Elektroenzephalographie -...
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von Timo Stomberg
13.06.2016
Elektroenzephalographie
Abb.: fisioshare.com
• griech.: „encephalon“: Gehirn
• griech.: „graphía“: schreiben, zeichnen
• „elektro“: elektrische Aktivität
Elektroenzephalographie Elektroenzephalographie Elektroenzephalographie
EEG
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Elektroenzephalographie (EEG) • Aufzeichnung von Spannungs-
schwankungen an der
Kopfoberfläche
• Grundlage: Ionenströme im Intra-
und Extrazellulärraum
3
gute Zeit- & Ortsauflösung
linke Abb.: medicalexpo.de, rechte Abb.: cdn.imotions.com
Anwendung
• klinische Diagnostik
– Epilepsie
– Schlafstörungen
– Koma, Hirntoddiagnostik
– neurodegenerative Erkrankungen
– …
• Hirnforschung
– nahezu jedes Wissen über Funktionsweisen des Gehirns durch EEG
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Themen • anatomische & neuronale Grundlagen
– Nervensystem
– Nervenzellen
– Potentialentstehung
• Messtechnik
– Elektroden
– Differenzverstärker
– Filter
• Analyse
– Ableitungsmethoden
– Frequenzbänder 5
obere Abb.: askabiologist.asu.edu, mittlere Abb.: img.medicalexpo.de, untere Abb.: cdn.imotions.com
Zentrales Nervensystem
6 Abb.: Schünke, Schulte, Schumacher, Voll, Wesker: „Prometheus“
Graue und Weiße Substanz
• graue Substanz:
– Ansammlung von Nervenzellkörpern
– Gehirn: Cortex (Hirnrinde)
• weiße Substanz:
– Axone und Gliazellen
7 Abb.: leukonet.de
Neurone / Nervenzellen
8 Abb.: askabiologist.asu.edu
Ruhemembranpotential
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• Na-K-ATPase:
– intrazellulär erhöhte K+-Konzentration
– extrazellulär erhöhte Na+-Konzentration
– K+-Konzentration > Na+-Konzentration
• Diffusionsstrom
Zelle innen negativ geladen
(Δ𝑈 ≈ −70 mV)
Abb.: wwwmath.uni-muenster.de
Signalübertragung
10 linke Abb.: Campbell: „Biologie“, rechte Abb.: upload.wikimedia.org
Messung des Aktionspotentials
• hohe Spannungsschwankung: 80-100 mV
• lediglich transmembranöse Spannungsdifferenz
kleines, zeitlich kurzes, extrazelluläres Feldpotential
nicht mit EEG messbar
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?
Abb.: Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“
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inhibitorisch wirkende Synapsen:
Postsynaptisches Potential (exzitatorisch wirkende Synapse)
Abb‘en: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Pyramidenzellen • Großteil der Nervenzellen im Cortex (85%)
• Ausrichtung senkrecht zur Oberfläche
– Dendriten Richtung Oberfläche
– Axone Richtung Inneres
• Fernfeldnäherung Dipol
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Pyramidenzelle aus der Großhirnrinde eines Menschen linke Abb.: Cooper, Osselton, Shaw: „Elektroenzephalographie“ –
„Technik und Methoden“, rechte Abb.: wikiwand.com
Postsynaptisches Potential bei Pyramidenzellen
14 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
bis zu 10.000 Dendriten pro Pyramidenzelle
Synchrone Aktivität
a) EPSP an Dendrit
b) EPSP am Soma
c) IPSP an Dendrit
tritt in der obersten Cortex-
schicht quasi nicht auf
d) IPSP am Soma
treten im Cortex insbeson-
dere hier auf
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zumeist konstruktive Überlagerung der Potentiale
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Synchrone Aktivität
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• eine Elektrode erfasst in etwa: – Fläche von 6 cm2 – 108 Neuronen – jedes Neuron hat bis zu 10.000
Synapsen
grundsätzlich:
𝟏/𝒇-Rauschen
Modell: Synchrone Aktivität
? experimentell:
EEG ist nicht die Summe der einzelnen Potentiale
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Kortikale Feldpotentiale
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• Ionenbewegungen im Extrazellulärraum
• Potentialentstehung:
Δ𝑈1 = 𝑅 ⋅ 𝐼
Δ𝑈2 = 𝑄/𝐶
N: Neuron, S: Synapse, G: Gliazellen, M: Membranstruktur
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Δ𝑈: Spannung, 𝑅: Ohm‘scher Widerstand, 𝐼: Strom, 𝑄: Ladung, 𝐶: Kapazität
Gewebsleit-fähigkeit
• Ohm‘sche Widerstände
– intra- und extrazelluläre Flüssigkeitsräume
– Liquor
• kapazitive Widerstände
– Zellmembran
– Schädelknochen
– Haut
18 Abb.: previews.123rf.com
𝑍𝐶 =1
𝜔𝐶 ⇒ Einfluss auf Frequenzanteile
leitend ⇒ reduziert Feldpotentiale erheblich
Leitfähigkeit kann nicht gemessen werden genaue Aussagen über Einfluss nicht möglich
? 𝑍𝐶: Impedanz, 𝜔: Kreisfrequenz, 𝐶: Kapazität
Liquor und Hirnstamm
• Liquor: hohe Leitfähigkeit
• Signale von Hirnstamm werden an Oberfläche geleitet
• Größenordnung: Attovolt (aV = 10−18V) 19
Abb.: previews.123rf.com
Messtechnik
• Elektroden
• Verstärker
• Frequenzfilter
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Amplitude der EEG-Wellen an der
Kopfoberfläche:
𝑈 ≈ 100 μV
Anforderungen an Elektronik:
• sehr exakt • störungsfrei
Abb.: img.medicalexpo.de
Elektroden
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Me+: nicht-reagierendes Metall
Cup- / Klebe-Elektroden Brückenelektroden
obere Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“, Abb. unten links: ternimed.de, Abb. unten rechts: micromed.com
Elektroden-potential
Polarisierbare Elektroden
• aus Edelmetall, z.B. Gold
• Ionendifferenzen streben Gleichgewicht an
unzureichende Übertragung langsamer Potentialdifferenzen
Dämpfung niedriger Frequenzen
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Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Nichtpolarisierbare Elektroden
• z.B. aus Silberchlorid
• keine Konzentrationsänderung in el. Doppelschicht
frequenzunabhängig
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Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Elektroden
• Genauigkeit
• Biokompatibilität
• Kosten
• Langzeitmessung
• Komfort (Schlaf)
• …
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Es gibt nicht die perfekte Elektrode für alle Anwendungen.
Differenzverstärker • Störspannungen der Umwelt
– vielfaches größer als EEG-
Signal
unipolares Verstärken nicht
möglich
– vom Körper überall
weitgehend gleich
aufgenommen
Differenzverstärkung mit
Referenz zum Körper
25 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Frequenzfilter
• Beseitigung störender Frequenzen zur besseren
Analyse
• Tiefpass (A), Hochpass (B)
• Grenzfrequenz:
𝑓𝑔 ∶= 𝑓 𝑈 2 =𝑈 1
2=
1
2𝜋𝑅𝐶
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𝑓: Frequenz, 𝑈 : Spannungsamplitude, 𝑅: Ohm’scher Widerstand, 𝐶: Kapazität
Abb.: amateurfunkpruefung.de
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Internationales 10-20-System
Abb. oben links: de.dreamstime.com, rechte Abb.: medicalexpo.de, Abb. unten links: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Ableitungsmethoden natürliche Referenzableitung
– gemeinsame Referenz: meist Ohrläppchen
– reale Darstellung der Potentialverteilung
– Übertragung von Artefakten an Referenz in voller Stärke auf
alle Elektroden
Durchschnittsreferenzableitung
– Referenz: Mittelwert aller Elektrodensignale
– geringere Auswirkung der Artefakte
– regional begrenzte Aktivitäten können in Ableitungen anderer
Hirnregionen auftreten, wo sie real nicht vorkommen 28
Bipolare Ableitung
Verknüpfung aller Elektroden
visuell besser auswertbar
„Kunstprodukt“
Artefakte bleiben auf zwei Elektroden begrenzt
exakte Rekonstruktion der realen Potentialverteilung nicht mehr möglich
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fokale EEG-Veränderung F1 führt zu Phasenumkehr PU1
Ableitungsmethoden (2)
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
• jede Methode: Vor- & Nachteile
• natürliche Referenzableitung:
Möglichkeit der nachträglichen Umrechnung
• mehrere Methoden pro Untersuchung, insbesondere:
– natürliche Referenzableitung
– bipolare Ableitung
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Ableitungsmethoden (3)
Frequenzbänder
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Typ 𝜈 Deutung (bedingt) Abbildung
𝛿-Wellen
< 4 Hz
traumlose Tiefschlafphase falls Wachzustand: Hirnfunktionsstörungen, Hirnblutungen, Hirntumore
𝜃-Wellen
4 bis 8 Hz
Schläfrigkeit, leichte Schlafphasen
𝛼-Wellen
8 bis 13 Hz
entspannte Wachheit bei geschlossenen Augen
𝛽-Wellen
13 bis 30 Hz
konstantes Anspannen eines Muskels, Konzentration
𝛾-Wellen
> 30 Hz
starke Konzentration, Lernen, Verwechslungsgefahr: Augenartefakte
Abb.: de.wikipedia.org
Frequenzbänder • komplizierte Extraktion aus 1/𝑓−Rauschen
• Fehlinterpretationsgefahr (Artefakte)
• Interpretation abhängig von Hirnstruktur
• viele weitere Frequenz-Strukturen und Muster
32 Abb.: cdn.imotions.com
Zusammenfassung
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𝟏/𝒇-Rauschen
Auslese: „künstlerisch“,
auf Erfahrungen beruhend, komplex mathematisch
postsynaptische Potentiale
kortikale Feldpotentiale ?
Gewebs-leitfähigkeit
jegliche Modelle versagen
Wieso können wir ein „zufälliges“ 1/𝑓-Rauschen
überhaupt auslesen?
?
? ? ?
?
Backup-Folien
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Myelinisierte Nervenfaser
• Axone von Gliazellen umhüllt
• deutlich schnellere Übertragung
35 Abb.: Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“
Sternzelle
• machen ca. 15% der Nervenzellen im Cortex aus
• viele Dipole in entgegengesetzter Richtung Neutralisation in Fernwirkung
36 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Hirnfurchen
• nur radial zur Kopfoberfläche
ausgerichtete Pyramidenzellen
können durch das EEG erfasst
werden
• in Hirnfurchen tangentiale
Ausrichtung
37 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Äquipotentiallinien
38 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
• Referenz ist Mittelwert aller umliegenden Elektroden
• gut geeignet für fokale EEG-Veränderungen
• weniger Artefakte
• teilweise schwer durchschaubar
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Ableitungsmethode: Quellenableitung
Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
S. Zschocke, H. Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“; Springer-Verlag; 3. Auflage; 2012 R. Cooper, J.W. Osselton, J.C. Shaw: „Elektroenzephalographie“ – „Technik und Methoden“; Gustav Fischer Verlag; 3. Auflage; 1984 R. Klinke, H. Pape, A. Kurtz, S. Silbernagel: „Physiologie“; Georg Thieme Verlag; 6. Auflage; 2010 M. Schünke, E. Schulte, U. Schumacher, M. Voll, K. Wesker: „Prometheus“ – „LernAtlas der Anatomie“ – „Kopf, Hals und Neutoanatomie“; Georg Thieme Verlag; 3. Auflage; 2012
Literaturverzeichnis
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41
Für die Nutzung der Websites kann der 09. Juni 2016 herangezogen werden. Folie 1 http://www.fisioshare.com/Images/EEG-Brain.jpg Folie 3 http://www.medicalexpo.de/prod/mag-more-gmbh/product-76676-699570.html https://cdn.imotions.com/wp-content/uploads/2016/02/EEG.jpg Folie 5 https://askabiologist.asu.edu/sites/default/files/resources/plosable/Brain_Speed/connected-neurons.jpg http://img.medicalexpo.de/images_me/photo-g/70079-6104657.jpg https://cdn.imotions.com/wp-content/uploads/2016/02/EEG.jpg Folie 6 Schünke, Schulte, Schumacher, Voll, Wesker: „Prometheus“ Folie 7 http://www.leukonet.de/typo3temp/pics/GRAUWEI_02a485292d.jpg Folie 8 https://askabiologist.asu.edu/sites/default/files/resources/plosable/Brain_Speed/connected-neurons.jpg Folie 9 https://wwwmath.uni-muenster.de:16030/Professoren/Lippe/lehre/skripte/wwwnnscript/biologie.html
Abbildungsnachweis (1)
42
Folie 10 Campbell: „Biologie“ – „Gymnasiale Oberstufe“; Pearson Studium; 8. Auflage; 2009 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Aktionspotential.svg Folie 11 Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“ Folie 12 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 13 Cooper, Osselton, Shaw: „Elektroenzephalographie“ – „Technik und Methoden“ http://www.wikiwand.com/de/Pyramidenzelle Folie 14 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 15 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 16 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 17 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (2)
43
Folie 18 http://previews.123rf.com/images/hfsimaging/hfsimaging1107/hfsimaging110700008/9933709-Querschnitt-des-menschlichen-Gehirns-Lizenzfreie-Bilder.jpg Folie 19 http://previews.123rf.com/images/hfsimaging/hfsimaging1107/hfsimaging110700008/9933709-Querschnitt-des-menschlichen-Gehirns-Lizenzfreie-Bilder.jpg Folie 20 http://img.medicalexpo.de/images_me/photo-g/70079-6104657.jpg Folie 21 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ http://www.ternimed.de/WebRoot/Store2/Shops/62826360/4D59/0F5E/E786/2C40/AA1F/C0A8/28BA/EAA0/Goldnapf-NEU-5-St.1_ml.jpg http://www.micromed.com/media/bilder/EEG-Bruecken_Brueckenelektrode.jpg Folie 22 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 23 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 25 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (3)
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Folie 26 http://www.amateurfunkpruefung.de/lehrg/a04/bild4-19.gif Folie 27 http://de.dreamstime.com/stockfotos-eeg-elektrodenplatzierung-image29444803 http://www.medicalexpo.de/prod/mag-more-gmbh/product-76676-699570.html Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 29 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 31 https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroenzephalografie Folie 32 https://cdn.imotions.com/wp-content/uploads/2016/02/EEG.jpg Folie 35 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 36 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 37 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (4)
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Folie 38 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“ Folie 39 Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“
Abbildungsnachweis (5)