P - 7. Hautsinne, Akustik, EEG

INSTITUT FÜR PHYSIOLOGIE
Anleitung
zum
Physiologie - Praktikum
P - 7. Hautsinne, Akustik, EEG
SS 2010
(4. Semester)
Dozenten: Prof. Funke, Prof.em. Kiwull
Inhaltsverzeichnis
Seite
Allgemeine Hinweise
Erforderliches Basiswissen
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Organisatorischer Ablauf des Praktikums
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Versuchsanleitungen
Teil I: Akustik
Ia. Bestimmung von Hörschwellen (Audiometrie)
Ib. Analyse von Schalldruckverläufen (Stimmgabel & Vokale)
3
5
Teil II: Schmerzsinn
Untersuchungen zur Variabilität der Schmerzschwelle der Haut
bei thermischer Reizung
8
Teil III: Tastsinn
Untersuchungen zum räumlichen Auflösungsvermögen der Haut
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Teil IV: EEG und FAEP
IVa. Frühe akustisch evozierte Potentiale (FAEP)
IVb. Elektroenzephalogramm (EEG)
1
15
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Erforderliches Basiswissen
Hautsinne
Allgemein: Reiz-Erregungs-Transformation am Rezeptor – differentielle/proportionale ReizAntwort-Relationen - primäre/sekundäre Sinneszellen - subjektive/objektive Sinnesphysiologie - räumliches Auflösungsvermögen: simultane und sukzessive Raumschwellen rezeptive Felder - kortikale Projektions- und Assoziationsfelder – topographische Ordnung.
Speziell: Hautsinnesmodalitäten – Hautrezeptor-Typen – Prinzip der Adaptation/Sensibilisierung – primäre und sekundäre Sensibilisierung bei Nozizeptoren - Untersuchung des räumlichen Auflösungsvermögens – Sensorischer “Homunculus”.
Akustik
Schall: Definition, Maßeinheiten (Frequenz, Schalldruck, Schalldruckpegel, Lautstärkepegel, Lautheit) - Hörschwellen: Frequenzabhängigkeit - Prinzip der Audiometrie – Presbyakusis – Anatomie und Physiologie des Gehörssinnes: Schallleitung – Reiz-ErregungsTransformation im Innenohr - Stationen der Hörbahn – Physiologie des Hörkortex.
Elektroenzephalogramm (EEG) / Frühe akustisch evozierte Hirnstammpotentale (FAEP)
EEG-Ableittechnik - Wellenformen / Frequenzbänder und deren physiologische Bedeutung
- elektrophysiologische Basis der EEG-Wellen - diagnostische Bedeutung - FAEPAbleittechnik - Wellenformen akustisch evozierter Potentiale und ihre Zuordnung diagnostische Bedeutung.
Organisatorischer Ablauf des Praktikums
Die 4 thematisch verschiedenen Versuchsteile werden in 4 Gruppen (A,B,C,D) von je 6-8
Studenten nach dem unten gezeigten Zeitplan durchlaufen. Die Gruppen-Einteilung wird
bereits im Vorbereitungs-Seminar (montags) vorgenommen und ggf. vor Beginn des
Praktikums korrigiert. Seien Sie deshalb bitte rechtzeitig vor Ort (10:00). Jede Gruppe
beginnt das Praktikum mit dem Versuch, der für sie nach dem unten stehenden Ablaufplan für
10:15 eingetragen ist.
Um 16:00 findet eine gemeinsame Abschlussbesprechung im Raum 0/222 statt.
Praktikumsteil
Raum
Audiometrie /
Schallanalyse
0/222
rechts
0/222
Links
0/220
Rechts
0/220
links
EEG/FAEP
Schmerzsinn
Raumschwellen
10:15-11:30
11:30-12:40
A
13:40-14:50
14:50-16:00
B
C
D
D
A
B
C
C
D
A
B
B
C
D
A
2
Pause
I. Akustik
Ia. Audiometrie
Aufgabe
1) Bestimmung der Hörschwellen für das rechte und linke Ohr für den Tonfrequenzbereich
von 0,25 bis 8 kHz unter Normalbedingungen.
2) Bestimmung der Hörschwellen bei einem Ohr für den gleichen Frequenzbereich unter
Verwendung eines Gehörschutzstöpsels.
Versuchsprinzip
Zur Durchführung des Versuches dient ein "Audiometer", d.h. ein Tongenerator zur
Erzeugung von Tönen unterschiedlicher Frequenz und Intensität. Das in unserem Versuch
verwendete Gerät (siehe Abb.1) gestattet die Einstellung von acht verschiedenen Festfrequenzen (0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 6.0 und 8.0 kHz), sowie eine Variation des Schalldruckes.
Dabei bezieht sich die Skalierung der Ordinate (0 bis 100 dB) auf die Größe des
"Hörverlustes" gegenüber den Normalwerten des hörgesunden Jugendlichen (= 0 dB).
Audiometer MAICO ST 20
Umschaltung
Linkes/rechtes Ohr
SchalldruckRegler
Frequenz-Vorwahl
Abb.1: Audiometer MAICO ST 20 mit eingelegter Messdiagramm-Karte
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Versuchsablauf
1) Versuchsvorbereitung
Rollenverteilung: Versuchsperson (VP), Versuchsleiter (VL). Der VL bedient das Gerät, die
VP hält den Blick vom Audiometer abgewandt (oder Augen schließen) und signalisiert durch
Drücken des Tasters (ca. 1 Sekunde) das Erreichen der Hörschwelle. Vor Beginn der
Messung sollte bei absoluter Ruhe eine 3-minütige Adaptation des Gehörs abgewartet werden.
Warum ist dies nötig?
2) Schwellenbestimmung unter Normalbedingungen
Zunächst wird der dB-Schieberegler auf "0" gestellt und mit dem Frequenzwähler die erste
Testfrequenz (1 kHz) vorgewählt. Dann wird durch Drücken des roten Knopfes die Leitung
zur rechten Kopfhörermuschel durchgeschaltet. Anschließend wird der dB-Regler langsam
und kontinuierlich nach unten zu höheren dB-Werten verschoben, bis die VP das Erreichen
der Hörschwelle meldet (LED leuchtet kurz). Dieser Test wird noch einmal wiederholt und
dann beide Ergebnisse (= Position der Leuchtdiode) mit einem roten Farbstift auf dem
eingelegten Auswertdiagramm vermerkt. Nach dem gleichen Prinzip werden anschließend die
sieben anderen vorgegebenen Frequenzen in folgender Reihenfolge getestet: 0.25, 0.5, 2, 3,
4, 6, 8 kHz.
Der gleiche Vorgang wird dann mit dem linken Ohr wiederholt. Dazu den blauen Knopf
drücken, um die Leitung zum linken Ohr zu schalten. Für diese Messwerte bitte den blauen
Farbstift verwenden.
3) Schwellenbestimmung mit Gehörschutz
Die dritte Messung wird nun unter Verwendung eines Gehörschutz-Stöpsels an einem Ohr
wiederholt. Den Stöpsel zunächst zwischen zwei Fingern zu einem dünnen, faltenlosen
Zylinder zusammenrollen. Dann vorsichtig in einen der Gehörgänge drücken, was man durch
leichtes Nachobenziehen der Ohrmuschel erleichtern kann.
Nach einer Anpassungszeit von 1-2 Minuten wird dann die Hörschwellenbestimmung für das
mit dem Schallschutz versehene Ohr wie zuvor durchgeführt und die neuen Messwerte am
besten unter Verwendung eines Bleistiftes eingetragen.
Anschließend werden die Rollen getauscht und das gesamte Messprogramm wiederholt.
Wie viel dB beträgt der durch die Gehörschutzstöpsel bewirkte "Hörverlust" ?
Ist dieser Hörverlust unabhängig von der Tonhöhe?
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Ib. Analyse von Schalldruckverläufen
Aufgabe
Frequenzbestimmung des Schalldruckverlaufes einer Sinuskurve (Stimmgabel) und der
Vokale ‚A’ und ‚E’.
Versuchsanordnung / Bedienung
Der Versuchsaufbau besteht aus einem PC-Messplatz aus Daten-Interface und Aufnahme/Analyse-Programm und einem angeschlossenen Mikrophon (BioPac Student Lab,
angeschafft aus Studienbeiträgen „von uns - für uns). Die Messung wird durch Anklicken
des Start-Buttons rechts unterhalb des Messfensters gestartet und auch wieder gestoppt. Bei
jedem Start wird oberhalb des Messfensters ein Marker gesetzt, zu dem man einen
Kommentar eingeben kann, z.B. „Vokal A mittel“ (der entsprechende Marker muss vorher
markiert sein, siehe Abb.2). Durch markieren einer Schwingungsperiode mit dem MausCursor (Cursor-Funktion „I“ unten rechts aktivieren und Mauszeiger bei gedrückter linker
Taste über den Bereich führen) kann in den Feldern oberhalb die Frequenz dieser
Schwingung abgelesen werden (Abb.3). Der relevante Bereich kann in seiner Größe durch
die Zoom-Funktion eingestellt werden. Dazu das Lupen-Symbol unten rechts aktivieren und
mit dem Mauszeiger einen Ausschnitt wählen. Zurück-Zoomen geht über: rechte Maustaste
(im Diagramm) und „Zoom back“ wählen.
Abb.2: BioPac Messfenster mit 3 Signalen für den Vokal A (tief, mittel, hoch).
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Abb. 3: Ausmessen der Grundfrequenz beim Vokal A.
1) Bestimmung der Frequenz einer Stimmgabel
Messung starten, Stimmgabel anschlagen und vor das Mikrophon halten. Bei klarem
Sinussignal die Messung wieder stoppen. Dann mit dem Maus-Cursor eine einzelne Periode
markieren und so die Periodendauer (Delta-T) und –Frequenz bestimmen. Die Grundfrequenz
(f) wird aus der Dauer der Grundperiode (tG) auf dem Bildschirm errechnet, wobei f=1/tG
gilt. Die Ergebnisse sind in Millisekunden [ms] bzw. Frequenz [Hz] in die unten stehende
Tabelle einzutragen.
2) Vokalanalyse
Analog zu der Bestimmung der Stimmgabel-Frequenz wird anschließend eine Vokalanalyse
durchgeführt. Dazu wird zunächst der Vokal „A“ in drei verschiedenen Tonlagen intoniert
(gesungen): tief, mittel und hoch. Vokale haben sowohl eine Grundfrequenz (Tonlage), als
auch eine oder mehrere Formantenfrequenzen (Schwingungen innerhalb einer
Grundperiode). Ermitteln sie, ähnlich wie bei der Stimmgabel, die Grundfrequenz und
Grundperioden-Dauer, sowie die dominante Formantenfrequenz und deren Periodendauer,
und tragen diese in die Tabelle ein. Für jede Messung macht man am besten 3 Messungen an
verschiedenen Orten in der Schalldruck-Verlaufskurve und schätzt einen Mittelwert.
Was ändert sich bei den 3 gesungenen A-Vokalen, und was nicht?
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Anschließend wird der Vokal "E" für eine mittlere Tonlage analysiert. Hierbei treten in der
Regel zwei sich überlagernde Formantenfrequenzen auf, die beide zu bestimmen und in der
Auswerttabelle einzutragen sind.
Auswerttabelle: Schalldruckverlauf Stimmgabel und Vokale
Messwert
Stimmgabel
Vokal
"A"
tief
Grundperiode [ms]
Grundfrequenz [Hz]
1. Formantenfrequenz [Hz]
2. Formantenfrequenz [Hz]
7
Vokal
"A"
mittel
Vokal
"A"
hoch
Vokal
„E“
II. Untersuchungen zur Schmerzschwelle der Haut bei thermischer
Reizung
Aufgabe
Bestimmung der Schmerzschwelle für thermische Reize sowie ihre Veränderung in Abhängigkeit von der Dauer der Reizeinwirkung.
Versuchsprinzip
Jeder kutane Reiz führt zu einer Schmerzempfindung, wenn eine gewisse Reizintensität
überschritten wird. Verwendet man thermische Reizung durch Wärmestrahlung, so hängt die
"thermische Schmerzschwelle" von der durch die Intensität der Strahlung bedingten Hauttemperatur ab. In diesem Versuch wird die Hauttemperatur berührungslos durch ein InfrarotThermometer gemessen. Eine Schwärzung der Haut soll bewirken, dass die auftreffende
Strahlung unabhängig von der Wellenlänge absorbiert und in Wärme überführt wird.
Versuchsaufbau (siehe auch Abb.4)
-
Bestrahlungseinrichtung, bestehend aus einer Infrarot-Lampe (Leistung 250 Watt bei 220
Volt) und einer der Haut vorgelagerten Blende (∅= 5 cm) zur Eingrenzung des gereizten
Hautareals
-
Stromversorgungsgerät (Regeltransformator) zur stufenlosen Speisung des Strahlers
zwischen 0 und 220 Volt
-
Anzeigeeinheit mit einem Digitalvoltmeter und einem Infrarot-Thermometer zur
berührungslosen Messung der Hauttemperatur
-
Stoppuhr
-
Tusche und Pinsel (neben dem Waschbecken) zum Schwärzen der Haut
-
Augenbinde für die Versuchsperson
Versuchsablauf
1) Versuchsvorbereitung
Rollenverteilung: Versuchsperson (VP), Versuchsleiter/Protokollführer (VL).
Zunächst wird der linke Unterarmrücken der Versuchsperson in einem Hautareal von etwa
5x5 cm mit Tusche geschwärzt. Nach Trocknung der Tusche wird der Unterarm auf die
Schaumgummi-Unterlage unterhalb der Blende des Bestrahlungsgerätes gelegt.
!!! Achtung !!!: Bei diesem Versuch können Reizungen bzw. Verbrennungen der Haut
auftreten, wenn die Haut zu lange einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Vermeiden Sie
daher unbedingt eine länger dauernde Hauttemperatur über 48°C !
8
Infrarot-Strahler
Volt
.
43
Intensitätsregler
C
2°
InfrarotThermometer
Abb.4: Aufbau der Messeinrichtung zur Bestimmung der thermischen Schmerzschwelle.
2) Bestimmung der individuellen Schmerzschwelle
In dieser Versuchsphase wird die Spannung für die Bestrahlungslampe ausgehend von einem
sicher unterschwelligen Wert von 90 Volt alle 30 s um 10 Volt erhöht, bis die Versuchsperson das Erreichen der thermischen Schmerzschwelle angibt. Dabei wird die Einstellung
der Bestrahlungsintensität vom Versuchsleiter vorgenommen, der alle getesteten Spannungsund Hauttemperaturwerte (Volt bzw. EC) in der dafür vorgesehenen Tabelle notiert. Nach
Erreichen der Schmerzschwelle darf die Position des Unterarms nicht mehr verändert werden.
3) Veränderung der Schmerzschwelle in Abhängigkeit von der Reizdauer
Für diese Versuchsphase werden der Versuchsperson die Augen verbunden. Sie hat die
Aufgabe, die Strahlerleistung über einen Zeitraum von 12 Minuten, ausgehend von dem
ermittelten Schwellenwert, durch ständiges Korrigieren (Hand auf dem Drehknopf des
Regeltrafos) jeweils so einzuregeln, dass die subjektive Empfindung ständig gerade dem
Übergang von Wärme- zu Schmerzempfindung, d.h. der thermischen Schmerzschwelle,
entspricht. Der Versuchsleiter protokolliert auf der vorgesehenen Tabelle die sich dabei
ergebenden Werte für die Hauttemperatur (EC) und die Spannung (Volt) im Minutenabstand.
Hier sollte eine Temperatur von 48 °C und höher vermieden werden!
4) Auswertung
Die protokollierten Messwerte der unteren Tabelle werden als Funktion der Zeit in das
Diagramm mit der Ordinate "Temperatur" [EC] bzw. [Volt] und der Abszisse "Zeit" [min]
eingezeichnet. Zur besseren Vergleichbarkeit der individuellen Ergebnisse ist dabei einheitlich
folgende Skalierung für die Ordinate anzuwenden: Temperatur: 1 Skaleneinheit pro 1 EC
Spannung: 1 Skaleneinheit pro 10 Volt
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Bestimmung der thermischen Schmerzschwelle
min:s 0:00
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
°C
Volt
Der ermittelte Schwellenwert wird als Startwert in die nachfolgende Tabelle übernommen
Veränderung der Schmerzschwelle bei Dauerreizung
min:s Start 1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
°C
Volt
10
7:00
8:00
9:00 10:00 11:00 12:00
III. Untersuchungen zum räumlichen Auflösungsvermögen der Haut
Aufgabe
Bestimmung der simultanen Raumschwellen für verschiedene Hautareale und Abschätzung
der Größe ihrer kortikalen Repräsentation.
Versuchsprinzip
Für vier verschiedene Hautareale (Finger, Hand, Unterarm, Rücken) ist die simultane
Raumschwelle zu ermitteln, d.h. die geringste Distanz, bei der zwei gleichzeitig applizierte
mechanische Hautreize noch räumlich unterschieden werden können. Unter Berücksichtigung
der (relativen) Größe des jeweiligen Hautareals und der Güte seines räumlichen Auflösungsvermögens wird schließlich eine Abschätzung der (relativen) Größe seiner kortikalen Repräsentation versucht.
Versuchsablauf
1) Versuchsvorbereitung
Rollenverteilung: Versuchsperson, Versuchleiter. Die Versuchsperson (VP) legt sich in
Rückenlage auf die Liege und schließt die Augen. Sie wird aufgefordert, anzugeben, ob sie
zwei gleichzeitig auf die Haut applizierte Berührungsreize als zwei räumlich getrennte
Empfindungen (Angabe: "ZWEI") oder als eine einheitliche Empfindung (Angabe: "EINS")
wahrnimmt. Die Berührungsreize werden durch einen Zirkel mit variablem Spitzenabstand
vermittelt. Dabei ist von entscheidender Bedeutung, daβ die Zirkelspitzen absolut gleichzeitig
(simultane Raumschwelle!) auf die Haut aufgesetzt werden. Das Aufsetzen sollte kurzzeitig
(< 1 s) und unter leichtem Druck erfolgen.
Um der VP zunächst die Art des Vorgehens und den Charakter räumlich getrennter und nicht
getrennter Reize zu demonstrieren, wird der Messzirkel zunächst abwechselnd mit geschlossenen und deutlich über die zu erwartende Raumschwelle hinaus geöffneten Zirkelspitzen auf
die Haut der Hand aufgesetzt, wobei der Versuchsleiter die VP jeweils über die Art des
Testreizes (Angabe "EINS" oder "ZWEI") informiert.
2) Versuchsdurchführung
Die Zirkelspitzen werden nun auf den unteren Grenzwert (0.5 cm) des ersten in der Tabelle
vorgegebenen Testbereiches (Hand) eingestellt und kurz auf die Haut des Handrückens (Nähe
Daumenwurzel) aufgesetzt. Da ein Abstand von 0.5 cm sicher unter der typischen
Raumschwelle für die Hand liegt, wird die VP "EINS" angeben.
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Anschließend wird der Testvorgang mit schrittweise größeren Abständen der Zirkelspitzen so
oft wiederholt bis die VP gerade "ZWEI" räumlich getrennte Empfindungen meldet.
Kontrolle: Um dieses Ergebnis als echte "simultane Raumschwelle" abzusichern, werden der VP nun neben Doppelreizen
mit dem gerade ermittelten Abstand in zufälligem Wechsel auch
Einzelreize angeboten, die die VP als solche erkennen muss.
Gelingt ihr dieses nicht eindeutig, so muss der Abstand der
Zirkelspitzen so weit vergrößert werden, bis eine eindeutige Differenzierung gegeben ist. Der dann endgültig ermittelte Abstand
der Zirkelspitzen wird ausgemessen und als erstes Ergebnis (S1)
für die simultane Raumschwelle der Hand in die Auswerttabelle
eingetragen. Anschließend wird die Schwellenbestimmung wieder ausgehend vom unteren Grenzwert des Messbereiches für dasselbe Hautareal in gleicher Weise noch einmal wiederholt
(S2). In der gleichen Vorgehensweise werden dann die weiteren
drei Hautareale (Mittelglied des Zeigefingers, Unterarm und
Rücken) untersucht (siehe Abb.5).
Abb.5: Körperregionen
Zusatzversuch: Für den Rücken, das Hautareal mit der größten simultanen Raumschwelle, ist
zum Vergleich zusätzlich auch die sukzessive Raumschwelle zu ermitteln. Analog zu der o.g.
Vorgehensweise wird jetzt der Mindestabstand für zwei räumlich getrennt empfundene Reize
gesucht, wenn diese zeitlich aufeinanderfolgend, im Abstand von etwa 1 s, auf die Haut
appliziert werden. Das Ergebnis gilt dann als gesichert, wenn die VP in der Lage ist, dieses
eindeutig von Kontrollreizen zu unterscheiden, bei denen die Zirkelspitzen zwar zeitlich
aufeinanderfolgend, aber auf das gleiche Hautareal aufgesetzt werden.
Auswertung
Zunächst wird für jedes der vier Hautareale der Mittelwert (S) aus den beiden Einzelbestimmungen S1 und S2 für die simultane Raumschwelle gebildet und dieser in die entsprechende
Spalte der Auswerttabelle eingetragen. Außerdem wird der Einzelwert für die sukzessive
Raumschwelle (SS) am Rücken in der Tabelle notiert und zu der simultanen Raumschwelle
(S) für den Rücken in Bezug gesetzt (SS/S).
Bei der Abschätzung der Größe der kortikalen Repräsentation eines bestimmten Hautareals
gehen wir davon aus, dass diese vor allem von zwei Faktoren abhängt, nämlich einmal von
der Flächengröße des Hautareals und zum anderen von der Innervationsdichte der HautAfferenzen, die in der Güte des räumlichen Auflösungsvermögens zum Ausdruck kommt. Da
eine absolute Bestimmung der Hautfläche wegen der zur Verfügung stehenden Zeit nicht in
Frage kommt, berücksichtigen wir ersatzweise jeweils den prozentualen Anteil der einzelnen
Areale an der Gesamthautfläche (Flächenfaktor "F"). Diese sind bereits in der Tabelle
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vorgegeben und beziehen sich auf eine Körperhälfte und –Seite (vorne, hinten) (siehe auch
Flächenschema in Abb. 6).
Der Grad des räumlichen Auflösungsvermögens basiert auf der Innervationsdichte, also der
Zahl der afferenten Fasern, bezogen auf eine bestimmte Hautfläche. Sie hat ihren Ausdruck in
dem Wert für die simultane Raumschwelle. Das räumliche Auflösungsvermögen ist also umso
größer (besser), je kleiner die Raumschwelle ist; es ist der Raumschwelle also etwa umgekehrt proportional. Als Maß für die Güte des räumlichen Auflösungsvermögens berücksichtigen wir daher den Reziprok-Wert der jeweiligen Schwelle, wobei wir allerdings - wegen des
zwei-dimensionalen Charakters der Haut-Innervation - das Quadrat des Schwellenwertes (S2)
verwenden. Diese Größe (1/S2) wird in unserem Versuch als Dichtefaktor "D" bezeichnet. Er
wird in die dafür vorgesehene Spalte der Tabelle eingetragen.
Durch Multiplikation von Dichte- und Flächenfaktor (D·F) erhält man einen Zahlenwert, der
ein vergleichendes Maß für die zentrale Repräsentation (Abb. 7) der untersuchten Hautareale
ist. Dieses Produkt ist in die Tabelle unter "Kortikale Repräsentation" einzutragen.
Schließlich sind die Ergebnisse durch eine grafische Darstellung zu dokumentieren. Dazu
werden jeweils die relativen Größen der einzelnen Hautareale (F) und die Größen der zugehörigen kortikalen Repräsentationsareals (F·D) als vertikale Balken in das vorgegebene Diagrammfeld eingezeichnet.
Kopf
9%
9%
2
9%
9%
1,5
9%
1
9%
Oberkörper
vorne 9%
hinten 9%
Arme je 9%
Unterkörper
vorne 9%
hinten 9%
4
9%
9%
4
Beine je
vorne 9%
hinten 9%
1
Abb. 6 Prozentuale Aufteilung
Körperoberfläche
Abb. 7
13
Kortikale Repräsentation der
der Körperoberfläche
Hautareal
Hand
Finger
Unterarm
Rücken
Teststart bei [cm]
0.5
0.0
1.0
2.0
0.5
0.1
1.5
4.5
[cm]
SS/S:
Simultane Raumschwelle S1 [cm]
Simultane Raumschwelle S2 [cm]
Mittel Simultane Raumschwellen S
Dichtefaktor D (1/S2)
Fläche F (%)
Kortikale Repräsentation (DAF)
Sukzessive Raumschwelle (SS) am Rücken:
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IV. EEG und FAEP
IVa. Frühe akustisch evozierte Potentiale (FAEP)
Bitte beachten:
Wir führen die FAEP-Messung vor der EEG-Messung durch, weil für die FAEP-Messung ein
sicherer Elektroden-Sitz wichtig ist und sich der Kontakt der Elektroden über die Zeit
verschlechtern kann. Die Elektroden für beide Messverfahren werden zu Beginn platziert.
Um eine gute Aufnahme-Qualität zu bekommen, ist es wichtig Störeinflüsse zu vermeiden. Die
stärksten Stör-Artefakte kommen von Muskel-Potentialen. Vor Allem Muskeln in der Nähe der
Ableit-Elektroden haben einen starken Einfluss (Kau- und Hals-Muskulatur, sowie die Augenund Lid-Muskeln). Daher ist es wichtig, während der Messungen, ruhig und entspannt zu
sitzen, und Augen-, Lid- und Schluck-Bewegungen zu vermeiden. Sofern nicht anderes
gefordert, sollten die Augen geschlossen sein, um den Lid-Schlag zu vermeiden.
Hintergrund:
Evozierte Potentiale (EP, EPO) sind durch Sinnesreize oder durch Reizung peripherer Nerven
ausgelöste spezifische, kortikale und/oder subkortikale Reaktionen, die bereits in der üblichen
EEG-Ableitung enthalten sind, jedoch wegen ihrer sehr geringen Amplitude (oft kleiner als 1
µV) ohne eine spezielle Verarbeitung des EEGs in der Regel nicht sichtbar sind.
Zu ihrer Darstellung ist deshalb eine „getriggerte“ Mittelung nötig. Dazu werden zahlreiche,
meist mehrere hundert oder tausend, Reize nacheinander appliziert, und die einzelnen, in
jeweils festem Zeitabstand zum Reiz auftretenden, Reizantworten (Potenziale) durch ein
mathematisches Verfahren aufsummiert (averaging). Dabei verstärken sich alle reizkorrelierten Anteile des EEGs, während sich nicht-reizkorrelierte Potenziale durch die Mittelung
gegenseitig aufheben. Auf diese Weise gelingt auch die Registrierung niedrigster Antwortpotentiale bis hinab zu einer Gröβenordnung von 0.1 µV. Mit zunehmender Anzahl der
Mittelungsschritte wächst der Signal-Rausch-Abstand.
Von besonderer klinischer Bedeutung sind visuell evozierte Potentiale (VEP), akustisch
evozierte Potentiale (AEP) und die somatosensibel evozierten Potentiale (SEP), mit deren
Hilfe sich die Sehbahn, die Hörbahn und die somatosensiblen Leitungsbahnen untersuchen
lassen.
In diesem Praktikum messen wir frühe akustisch evozierte Potenziale, die zur Beurteilung
möglicher Hirnstamm-Läsionen heran gezogen werden können. Da diese Potenziale extrem
klein sind, werden 3000 Reizantworten summiert, indem für 5 Minuten mit einer Frequenz
von 10 Hz mono-aurale Klick-Laute appliziert werden. Abb. 8 zeigt ein typisches Beispiel mit
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einer typischen Folge von 5-7 positiven Wellen innerhalb der ersten 10 ms, die, wie in Abb. 9
gezeigt, den verschiedenen zentralnervösen Schaltstationen der Hörbahn zwischen dem N.
acusticus und der primären Hörrinde zugeordnet werden können. Die Potenzialwellen IV und
V erkennt man daran, dass sie gemeinsam einer größeren Welle aufsitzen (KamelhöckerStruktur). Noch spätere große und langsame Wellen sind Ausdruck von kortikaler Verarbeitung in sogenannten „höheren“ sensorischen Kortex-Arealen und Assoziations-Arealen.
Ein sehr wichtiges Anwendungsgebiet dieser nicht-invasiven Methode ist die Früherkennung
von Kleinhirn-Brückenwinkel-Tumoren. Eine andere wichtige Anwendung ist die Bestimmung der objektiven Hörschwelle, die zum Beispiel bei Säuglingen und Kleinkindern die
frühzeitige Erkennung von Hörschäden ermöglicht. Zu diesem Zweck werden nacheinander
akustische Reize abnehmender Lautstärke appliziert und diejenige Lautstärke festgestellt, die
eben noch ein akustisch evoziertes Potential, insbesondere Welle V, erzeugt.
Welche Prozesse können zu einer Veränderung der FAEP-Wellenform führen, und welche
Veränderungen am FAEP würde man dann sehen?
I II III IV V VI
VII
Versuchsablauf
1. Anlegen des Kopfhörers und Beschallung mit einer "Click"-Reizfolge
2. Ableitung der frühen akustisch evozierten Potentiale (FAEP)
3. Auswertung der FAEP-Registrierung: Bezifferung und Zuordnung der Wellen, Latenzzeiten
4. Interpretation der Befunde
Abb.8: Gemittelte FAEPs mit Demonstration der Latenzzeitmessung für Potenzial III.
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Abb.9: Verlauf der Hörbahn und Zuordnung der mit I-VII bezeichnen Potenziale zu den
Stationen der Hörbahn.
Aus: K. Maurer et al. „Akustisch evozierte Potentiale“, Enke-Verlag, 1982
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Versuchsdurchführung:
Zur Registrierung der FAEP und EEG-Signale
werden 4 Einmal-Klebe-Elektroden des Typs EL503
verwendet. Zunächst werden zwei Elektroden hinter
dem rechten Ohr angebracht, eine unterhalb des
Haar-Ansatzes und eine hinter und oberhalb der
Ohrmuschel (siehe Abb.10). Bevor die Elektroden
angeklebt werden, muss die Haut leicht mit Alkohol
entfettet werden und in das Zentrum der Elektrode
eine kleine Menge Elektroden-Gel (salz-haltige
Paste) gegeben werden. Danach wird in gleicher
Weise eine Elektrode am Ohrläppchen des linken
Ohres angeklebt und zusätzlich mit Tape gesichert. Abb.10: Elektrodenpositionen
Dann das weiße Kabel (minus Signal-Pol) an der
rechten unteren Elektrode und das schwarze (Erdung) links anschließen (leichtes
Offendrücken der Clips). Dann den Ohrhörer in das rechte Ohr einbringen. Zuletzt wird die
Elektrode zur Registrierung der FAEPs zentral auf dem Kopf platziert (Vertex). Dazu wird
diese zuerst in das Zentrum der Badekappe geklebt (bzw. befindet sich schon dort). Nach
Auftragen der Elektrolyt-Paste wird die Elektrode zusammen mit der Badekappe zentral auf
dem Kopf platziert und die Badekappe über den Kopf gestülpt. Am besten weitet die
Versuchsperson die Badekappe mit beiden Händen (Hände rechts und links mit dem
Handrücken innen an der Kappe), während der Versuchsleiter die Elektrode am Kopf
fixiert hält. Eine weitere Person kann bei der Platzierung der Kappe über den Elektroden in
Ohrnähe behilflich sein. Zuletzt das rote Kabel (Signal Plus-Pol) an dieser Elektrode
anbringen. --- Erst zur späteren Messung des EEGs wird das rote Kabel dann an der
oberen rechten Elektrode angeschlossen.
FAEP-Messung: Die Versuchsperson nimmt eine entspannte Position ein und schließt die
Augen. Der Versuchsleiter überprüft noch einmal, ob die Vertex-Elektrode am Kopf anliegt
(leicht andrücken) und ob die Kabel Zug-entlastet sind. Die Messung durch Anklicken des
Start-Buttons (unten rechts) starten und abwarten, bis die Messung von alleine nach 5
Minuten stoppt. Die Versuchsperson sollte sich in dieser Zeit möglichst nicht bewegen. Die
Messung sollte dann so wie in Abb.11 aussehen.
Nach Ende der Messung mittels des „I“-Cursors ein Reizartefakt (Klick) markieren (siehe
schwarzer Bereich in Abb.11) und über Menue „Edit“ (siehe Oval in Abb.11) den Punkt
„Select All“ auswählen. Dann im Menue „Transform“ den Eintrag „Find Peak“ anwählen,
im folgenden Fenster, „Off-line Averaging“ markieren, als „Control-Channel“ Ch2
auswählen, bei „Set second cursor to:“ 30 ms eintragen (bzw. 0.03, wenn seconds) und auf
„Ave Start“ klicken. Danach sollte die gemittelte FAEP-Kurve erscheinen.
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Abb.11: FAEP-Messung. EEG oben und Reiz-Protokoll unten (Clicks).
Nun mit Hilfe des I-Cursors, so wie in Abb. 10 zu sehen, die Latenzzeit der einzelnen
Wellen (I-VII) vom Zeitpunkt 0 aus messen und in Tabelle eintragen.
Auswerttabelle: Wellen-Latenz in Millisekunden
Welle I
Welle II
Welle III
Welle IV
Welle V
Welle VI
Welle VII
Latenz
Entspricht die Wellenform den Norm-Werten?
Welche Unterschiede sind bei Vergleich Männer vs Frauen, oder Kinder vs Erwachsene zu
erwarten?
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IVb. Elektroenzephalogramm (EEG)
Einführung
Das Elektroenzephalogramm (EEG) registriert die bioelektrische Aktivität des Gehirns,
speziell der Großhirnrinde (Kortex). Beim Menschen leitet man mit Elektroden von der
Kopfhaut elektrische Potentialdifferenzen ab, welche nach geeigneter Verarbeitung (Verstärkung, Filterung) als EEG registriert werden können. Diese Technik und ihre Erweiterung zur
Ableitung der "Evozierten Potenziale" (EP, EPO), oder allgemeiner „Ereignis-korrelierte
Potenziale“ (EKP), sind derzeit diejenigen neurophysiologischen Verfahren, die für die Klinik
(Neurologie, HNO-Heilkunde, Pädiatrie usw.) die meiste Bedeutung erlangt haben. Im
Vergleich zu den funktionellen „Bildgebenden Verfahren“ (z.B. funktionelle KernspinTomographie) sind sie preiswerter, schneller und einfacher durchzuführen, und dennoch sehr
aussagekräftig.
Registriertechnik
Zur Ableitung der EEG-Potentiale benutzt man heute meist Einweg-Klebe-Elektroden, deren
schaumstoffartiges Zentrum mit elektrische leitender Salz-Lösung, bzw. –Paste benetzt wird.
Früher wurden auch Silberelektroden verwendet, die jedoch chloriert werden mussten, um
Potentialverschiebungen durch die Reaktion des Metalls mit dem Salz im Schweiß der
Kopfhaut zu vermeiden. Bei Verwendung zahlreicher Elektroden werden diese in der Regel
durch ein Kunststoffnetz oder eine Badekappe an der exakten Position gehalten.
Elektroden über hirnelektrisch aktiven Zonen
werden als different, Elektroden über nicht aktiven Zonen (Ohrläppchen, Mastoid) als indifferent
bezeichnet. Weiterhin unterscheidet man
unipolare Ableitungen, wobei die Spannungsdifferenz zwischen je einer differenten und einer
indifferenten Elektrode auf einen Verstärkerkanal
gelegt wird, von bipolaren Ableitungen, bei
denen die Spannungsdifferenz zwischen je zwei
differenten Elektroden abgegriffen wird.
Pg1
Pg2
FP1
F7
A1
T3
F3
Fz
F4
Cz
C3
T5
FP2
P3
O1
Pz
F8
C4
P4
T4
A2
T6
O2
Wir verwenden in diesem Versuch nur drei
Elektroden: eine differente + Elektrode (rot,
Standard-Anordnung der Elektroden
Position T6) und eine differente minus-Elektrode
nach dem 10-20 (ten-twenty) System
hinter dem rechten Ohr (weiß, Mastoid), die wir
zusammen als bipolare Ableitungen betreiben, sowie eine Erdungs-Elektrode (schwarz) am
linken Ohrläppchen zur Verringerung von elektrischem Rauschen.
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Zur besseren Stör-Unterdrückung werden die EEG-Verstärker als Differenzverstärker
betrieben, das heißt, dass nur die Potentialdifferenzen zwischen den beiden differenten
Elektroden (bipolar) verstärkt werden, während die identischen Störsignale auf beiden
Elektroden sich gegenseitig aufheben. Zur Selektierung bestimmter Frequenzanteile des EEGs
wird das Signal Band-Pass gefiltert, das heißt nur Frequenzen innerhalb eines bestimmten
Frequwnz-Bereiches werden verstärkt. So kann man zum Beispiel die Anteile der Frequenzbänder delta (0,3 - 3 Hz), theta (4 – 7 Hz), alpha (8 – 13 Hz), beta (14 – 30 Hz) und gamma
(30 – 100 Hz) getrennt darstellen.
In unserem Versuch werten wir nur die Alpha-Aktivität aus, die in einem zweiten und dritten
Fenster als band-pass gefiltertes Signal (alpha, 8 – 13 Hz) und Mittelwert (alpha-RMS)
erscheint (Abb.12).
Abb.12: Messung der Alpha-Aktivität über Standard-Abweichung (Stddev) und Mittelwert (Mean)
Versuchsdurchführung:
Schließen Sie das FAEP Programm und öffnen Sie vom Desktop aus das Programm „BSL
Lessons 3.7.3“. Wählen Sie dann die Messung „L04 EEG II – Electroencephalography“ aus.
Die Messungen der Alpha-Aktivität erfolgen hier nach einem vorgegebenen Skript (von
BioPac). Sie brauchen nur den Anweisungen im unteren Bildteil zu folgen.
Das Wichtigste in Kürze:
Es werden nacheinander 4 Messungen für ca. 10-30 Sekunden durchgeführt:
1) in Ruhe mit geschlossenen Augen
2) Kopfrechnen, Augen geschlossen
3) nach 2 Minuten Hyperventilation
4) in Ruhe mit geöffneten Augen
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Während der Messung unbedingt Augenbewegungen und Lidschlag vermeiden. Sollte die
Messung Störungen aufweisen, kann sie über den Button „Wiederholen“ erneuert werden.
Zu Beginn wird der Name der Versuchsperson eingegeben und dann erfolgt eine Kalibrierung
des Systems. Danach wird die erste Messung mit dem Button „Aufnahme“ gestartet und nach
ca. 10-30 Sekunden mit „Anhalten“ gestoppt. Ist die Messung gut verlaufen, dann kann die
nächste mit „Fortsetzen“ gestartet, und mit „Anhalten“ wieder gestoppt werden. Erst nach
der letzten Messung den Button „Ende“ betätigen, mit „Ja“ bestätigen und nachfolgend
„Letzten Daten-File analysieren“ auswählen.
Es erscheint nun ein Fenster mit drei Diagrammen. Im oberen das gesamte EEG (Nr. 1), im
mittleren (Nr. 40, alpha) die gefilterte Alpha-Aktivität und im unteren (Nr. 41, alpha-RMS)
die zeitlich gemittelte Alpha-Aktivität. Die Auswertung der Intensität der Alpha-Aktivität
erfolgt über die Standard-Abweichung und den Mittelwert (Stddev, Mean). Dazu mit dem ICursor wieder einen der 4 Messbereiche markieren (möglichst ohne Artefakte) und in den
oberen Messfenstern die Stddev- und Mean-Werte ablesen und in die Tabelle unten eintragen.
Ermittelte Alpha-Aktivitätswerte
Segment
Messtyp
1
Augen geschlossen (Kontrolle)
2
Kopfrechnen
3
Hyperventilation
4
Augen offen
EEG
[1-Stddev]
Alpha
[40-Stddev]
Alpha-RMS
[41-Mean]
Worin erklären sich die Unterschiede in der Alpha-Aktivität?
Welche Frequenz hat die Alpha-Aktivität?
Stör-Artefakte
Wenn Ihnen noch Zeit bleibt, können Sie folgende Störgrößen testen: Augenbewegungen,
Lidschlag, Kauen/Schlucken, elektrostatische Aufladung (Plastiklineal an Kleidung reiben,
am besten Synthetik) und in die Nähe der Elektroden führen (!!! Bitte nicht zu nah, um eine
Entladung und mögliche Zerstörung des Verstärkers zu vermeiden !!!). Zum Schluss das
schwarze Kabel der Erdungs-Elektrode abklemmen und schauen, was passiert.
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