Elektroenzephalographie -...

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1 von Timo Stomberg 13.06.2016 Elektroenzephalographie Abb.: fisioshare.com

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1

von Timo Stomberg

13.06.2016

Elektroenzephalographie

Abb.: fisioshare.com

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• 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

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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

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Zentrales Nervensystem

6 Abb.: Schünke, Schulte, Schumacher, Voll, Wesker: „Prometheus“

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Graue und Weiße Substanz

• graue Substanz:

– Ansammlung von Nervenzellkörpern

– Gehirn: Cortex (Hirnrinde)

• weiße Substanz:

– Axone und Gliazellen

7 Abb.: leukonet.de

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Neurone / Nervenzellen

8 Abb.: askabiologist.asu.edu

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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

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Signalübertragung

10 linke Abb.: Campbell: „Biologie“, rechte Abb.: upload.wikimedia.org

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Messung des Aktionspotentials

• hohe Spannungsschwankung: 80-100 mV

• lediglich transmembranöse Spannungsdifferenz

kleines, zeitlich kurzes, extrazelluläres Feldpotential

nicht mit EEG messbar

11

?

Abb.: Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“

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inhibitorisch wirkende Synapsen:

Postsynaptisches Potential (exzitatorisch wirkende Synapse)

Abb‘en: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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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

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Postsynaptisches Potential bei Pyramidenzellen

14 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

bis zu 10.000 Dendriten pro Pyramidenzelle

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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

15

zumeist konstruktive Überlagerung der Potentiale

Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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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“

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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

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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

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Liquor und Hirnstamm

• Liquor: hohe Leitfähigkeit

• Signale von Hirnstamm werden an Oberfläche geleitet

• Größenordnung: Attovolt (aV = 10−18V) 19

Abb.: previews.123rf.com

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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

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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

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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“

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Nichtpolarisierbare Elektroden

• z.B. aus Silberchlorid

• keine Konzentrationsänderung in el. Doppelschicht

frequenzunabhängig

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Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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Elektroden

• Genauigkeit

• Biokompatibilität

• Kosten

• Langzeitmessung

• Komfort (Schlaf)

• …

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Es gibt nicht die perfekte Elektrode für alle Anwendungen.

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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“

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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“

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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

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Bipolare Ableitung

Verknüpfung aller Elektroden

visuell besser auswertbar

„Kunstprodukt“

Artefakte bleiben auf zwei Elektroden begrenzt

exakte Rekonstruktion der realen Potentialverteilung nicht mehr möglich

29

fokale EEG-Veränderung F1 führt zu Phasenumkehr PU1

Ableitungsmethoden (2)

Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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• 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)

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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

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Frequenzbänder • komplizierte Extraktion aus 1/𝑓−Rauschen

• Fehlinterpretationsgefahr (Artefakte)

• Interpretation abhängig von Hirnstruktur

• viele weitere Frequenz-Strukturen und Muster

32 Abb.: cdn.imotions.com

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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?

?

? ? ?

?

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Backup-Folien

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Myelinisierte Nervenfaser

• Axone von Gliazellen umhüllt

• deutlich schnellere Übertragung

35 Abb.: Klinke, Pape, Kurtz, Silbernagel: „Physiologie“

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Sternzelle

• machen ca. 15% der Nervenzellen im Cortex aus

• viele Dipole in entgegengesetzter Richtung Neutralisation in Fernwirkung

36 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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Hirnfurchen

• nur radial zur Kopfoberfläche

ausgerichtete Pyramidenzellen

können durch das EEG erfasst

werden

• in Hirnfurchen tangentiale

Ausrichtung

37 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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Äquipotentiallinien

38 Abb.: Zschocke, Hansen: „Klinische Elektroenzephalographie“

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• 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“

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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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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)

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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)

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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)