Enzyklopädie der Schlafmedizin
Autoren
Friedhart Raschke

Elektroenzephalogramm

Als Elektroenzephalogramm werden die aufgezeichneten Hirnströme bezeichnet. Das Elektroenzephalogramm ist eine wichtige Messgröße zur Charakterisierung von Hirnfunktionen und zur Bewertung von neurologischen Störungen. Die Schlafmedizin benötigt das EEG zur Ermittlung des Funktionszustands des Zentralnervensystems (ZNS). Mithilfe des EEG und mit zusätzlichen Informationen aus Elektrookulogramm und Elektromyogramm werden die Unterschiede zwischen Wachen und Schlafen, die Schlaftiefe, bezogen auf die Stadien des Leicht- und Tiefschlafs, sowie der REM-Schlaf erfasst. Aber auch Unterschiede zwischen dem Grad der Wachheit („alertness“) und dem Ausmaß von Schläfrigkeit („drowsiness“, „sleepiness“) können objektiv ermittelt werden. Für die Bewertung der Schlaftiefe ist das EEG der einzig zuverlässige Indikator.

Synonyme

EEG; Hirnstromaufzeichnung; Hirnstromkurve

Englischer Begriff

electroencephalogram

Definition

Als Elektroenzephalogramm werden die aufgezeichneten Hirnströme bezeichnet. Das Elektroenzephalogramm ist eine wichtige Messgröße zur Charakterisierung von Hirnfunktionen und zur Bewertung von neurologischen Störungen. Die Schlafmedizin benötigt das EEG zur Ermittlung des Funktionszustands des Zentralnervensystems (ZNS). Mithilfe des EEG und mit zusätzlichen Informationen aus „Elektrookulogramm“ und „Elektromyogramm“ werden die Unterschiede zwischen Wachen und Schlafen, die Schlaftiefe, bezogen auf die Stadien des Leicht- und Tiefschlafs, sowie der REM-Schlaf erfasst („Polysomnographie und Hypnogramm“). Aber auch Unterschiede zwischen dem Grad der Wachheit („alertness“) und dem Ausmaß von Schläfrigkeit („drowsiness“, „sleepiness“) können objektiv ermittelt werden. Für die Bewertung der Schlaftiefe ist das EEG der einzig zuverlässige Indikator.
Der elektroenzephalographisch gemessenen Aktivität liegen postsynaptische Potenziale der Pyramidenzellen des Zentralnervensystems zugrunde, die an der Kopfhaut als Oberflächenpotenziale im Mikrovoltbereich auftreten und über Metallelektroden mit entsprechender Verstärkung und Filterung als Spontan-EEG zur Charakterisierung verschiedener Zustände im Schlaf-Wach-Kontinuum registriert werden. Ihre Frequenz reicht von 0,5–30 Hz. Die Lokalisation der Elektroden ist standardisiert. Einzelne Frequenzanteile des EEG sind topographisch unterschiedlich repräsentiert. Unter pathophysiologischen Gesichtspunkten gibt das Elektroenzephalogramm epilepsietypische Veränderungen mit hoher diagnostischer Wertigkeit wieder und erlaubt ihre Lokalisation als Herdbefund oder als generalisierte Ereignisse. Die Ausübung verschiedener Tätigkeiten bei mentaler und physischer Belastung verändert das Spontan-EEG. Auch Unterschiede im Aktivitätsniveau oder Affektkomponenten können das Elektroenzephalogramm beeinflussen. Als evozierte Potenziale (EP) weist das spontane EEG charakteristische Muster auf, die sich durch Mittelwertbildung, das sogenannte Averaging, aus dem Hintergrund hervorheben und gestörte Funktionen als Parameterabweichung von der Norm dokumentieren. Je nach Art des auslösenden Stimulus werden unterschieden: akustisch evozierte Potenziale (AEP), visuell evozierte Potenziale (VEP) oder somatosensorisch evozierte Potenziale (SEP). Bestimmten Ereignissen zugeordnete Bereitschafts- oder Erwartungspotenziale, sogenannte Event Related Potentials (ERP), treten vor willkürlichen Bewegungen oder einem erwarteten optischen Signal auf.
Eine intra- und interindividuelle Vergleichbarkeit ist nur bei standardisierter Lokalisation gewährleistet. Die EEG-Auswertung erfolgt sowohl manuell/visuell als auch über verschiedene computergestützte statistische Verfahren. Letztere werden zum Teil standardmäßig als Leistungsdichtespektren verwendet, befinden sich als nichtlineare Verfahren der Entropieberechnung in der Weiterentwicklung, oder sie dienen der Mustererkennung mittels sogenannter künstlicher Intelligenz in Gestalt von neuronalen Netzen.

Messverfahren

Grundlagen

Elektrische Phänomene in der Biologie waren schon seit den Froschschenkelexperimenten Galvaniis im Jahr 1971 bekannt. Als Berger 1924 erstmals in Jena eine EEG-Ableitung an der unversehrten Kopfhaut des Menschen vornehmen konnte und darin speziell das Phänomen der höheramplitudigen regelmäßigen Wellen bei wachen Probanden mit geschlossenen Augen beschrieb, die von ihm als Alphawellen bezeichnet wurden, begann eine neue Ära der Neurologie. Noch heute ist seine Entdeckung international als Berger-Rhythmus bekannt. Das Phänomen wurde aber zunächst in der wissenschaftlichen Welt als unglaubwürdig abgelehnt. Publiziert wurde es von ihm daher erst 1929 und fand schließlich ab 1934 vollständige Akzeptanz, nachdem die Messungen durch Adrian in London reproduziert worden waren. EEG-Ableitungen veränderten daraufhin die neurologische Diagnostik innerhalb weniger Jahre grundlegend. Bereits 1937 wurden von Loomis die bedeutsamen Graphoelemente für den Schlaf, die Schlaftiefe und einzelne Schlafstadien außer dem REM-Schlaf beschrieben, die im Prinzip bis heute die Grundlage der Schlaftiefendiagnostik darstellen.

Für Schlafableitungen relevante Definitionen

Frequenzbänder
  • Deltaband: 0,5–3,5 Hz, Amplitude größer 75 μV (für Schlafstadium N3)
  • Thetaband: 4–7,5 Hz, Amplitude bis 40 μV
  • Alphaband: 8 bis unter 12 Hz, Amplitude bis 150 μV
  • Betaband: ≥13 Hz, Amplitude bis 30 μV
Vertex-Zacke
Spitzes negatives Potenzial; Maximum über dem Vertex; beidseits synchron; Dauer 0,3–0,4 Sekunden; Amplitude mindestens 75 μV und kleiner als 250 μV; Auftreten häufig während Stadium N1 und N2 und während des Einschlafens oder als Antwort auf sensorischen Stimulus.
K-Komplex
Scharfe negative Auslenkung mit nachfolgender positiver Komponente als biphasisches Signal; beide Komponenten müssen hinreichend vom Hintergrundmuster verschieden sein; Dauer des Komplexes mindestens 0,5 Sekunden; Amplitude mindestens 75 μV und variabel, typisch sind 100–200 μV; oft von einer Serie alphaartiger Wellen gefolgt; Auftreten vorwiegend in Stadium N2; akustisch auslösbar. Es wird kein K-Komplex bewertet, wenn wenige Sekunden davor und danach hohe Deltawellen auftreten.
Schlafspindeln
Spindelförmig modulierte Gruppe von Wellen mit einer Frequenz von 12–14 Hz; vorwiegend präzentral beidseitig; Dauer mindestens 0,5 bis zu 3 Sekunden; Amplitude >10 μV; Auftreten typisch für Stadium N2.
Sägezahnwellen
Ähnlich den Thetawellen; mono- oder biphasische Potenziale mit niedriger Amplitude und Asymmetrie, sägezahntypisch sind ein langsamer Anstieg und steiler Abfall; vorwiegend zentroparietal; Auftreten bevorzugt im REM-Schlaf.

Standardisierung

Das EEG einer Schlafuntersuchung ist seit Rechtschaffen und Kales (1968) in der Elektrodenlokalisation, der Verstärkung (Empfindlichkeit, Maßstab), der Filter und der zu verwendenden zeitlichen Auflösung festgelegt, die durch die AASM-Kriterien von 2007 (inzwischen mehrfach erweitert; AASM 2016) ersetzt wurden. Die reproduzierbare Platzierung der EEG-Elektroden erfolgt nach dem 10–20-System, einer internationalen Konvention zur prozentualen Einteilung der Schädeloberfläche mit Nasion an der Nasenwurzel und Inion am Hinterkopf als Bezugspunkte (Referenzstrecke) und einer Unterteilung in jeweils 10 %- oder 20 %-Abschnitte für den Elektrodenabstand auf der gedachten Verbindungslinie (Abb. 1).
Schlafableitungen werden nach „AASM-Manual“ (2016) als dreifache bipolare Ableitung F4-M1, C4-M1 und O2-M1 empfohlen. F steht für frontal, C steht für central, O für occipital, M für mastoid. Diese Ableitungen stellen einen Kompromiss zwischen erforderlichen Positionen, hinreichender Präsenz sämtlicher Graphoelemente und ausreichender Artefaktfreiheit für Schlafregistrierungen dar. Für deutliche Alphaanteile ist die okzipitale Ableitung grundsätzlich günstiger, diese führt aber zu Störungen, wenn der Kopf in Rückenlage flach auf dem Kopfkissen/Kopfteil aufliegt. Die Dreifachableitung dient erstens der repräsentativen Lokalisation und zweitens der Sicherheit bei einem Ausfall, indem dann ersatzweise auf eine andere zurückgegriffen werden kann. Die Auswertung der Schlaftiefe soll auf einer und immer derselben Ableitung im Schlafverlauf beruhen.
Kleine Übergangswiderstände sind Voraussetzung für eine gute Signalqualität, weshalb der Widerstand 5 kOhm nicht übersteigen soll. Vorhergehende Entfettung und abrasive Hautvorbereitung sind Voraussetzung, und auch der Zeitbedarf für die Diffusion der Elektrodencreme in die Haut ist mit einer Dauer von ca. 10–20 Minuten zu berücksichtigen, um kleine Übergangswiderstände zu erzielen. Gegebenenfalls verbessert die vorherige NaCl-Präparierung von Sinterelektroden die Signalqualität. Unbedingt beachtet werden muss der feste und dauerhafte Sitz der Elektroden, der durch Klebeleitpaste oder notfalls Collodion und zusätzliche Abdeckung mit Mullläppchen ermöglicht wird. Die Elektroden sollen sich auf sanften manuellen Zug weder einseitig noch vollständig lösen.
Die Verstärkung beträgt 7,5–10 mm für 50 μV als Zeigerauslenkung am Linienschreiber oder Bildschirm mit einer XGA-Auflösung von mindestens 1024 × 768 Pixel. Die Filter sind auf 0,3 Sekunden Zeitkonstante einzustellen (Hochpass). 35 Hz ist die obere Grenzfrequenz für den Tiefpass.

Auswerteverfahren, Bewertung

Die Einteilung durch Loomis und Mitarbeiter in die Stadien Wach, Leichtschlaf und Tiefschlaf erfolgte bereits wenige Jahre nach Entdeckung der hirnelektrischen Aktivität. Diese Unterscheidung ist in mehreren wesentlichen Merkmalen unverändert gültig. Sie ist in Abb. 2 mit den dazugehörigen Graphoelementen und Frequenzanteilen des EEG für die einzelnen Schlafstadien dargestellt.
Die Loomis-Einteilung mit den Stadien A–E wurde von Dement und Kleitmann Ende der 1950er-Jahre in eine Aufteilung in die Stadien 1–4 überführt, wobei die ursprünglichen Loomis-Kriterien bis auf die Unterscheidung zwischen den Leichtschlafstadien A und B übernommen wurden. A, B1 und B2 wurden nach Dement und Kleitmann als Stadium 1 = sehr leichter Schlaf zusammengefasst und später als NREM1 bezeichnet. Bemerkenswert ist, dass diese Einteilung selbst nach der Entdeckung des REM-Schlafs und der verbindlichen Festlegung von international einheitlichen Auswertekriterien durch Rechtschaffen und Kales in 1968 bis heute prinzipiell ihre Gültigkeit behalten hat. Abb. 2 macht deutlich, dass zur Klassifizierung der Stadien die kontinuierliche Bewertung von EEG-Abschnitten kombiniert mit der Auswertung bestimmter Muster wie Vertex-Zacken, K-Komplex und Spindeln erfolgen muss. Die Zuordnung von Vertex-Zacken, Schlafspindelaktivität und Deltaaktivität zu bestimmten Schlafstadien wurde übernommen. Das Vorkommen von K-Komplexen schließt aufgrund der Kriterien der AASM-Klassifizierung das Stadium N1 aus. Die Klassifizierung erfolgt konsekutiv über festgelegte Zeitfenster von 30 Sekunden Dauer, die sogenannten Epochen.
Das besondere Verdienst von Rechtschaffen und Kales lag in der Definition der REM-Episoden. Ihr Beginn und Ende und die Abgrenzung zu Stadium N1 und N2 sind mitunter nicht ganz einfach zu definieren. Die exakte Ermittlung von Stadium REM erfordert seitdem die Berücksichtigung von EEG-Episoden vor und nach dem aktuell zu bewertenden Abschnitt, die zu einer Korrektur des gerade ermittelten Schlafstadiums führen kann, je nachdem wie sich Kurven in den nachfolgenden Epochen weiterentwickeln. Eine Schlafstadienermittlung benötigt allerdings immer die zusätzlichen Variablen EMG und EOG.

Apparative Umsetzung, Geräte

Wegen ihrer geringeren Störanfälligkeit werden in der schlafmedizinischen Routine bipolare Ableitungen verwendet. Für stationäre Untersuchungen werden die Signale von den EEG-Elektroden über ein Interface, auch als Brause oder Headbox bekannt, das zum übersichtlichen Einstecken der Kabel dient, teils vorverstärkt und stets gut elektromagnetisch abgeschirmt auf eine Sammelbox, die sogenannte Patientenbox gegeben. Dort werden die Signale gegebenenfalls weiterverstärkt und über Optokoppler zur galvanischen Trennung von Netzspannung und Patient auf Lichtleiterkabeln oder drahtlos für die Aufzeichnung auf Festplatte oder Solid-State-Speicherkarten im Personal Computer, optional konfiguriert als „Stand Alone“, Desktop oder Notebook, mit Abtastraten von typischerweise 250 Hz (empfohlen 500 Hz) pro Kanal weitergeführt („Computer und Computernetzwerke in der Schlafmedizin“). Bei ambulanten Rekordern, die an der Gürteltasche oder als Brustgurt getragen werden, entfällt wegen des Akkubetriebs die galvanische Trennung, und die Signale werden direkt in der Patientenbox vor- und weiterverstärkt, digital gefiltert und auf Miniaturfestplatten (mehrere 100 GB) oder Speicherkarten (>4 GB) aufgezeichnet. Die Auswertung erfolgt entweder über einen Zentralrechner, der über verschiedene Methoden der EEG-Analyse verfügen muss, wie Filterung, Spektraldarstellung und Histogrammbildung, und der auch das Editieren durch hochauflösende Bildschirmdarstellung in Amplitude und Zeitverlauf gewährleistet. Oder fest vorgegebene Auswerteverfahren werden zur Analyse in der Aufzeichnungsbox eingesetzt, am Display dargestellt und über entsprechende Report-Erstellung dokumentiert.

Indikationen

Kriterien festzulegen, ob und wie oft ein Patient polysomnographisch, das heißt unter EEG-Kontrolle, im Schlaflabor oder ambulant untersucht werden muss, ist Aufgabe des „Qualitätsmanagement in der Schlafmedizin“.

Grenzen der Methode

EEG-Ableitungen für den Schlaf sind methodisch auf die Oberflächenaktivität der Hirnpotenziale begrenzt: Dabei unterliegt die visuelle Mustererkennung mittels Manual einer intra- und interindividuellen Schwankungsbreite. Die vereinheitlichte automatische Auswertung und ihre Qualität ist daher stets nur so gut, wie es der geltende Standard vorgibt, der sich in Weiterentwicklung befindet, um verschiedene Krankheitsbilder, Alters-, Geschlechts- und typologische Unterschiede mit einzubeziehen. Dies wird beispielsweise daran deutlich, dass die topographische Auflösung für spezielle Fragestellungen mitunter nicht ausreicht. Und schließlich erfasst das EEG Biopotenziale der Oberfläche lediglich als elektrische Signale, lässt dagegen elektromagnetische Erscheinungen zum Beispiel der Nanomedizin und räumliche Zuordnung unberücksichtigt.
Literatur
American Academy of Sleep Medicine (2016) AASM manual for the scoring of sleep and associated events: rules, terminology and technical specifications version 2.3. Darien, Illinois
Dement W, Kleitman N (1957) Cyclic variations in EEG during sleep and their relation to eye movements, body motility, and dreaming. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 9:673–690
Loomis AI, Harvey EN, Hobart GA (1937) Cerebral states during sleep, as studied by human brain potentials. J Exp Psychol 21:127–144CrossRef
Rechtschaffen A, Kales A (Hrsg) (1968) Manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep stages of human subjects. Brain Information Service UCLA, Los Angeles
Sharbrough F, Chatrian G-E, Lesser RP, Lüders H, Nuwer M, Picton TW (1991) American Electroencephalographic Society Guidelines for Standard Electrode Position Nomenclature. J Clin Neurophysiol 8:200–202