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.
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[M2]
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 [L3] 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 [L5] 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.
Was kann man unternehmen, um diese Probleme zu
minimieren?
Problemlösungsstrategien für das Therapiezimmer
Viele elektrische Artefakte stammen von Quellen,
die alle Kabelverbindungen gleichmäßig beeinflussen. Ihr Biofeedback Instrument
besitzt einen Differentialverstärker. Dieser wird nur Wellen verstärken, die sich
in Phase und Magnitude zwischen beiden Seiten unterscheiden. Er wird alles, was
gleich ist, effektiv aussondern. (Die Common mode rejection wird noch
detalliert erklärt werden). Wie auch immer, eine 50 Hz Quelle, etwa das
elektrische Licht, kann an beiden Elektroden gleich aufgenommen werden, aber am
Verstärker verschieden ankommen. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn
die Verbindung zur Kopfelektrode und dem Verstärker anders ist, als die
zwischen den beiden anderen Elektroden und dem Verstärker. Der Verstärker vergleicht
dann die elektrische Aktivität der beiden Elektroden Inputs und wird, weil
beide unterschiedlich zu sein scheinen, die Volt Differenz zwischen beiden
Elektroden verstärken. Die Common mode rejection des Verstärkers wird damit umgangen.
Das verstärkte Rückkoppelungssignal wird die EEG Aufnahme unbrauchbar machen.
Wenn man die Differenz zwischen beiden Seiten und dem
Verstärker so weit wie möglich minimieren will, helfen einem dabei mehrere
Schritte. Zuerst einmal ist es wichtig, dass alle Elektroden aus dem gleichen
Material bestehen. Gewöhnlicherweise Gold- oder Zinnlegierungen. Man
sollte nicht zwei Metalllegierungen benutzen, wie es vorkommen kann, wenn die
Goldschicht abgenutzt ist. Elektroden müssen nach jedem Gebrauch vorsichtig
gereinigt werden. Zusätzlich besitzt totes Hautgewebe einen sehr
hohen Widerstand. Wenn wir Potential Differenzen (Spannungen) messen, ist
diese proportional zum Strom (I) und zum Widerstand gegen den Gleichstrom (DC).
Sie erinnern sich sicher daran, dass dieser Zusammenhang bei der Erklärung zum
Ohmschen Gesetz U=R.I oder I=U/R beschrieben wurde. Impedanz (Z) ist der Term,
der das R ersetzt, wenn wir über den Widerstand beim Wechselstrom sprechen
(AC). Die Hirnwellen, mit denen wir arbeiten, sind Wechselstrom, AC, ´kein
Gleichstrom, DC. Für uns lautet die relevante Formel: V= I Z. Daraus folgt,
dass wir, wenn wir eine Elektrodenseite exzellent vorbereiten, das gleiche aber
an Position B vernachlässigen, der Strom, der den Verstärker erreicht,
unterschiedlich stark erscheint, obwohl er von der gleichen Quellen stammt. Deshalb
wird der Input nicht unterdrückt sondern verstärkt.
Wenn wir
sorgfältig bei der Präparation der Messpunkte sind, was sich in guten
Impedanzen ausdrückt, und wenn wir unsere Elektroden nach jedem Gebrauch
reinigen, sollten wir die meisten Interferenzen damit minimieren.
Andere Tipps, diesen Effekt der Induktion zu minimieren
sind die Folgenden:
· Lassen
sie die Elektrodenkabel während der Messung keine Schleifen bilden
· Benutzen
sie speziell abgeschirmte Kabel (etwa die des F1000) ,positionieren sie den
Vorverstärker so nah wie möglich zur Elektrode und halten sie die
Verbindungskabel so kurz wie möglich.
· Benutzen
sie ein Stirnband, wie es Tennisspieler benutzen. Das hält die Kabel still und
reduziert Bewegungen der Kabel.
· Flechten
sie lose Kabel. Das hilft den Effekt der Kabel auzugleichen, aber speziell
abgeschirmte Kabel sind am Besten. In solch gut abgeschirmten Kabeln wie
beispielsweise in denen des F1000, fließt induzierter Strom harmlos zum
Verstärker durch die spezielle Bedeckung und zum Grund. Mit nicht abgeschirmten
Kabeln fließt der Strom, wenn der Widerstand des Verstärkers hoch ist, zu ihrem
Klienten.
·
Beseitigen sie Tisch oder Stehlampen, elektrische
Spitzer und alles, was Interferenzen erzeugen kann.
Wir besitzen ein Lerninstitut. Die Lehrkräfte benutzen
normalerweise Bleistifte. Ein engagierter Trainer brachte einen elektrischen
Spitzer mit ins Arbeitszimmer, was zur Folge hatte, dass wir mehrere Tage
sorgfältig das Equipment untersuchen mussten, wiederholt Elektrodenpositionen
präparierten, die Elektroden austauschten und alle möglichen Lichtquellen
abschalteten, alles ohne Erfolg. Man konnte das EEG Signal lesen, aber die
hohen Frequenzen waren zu stark vertreten. Zufälligerweise steckte einer von
uns den elektrischen Spitzer aus und alle Interferenzen waren verschwunden. Es
genügte, dass der Spitzer ans Stromnetz angeschlossen, aber nicht eingeschaltet
war, um diese Interferenzen zu erzeugen.
Auch Verlängerungskabel können das EEG Signal
beeinflussen.
Der Autor war bei einem Meeting als Dozent geladen. Ein
Mensch aus dem Auditorium wurde an das EEG angeschlossen. Das EEG Signal war
unlesbar. Die Verbindung zu Enkoder und Verstärker wurde ausgetauscht, das
hatte aber keine Verbesserung zur Folge. Der Autor hatte nun den Verdacht, es
müsse etwas mit der Verkabelung des Hotels zu tun haben. Der erste Schritt
bestand darin, das Verlängerungskabel zu entfernen und auf Batteriebetrieb
umzuschalten. Es stellte sich heraus, dass es tatsächlich das
Verlängerungskabel gewesen war, das das Artefakt verursacht hatte.
Die Verkabelung eines Gebäudes kann elektrische Artefakte
im System erzeugen.
Der
Autor war eingeladen worden, mit dem Senior Vize Präsident einer großen Firma
zu arbeiten. Das EEG System, das zu Hause perfekt funktioniert hatte, wurde von
sehr starken elektrischen Störfeldern mit sehr hohen Amplituden und Frequenzen
zwischen 56 und 63 Hz beeinflusst. Die Amplituden anderer Frequenzbänder
variierten von Tag zu Tag. Der einzige Weg, Neurofeedback Sitzungen zustande zu
bringen, bestand darin, den Laptop auf Akkubetrieb laufen zu lassen.
Wir raten Ihnen dazu, das EEG Equipment an jedem neuen
Standort, den sie anmieten wollen, zu erproben. Eine Möglichkeit, in einem sehr
alten Gebäude mit alten Stromleitungen zu arbeiten, besteht darin, Kupferkabel
aus dem Fenster zum Boden zu verlegen, um einen guten Grund zu haben und
dadurch Interferenzen zu minimieren. Ein anderes Problem hatte ein Kollege, der
sein Equipment in einem alten Gebäude nicht zum Laufen brachte, weil ein
elektrisches Gerät im Gebäude eine Interferenz erzeugte. Immer, wenn dieses Gerät
ansprang, wurde der EEG Verstärker überlagert und das EEG schwachte mehrere
Sekunden ab. Er wechselte das Büro.
In einem Büro, das wir anmieten wollten, fand ich eine
Interferenz im EEG. Ich testete mehrere Male am Tag, bis ich entdeckte, dass
immer um 17.30 Uhr eine Interferenz auftrat, die es unmöglich machte, dass ich
das EEG lesen konnte. Das war genau der Zeitpunkt an dem die Reinigungskräfte,
mehrere Stockwerke weiter unten, mit ihrer Arbeit begannen. Wir arbeiten oft
abends, um zu verhindern, dass Kinder aus der Schule bleiben müssen, es war
also für unsere Arbeit eine wichtige Entdeckung. Ich demonstrierte das Ereignis
dem Hausbesitzer, bevor ich den Mietvertrag unterschrieb. Der Vermieter war
damit einverstanden, spezielle Kabelverbindungen in unser Büro legen zu lassen.
Diese Kabel waren mit keinen anderen Verbrauchern verbunden. Das verhindert
zuverlässig, dass Interferenzen entstehen, wenn andere elektrische Verbraucher
eingeschaltet werden Wenn sie ein neues Büro testen, tun sie das zu
verschiedenen Uhrzeiten.
Einfache
Problemlösungsstrategien bezüglich des Equipments
In der bisherigen Diskussion haben wir festgestellt, dass
wir gut daran tun, die Zahl der Quellen elektrischer Aktivität, die mit dem Equipment
interferrieren könnten, zu minimieren. Wir stecken alle unnützen elektrischen
Geräte aus und schalten auch Handys ab. Man sollte auch versuchen, die Distanz
zwischen EEG Verstärker und Computer zu vergrößern. Wenn wir all das getan
haben und wir finden immer noch 50 Hz Aktivität oder unerwartete EEG Aktivität
oder auch Inaktivität, dann müssen wir in nacheinander Stück für Stück das
Equipment checken.
Beginnen
wir bei den Impedanzen, den Offsets und den Elektroden.
Die EEG
Amplitude fällt ab Die Amplituden sind erheblich niedriger als bei diesem
Klienten gewohnt. Die Verhältnisse zwischen den Frequenzen wirken aber
unverändert. Die Theta/Beta Ratio ähnelt der, die bei diesem Klienten in den
letzten beiden Sitzungen auch zu beobachten war. Das EEG wirkt auf den Trainer,
der erst mehrere hundert Stunden mit EEG Lesen verbrachte, unauffällig. Trotzdem
hat er intuitiv das Gefühl, etwas stimmt nicht und ruft nach einem erfahreneren
Trainer. Sie checken die Impedanzen, wechseln die Kabel, aber ohne Erfolg. Da
wird das EEG plötzlich flach. Der Klient wird an ein anderes EEG Gerät
angeschlossen, um die Session zum Ende zu bringen.
Am nächsten Tag wirkt der Verstärker wieder intakt. Dann,
nach ein paar Stunden, sinken auf einmal wieder die Amplituden und das EEG wird
kurz darauf ganz flach. Feuchtigkeit und Überhitzung sind möglich, aber das
erklärt nicht das plötzliche Auftreten des Problems. Die EEG Paste wurde gegen
eine andere ausgetauscht aus einem Zimmer, in dem das EEG Gerät problemlos
arbeitete. Zum guten Schluss wurde der Autor dieses Buches gerufen. Dessen
erste Frage war: “Wie sind die Offsets?“ Diese waren vom erfahreneren Trainer
gecheckt worden. Er antwortete, dass sie an den Kopfelektrode etwas hoch
erschienen. Er merkte an, dass die hohe Impedanz an dieser Position hartnäckig
blieb, auch wenn er die Elektrode gegen andere, ganz neue, austauschte. Er
hatte das Kind eben mit den gleichen Elektroden an einen anderen Verstärker
gesetzt, an dem alle Verbindungen tadellos funktionierten.
Der Autor testete eine Elektrode mit kurzem Kabel aus
einem anderen Elektrodenset. Der Offset fiel von 85 auf 5 und das EEG an dem
scheinbar defekten Gerät ist seither wieder problemlos lesbar.
Ein weiteres Phänomen wurde mit dem gleichen Verstärker
beobachtet, nachdem das eine Problem gelöst war. Der Trainer entdeckte, dass
anstelle einer Nulllinie, wenn er eines der Kabel entfernte, plötzlich Wellen
zu sehen waren. Es sah aus, als erhielt er ein EEG mit nur zwei Kabeln. Wir
achten stets darauf, dass wir hochfrequente Artefakte im Auge behalten. In
diesem Fall konnte der Trainer eine spiky hochamplitudige reguläre hochfrequenz
Störung beobachten. Er erkannte, dass diese nichts mit dem EEG zu tun hatte,
sondern dass es sich um ein komplexes elektrisches Artefakt handeln musste.
Es gibt viele Beispiele, die ähnlich sind. Zuerst einmal,
auch wenn sie EEG Instrumente verschiedener Hersteller besitzen und dadurch das
EEG vergleichen können, kann Ihnen ein inkorrektes EEG oder ein Artefakt einen
Streich spielen und ihnen vorgaukeln, ein normales EEG zu sehen. Zweitens, es
ist schon vorgekommen, dass man eine Lieferung neuer, trotzdem defekter
Elektroden erhält. Drittens, es ist sinnvoll, den Offset ebenso zu checken wie
die Impedanz. Ein hoher Offset gibt einen guten Hinweis auf Probleme mit der Verkabelung.
Diese mag außen intakt wirken, ist aber im Innern vielleicht beschädigt. (Wie
auch immer, wir stellen fest, dass die Möglichkeit den Offset zu messen nicht
mehr bei jedem Instrument gegeben ist. Viertens, komplexe Artefakte können
einer unerfahrenen Person ein EEG vorgaukeln. Es ist hilfreich einen erfahrenen
Trainer im Hintergrund zu haben, wenn Dinge seltsam wirken. Ein wichtiger
Hinweis: Unterschätzen sie niemals die Bedeutung des technischen Supports ihres
Herstellers.
Versichern
sie sich, dass die Computer zum Enkoder Verbindung gut funktioniert.
Wenn kein EEG auf dem Monitor erscheint, gibt es eine
Reihe von Schritten, die man unternehmen kann, um das Problem zu identifizieren
und zu lösen. Zuerst müssen sie sich versichern, dass ihr Verstärker und der Enkoder
vom Computer entdeckt werden. Führen Sie eine Hand an die Stelle, wo die
Elektroden eingesteckt werden. Das kann beispielsweise ein Kabelende sein, wie
beim A620 oder ein Vorverstärker wie beim Procomp+ oder Infinity. Bewegen sie
nun die Hand und bewegen das Kabel. Es zeigen sich vielleicht Wellen auf dem
Monitor, die einen Hinweis geben, dass es eine Verbindung zum Computer gibt. Einige
Instrumente wie das Biograph Infinity Programm von Thought Technology geben ein
Bildschirmsignal, dass uns mitteilt, ob der Enkoder vom Computer erkannt wird.
Bei Mehrkanalverstärkern kann
man, wenn der Computer den Enkoder oder Amplifiier für das EEG nicht erkennt,
testen, ob die anderen Kanäle des Encoder/Amplifier entdeckt werden, etwa ein
zweiter EEG Kanal oder ein EMG, Temperatur oder EDR Kanal. Wenn weiterhin
nichts entdeckt wird, ist es an der Zeit, die Verbindung zu testen (ein optisches
Kabel, bei modernen Geräten) sowie die Batterien im Enkoder zu wechseln. Man
kann das optische Kabel vom Enkoder/Amplifier aus- und wieder einstecken oder
wechseln. Wenn der Wechsel der Verbindung nicht zum Erfolg führt, kann man
versuchen, das optisches Kabel in den Port des USB Enkoders an einem anderen
Computer zu stecken und zu beobachten, ob dieser Computer den Enkoder entdeckt.
Wenn das der Fall ist, muss man das Programm erneut aufspielen oder den
Computer reparieren lassen. Es kann sich um einen Hardwarefehler im ersten
Computer handeln. Bevor sie aber zu dramatischen Maßnahmen greifen, versuchen
sie, den Computer an eine andere Steckdose anzuschließen, ihn erneut
hochzufahren oder ähnliches. (Wir hatten schon beides, eine defekte Steckdose
und ein defektes verlängerungskabel.)
Wenn alle Maßnahmen scheitern, versuchen sie den
kompletten Enkoder gegen einen anderen zu tauschen, der an einem anderen
Compter funktioniert. In 99% der Fälle haben sie bis zu diesem Zeitpunkt das
Problem erkannt und gelöst. Wenn das nicht der Fall sein sollte, wird es Zeit,
den Technical Support Ihres Herstellers einzuschalten.
Das EEG zeigte eine Flat Line. “Dr. R” versuchte jeden
der eben beschriebenen Schritte, es wurde aber kein Enkoder vom Computer
gefunden. Sie telefonierte mit dem Hersteller und hatte am nächsten Tag ein
Ersatzgerät, das tadellos funktionierte.
Es ist äußerst wichtig, einen guten Kontakt zum
Hersteller oder Vertreiber zu besitzen. Einige Firmen reagieren sofort. Es
sollte aber selbstverständlich sein, dass sie alle Fehlermöglichkeiten getestet
haben, ehe sie um Hilfe rufen. Es ist sehr hilfreich, mehr als ein Gerät jedes
Herstellers zu besitzen, wenn man im professionellen Rahmen
Neurofeedbacktherapien durchführt. Sowhl Autos, Herde, Kühlschränke und andere
elektrische Geräte gehen kaputt, das kann selbstverständlich auch bei Computern
oder EEG Verstärkern passieren.
Wenn der Enkoder
entdeckt wird, aber kein EEG aufgezeichnet wird, überprüfen Sie die
Kabelverbindungen zwischen Enkoder und Kopfoberfläche.
Wenn der Enkoder entdeckt, aber kein EEG
aufgezeichnet wird, suchen wir den Fehler vom Kopf des Klienten an abwärts. In
der klinischen Medizin sagt man: „Was passieren kann, passiert auch“. Schauen
sie zuerst nach den nahe liegendsten Fehlern. Vielleicht ist es nur ein Kabel,
das defekt ist. Versuchen sie die Elektrodenpositionen zu
tauschen. Wenn das EEG flat oder von schlechter Qualität bleibt,
dann wechseln sie das Kabel, das den Verstärker mit dem Enkoder verbindet. Das
zweithäufigste Problem: Kabel brechen. Wenn das Problem bleibt, dann versuchen
sie die Kabel vom Vorverstärker zu den dünnen Elektrodenleitungen
auszutauschen. Wenn auch das nichts nützt, dann tauschen sie als nächstes den
Verstärker. Bei Workshops haben wir stets das gesamte Equipment in doppelter
Ausführung dabei.
Alle oben aufgeführten
Schwierigkeiten werden irgendwann auftreten. Es ist vernünftig, einen
zweiten Satz Elektroden und Kabel im Hintergrund zu haben. Idealerweise sollte
man auch ein zweites EEG Instrument und einen weiteren Computer besitzen um die
Therapieunterbrechung zu vermeiden, die durch den Ausfall der Technik entstehen
kann. Im ADD Center besitzen wir EEG Instrumente von 14 verschiedenen
Herstellern, obwohl nur das Equipment von 4 Herstellern regelmäßig benutzt wird.
Jedes von diesen Geräten wird ab und an für Kopfzerbrechen sorgen.
Was die Hersteller unternommen haben, um Artefakte zu
minimieren – der Differential Verstärker
Der
Verstärker verstärkt die eingehenden elektrischen Signale differenziert. Das
bedeutet, dass Signale der gleichen Frequenz, die unterschiedlich sind in
Magnitude und Phase verstärkt werden, während gleiche Signale nicht verstärkt
werden.
Beispiel:
Unterschiedliche Signale können vom Verstärker um einen Faktor von mehr als dem
100000 fachen dessen, was in Magnitude und Phase zwischen zwei Elektroden gleich
ist, verstärkt werden. Viele der gebräuchlichen Instrumente haben eine Common Mode
Rejection Ratio, die größer als 100000 zu 1 ist. Alle 20 Dezibel wird die Ratio
um den Faktor zehn erhöht. Das bedeutet,
dass eine Spannungsverstärkung von 10/1 20 Dezibel und von 100/1 40 Dezibel
ist. Moderne Instrumente liegen bei 120 Dezibel, das ist 1000000/1. Das
unterdrückt effektiv unerwünschte Artefaktspannungen.
Beispiele
für solche Artefakte, die an beiden Elektroden gleich erscheinen, sind Gähnen
oder Nackenmuskulaturanspannungen, Herzmuskelaktivität oder vorübergehende
elektrische Schwankungen in der Umgebung. Diese können durch Menschen
verursacht sein, die sich im Zimmer bewegen, elektrisches Licht, Steckdosen, elektrische
Bleistiftspitzer, ein Elektrorasierer, ein Kassettenrekorder, ein CD Player,
ein Fön, ein Verlängerungskabel usw..
Elektrische Artefakte, die nur
eine Seite beeinträchtigen.
Unglücklicherweise gelangen nicht alle elektrischen
Artefakte gleichförmig zu den Elektroden. Ein bedeutsames
Beispiel ist das der Elektrodenbewegung. Diese verursacht eine Wellenform mit
eigener Frequenz, aber nur an der betroffenen Elektrodenposition. Es ist ein
Gleichstrompotential, ausgelöst von galvanischer Aktivität zwischen Elektrode,
Haut und Kontaktpaste. Durch die Bewegung kommt es zu einer Veränderung in der
Geometrie der galvanischen Zelle. Sie wird sich verändern, was man durch die
Formel Voffset
[L6] .ausdrücken
kann. Veranlassen sie ihren Klienten, seinen Kopf zu bewegen oder eines seiner
Ohrläppchen zu berühren, sie werden neben einem hochfrequenten Artefakt ein
ausgeprägte Slow Wave Artefakt erhalten. Eine sehr gute Impedanz ist einer der
Wege, das zu verhindern. Hilfreich ist es auch, das Elektrodenkabel mit einem
Stirnband zu fixieren, so dass kleine Kopfbewegungen nicht zu solchen
Artefakten führen.
Wenn
die Elektrodenpaste zu lange Kontakt zur Luft hatte oder die Paste während
eines winterlichen Transports gefroren sein sollte kann es zu Veränderungen der
adhäsiven und konduktiven Eigenschaften der Paste kommen. Auch das führt zu
Problemen, die Paste muss ausgetauscht werden.
Differential Verstärker
Anmerkung: Dieser Abschnitt ist wahrscheinlich beides: zu
kurz und zu stark vereinfachend vom Standpunkt eines Menschen aus betrachtet,
der sich gut mit Elektronik auskennt. Trotzdem, so hoffen wir, kann er dem
Menschen, der einen medizinischen oder pädagogischen Hintergrund besitzt, und
der sich mit Elektronik nicht auskennt, nützlich sein.
Was messen wir?
Zusammengefasst, der Verstärker erhält Input von der positiven,
aktiven Elektrode und der negativen Referenzelektrode. Er misst die Differenz
zwischen beiden Inputs: Das EEG, das wir beobachten ist: Vgemessen (+ve)
von Seite #1 – Vgemessen (‑ve) von Seite #2 bei spezifizierten
Frequenzen. (V = voltage, +ve = positiv, ‑ve = negativ.) Also die Potential
Differenz (V in Mikrovolt) zwischen zwei Elektroden. Warum nennen wir die eine
Seite positiv und die andere negativ? Lassen sie uns das etwas näher
betrachten.
Der
Differentialverstärker
Generelle
Beschreibung
Das Konzept des
Differentialvertärkers entstammt der Arbeit von Thomas Edison. Unsere Art der
Verstärker wurde aber erst nach den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts
entwickelt. Am einfachsten ist, sie stellen sich das Kabel der positiven
Kopfelektrode vor, das den Verstärker erreicht. Es besteht eine Potential
Differenz zwischen der Kopfelektrode und einem Vergleichswert im Verstärker,
der die dritte Elektrode, die von uns Grund genannte, einbezieht. Vor Jahren
wurde wirklich als Vergleichswert der Grund genommen. Wie aber bereits erwähnt,
gibt es bei modernen Verstärkern keine direkte Verbindung zwischen Klient und
Grund. Die Messungen und Berechnungen werden im Verstärker vorgenommen. Stellen
sie sich nun das zweite Kabel vor, das an einem anderen Punkt im Verstärker
anlangt. Stellen sie sich die erste Seite als positiv und die zweite als
negativ vor. Oftmals ist die aktive Elektrode als +ve gekennzeichnet und die
Referenzelektrode als–ve. Tatsächlich wird die Polarität der zweiten
Elektrodenverbinung im Verstärker vertauscht, so dass der zweite Input umgedreht
wird und –ve in Bezug zur ersten Elektrode +ve ist.
Wie bereits erklärt werden die
Potential Differenzen – die aktive Seite (+ve) zur Referenz Seite (‑ve) –verglichen.
Jede Spannung, die an beiden
gleich ankommt, wird aussortiert. Jeder
induzierte Strom aus anderen Quellen, etwa einer Lampe (50Hz), wird die gleiche
Frequenz und Amplitude besitzen und in Phase auf beiden Kabeln sein. Das +ve
Kabel, der aktiven Elektrode wird in diesem Fall sozusagen das Spiegelbild
des ‑ve Kabel der Referenz Seite sein, bei beiden werden die 50Hz also
eliminiert und dadurch NICHT verstärkt. Andererseits wird das EEG an beiden
Seiten unterschiedlich sein und wird sich deshalb nicht aufheben. Es wird
verstärkt. Die Differenz zwischen beiden EEG Spannungen die am Verstärker
gleichzeitig eintreffen, ist es also, die verstärkt wird. Das ist die Aufgabe
des Differential Verstärkers. Dieses Konzept wird in den unten aufgeführten
Diagrammen dargestellt. Die aktive (+ve) Elektrode und die Referenz (‑ve)
Elektrode erreichen den Verstärker auf der linken Seite, der Output ist auf der
rechten Seite zu sehen. Der Grund wird durch paralelle horizontale Linien
dargestellt.
Schematische Darstellung
eines Differentialverstärkers
Im nächsten Diagramm, erreicht das 60Hz Interferenz
Signal den Differential Verstärker an beiden Inputs gleich. Diese Common-Mode
Signale heben sich also auf und erscheinen nicht im Output Die Alpha Welle ist
hochamplitudig an der Spitze, aktive (+ve) Elektrode, und von erheblich
niedrigerer Elektrode an der referential (‑ve) Elektrode. Wenn beide voneinander
abgezogen werden und die Differenz verstärkt wird, erscheint ein sauberes Alpha
am Output.
Zusammengefasst: Der Verstärker entdeckt und verstärkt
Differenzen zwischen zwei Inputs. Er verstärkt Veränderungen des Signals in
Bezug auf den Grund einer Kalkulation im Verstärker. Er vollbringt das, indem
er die Polarität des zweiten Inputs tauscht, so dass beide elektrische Inputs
effektiv voneinander subtrahiert werden können. Der Verstärker verstärkt nur
die Differenz zwischen zwei Inputs, deswegen wird er Differentialverstärker
genannt. Das ist gemeint, wenn man sagt, der Verstärker unterdrückt Signale,
die an beiden Inputs gleich erscheinen. Der
so genannten Common-Mode Rejection.
Common-Mode Rejection Ratio
Die Common-Mode Rejection Ratio beschreibt das Verhältnis der Common Mode
Input Spannung geteilt durch die Output Spannung. Diese Ratio sollte bei
neuen Geräten >100,000 sein. Fehler dieses Systems, das dazu dient, externe Common
Mode Artefakte zu unterdrücken, sind oft die Folge von Impedanzdifferenzen zwischen
zwei Elektroden oder einem schlechten Grund.
Die Bedeutung ungefähr gleicher
Impedanzen zwischen den Elektrodenseiten ist nun deutlicher. Wenn die Impedanzen
sehr unterschiedlich sind, ist der induzierte Strom einer elektrischen Quelle
bei Erreichen des Verstärkers nicht an beiden Inputs gleich, er wird deshalb
nicht aufgehoben sondern verstärkt. Das würde zu starken Artefakten in der
Aufnahme führen. Damit ist der Zeitpunkt günstig, Impedanz etwas detaillierter
zu beschreiben.
Wie man ein qualitativ hochwertiges EEG erhält.
Impedanz:
Wir
haben eben beschrieben, wie wichtig gute Impedanzen an allen Elektroden sind.
Das stärkste Argument für eine gute Impedanz ist, dass man sich dadurch
versichert, dass alle Artefakte den Verstärker in gleicher Stärke erreichen. Ein
zweiter Grund ist der, dass die gute Impedanz die Vergleichbarkeit der aufgezeichneten
EEGs verschiedener Sitzungen ermöglicht. Eine
hohe Impedanz wird die Amplitude des EEG abschwächen. Ein
dritter, seltener genannter Grund ist, dass eine gute Verbindung dazu führt,
dass es weniger Artefakte durch Elektrodenbewegungen gibt (wie bereits
diskutiert) Das sind verschiedene Begründungen. Unten werden wir das erste
Problem noch einmal näher erläutern.
Impedanzen
sollten ungefähr gleich groß an allen Elektroden sein. Wie bereits erwähnt,
führen unterschiedliche Impedanzen dazu, dass Inteferenzen, durch elektrische
Geräte, wie beispielsweise eine Lampe, an den Verstärkereingängen ungleich
erscheinen und dass die Common Mode Rejection diese Signale nicht zuverlässig
aussortiert. Die erste Reaktion beim Auftauchen von 50 Hz Aktivität muss es
sein, das Feedback zu stoppen und die Impedanz zu prüfen. In den meisten Fällen
wird man entdecken, dass eine Elektrode „verloren gegangen“ ist. Das hat die
“z” Impedanz an der Elektrodenseite verändert. Sie müssen die Kopfhaut neu
präparieren und die Impedanzen erneut prüfen. Lassen sie uns den Vorgang etwas
näher betrachten.
Was ist
eigentlich Impedanz?
Definition
Induktion
Note: Diese
wird nur der Vollständigkeit halber erwähnt, aber ist für den Neurofeedbacktherapeuten
ohne größere Bedeutung.
Wir
haben diesen Faktor in unserer Gleichung zur Impedanz nicht erwähnt. Wenn in
einem Instrument Wechselstrom durch ein Kabel fließt, das in einer
Kabelschleife liegt, dann wird der wechselnde magnetische Fluss, der rings um
das erste Kabel entsteht, eine Spannung im zweiten Kabel erzeugen. Diese
induzierte Spannung in dem aufgerollten Kabel fließt entgegengesetzt zum Strom
im Origialkabel. Es wird eine Veränderung im Stromfluss erzielt. Diese
Gegenspannung wird Induktion genannt, die Einheit, in der sie gemessen
wird ist Henry (L). Es handelt sich um eine andere Art von Widerstand,
aber in diesem Falle steht er für einen alternierenden Stromfluss der
induktiver Widerstand genannt wird (XL ). Er wird wie folgt
berechnet:
XL = 2 pfL
In
dieser Gleichung ist f die Frequenz (Hz), L ist die Induktion des zu
berücksichtigenden Elements und die Maßeinheit ist“Henry.” (Cohen, 1989, p 323-335).
Wenn
Induktion ein Faktor des Kreislaufs wäre, würde sich die Formel für Impedanz
ändern (erweitert werden) um Kapazität und Induktion zu umfassen. Die Formel
für Impedanz lautet unter dieser Bedingung:
Z = ÖWurzel aus)[ R2
+ (2pfL – 106 / 2pfC)2]
Anmerkung:
Für die meisten Leser sind elektrische Formeln
nicht wichtig. Wir erwähnen sie nur dann, wenn wir denken, dass sie hilfreich
sein könnten, dem Leser einen Überblick zu ermöglichen. Ein Elektronikexperte kann
das, was wir hier anfügen, sehr vereinfacht finden. Experten sollten die
Textbücher über das Design von EEG Instrumenten zur Hand nehmen und dieses
Lehrbuch nur für klinische Erläuterungen benutzen.
Kann der Klient etwas von der Impedanzmessung
merken?
Durchaus,
einige kleine Kinder und sehr sensible Erwachsene verspürten ein leichtes
Kribbeln beim Messen der Impedanz. Der Hersteller Ihres Messgerätes sollte
elektronische Standards eingehalten haben, die garantieren, dass der Strom
ungefährlich ist. Wenn ihr Gerät mit Batterien betrieben wird, ist garantiert,
dass es keinen Kontakt zu hohen Spannungen oder zu starkem Strom gibt. Der Vergleich
zu einer Katze, die einen am Ohr kitzelt, kann hilfreich sein. Die Messgeräte
benutzen Sinuswellen oder Square Wellen. Wenn ein Messgerät vom Klienten
gespürt wird, kann man einfach ein anderes Messgerät benutzen. Manche
Hersteller haben eingebaute Impedanzmessgeräte im Verstärker. Man sollte deren
Kriterien prüfen, um zu sehen, ob diese Messungen ausreichend sind.
Was
sind akzeptable Impedanzwerte?
Die Impedanz (Widerstand zum
Fluss von Wechselstrom) sollte an den Elektroden so niedrig wie möglich sein. Eine
Impedanz von weniger als 5 kohm an allen Elektroden und zwischen allen
Verbindungen sowie eine Differenz die geringer als <1 kohm beträgt, wäre
exzellent. Wenn Ihnen das gelingt, sind die Beeinflussungen durch Widerstand
bei der Messung von “V” an unterschiedlichen Elektrodenpositionen
vernachlässigbar gering im Vergleich zu den Werten, des aktuell gemessenen Wertes
an der Quelle.
Der Widerstand des Verstärkers
ist eine Konstante. Sie ist von Instrument zu Instrument verschieden. Anhand
der Voltage-Divider Formel, die unten aufgeführt ist, wird man sehen, dass immer
dann, wenn der Widerstand des Verstärkers hoch ist, der Widerstand (oder besser
die Impedanz, weil das EEG Wechselstrom ist) der Elektrode nur einen geringen
Einfluss auf die gemessene Spannung hat im Vergleich zu Verstärkern mit
geringem Widerstand am Eingang.
Was geschehen kann, wenn man die Impedanz
nicht misst.
Ohne
durchgehend gute Ableitung (geringe Impedanz) ist das dem Klienten gegebene
Feedback auf die abgelesenen Amplituden ungenau und deshalb werden dessen
Threshold Einstellung von Sitzung zu Sitzung schwanken. Wenn die Impedanzen
zwischen verschiedenen Elektrodenpaaren differieren, kann jede Bewegung
verschobene Messergebnisse verursachen. Das häufigste Problem besteht darin,
dass der Trainer unter Zeitdruck stehend die Impedanzmessung vergisst, oder
dass sich irgendetwas während der Sitzung an den Ableitungen verändert. Unter
Umständen waren die Impedanzen beim ersten Anlegen der Elektroden gut, aber
kurz darauf wurde die Ableitung erschwert (Der Klient rieb sein Ohr, kratzte
sich am Kopf, zog an einem Kabel, usw.) Wenn nun die Impedanzmessung wiederholt
wird, ist die Impedanz plötzlich zu hoch oder zu unterschiedlich zwischen den
Elektrodenpaaren. Nach der Korrektur ist das EEG wieder gut und deutlich
ablesbar.
John[L11] ,ein Neurofeedback Trainer,
trainierte ein hyperaktives Kind, das dazu neigte, sich am Ohr zu kratzen. Während
des Trainings erschien auf dem Monitor eine exzessive schnelle Aktivität. Die
Werte für Beta und SMR waren oberhalb der bei diesem Klienten gewohnten Werte. Die
Impedanz wurde noch einmal geprüft und war nun zwischen den Elektroden sehr
unterschiedlich.
Als die
Impedanz verbessert war fiel die Messung der High Beta Werte (24-32 Hz) von
10-15 mv auf 4
mv. Die
45-58 Hz Aktivität sank bis <2 mv. SMR
und Beta Amplitude bewegten sich von ungewöhnlich hohen Werten zu Werten, die
denen der letzten Sessions ähnelten. John übte mit dem Jungen ein: „Halte die
Hände still!“ Spiel ein. Dazu wurde das Kind aufgefordert auf dem Handrücken
jeder Hand einen Token während des Feedbacks zu balancieren. John belohnte ihn
nach jeder Trainingsepisode von 2 Minuten Dauer, wenn die Token noch an ihrem
Platz waren. Das Kind hatte Spaß und erhielt Belohnungen.Von da an blieben die
Elektroden an ihrem Platz und die Qualität der Messung wurde gehalten.
Wenn Sie eine Potential
Differenz berechnen, möchten sie gewiss, dass Ihre Messungen wirklich die
neuronale Aktivität reflektieren, die an den Messpunkten zu verzeichnen ist (oder
das Fehlen dieser Aktivität an der Referenzelektrode). Das oben angeführte
Beispiel zeigt einen Fall, bei dem der Klient kein korrektes Feedback erhielt, bis
das EEG mit mehr Sorgfalt erstellt wurde und das über die Dauer der gesamten
Sitzung hindurch.
Der Grund, warum moderne
Verstärker mehr verzeihen- das Voltage Divider Modell
Sie werden gehört haben, dass
gesagt wird, mit hoher Input Impedanz innerhalb des Verstärkers sei das Messen
der Elektrodenimpedanz nicht mehr so wichtig. Tatsächlich ist es sehr viel
weniger kritisch als bei älterer Ausrüstung. Trotzdem, das oben genannte Beispiel
war eines, bei dem ein solcher Verstärker mit hoher Input Impedanz benutzt
wurde. Sicher, die alten Low Impedanz Verstärker verlangten eine Menge Aufmerksamkeit
und Sorgfalt bei der Präparierung der Elektroden. Warum das heute leichter ist,
kann nach einer kurzen Erläuterung, was das Voltage-Divider Modell ist, besser
verstanden werden.
Anmerkung: Die
meisten Leser können den kursiv geschriebenen Text überspringen, weil er nicht
unbedingt notwendig ist, diese Feinheiten zu verstehen, wenn man Neurofeedback
betreiben will. Der Text ist für Interessierte, die eine ein wenig tiefer
gehende Information wünschen.
Woher stammt der Begriff
“Voltage Divider”?
Dieser Begriff wird normalerweise benutzt wenn
darüber gesprochen wird, wie man die Sensitivität eines Aufnahmeinstruments
verändern kann. Sie sind sich sicher alle bewusst darüber, dass ein Erwachsenen
EEG aus Amplituden sehr niedriger Amplitude im Vergleich zum EEG des Kindes
besteht. Um das EEG auf dem Display zu lesen, muss man eventuell die
Sensitivität und damit die Größe des abgelesenen EEG verändern. Um es dem
Anwender zu erlauben, die Sensitivität des Instruments zu verändern, wird eine Reihe
von 3 Widerständen am Ausgang des Differential Verstärkers gebraucht. Der
Strom, der die Widerstände passiert ist (R1 + R2 + R3).
Dann, nach Anwendung des Ohmschen Gesetzes V = (R1 + R2 +
R3) I. oder: I = V ¸ (R1
+ R2 + R3 )). Wenn alle drei Widerstände gleich sind, und
der Schalter hinter dem ersten platziert ist, wird der Output 1/3 V und wenn er
nach dem zweiten Widerstand platziert wird, 2/3 V sein. Die hintereinander
geschalteten Widerstände, die mit einem Schalter verbunden sind, nennt man
einen Voltage
Divider. Die totale Spannung wird sich über die drei Widerstände verteilen
in Abhängigkeit von ihrer Größe.
Das gleiche Voltage Divider Konzept beeinflusst
die Messungen des Verstärkers. Einleitend sollte man sich vorstellen, der
Verstärker bestünde aus zwei Verstärkern. In unserem Beispiel sind es für jede
Elektrode schlussendlich zwei Widerstände, die wir in Betracht ziehen müssen. Weil
wir einen Wechselstrom messen, muss der Ausdruck Widerstand durch das Wort
Impedanz ersetzt werden. Sie können sich die Spannung als von den Widerständen gegen
den Stromdurchfluss verändert denken. Das bedeutet, dass die Spannung am
Ausgang proportional zu jeder der Impedanzen ist, gemäß der Formel:
Voutput+ = V+ x Zamplifier ¸ (Zsite+ + Zamplifier )für
+ve Elektroden Seite und
Voutput- = V- x Zamplifier ¸ (Zsite- + Zamplifier ) für
–ve Elektroden Seite.
–ve Elektroden Seite.
Weil die ersten Impedanzen (Zsite+ und Zsite-[L12] ) sich an der Kopfoberfläche
befinden, die aktive(+) sowie die
Referenzelektrode(-). Wir wollen diese Impedanzen
sehr klein. Die zweite Impedanz (Zamplifier ) befindet
sich am Imput des Verstärkers und diese wünschen wir uns möglichst hoch. Wenn
dem so ist, ist die gemessene Spannung wesentlich mehr vom Input Widerstand des
Verstärkers abhängig und verzeihender gegenüber unterschiedlichen Impedanzen an
der Elektrodenseite, weil die Spannung sich selber auf drei Widerstände
verteilt in Abhängigkeit von ihrer Magnitude. Wenn die Impedanz am Verstärker
sehr groß ist, wird die Spannung die der Verstärker erfasst, sehr dicht an der
tatsächlichen EEG Spannung liegen.
Lassen
sie und nun den ganzen Kreislauf betrachten, nicht nur die zum Verstärker
leitenden Elektroden.
Wenn man über die Verbindung zwischen Kopfoberfläche
und Verstärker nachdenkt, wird man unschwer erkennen, dass erst wenn die
Verbindung geschlossen ist, Strom fließen kann. In
diesem hypothetischen Beispiel fließt der Strom im Kreis. Der Strom
wird im Gehirn produziert und fließt über eine Ableitung zum Verstärker, durch
diesen hindurch und über die andere Leitung zum Gehirn zurück. Aus
schematischen Gründen stellen sie sich drei Impedanzen gegen den Fluss dieses
Stromes vor. Diese Impedanzen stehen in Serie. Es sind:
die erste Elektrodenseite(Zsite+), der Verstärker
und die zweite Elektrodenseite (Zsite-). Sie
werden dann die Spannung (Potentialdifferenz) messen, entlang des größeren Widerstandes
(Impedanz gegenüber dem Stromfluss )im Verstärker.
Nach Ohmschem Gesetz ist I = V/R. Wieder tauschen wir R gegen Z (Impedanz,)
weil wir es mit Wechselstrom zu tun haben. Dann haben wir für die aktive
Elektrode:
I= V+(input)/(Zsite+ + Zamplifier)
Und für die Referenz:
I = V-(input)/(Zsite- + Zamplifier)
(Um es genau zu machen, müssten wir kleine
Buchstaben für V (oderE) und für I und Z wählen wenn wir Wechselstrom anstelle
des Gleichstroms diskutieren. Um es Ihnen etwas leichter zu machen, dieser
Diskussion zu folgen, haben wir diese übliche Übereinkunft nicht eingehalten.)
Zum Spannung am Ausgang des Differential Verstärkers,
ersetzen wir das I des Ohmschen Gesetzes (V = ZxI) für unseren hypothetischen
Stromkreis:
Voutput+ = Zamplifier x [V(input
to amplifier) ¸ (Zsite- + Zsite+ + Zamplifier )]
Wenn die Impedanzen an beiden Seiten sehr klein
sind, und die Impedanz am Verstärker sehr groß ist, wird die Spannung am
Ausgang relativ unabhängig von der Impedanz an der Elektrodenseite sein. Sie
wird abhängen von der EEG Input Spannung, die dann verstärkt wird.
Kurze Zusammenfassung
Im Rückblick muss festgehalten werden, das
Potential Differenzen zwischen Objekten der Umgebung und den Kabeln zur
Elektrode am Kopf des Klienten Induktionsstrom in den Kabeln erzeugen können. Auch
wenn wir uns dem Klienten nähern, induzieren wir Strom in den Kabeln. Aber V= IZ
(Spannung = Strom x Impedanz). Wir verändern i.’ Dadurch verändert sich die
Spannung. Sie wird die Frequenzen in Abhängigkeit vom Grade der Annäherung an
den Klienten ändern. Elektrische Leitungen im Therapiezimmer, Beleuchtung und
andere elektrische Geräte können ebenso unerwünschte Spannungen induzieren. Sie
werden in Frequenzen erscheinen, die mit der Quelle in Verbindung stehen. Elektrische
Leitungen sind in Europa bei 50 Hz und in den USA bei 60 Hz. Diese Störungen
erscheinen in sehr hoher Amplitude im gemessenen Spektrum, bis man sich um
abgesenkte Impedanzen an den Elektroden bemüht hat. Wenn wir diesen Job gut
erledigen, wird die Common Mode Rejection des Verstärkers das Artefakt
beseitigen. Sie sollten dafür sorgen, dass möglichst alle interferierenden
induzierten Ströme am Verstärker gleich ankommen und dass sie deshalb vom Verstärker
ausgesondert, nicht in der Messung erscheinen. Man sollte dafür sorgen, dass
alle Impedanzen zwischen den Elektrodenpaaren dicht beieinander liegen.
In anspruchsvolleren Kabeln wie den speziell
abgeschirmten Kabeln des F1000, der nicht mehr verkauft wird, fließt der
induzierte Strom völlig unschädlich durch die Kabel zum Verstärker und dann zum
Grund. Mit nicht abgeschirmten Kabeln ist der Widerstand des Verstärkers
eventuell so hoch, dass der Strom zum Klienten fließt.
Wir können den Einfluss unerwünschter elektrischer
Interferenzen verhindern, indem wir abgeschirmte Kabel oder zumindest kurze Kabel
benutzen, was dadurch möglich wird, wenn man den Vorverstärker dicht zur
Elektrodenseite hin platziert. Sie
können Differenzen zwischen den Elektroden vermeiden, wenn sie die Seiten
sorgfältig präparieren (tote Haut hat einen hohen Widerstand und Haar Spray ist
ein Isolator, der vor Sitzungen tunlichst nicht benutzt werden sollte. Messen
sie die Impedanzen und reinigen sie die Elektroden nach jedem Gebrauch. Entfernen
sie jedes elektrische Gerät aus dem Zimmer, das interferierende Signale
erzeugt.
Nun
wissen sie ein ganz klein wenig darüber, was der Hersteller ihres EEG Gerätes
unternommen hat, um Artefakte zu minimieren. Trotz alledem, alle diese
Mechanismen können überlagert oder umgangen werden. Der Neurofeedback Trainer
muss in der Lage sein, Aktivität, die nicht vom Gehirn stammt, zu erkennen.
[L1]This is repeated in the next paragraph, and it works better there.
[M2]Note change to 2500
[L3]We’ve been talking about 2x and 4x, I’m not understanding where 8x
and 16x came from?
[L4]fuzzy
[L5]suggesting unbolding because it’s immediately following the bold
heading
[L6]Should this be Vos ?
or Vos ?
[L7]Graphic is fuzzy I cannot do anythng
[M8]space
[L9]Pi is always 3.14, unless you extend to more decimal points.
[L10]Unless the capitalization changes the meaning? If not (and the
formula in the next column implies not, then shouldn’t the Z always be
capitalized, for consistency with the rest? YES
[L11]Who is John? We should be introduced to him, or perhaps it should be
changed to “An NFB practitioner” or something similar.
[L12]Should the plus and minus signs Not be subscripted? Same question
where this appears also more than once in the next column. I havelong since not
looked at this electronic material. I had anengineer lookat it years ago and
just left it alone scince. it is not basic material for practitioners but it
should be acknowledgedin the book
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