Enzyklopädie der Schlafmedizin
Autoren
Thomas Penzel

Elektrookulogramm

Als Elektrookulogramm (EOG) bezeichnet man die Aufzeichnung der summierten elektrischen Potenziale auf der Hautoberfläche in der Nähe der Augen, die durch die Bewegungen der Augen zustande kommen. Verursacht werden diese Potenzialschwankungen durch die Bewegungen des Augapfels, der als elektrischer Dipol wirkt. Das Elektrookulogramm wird bei Schlafuntersuchungen als Indikator für das Einschlafen mit langsamen rollenden Augenbewegungen und als Indikator für den REM-Schlaf mit seinen charakteristischen schnellen Augenbewegungen zur Klassifikation der Schlafstadien herangezogen. Die Lokalisation und Befestigung der Elektroden ist standardisiert und erfolgt in gleicher Weise wie die Befestigung der EMG-Elektroden am Kopf mit Oberflächenelektroden. Die Auswertung der EOG-Signale erfolgt entweder visuell oder computergestützt.

Synonyme

EOG; Aufzeichnung der Augapfelbewegungen

Englischer Begriff

electrooculogram (EOG)

Definition

Als Elektrookulogramm (EOG) bezeichnet man die Aufzeichnung der summierten elektrischen Potenziale auf der Hautoberfläche in der Nähe der Augen, die durch die Bewegungen der Augen zustande kommen. Verursacht werden diese Potenzialschwankungen durch die Bewegungen des Augapfels, der als elektrischer Dipol wirkt. Für Schlafuntersuchungen werden zwei EOG-Ableitungen erfasst, mit denen sich die Augenbewegungen gut von Einstreuungen des „Elektroenzephalogramms“ (EEG) unterscheiden lassen. Das Elektrookulogramm wird bei Schlafuntersuchungen als Indikator für das Einschlafen mit langsamen rollenden Augenbewegungen und als Indikator für den REM-Schlaf mit seinen charakteristischen schnellen Augenbewegungen zur Klassifikation der Schlafstadien herangezogen. Die Lokalisation und Befestigung der Elektroden ist standardisiert und erfolgt in gleicher Weise wie die Befestigung der EMG-Elektroden am Kopf mit Oberflächenelektroden. Die Auswertung der EOG-Signale erfolgt entweder visuell oder computergestützt, sofern diese eine Unterscheidung in langsame und schnelle Augenbewegungen vorgesehen hat. Die Auswertungen zeichnen sich durch eine große Zuverlässigkeit aus und sind neben „Elektroenzephalogramm“, „Elektromyogramm“ und „Elektrokardiogramm“ fester Bestandteil jeder Polysomnographie („Polysomnographie und Hypnogramm“).

Messverfahren

Das Elektrookulogramm ist ein bioelektrisches Signal, das in der Nähe der Augen mit Oberflächenelektroden erfasst wird. Man macht sich dabei zunutze, dass sich der Augapfel wie ein elektrischer Dipol mit einer Spannungsdifferenz von 6–15 mV zwischen Glaskörper und Retina verhält. Bewegungen des Auges führen zu Potenzialänderungen, die auf der Gesichtshaut in der Nähe der Augen gemessen werden können. Die Stärke der Potenzialänderungen hängt vom Abstand der Elektroden vom Bulbus ab. Zusätzlich hängt die Richtung des EOG-Ausschlags von der Positionierung der Elektroden neben dem Auge ab. Die Augenbewegungen treten meist konjugiert auf, d. h., die Bulbusbewegungen beider Augen sind gleichgerichtet. Werden die EOG-Elektroden an entgegengesetzten Positionen bezogen zum Auge angebracht, so finden sich bei konjugierten Augenbewegungen kontralaterale Ausschläge im EOG-Signal. Horizontale Augenbewegungen werden proportional durch EOG-Elektroden seitlich der Augen auf der horizontalen Achse wiedergegeben. Entsprechend werden vertikale Augenbewegungen durch EOG-Elektroden ober- und unterhalb des Auges wiedergegeben. Für Schlafableitungen wird je eine Elektrode knapp außerhalb der Augenwinkel rechts und links und jeweils etwa 1 cm nach unten und auf der anderen Seite nach oben versetzt angebracht. Dadurch werden sowohl horizontale als auch vertikale Augenbewegungen erfasst (Abb. 1).
Als Referenzelektrode wird eine Elektrode am Mastoid (Position M) oder eine Elektrode am Ohrläppchen (Position A1 oder A2) geklebt. Will man die horizontalen Augenbewegungen stärker berücksichtigen, so kann nach Rechtschaffen und Kales die Referenzelektrode über dem Nasion geklebt werden. Im REM-Schlaf überwiegen die horizontalen Augenbewegungen. Bei dieser Ableitung erhält man jedoch eine stärkere Einstreuung von EEG-Wellen im EOG-Signal. Für weitergehende Untersuchungen und spezielle wissenschaftliche Fragestellungen können auch vier EOG-Elektroden oder mehr geklebt werden. Dann werden zwei EOG-Elektroden genau auf der horizontalen Achse und zwei EOG-Elektroden genau ober- und unterhalb eines Auges geklebt. Auf den zwei zusätzlichen Ableitungen sind dann die horizontalen und vertikalen Augenbewegungen getrennt erkennbar, und es kann die Stellung der Augenachse kontinuierlich verfolgt werden.
Neben der Messung des Elektrookulogramms als bioelektrisches Signal stehen weitere Verfahren zur Verfügung, welche die Augenbewegungen als Indikator für Einschlafen und REM-Schlaf erfassen. In der Schlafforschung kommt die piezoelektrische Messung der Augenbewegungen zum Einsatz. Dazu werden miniaturisierte flexible Sensoren mittels doppelseitigen Klebebands auf das Augenlid aufgebracht. In den sehr flachen Sensoren befinden sich piezoelektrische Messaufnehmer. Diese registrieren die mechanische Bewegung des Augenlids. Dieses Signal ist frei von elektrischen Einstreuungen und somit frei von jeglicher störenden EEG- und Muskelaktivität. Daher ist auch nur ein Messaufnehmer mit einem Signal gegenüber zwei EOG-Elektroden mit zwei EOG-Signalen notwendig. Diese Technik wurde in den 1970er- und 1980er-Jahren erprobt und hat sich im klinischen Schlaflabor nicht durchgesetzt. Dieses Signal wird auch als Aktivitätsokulogramm (AOG) bezeichnet.
Weitere Verfahren wurden entwickelt, um Augenbewegungen zum Erfassen ungewollten Einschlafens an Überwachungsarbeitsplätzen zu erkennen. Eine Methode benutzt modifizierte Brillen, die durch eine Beleuchtung des Augapfels mit Infrarotlicht sehr niedriger Intensität und der Messung des reflektierten Infrarotlichts gut einen teilweisen und kompletten Lidschluss erkennen kann. Für das Einschlafen am Steuer wurde als Maß die prozentual mit geschlossenen Augen verbrachte Zeit (percentage of time eyes are closed) PERCLOS eingeführt. Dabei wird aus Videoaufzeichnungen vom Gesicht des Fahrers visuell ausgewertet, wie viel Zeit die Augen geschlossen sind. Dieses Maß wurde mit anderen Vigilanzmaßen verglichen und zeigte in einer Studie der amerikanischen Autobahnadministration die beste Übereinstimmung mit der Anzahl verpasster Reaktionen des Psychomotor-Vigilanz-Test (PVT). Eine daraus abgeleitete, heute in der Erprobungsphase für den Routineeinsatz befindliche Methode benutzt miniaturisierte Infrarotkamerasysteme mit einer schnellen digitalen Bildverarbeitung zum Erkennen der Pupillenerweiterung und der Lidschlussbewegungen, speziell der Lidschlussdauer und der Lidschlussfrequenz. Siehe auch „Leistungs-, Schläfrigkeits- und Vigilanzmessung“; „Pupillographischer Schläfrigkeitstest“.

Auswerteverfahren, Bewertung

Das Elektrookulogramm wurde zuerst zur Erfassung von Augenbewegungen beim Fixieren von Objekten und beim Verfolgen von bewegten Objekten gemessen (Meyer 1929). Besonders auffallend ist dabei der Nystagmus, der als charakteristische Augenbewegung beim Verfolgen bewegter Gegenstände auftritt. Er ist durch eine langsame, dem Objekt folgende Komponente und durch eine rasche, der Stellungskorrektur dienende Komponente gekennzeichnet. Die EOG-Ableitung wurde zuerst für neurologische Fragestellungen als neurophysiologische Untersuchungsmethode etabliert.
Das Elektrookulogramm fand erst relativ spät Eingang in die Schlafforschung und Schlafmedizin. Die zusätzliche Aufnahme des Elektrookulogramms ermöglicht eine weitergehende Interpretation der Schlafepochen, die bis dahin als paradoxer Schlaf bezeichnet wurden. Während dieser Epochen sieht das EEG genauso aus wie im Wachen. Dennoch sind Probanden und Patienten gewöhnlich schwer erweckbar und berichten, sie hätten geschlafen und lebhaft geträumt. Seit der Aufzeichnung des Elektrookulogramms durch Aserinski und Kleitman (1953) und der Entdeckung der schnellen Augenbewegungen (Rapid Eye Movement, REM) im paradoxen Schlaf werden diese Epochen REM-Schlaf genannt. In der Folge wurden andere Körperfunktionen während des REM-Schlafs untersucht und die spezifischen Veränderungen des autonomen Systems erkannt und systematisch beschrieben (siehe auch „Autonomes Nervensystem“).
Um die schnellen Augenbewegungen für die fundamentale Einteilung der Schlafstadien zu bewerten, wird das Elektrookulogramm sorgfältig in Hinblick auf langsame und schnelle Augenbewegungen ausgewertet (Abb. 2).
Die Auswertung erfolgt gewöhnlich visuell durch trainiertes Personal. Die Augenbewegungen beim Einschlafen sind langsam und pendelnd. Die Augenbewegungen im REM-Schlaf sind rasch und konjugiert.
Die Auswertung kann aber auch computergestützt durchgeführt werden. Die Erkennung der schnellen Augenbewegungen gelingt im Vergleich zum computergestützten Erkennen spezifischer EEG-Muster gut und zuverlässig (Boukadoum und Ktonas 1986).
Die Bewertung der EOG-Signale ist an verschiedene Grenzwerte bezüglich der Amplitude, der Dauer und der Anstiegssteilheit gebunden. Bezüglich der Amplitude werden Werte zwischen 17 und 50 μV genannt, bezüglich der Dauer Werte zwischen 10 und 240 ms und bezüglich der Steigung 35 μV pro 200 ms. Als besonders erfolgreich haben sich Algorithmen erwiesen, die eine Korrelation zwischen den beiden EOG-Signalen berechnen und derart sowohl langsame als auch schnelle Augenbewegungen identifizieren können (Värri et al. 1995).

Apparative Umsetzung, Geräte

Die EOG-Ableitung erfordert die gleiche Verstärkertechnik wie das Elektroenzephalogramm und das „Elektromyogramm“. Die elektrophysiologischen Verstärker in den gebräuchlichen Polygraphen können somit beliebig für Elektroenzephalogramm, Elektrookulogramm und Elektromyogramm eingesetzt werden. Es kommen Differenzverstärker mit einer langen Zeitkonstante von zirka einer Sekunde bezüglich der unteren Grenzfrequenz zum Einsatz. Als obere Grenzfrequenz (Tiefpass) sind 20–30 Hz angemessen. Dadurch können die Bewegungen der Augen gut registriert werden, nicht jedoch die absolute Position der Augen. Bei den Elektroden kommen kleine Klebeelektroden für die Hautoberflächenableitung zum Einsatz. Die Aufzeichnung erfolgt parallel zum Schlaf-EEG. Die Darstellung der Signale auf Papier oder am Bildschirm erfolgt in direkter Nachbarschaft zum EEG-Signal, um die parallelen Veränderungen von Schlaf-EEG und Elektrookulogramm sowohl beim Einschlafvorgang als auch im REM-Schlaf schnell und einfach zu erkennen.
Um das Elektrookulogramm bei der Auswertung praktisch bewerten zu können, wird in der Regel zu Beginn der Schlafableitung eine sogenannte biologische Kalibrierung durchgeführt. Dazu wird der Untersuchte aufgefordert, mehrfach rechts-links und mehrfach oben-unten zu blicken und dann die Augen zu rollen. Diese Kommandos werden in der Registrierung vermerkt. Für die nachfolgenden Auswertungen kann sich der Auswerter einen guten Eindruck über die Größe der willkürlich durchgeführten Amplitudenschwankungen und die Richtung der Augenbewegungen verschaffen. Dies hilft bei der Abgrenzung von nächtlichen Augenbewegungen gegenüber Artefakten.

Indikationen

Das Elektrookulogramm gehört zum Standard der Aufzeichnung einer Schlafmessung. Neben dem Elektroenzephalogramm gehören Elektrookulogramm und Elektromyogramm zu den Minimalvoraussetzungen einer Schlafaufzeichnung nach Rechtschaffen und Kales (1968) als auch nach dem aktuellen „AASM-Manual“ (2018). Um die konjugierten Augenbewegungen im Schlaf zu erkennen, sind zwei EOG-Ableitungen erforderlich, wohingegen für EEG und Elektromyogramm jeweils nur eine Ableitung gefordert wird. Siehe auch „Messung im Schlaflabor“ und „Kardiorespiratorische Polysomnographie“.

Grenzen der Methode

Einstreuungen des Elektroenzephalogramms, des Elektromyogramms und sehr selten des Elektrokardiogramms müssen bei der Auswertung als solche erkannt werden. Schwitzartefakte können mit langsamen Augenbewegungen verwechselt werden.
Die piezoelektrische Technik zur Aufzeichnung der Bewegungen des Augenlids hat sich bezogen auf die Sensoren als zu teuer erwiesen. Die kamerabasierte Infrarottechnik zur Erfassung des Lidschlusses bei Schläfrigkeit ist relativ preiswert und wird vermutlich in noch weitere Überwachungsbereiche einziehen. Sie erfordert keine Mitwirkung der überwachten Personen und ist durch schnelle und immer besser werdende Bildverarbeitung auf dem Weg, zur Kontrollüberwachung von Fahrzeugführern eingesetzt zu werden.
Literatur
Aserinski E, Kleitman N (1953) Regularly occurring periods of eye motility during sleep. Science 118:273–274CrossRef
Berry RB, Brooks R, Gamaldo CE et al (2018) The AASM manual for the scoring of sleep and associated events: rules, terminology and technical specifications, version 2.5. www.​aasmnet.​org. American Academy of Sleep Medicine, Darien
Boukadoum AM, Ktonas PY (1986) EOG-based recording and automated detection of sleep rapid eye movements: a critical review, and some recommendations. Psychophysiology 23:598–611CrossRef
Meyer IL (1929) Electronystagmography: graphical study of action currents of nystagmus. Arch Neurol Psychiatr 21:901–918CrossRef
Rechtschaffen A, Kales A (1968) A manual of standardized terminology, techniques and scoring system for sleep stages of human subjects. NIH publication no. 204. Government Printing Office, Washington DC
Värri A, Kemp B, Rosa AC et al (1995) Multi-centre comparison of five eye movement detection algorithms. J Sleep Res 4:119–130CrossRef