch Low-Frequenzy Filter genannt.
[L1]This is repeated in the next paragraph, and it works better there.
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