quantitatives eeg (qeeg) · 2017. 11. 9. · • qualitatives eeg: – geschulter neurologe...

© 2017 Georg Dorffner

Quantitatives EEG (qEEG)

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Überblick

• Qualitatives EEG: – Geschulter Neurologe bewertet (z.B. Pathologien wie epileptische

Anfäller (seizures)

– Wichtigste informatische Anforderung: Bildschirmauflösung

• Quantitatives EEG:– Stärke des EEG und seines Inhaltes wird gemessen

– Meist durch Spektralanalyse (FFT)

• Welch Methode

• Topographien

• Pharmaco-EEG

• Key-Lock Principle

• EEG-Spektrum als Finger-Print

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EEG-Spektren: Welch Methode

• Stationarität – kleine Windows, averaging

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„Tukey“-Window

vor dem windowing:

nach dem windowing:

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Power-Spektrum

• Periodogramm(power spectral density)

• Quadrieren der Amplitudenbzw. H(k)*conj(H(k))

• Darstellung oft logarithmisch

• Relativ (bezogen auf Gesamtpower) vs. Absolut

0 50 100 150 200 2505

10

15

20

25

Einheit: µV2/Hz

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Frequency bins

• Einteilung in „frequency bins“

• Werte werden darin aufsummiert, mit Frequenzauflösung mutlipliziert (zB. * 1/10) – Einheit µV2

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zentraleFrequenz 0.5Hz

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Frequenzbänder

• Basierend auf Erfahrung werden oft bestimmter Frequenzabschnitte („Bänder“) unterschieden,z.B. EEG (Beispiel, nicht standardisiert):

– Delta: 0.1-4Hz (vorherrschend im Tiefschlaf)

– Theta: 4-8Hz („Daydreaming“, Schläfrigkeit)

– Alpha: 8-12Hz (Wach in Ruhe)

– Sigma: 12-16Hz (Schlafspindeln)

– Beta: 16-36Hz (kognitive Aktivität)

– Gamma: >36Hz (komplexe kognitive Aktivität, Lernen)

Delta Theta Alpha Sigma Beta Gamma0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Delta Theta Alpha Sigma Beta Gamma0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Delta Theta Alpha Sigma Beta Gamma0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

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Dominante Frequenz und Centroids

• Dominante Frequenz:Frequenz mit der höchsten Power (1 Hz bins)

• Centroid (eines Bandes):

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N

n

N

n

nX

nXnf

C

1

1

)(

)()(

Amplitude im SpektrumZentrale Frequenz des Bins

Summe über allebins in Band

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qEEG: Normwerte, kindliche Entwicklung

• Schmid & Tirsch, 1995

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EEG Topographien• Ziel: 2D-Darstellung von Werten

• 1 Wert pro Elektrode, z.B:– Band-Power, Dominante Frequenz, etc.

– Differenzen zwischen Bedingungen

– T- oder p-Werte aus t-Test (Vergleich von Bedingungen)

• Interpolation zwischen Koordinaten– Linear, kubisch, etc.

– Farbcodierung

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Beispiel

• Alpha-Power im 10-20 System

• Vergleich Medikament mit Placebo

• Gemittelt über mehrere Personen

• Mittelung nach Logarithmierung!(entspricht geometrischem Mittel der Power-Werte)

Placebo (n=16)

Climodien 2/3 (n=16)

Pre-treatment

After 2 months of therapy

Saletu et al., Maturitas 43, 165-181,2002

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Pharmako-EEG

• Objektives Maß für Einfluss von (ZNS-aktiven) Medikamenten auf das Gehirn

• Beantwortet Fragen wie– Ist das Medikament im Gehirn aktiv?

– Wie wirkt es?

– Wo wirkt es?

– Wann wirkt es?

– Wie hängt die Wirkung von der Dosis ab?

• Standardparadigma: 4min Augen offen / 4min Augen zu

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Beispiel

• Vor und nach Hormonbehandlung

• Alpha erhöht

Saletu et al., Maturitas 43, 165-181,2002

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Veränderungen des Spektrums

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Veränderungen zu Baseline

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Toplogische Veränderungen

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Wie wirkt das Medikament?

stimulant sedative

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• EEG slow activity (with or without amplitude )

• EEG beta activity (with amplitude )

• EEG beta activity (with amplitude )

• EEG beta + slow activity

• EEG alpha activity

• Perceptual discrimination , motor activity , mood , thought intensity and rate , recall

• sleep duration , affect , fear and anxiety

• mood , perception of stimuli

• delirium, perceptual acuity + recall , psychomotor restlessness

• relaxation, reveries, pleasant fantasies, feelings of well-being, euphoria, mood

Weitere Beispiele des „wie“

Fink, 1964

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Wo wirkt das Medikament?

• Topographic map(19 electrodes, interpolated)

• Depicts changes (drug/placebo) or significance (p values)

• Univariate or several variables

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Wann wirkt das Medikament?

Riba et al. 2002

PK/PD modeling

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Bei welcher Dosis wirkt das Medikament?

DIFFERENCES BETWEEN DRUG-AND PLACEBO-INDUCED CHANGES IN ABSULUTE POWER VARIABLES AFTER 0.1mg, 0.2 mg AND 0.4mg SURICLONE AND 1mg ALPRAZOLAM 2 HOURS

AFTER ORAL ADMINSTRATION (N=15)

Saletu et al, 1994

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Key-Lock Principle (Saletu)

• Representative drugs of the main psychopharmacological classes induce – as compared to placebo – significant and typical changes in the EEG

• In many variables these changes are opposite to differences between patients suffering from mental disorders

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LORAZEPAM HALOPERIDOL METHYLPHENIDATE CITALOPRAMtmax NSIG Region tmax NSIG Region tmax NSIG Region tmax NSIG Region

DELTA1.5-6 Hz

-2.3 78 2.8 113 2.6 178 TR,FR,LR

SR

2.8 173 TL,FL,PL

THETA6-8 Hz

-6.0 2394 F,T,P,L,O,S

2.6 43 -2.6 21 1.6 0

ALPHA-18-10 Hz

-6.4 2394 F,T,P,L,O,S

1.8 0 -2.0 0 -2.0 0

2.9 147 TR,LRALPHA-210-12 Hz

-3.9 1370 FL,T,O,L,PL,SL

3.4 1073 T,O,P,L,SR 2.8 190 OL,TL,PL

2.9 198 TR,FR,LR

SR

3.5 137 F, LBETA-112-18 Hz

3.0 107

2.9 64 TL, PL

-3.0 197 FL 3.0 618 FR,TR,PR

LR,SR

4.2 190 TL,PL,SLBETA-218-21 Hz

4.5 606 FL,TL,PL,L,SL 3.6 133 F, L

2.7 114 3.7 1651 F,T,L,P,S

BETA-321-30 Hz

4.2 319 F,PL,L 3.3 139 F, L -2.5 66 3.8 1856 F,T,P,L,S

Drug vs. Placebo (in normals)

Saletu et al. 2006

Tmax … extreme t-values, NSIG … Anzahl signifikanter Voxels

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The Key

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Anxiety – Patients vs. controls

V-EEG … vigilance controlled (eyes closed)R-EEG … resting (eyes open)

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The Lock

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Delta Theta Alpha-1 Alpha-2 Beta-1 Beta-2Generalized Anxiety Disorder

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CPZ50 HAL3 IMI75 CIT20 CLB30 LOR2 AMP20 MET20 PYR600

TOTAL POWER

ABSOLUTE DELTA

THETA

ALPHA 1

ALPHA 2

BETA

RELATIVE DELTA

THETA

ALPHA1

ALPHA2

BETA

CENTROID DELTA-THETA

ALPHA

BETA

TOTAL

EEG DIFFERENCES BETWEEN

9 REPRESENTATIVE PSYCHOTPROPIC

DRUGS AND PLACEBO IN NORMALS

50 mg chlorpromazine (sedative neuroleptic)

3 mg haloperidol (non-sedative neuroleptic)

75 mg imipramine (sedative antidepressant)

20 mg citalopram (non-sedative antidepressant)

30 mg clobazam (day-time tranquilizer)

2 mg lorazepam (night-time tranquilizer)

20 mg d-amphetamine (psychostimulant)

20 mg methylphenidate (psychostimulant)

600 mg pyritinol (nootropic)

Saletu et al., Meth and Find Exptl Clin Pharmacol 9(6)385-408, 1987

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SCH+ SCH- DEP GAD PHO OCD MID DAT ALC

EEG DIFFERENCES BETWEEN 9 MENTAL

DISORDERS PATIENT GROUPS

AND CONTROLS

TOTAL POWER

ABSOLUTE DELTA

THETA

ALPHA 1

ALPHA 2

BETA

RELATIVE DELTA

THETA

ALPHA1

ALPHA2

BETA

CENTROID DELTA-THETA

ALPHA

BETA

TOTAL

Schizophrenics with a predominantly plus symptomatology (n=18)

Schizophrenics with a predominantly minus symptomatology (n=30)

Major depression (n=60)

Generalized anxiety disorder (n=41)

Agoraphobia (n=21)

Obsessive-compulsive disorder (n=12)

Multi-infarct dementia (n=24)

Senile dementia of the Alzheimer type (n=24)

Alcohol-dependent patients (n=29)

Saletu et al., Meth and Find Exptl Clin Pharmacol 9(6)385-408, 1987

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Key-lock – weiteres Beispiel

Saletu et al. 1997

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EEG spectra of 7 sleep recordings of the same subject: Differences are the result of treatment (D01-D05) and inter-night variability

Stabil über Nächte der selben Person

The position of the spectral peak is constant in all 7 nights

Individualität des EEG-Spektrums

Bsp: Spektrum im NREM-Schlaf

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Stabil über Nächte der selben Person

EEG spectra of 7 recordings Subject A EEG spectra of 7 recordings Subject B

Substantiell unterschiedlich zwischen Personen

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Out of 174 sleep EEG recordings,155 (89%) could be correctly assigned to a subject based on the EEG spectrum alone

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The spectra of 6 recordings of Subject A are alike.

The spectra of 6 recordings of Subject B are alike.

The spectrum of one night (PSG 5) shows a deviant spectral pattern!

The spectrum of one night (PSG 7) shows a deviant spectral pattern!

EEG power spectra reveal mixed-up recordings

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EEG Spectra indicate now that 2 recordings which have been acquired by the same site at the same date and even at the same time had been mixed up

When corrected, spectra are alike in all recordings

EEG power spectra reveal mixed-up recordings

Copyright The Siesta Group

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Zusammenfassung

• Quantitatives EEG berechnet Spektren im Ruhe-EEG

• Paradigma: Augen geschlossen (vigilanzkontrolliert)/ Augen offen

• Band-Power gibt Auskunft über – Normalität

– Kognitive Entwicklung

– Medikamenteneffekte

– Psychiatrische und neurologische Erkrankungen

• Welch Methode ermittelt artefaktfreies gemitteltes Spektrum

• EEG bietet ein Schlüssel-Schloss-Prinzip für Medikamente

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