Low-Pass Filter
Der Low-Pass
Filter hat die Aufgabe alle für uns relevanten Frequenzen unterhalb
eines Cut Off Wertes durchzulassen. Viele ältere Biofeedback Instrumente
besaßen einen Low-Pass Filter mit einer Cut Off Frequenz von 32 Hz. Die heute
gebräuchlichen Instrumente besitzen in der Regel die Möglichkeit, den Cut Off
Punkt bei 62 Hz zu setzen mit der Möglichkeit, ihn tiefer einzustellen, etwa
bei 40 Hz, um das EEG sauberer (weniger elektrische oder Muskelartefakte) und
damit leichter lesbar zu machen. Dadurch werden Frequenzen, die oberhalb der
gesetzten Schwelle liegen nicht mehr registriert. Der F1000 besitzt einen
digital einstellbaren Low Pass Filter. Er ist eingestellt auf 61 Hz für ein Online
FFT Display, das bis 63 Hz reicht. Während des Feedbacks wird das Gerät aber
auf 45 Hz eingestellt, um den Einfluss der Störungen aus dem Stromnetz 50/60 Hz
zu unterbinden. Der ProComp+ und Infiniti von Thought Technology besitzen Low
Pass Filter, die auch über 61 Hz liegen. Dieser höhere Cutoff Punkt erlaubt die
Beobachtung der höheren Frequenzen des EEG. Das ist wichtig, wenn wir versuchen
kortikale Aktivität zu unterscheiden; zum Beispiel Rumination, also
Gedankenrasen, bei 30 Hz, oder kognitive Bindungsaktivität bei ca. 40 Hz (Sheer
Rhythm), von Muskelaktivität der gleichen Frequenz (EMG Artefakt). Elektrische
Aktivität von Beleuchtung, Computern, Verlängerungskabeln, etc. ist gewöhnlicherweise
sehr regelmäßig und völlig anders als das EEG und wird in den USA und Kanada
bei 60 Hz, in Europa, Asien und Australien bei 50 Hz zu sehen sein.
Andere
Störquellen sind eher ein Problem bei sehr hochauflösenden Geräten, weniger bei
den älteren Instrumenten mit sehr niedriger Rauschtoleranz. Der Verstärker, den
Trucker zur Funkkommunikation benutzen, verursacht beispielsweise einen Anstieg
bei hohen Frequenzen, die absinken zu niedrigeren Frequenzen, wie Meereswellen
am Strand.
Band Pass Filters
Ein Band
Pass ist die Frequenzbreite (beispielsweise 4 bis 8 Hz) die vom Anwender
gewählt wird zum statistischen Vergleich oder während des Neurofeedback. Während
des Neurofeedback wählt der Anwender Frequenzbänder die begrenzen oder verstärken.
Wie diese gewählt werden, wird im Kapitel über Interventionen näher erläutert. Einige
Neurofeedbacksoftwares erlauben es dem Anwender die Art des Filters (IIR, FIR,
FFT) und die Weite des gewählten Frequenzbandes zur Erhebung statistischer
Daten oder zum Neurofeedback einzustellen. In anderen Systemen ist die Art des
Filters vorgegeben und kann nicht gewählt werden.
Sampling Rate
Das Original EEG kann als analog oder kontinuierlich
beschrieben werden. Diese Welle muss in kleine Pakete oder Samples
aufgesplittet werden, um vom Computer verarbeitet werden zu können. Dieses
Aufbrechen der kontinuierlichen Welle in kleine Bestandteile nennt man Sampling.
Dieses Sampling wird von einem analog zu digital (A/D) Konverter
vorgenommen. Moderne Inputs zum Enkoder benutzen immer die
weiblichen Stecker. Diese werden benutzt, weil sie nicht versehentlich
mit einer Stromquelle verbunden werden können, ein Fehler, der Schäden am
Equipment, aber auch bei der damit verbundenen Person auslösen könnte.
Eine schnelle Sampling Rate ist von erheblicher Bedeutung
zur Erlangung präziser Informationen. Die maximale Frequenz, die im Filter rekonstruiert
werden kann, basiert auf dem Nyquist Prinzip, das bedeutet,
dass, zur Erstellung akkurater digitaler Resultate, die Sampling Rate mindestens
das Doppelte der maximalen Frequenz des analogen Signals besitzen muss. Technisch
betrachtet erlauben 128 Samples in der Sekunde also die Beobachtung von
Frequenzen bis 64 Hz, obwohl in der Praxis Geräte mit dieser Sampling Rate eben
Frequenzen bis 32 Hz abbilden. Das ist die Basis des F1000 Online Spectral Display
und annähernd die Rate, die von Lexicor gelesen wird. Andere Instrumente wie ProComp+
und Neuronavigator haben eine Sampling Rate von 256 Samples pro Sekunde,
manchmal mehr. Thought Technology’s Infiniti besitzt eine Sampling Rate bis zu 2500[M1] Samples pro Sekunde. Schnellere Sampling Rates erlauben es dem Anwender
hohe EEG Frequenzen mit größerer Genauigkeit zu beobachten. Beispielsweise kann
eine Sampling Rate von 256 Cycles in der Sekunde (cps) sehr präzise Frequenzen
darstellen, bis zu einem Viertel der Sampling Rate, also 64 Hz. Auch eine
Division durch 2 ist akzepabel, aber als Daumenregel gilt, die meisten
Hersteller teilen die Sampling Rate durch vier, um eine annähernd optimale Genauigkeit
der EEG Auswertung zu erlauben. Wir halten fest: um ein EEG Spektrum zu erhalten,
das genau bis 64 Hz reicht, benötigen wir ein Instrument mit einer Sampling Rate
von 256 Samples in der Sekunde. Um 32 Hz darzustellen
genügen 128 Samples pro Sekunde. Hohe Sampling Raten sind
wichtig zur analytischen Auswertung einzelner Wellenformen. Das wird auch als
Oversampling bezeichnet und 8x bis 16x [L2] die
maximale Frequenz ist heute eher der Standard.
Die
Sampling Rate von 64 Cycles pro Sekunde,
die von einigen älteren Instrumenten benutzt wird, erlaubt eine schnellere FFT
Kalkulation. Das war wichtig für ältere, langsamere Computermodelle. Das
bedeutet also, dass in Anbetracht der Sampling Rate in Relation zur Weite des
Frequenz Bandes eine höhere Sampling Rate mehr Zeit zur Berechnung benötigt und
dass dadurch das Feedback verzögert werden kann. Durch die hohe
Leistungsfähigkeit moderner Computer ist das aber kein großes Problem mehr.
Eine zu
niedrige Sampling Rate lässt das umgewandelte Signal langsamer erscheinen, als
es in Wirklichkeit vor der digitalen Umwandlung war. Dieser Effekt wird aliasing
genannt.
Im oben
dargestellten Diagramm ist die aktuelle Welle die fett gezeichnete Linie und
die inkorrekte Darstellung ist die unterbrochene Linie. Tatsächlich ist die
Welle eine Theta Welle bei 6 Hz. Das kann man sehen, wenn 13 Samples (oder x
Punkte auf der Zeichnung) genommen werden. Wenn man nur 5 Samples nimmt, und
die Punkte verbindet, erscheint die EEG Welle digital als Delta Welle bei 2 Hz.
Wenn
Sie sich selber eine Welle malen, die mit 42 Samples in der Sekunde gesampelt
wird und wenn sie dann eine zweite Welle zeichnen, bei der sie nur jeden
dritten Sampling Punkt nehmen, also insgesamt 14, werden sie sehen, dass die
erste Welle 21 Hz hat, während die zweite gerade noch 7 Hz.
Zusätzlich
zu einer ordentlichen Sampling Rate besitzt der analog zu digital Konverter (ADC)
eine voltage range und eine bit number. Die Zahl der “bits” bezieht
sich auf die Zahl der Amplituden Level, die aufgelöst werden können. Ein 8-bit
ADC wird 28 oder 256 Amplituden Level besitzen. Das würde ±128 Discrete Voltage Levels
in der Voltage Range die der ADC erlaubt, bedeuten. Zu wenige Bits bedeutet, dass kleine Anstiege
in der Spannung überbetont werden. Außerdem bedeutet ein zu enger Spannungsbereich,
dass eine große Spannung nicht angezeigt wird.
Filter
Drei
Arten er digitalen Filterung sind: finite impulse response (FIR), infinite
impulse response (IIR) und fast Fourier transform (FFT). Der FFT Filter
kann einen erheblich schärferen Cut Off darstellen als der FIR Filter. Beide Filter sind gut, um eine hinreichend
akkurate Phase Relationship zu erzeugen. Der FIR Filter computed einen
veränderlichen Durchschnitt digitaler Samples. Die Anzahl der Punkte, die gemittelt
werden, wird Order andere Filter genannt. Einige Programme der Neurofeedbackinstrumente
so das originale ProComp+/Biograph Programm, erlauben es sowohl die order
als auch den Typ des Filters zu wählen. Jeder Filter schwächt die gleiche
Frequenz in einer leicht unterschiedlichen Art; beispielsweise besitzt ein IIR Filter
eine erheblich schärfere Steigung als ein FIR Filter.
Die
Bedeutung für die Ausübung des Neurofeedback liegt in der Erkenntnis, dass,
wenn wir ein bestimmtes Frequenzband, sagen wir 4-8 Hz sampeln alle Frequenzen
außerhalb dieses Bandes abgeschwächt, aber nicht vollständig eliminiert werden.
Teilweise werden die Frequenzen an beiden Rändern des gewählten
Frequenzbereichs in einem geringen Umfang, durch Anstieg oder Absenkung,
Einfluss haben.
Die
folgenden zwei Diagramme sind Illustrationen eines alten Instruments. Sie
vergleichen einen FIR Blackburn Filter im ersten Diagramm mit einem IIR
Butterworth Filter für die gleiche Bandbreite 13-15 Hz.
FIR Blackburn Filter
for 13-15 Hz
IIR Butterworth filter
for 13-15 Hz
Wir
benutzen den IIR Filter zur Erstellung von statistischen Auswertungen, weil wir
der Meinung sind, dadurch konstantere Resultate zu erhalten. Dieser Filter wird
inzwischen auch von Thought Technology Instrumenten benutzt. Wenn eine präzise
Analyse gemacht wird, zeigt sich, dass der IIR Filter so eng und präzise ist,
das angezeigte 13-15 Hz in der
Abweichung höchstens bei echten 14 Hz liegen. Die exakte Range ist auch von der
Order des IIR Filters abhängig. Um es nicht zu detailliert zu machen, merken
Sie sich bitte eine simple Daumenregel: egal welchen Filter sie benützen, sie
müssen immer den gleichen Filtern nehmen, wenn sie statistische Daten erheben,
weil unterschiedliche Filter zu unterschiedlichen statistischen Werten in jedem
EEG Band führen.
Dieses
Diagramm zeigt ein Referential Ableitung an drei Punkten. Die aktive Elektrode
ist an Fz, und die Referenz ist am linken Ohr, der Grund am rechten Ohr.
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Darstellung eines NFB Systems
Dieses Diagramm zeigt die Basis Funktionen die
gewöhnlicherweise vom Software Programm in Enkoder und Computer ausgewertet
werden.
Filterung digital (hexagon) oder FFT (oval).
Ein Fast
Fourier Transform (FFT) Filter, ist ein Programm im Innern des
Computers, das die Informationen des EEG nehmen kann, um sie mathematisch
umzuformen, um eine durchschnittliche Amplitudenhöhe für eine spezifische
Frequenz in einer bestimmten Zeit zu ermöglichen. In der Folge entsteht ein
Histogramm, in dem die X Achse Frequenz in Hz und die Y Achse Amplitude in
Mikrovolt oder Power in Mikrowatt ist. Diese Art der graphischen Darstellung kann
Klienten und Eltern verständlich machen, wie sich unterschiedliche mentale
Zustände aus dem EEG ableiten lassen. Beispielsweise können Sie den Schüler
bitten, mathematische Aufgaben im Kopf zu lösen. Stoppen Sie die Aufnahme
unmittelbar nach der Antwort. Nun zeigen sie die Aufzeichnung und wie die
Hirnaktivität sich veränderte. Sie könnten eine Sequenz wie die Folgenden
beschrieben erwarten: Theta steigt an in linken frontalen Arealen, während der
Schüler die Frage aus dem Gedächtnis abruft. Während er geistig arbeitet, kommt
es zu einem Beta Anstieg. Theta fällt rasch wieder, aber Beta bleibt hoch,
während der Klient rechnet und später die Antwort gibt.
Computer
waren lange zu langsam für FFT Filterung. Inzwischen arbeiten aber alle
Computer über 700 Megahertz. Das hat die Berechnungszeit verkürzt, so dass es
heute möglich ist, FFT Displays auch zum Training zu benutzen.
Montage
Montage [L4] ist ein Prozess bei dem man unterschiedliche Blicke auf
die gleichen Daten erhalten kann, indem man eine Elektrode mit einer anderen
Elektrodenposition oder Anordnung vergleicht. Jede Montage ist eine andere Kombination,
eine Referenz für die aktive Elektrode zu nehmen. Bei 19 Kanal Ableitungen
nimmt man gewöhnlicherweise die Linked Ear Montage um Daten zu sammeln. Die
Montagewahl wird nach der Sammlung der Daten vorgenommen.
Beim Ein
Kanal- Assessment und -Training, die wir beim NFB häufig benutzen, nehmen wir
normalerweise das Ohrläppchen oder die Haut über dem Mastoid Knochen als
Referenz. Durch diese Anordnung vermeiden wir größere Muskel Artefakte. Wir
dürfen deswegen schließen, dass alle Veränderungen, die wir im EEG beobachten,
an der aktiven Elektrode aufgezeichnet wurden. Bei einem Full Cap
Assessment werden Linked Ear Montagen oft benutzt bei Common Electrode Reference
Montagen. Wenn wir eine sequentielle oder bipolare Aufnahme
machen, vergleichen wir zwei aktive Elektroden miteinander. Bei einem Full Cap
Assessment werden sequentiale (bipolare) Montagen erstellt, indem man
verschiedene Paare von Elektroden im 10-20 System miteinander vergleicht. Bei
einer 19 Kanal Ableitung kann der Computer eine ganze Reihe verschiedener
Montagen ermöglichen. Beispielsweise kann er eine aktive Elektrode zu einem
Durchschnitt aller anderen Elektroden in Referenz bringen (average reference
montage). Er kann die aktive Elektrode auch mit allen unmittelbar benachbarten
Elektroden in Referenz bringen, Laplacian montage. Zur Diskussion der Laplacian Mathematik die Bezug
zur EEG Analyse besitzt, sehen Sie Hjorth’s Artikel von 1980. Jede Montage ist
nur eine andere mathematische Aufarbeitung der Daten, die von der Computer Software
vorgenommen wird. Beispiele der Aufarbeitung gleichen Daten in
unterschiedlicher Montage wie der sequentiellen und der Laplacian Montage
werden im letzten Kapitel dieses Buches gezeigt, in dem Beispiele für Messungen
gegeben werden.
Jede
dieser unterschiedlichen Arten, die Daten auszuwerten, hat Vorteile und
Nachteile. Die sequentielle (bipolare) und Laplacian Montage sind
gut, um hohe, lokale Aktivität zu beobachten, die mehr in das Aufgabengebiet
des Neurologen gehören. Die common reference Montage, ist sehr gut dazu
geeignet, weit verteilte Aktivität im EEG zu entdecken und Asymmetrien zu
analysieren. Man kann mit dieser Montage auch Artefakte erkennen. Sie ist aber
ungeeignet, wenn man lokale Aktivität betrachten will. Eine sequentielle
(bipolare) Aufnahme, kann ein geringes Theta und ein höheres Beta anzeigen als
eine referentielle Aufnahme, weil Theta eine generalisiertere Aktivität als
Beta ist und vom Differential Verstärker bei der sequentiellen Montage
ausgesondert, weil auf beiden Seiten ähnlich gefunden wird.
Ausdrücke
für elektronische Vorgänge
Elektrische Begriffe
Elektrische
Kabel sind farblich gekennzeichnet. Normalerweise ist der Leiter schwarz und
das bedeutet, diese Leitung ist gefährlich. Weiß bedeutet normalerweise
neutral. Diese Leitung transportiert die elektrische Spannung, die vom
Instrument stammt. Grün wäre dann die Farbe des Grundes. Wie auch immer, trauen
sie niemals einer scheinbaren Selbstverständlichkeit. Lesen sie immer nach, wie
ein Gerät, das sie benutzen möchten, elektrisch verkabelt ist und rufen sie
einen Elektriker, wenn es gilt, elektrische Leitungen in ihren Praxisräumen zu
verlegen. Farben können verwirren. Die EEG Kabel, die wir benutzen, sind farblich
gekennzeichnet und benutzen einen anderen Farbkode als ihn der Elektriker kennt.
Kondensatoren
Kondensatoren
werden von zwei elektrischen Leitern gebildet, die durch einen Isolator (z.B. Luft)
getrennt sind. Ein Kondensator speichert eine Ladung. Dieses Konzept erklärt,
warum es gut ist, keine Verlängerungskabel für das EEG Instrument zu nutzen. Wenn
es eine Lücke gibt zwischen dem Verlängerungskabel und dem Stecker, haben sie
bereits einen Kondensator gebastelt. Strom kann zwischen den Kabeln fließen von
schwarz zu grün.
Optischer
Isolator
In unserer Arbeit tun wir alles, unsere Klienten zu
schützen. Optische Isolation gehört zu diesen Schritten. Damit ist gemeint,
dass wir den Computer und den Enkoder durch ein Glasfieberkabel als optischen
Isolator trennen. Ein optischer Isolator dient dazu, elektrische Signale
zwischen zwei isolierten Stromkreisen per Lichtsignalen zu transportieren. Dadurch
verhindert der Opto-Isolator hohe elektrische Spannungen und schützt den
Patienten, den Computer und die Instrumente vor jeder unerwarteten Fehlfunktion
im Stromkreislauf.
Die
digitale Information aus dem Enkoder wird in ein optisches Signal verwandelt,
das zum Computer gelangt. Der Computer wandelt es wieder in ein digitales
Signal um, das er analysiert. Abgesehen vom sehr schnellen Datentransport über
das optische Kabel, hat das System den Vorteil, den Klienten vom elektrischen
Kontakt mit dem Computer abzuschirmen und damit vom Stromnetz. Gewöhnlicher
Strom kann über das Glaskabel nicht transportiert werden. Der Enkoder muss
seine eigene elektrische Quelle besitzen. Das ist bei Thought Technology
ein Batteriepack, der nur sehr geringe elektrische Spannung erzeugt.
Elektrische
Artefakte
Der
Hersteller Ihres EEG Instrumentes hat sich sicher darum bemüht, Artefakte in
der EEG Aufnahme zu minimieren. Es gibt aber trotzdem Vorsichtsmaßnahmen, die
sie ergreifen können, wenn sie Elektroden anlegen. Trotz aller Bemühungen wird
man aber elektrische Artefakte niemals ganz vermeiden können. Man sollte in der
Lage sein, Wellen, die nicht zum EEG
gehören können, zu erkennen. Dieses Kapitel widmet sich nur den elektrischen
Artefakten. Andere Arten von Artefakten, etwa solchen, die durch Eye Blinks
oder EMG verursacht werden, werden in einem anderen Kapitel behandelt.
Was kann Interferenzen
erzeugen?
Elektrische Kabel arbeiten wie Antennen. Sie nehmen 60 Hz
Aktivität oder 50 Hz Aktivität in Europa auf, die in ihrem Büro immer vorhanden
ist.
Einer unserer Biofeedbacktrainer mochte keine
fluoriszierende Beleuchtung im Büro. Er brachte eine alte Stehlampe mit. Wir
brauchten einige Tage, ehe wir begriffen, warum wir auf einmal nicht mehr in
der Lage waren, in diesem Büro ein sauberes EEG aufzuzeichnen. Eine schlecht
abgeschirmte Verkabelung in einer alten Lampe kann ihr EEG ruinieren.!
Die Elektroden Kabel können auch Radio Frequenzen
aufnehmen. LKW mit CB Funkgeräten können negative Effekte auslösen. Diese
Verstärker können den High Pass Filter überlagern und für hochamplitudige
Störungen in vielen Frequenzen sorgen.
Aber selbst Bewegungen von Menschen im Zimmer können das
EEG beeinflussen. Potential Differenzen zwischen Objekten der Umgebung und den
Elektrodenkabeln, die am Kopf des Klienten befestigt sind, können in den Kabeln
elektrische Störungen erzeugen. Das einfachste Beispiel wurde bereits erwähnt. Es
ist der Schuh, der am Teppichboden reibt. Die
Berührung eines anderen Menschen kann einen Funkenflug verursachen. Was wir
als Kinder, die das lustig fanden, nicht wussten, war, dass 3,000 bis 10,000 Volt
Spannungsdifferenz entstehen können. Stellen sie sich sich selber als einen
Behälter vor, der im Gegensatz zu ihrem Klienten mit negativ geladenen Ionen überfüllt
ist. Wie wir wissen, stößt negative Ladung negative Ladung ab. Wenn sie sich
dem Klienten nähern, erzeugen sie kurzfristig eine elektrische Spannung in den
Kabeln. Ohms Gesetz sagt, dass die Stromstärke umgekehrt proportional zum
Widerstand ist Strom=Spannung:Widerstand I=U/R. Sie verändern den Strom (I). Deshalb
verändert sich die Spannung. Sie wird sich bei ihrer Annäherung verändern.
Elektrische Verkabelung, Licht und andere Instrumente können unerwünschte
Ladungen erzeugen. Sie werden Ladungen in den Frequenzen beeinflussen, die die
Quelle besitzt. Das ist in Europa 50 Hz, dieses Artefakt wird als sehr hohe
Amplitude auftauchen, bis sie die Quelle finden und abstellen.
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