Donnerstag, 26. Mai 2016

Das EEG Gerät. Instrumente und Verstärkung des EEG. Fortsetzung der Übersetzungstätigkeit

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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