Elektroenzephalographie (EEG): Funktionsweise, Anwendung und Bedeutung für die Diagnose von Hirnerkrankungen

Die Elektroenzephalographie (EEG), auch als Hirnstrommessung bekannt, ist eine nicht-invasive Untersuchungsmethode zur Messung der elektrischen Aktivität des Gehirns. Sie ermöglicht es Ärzten, Einblicke in die Funktionsweise des Gehirns zu gewinnen und verschiedene neurologische Erkrankungen zu diagnostizieren.

Was ist ein EEG?

Der Begriff EEG ist eine Abkürzung für Elektroenzephalografie oder Elektroenzephalogramm. Mittels dieser Untersuchungstechnik können Fachärzte für Neurologie die elektrische Aktivität der Hirnrinde messen. Viele Organe erzeugen elektrische Signale, so auch das Gehirn. Eine EEG hilft Ärzten dabei, um zum Beispiel Epilepsie zu diagnostizieren. Die Hirnstrommessung lässt aber auch Rückschlüsse auf viele weitere Erkrankungen zu.

Funktionsweise des EEG

Das EEG misst die Spannungsschwankungen, die durch die elektrische Aktivität von Nervenzellen im Gehirn entstehen. Diese Aktivität wird von Elektroden erfasst, die auf der Kopfhaut platziert werden. Ein Signal wird erhalten, wenn eine große Anzahl von Neuronen im Gehirn gleichzeitig die gleichen Veränderungen der Spannungsdifferenz zeigen. Hier kann man auch von einer "Aktivierung der Neuronen" oder vom "Aktionspotenzial" sprechen. Während der Potenzialänderung wird das Membranpotential kurzfristig positiv. Im Normalzustand ist das Membranpotential negativ. Die Spannungsschwankungen werden vom EEG registriert. Die Elektroden werden gemäß eines universalen Systems auf dem Kopf des Patienten angebracht. Das sogenannte Ten-Twenty-System (10-20-System) wurde 1957 festgelegt. Da alle Köpfe unterschiedlich groß sind, nutzt das System relative Abstände zwischen den Elektrodenpositionen.

Durchführung eines Routine-EEGs

Ein Routine-EEG verläuft immer nach dem gleichen Schema. Während der Untersuchung nimmt der Patient eine entspannte Haltung im Sitzen oder Liegen ein. Zunächst bekommt der Patient eine Art Haube auf den Kopf. Die Elektroden - in der Regel 21 - werden anschließend in die Haube eingearbeitet und befestigt. Damit die Hirnströme gemessen werden können, werden die Elektroden mit einem Kontaktgel bestrichen und anschließend an der Kopfhaut angebracht. Die Untersuchung wird in der Regel von einer medizinischen Fachkraft durchgeführt. Sie gibt dem Patienten währenddessen verschiedene Anweisungen, wie Augen öffnen, wieder schließen und bewegen. Oder aber sie fordert den Patienten dazu auf, einfache Rechenaufgaben zu lösen. Ein EEG (Elektroenzephalografie) dauert in der Regel nur 20 bis 30 Minuten.

Vorbereitung auf ein EEG

Für eine EEG-Untersuchung werden in der Regel 21 Elektroden verwendet, die mit einem Kontaktgel bestrichen und auf der Kopfhaut befestigt werden. Eine Rasur ist nicht nötig. Die Haare sollten aber gewaschen sein und ohne Rückstände von Produkten wie Festiger, Gel oder Haarspray. Patient*innen, die untersucht werden, dürfen keine Medikamente oder Alkohol zu sich nehmen, weil diese das Kurvenbild verändern.

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Das 10-20-System

Die Elektroden werden gemäß eines universalen Systems auf dem Kopf des Patienten angebracht. Das sogenannte Ten-Twenty-System (10-20-System) wurde 1957 festgelegt. Da alle Köpfe unterschiedlich groß sind, nutzt das System relative Abstände zwischen den Elektrodenpositionen. Die Konvention legt fest, dass die Elektroden über der linken Kopfhälfte mit ungeraden Zahlen und die über der rechten Kopfhälfte mit geraden Zahlen bezeichnet werden. Zur Positionierung der Elektroden muss die Haut vorbereitet werden, um die Übergangswiderstände zu reduzieren. Zweckmäßigerweise verwendet man hierzu eine Sandpaste und etwas Alkohol, außerdem werden die Ag/AgCl-Pilzelektroden mit NaCl-Lösung getränkt oder Disk-Elektroden mit einer speziellen Elektrodenpaste gefüllt.

Ableitung der Hirnströme

Die Ableitung erfolgt in unipolaren und bipolaren Schaltungen. Bei Ersteren werden die einzelnen differenten Elektroden gegenüber einer nicht über der Schädeloberfläche liegenden Referenzelektrode - meist den Ohrelektroden A1 und A2 - geschaltet. Bei der bipolaren Verschaltung werden zwei Elektroden über aktiven Kortexarealen gegeneinander verschaltet. Die Programme sollten mindestens 8, besser jedoch 16 Kanäle plus einen zusätzlichen EKG-Kanal umfassen. Sie bestehen aus symmetrischen Verschaltungen der Elektroden, die meist eine Zusammenfassung in Längs- und Querreihen erlauben.

Anwendungsbereiche des EEG

Ein EEG (Elektroenzephalografie) überprüft die Gehirnaktivität und gibt Auskunft über die Hirnfunktion. Weiterhin dient ein EEG zur Überprüfung von Schlafstörungen oder einer Schlafkrankheit (Narkolepsie). Mittels EEG werden zudem die Hirnströme eines Patienten während einer Narkose sowie auf der Intensivstation überwacht. Eine Elektroenzephalographie wird durchgeführt, um einige Erkrankungen des Gehirns zu diagnostizieren, wie:

• Epilepsie
• Entzündungen des Gehirns
• Stoffwechselerkrankungen mit Veränderung des Gehirns
• lokale begrenzte Hirnschädigungen durch Tumore oder Verletzungen
• Narkolepsie (Schlafkrankheit)

Bei einigen anderen Krankheiten kann eine Untersuchung sinnvoll sein:

• Fieberkrampf
• Japanische Enzephalitis

Epilepsie

Das EEG hat sich als vielseitiges Diagnoseinstrument etabliert. Besonders häufig wird es bei Verdacht auf neurologische Erkrankungen wie Epilepsie oder Hirnschädigungen eingesetzt. Epilepsie ist ein klassisches Beispiel für die Anwendung des EEG. Nach einem Anfall zeigt das EEG charakteristische Muster, die auf die Erkrankung hinweisen. Bei Epilepsieuntersuchungen ist ein EEG notwendig! Während eines Anfalls fallen die hochamplitudige Aktivitäten auf. Im anfallfreien Intervall fallen besonders geformte Graphoelemente auf.

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Hirntod

Um eine Person hirntot erklären können, muss eine Ärzt*in überprüfen, dass keine Hirnströme vorhanden sind. Es wird ein EEG durchgeführt, um alle Spannungsschwankungen zu überprüfen. Wenn ein EEG eines Menschen in einem Koma keine Hirnaktivität mehr zeigt, deutet das auf Hirntod hin. Ein besonderes Indikationsgebiet stellt der Einsatz des EEG in der Diagnostik zur Feststellung des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls (Hirntoddiagnostik) dar. Unter geeigneten klinischen Voraussetzungen ist das EEG eine wichtige Methode zum Nachweis der Irreversibilität des Funktionsverlustes des gesamten Geh…

Koma und Narkosetiefe

Mithilfe spezifischer Kriterien, die sich auf Graphoelemente des EEG beziehen, können Koma- und Narkosetiefe bestimmt werden:

• Häufige/kontinuierliche elektroenzephalographische Anfälle mit Mustern eines Krampfanfalls. Die Muster nehmen in Bezug auf Amplitude, Frequenz und räumliche Verteilung ab und zu.
• Häufige/kontinuierliche Spike-Waves bei Patienten ohne Anamnese eines Epilepsiesyndroms.
• Häufige/kontinuierliche Spike-Waves. Diese unterschieden sich in Bezug auf Intensität und Frequenz (schneller) vom vorherigen EEG. Kommt bei Patienten mit Epilespsiesyndrom vor.
• Häufige/kontinuierliche EEG-Auffälligkeiten: Spikes, Sharp-Waves usw. nach akute Hirnschäden

Schlafmedizin

In der Schlafmedizin wird ein Ganznacht-EEG verwendet. Im Schlaflabor, im Vergleich zu anderen Bereichen, werden ganz einfache und wenige Elektroden verwendet. Statt 10-20 Systeme, werden 2-4 Systeme eingesetzt. Aus dem EEG lassen sich Informationen über die Einschlaflatenz, die Verteilung der Schlafstadien, Weckreaktionen und weitere Prozesse im Schlaf gewinnen.

Verschiedene Arten von EEG-Untersuchungen

Neben dem Routine-EEG gibt es verschiedene spezielle Formen des EEG, die je nach Fragestellung eingesetzt werden:

• Schlaf-EEG: Das Schlaf-EEG wird meist in einem speziellen Schlaflabor durchgeführt. Dort geht der Patient wie gewohnt zu Bett.
• Langzeit-EEG: Beim Langzeit-EEG misst man die Hirnaktivität über 24 oder 48 Stunden.
• Provokations-EEG: Das Provokations-EEG dient dazu, einen epileptischen Anfall zu simulieren.

Schlaf-EEG

Ein Schlaf-EEG wird in einem speziellen Schlaflabor durchgeführt. Die Ärztin setzt der Patientin eine Elektrodenhaube auf. Die Patient*in geht wie gewohnt abends ins Bett. Die Hirnaktivität wird über die gesamte Schlafdauer gemessen und aufgezeichnet. Meist werden auch Muskelaktivität, Herzfrequenz und Augenbewegung aufgenommen.

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Langzeit-EEG

Die Hirnaktivität wird bei einem Langzeit-EEG über 24 bis 48 Stunden gemessen. Die Patientin erhält einen Rekorder, der am Körper befestigt wird. Die Elektroden werden wie bei anderen Untersuchungen auf die Kopfhaut geklebt. Der Vorteil eines Langzeit-EEG ist, dass die Ärztin seltene EEG-Veränderungen oder unklare Ereignisse untersuchen kann. Es ist aber auch angenehmer, da man sich während der "Untersuchung" frei bewegen kann. Ein Langzeit-EEG wird beispielsweise in der Epilepsie-Diagnostik angewandt. In diesem Krankheitsfeld kann der Verlauf der Hirnstromwellen weitere Auskünfte über das Krankheitsbild geben. Menschen, die an Epilepsie erkrankt sind, zeigen neben Alpha-, Beta-, Gamma- und Deltawellen auch unregelmäßige Strukturen in einem EEG. Dabei erhöht eine Langzeituntersuchung die Wahrscheinlichkeit, einen epileptischen Anfall aufzuzeichnen. Unregelmäßige Strukturen sind Spitzen oder Zacken.

Provokations-EEG

Die Provokationsmethode wird von der behandelnden Ärzt*in eingesetzt, wenn ein Verdacht auf Epilepsie besteht. Um einen epileptischen Anfall zu provozieren, werden drei verschiedene Methoden angewandt:

• Hyperventilation (Mehratmung)
• Fotosimulation/ Lichtreiz
• Schlafentzug

Hyperventilation

Während eines Hyperventilation-Tests bittet die Ärztin die Patientin für 3 bis 5 Minuten möglichst tief ein- und auszuatmen, also zu hyperventilieren. Bei gesunden Menschen würden vermehrt Deltawellen auftreten. Bei Patienten mit Epilepsie sind EEG-Zacken nachweisbar.

Fotosimulation

Bei der Fotosimulation wird die Patientin hellen Lichtblitzen in einem bestimmten Rhythmus ausgesetzt. Die Patientin hat währenddessen ihre Augen geschlossen. Die Frequenz der Lichtblitze wird über den Verlauf der Untersuchung erhöht. Dieser Test dauert nur einige Minuten. Bei Patient*innen mit einer Epilepsieerkrankung sind dadurch Veränderungen der Hirnstromkurven sichtbar. Es sind z. B. Spitzen und Zacken erkennbar.

Schlafentzug

Um den Schlafentzugs-Test zu machen, muss die Patient*in nachts wach bleiben. Koffeinhaltige Getränke sind nicht erlaubt, um die Ergebnisse der Untersuchung nicht zu verfälschen. Das EEG wird am nächsten Morgen durchgeführt. Der Test beginnt schon in der Wachphase und wird während der Schlafphase fortgesetzt.

Auswertung des EEGs

Für die Auswertung des EEGs betrachtet der durchführende Arzt das Wellenmuster auf dem Monitor. Der Verlauf der Wellen hängt von der Hirnaktivität ab und unterscheidet sich zum Beispiel danach, der Patient gerade wach ist oder schläft, sich konzentriert oder müde ist. Die Frequenz der Wellen pro Sekunde wird in Hertz angegeben. Bei jedem Menschen zeigt sich ein individuelles EEG-Bild. Bei Kindern sind die individuellen Unterschiede noch deutlicher ausgeprägt als bei Erwachsenen, zudem verläuft das Wellenmuster langsamer und unregelmäßiger. Neurologische Störungen wie eine Epilepsie beeinflussen das Wellenmuster. Während eines epileptischen Krampfanfalls zeigen sich zum Beispiel besonders hohe und steile Wellen, auch als Spikewellen bezeichnet. Außerhalb von Krampfanfällen ist das EEG jedoch normal. Jede Welle gibt Auskunft über die Aktivität von Nervenzellen in einer bestimmten Hirnregion. Zeigen sich im EEG lokal begrenzte Veränderungen, kann das auf einen Tumor oder einen Hirnschaden hinweisen. Das EEG wird häufig in Frequenzbänder (EEG-Bänder) eingeteilt. Je nach Literatur sind die Frequenzbänder unterschiedlich. Die historische Einteilung der Bänder stimmt nicht mit der Einteilung der modernen Untersuchung überein. Die verschiedenen Frequenzbereiche der Hirnstromkurven eines EEGs kann man als EEG-Bänder bezeichnen. Die Mustererkennung erfolgt durch einen geschulten Auswerter. Für Langzeit- und Schlaf-EEG werden auch Software-Algorithmen zum Assistieren eingesetzt. Einfache definierte EEG-Bänder gelingen dem Algorithmus etwas einfacher als z. B. Graphoelemente. Graphoelemente sind die Grundelemente eines jeden EEG. Es sind einzelne Wellen, die durch ihre Polarität, Amplitude, Form und Dauer beschrieben werden.

EEG-Bänder und ihre Bedeutung

Die verschiedenen Frequenzbereiche der Hirnstromkurven eines EEGs werden als EEG-Bänder bezeichnet. Jedes Band ist mit bestimmten Zuständen und Aktivitäten des Gehirns verbunden:

• Delta-Wellen (0,1 bis <4 Hz): Treten typischerweise im traumlosen Tiefschlaf auf und sind bei Säuglingen im Wach-EEG zu finden. Bei älteren Kindern können sie in den normalen Grundrhythmus eingelagert sein. Das Auftreten von Delta-Wellen im Wachzustand kann auf Hirnfunktionsstörungen oder Gehirnläsionen hindeuten.
• Theta-Wellen (4 bis <8 Hz): Treten vermehrt bei Schläfrigkeit auf und sind im Wachzustand bei Kleinkindern normal. Bei jungen Erwachsenen liegen sie im niedrigamplitudigen Bereich (<30 μV). Bei Erwachsenen können Theta-Wellen im Wachzustand auf Hirnfunktionsstörungen oder Gehirnläsionen hindeuten.
• Alpha-Wellen (8 bis 13 Hz): Treten bei leichter Entspannung oder bei entspannter Wachheit bei geschlossenen Augen auf. Bei geschlossenen Augen sind nur Alpha-Wellen zu erkennen. Wenn man anfängt, mit geschlossenen Augen eine einfache Rechenaufgabe zu lösen, werden die Alpha-Wellen durch Beta-Wellen ersetzt (Berger-Effekt). Der Prozess, in dem der Alpha-Rhythmus unterdrückt wird, bezeichnet man als Berger-Effekt. Wenn die Augen geöffnet werden, wechseln die Alpha-Wellen zu Beta-Wellen (On-Effekt). Wenn die Augen wieder geschlossen werden, liegt der normale Alpha-Rhythmus vor (Off-Effekt).
• Beta-Wellen (13 bis 30 Hz): Das Auftreten von Beta-Wellen hat verschiedene Ursachen und Bedeutungen: Sie können bei etwa 8 % aller Menschen als normale EEG-Variante vorkommen, als Folge der Einwirkung bestimmter Psycho-Medikamente, als Folge des REM-Schlafs (Schlafphase mit schnellen Augenbewegungen bei geschlossenen Lidern), bei konstantem Anspannen eines Muskels oder bei aktiver Konzentration.
• Gamma-Wellen (über 30 Hz): Treten bei Lernprozessen, starker Konzentration und beim Meditieren auf. Sie sind auf einem EEG-Streifen mit bloßem Auge nicht zu sehen. Bei Mönchen mit langjähriger Meditationserfahrung werden über 30-fach erhöhte Amplituden gemessen.

Weitere EEG-Signale

Neben den EEG-Bändern gibt es weitere charakteristische EEG-Signale, die bei der Auswertung berücksichtigt werden:

• Steile Wellen (Sharp Waves): Steil ansteigende oder abfallende EEG-Linien, sogenannte Epilepsie-typische Potenziale (ETPs). Sie dauern etwa 80-200 ms an und sind von anderen Spikes abzugrenzen. Typische EEG-Muster für Rolando-Epilepsie, Creutzfeldt-Jakob-Krankheit und Martin-Bell-Syndrom.
• Sharp-Slow-Wave: Steile Welle, gefolgt mit einer hoch gespannten langsamen Welle. Sind meist Deltawellen und können in Komplexen auftreten (Frequenz < 3 Hz).
• Spitze Wellen (Spike-Waves): Nachfolgende hoch gespannte langsame Welle, meistens Deltawellen. Frequenz um 3 Hz. Treten meist in Gruppen oder Serien auf und in REM-Schlafphasen auf. Wenn diese über einen längeren Zeitraum auftreten, spricht man von einem Spike-Waves-Komplex.
• Langsam veränderliche kortikale Potenzialschwankungen (Slow Cortical Potentials): Größenordnung von 100 bis 200 μV, Dauer von wenigen Sekunden. Um ein Vielfaches größer als Delta- bis Gamma-Wellen. Sind in einem Elektroenzephalogramm nicht sichtbar und werden mit einem Hochpass-Filter herausgefiltert.
• Schlafspindeln: Typisch für die Non-REM-Schlafphase 2 (N2), können sporadisch in N1 auftreten und treten im Tiefschlaf (N3) auf. Deuten auf eine Hemmung von Wahrnehmungsreizen im Thalamus hin.
• K-Komplexe: Treten in N2 auf, vereinzelt im Wach-Schlaf-Übergang (N1) nachweisbar und halten noch im Tiefschlaf (N3) an. Wellenform: ist biphasisch mit einem steilen Aufstrich bis zum negativen Maximum, einem etwas langsameren Abfall zur Positivität anschließend einer Rückkehr zur Nulllinie. Amplitude 75 μV, teilweise über 200 μV. Es kann ein Schlafspindel folgen. Treten spontan auf, oder durch akustische Reize hervorgerufen. Weckreaktionen können durch K-Komplexe eingeleitet werden. Es handelt sich um eine EEG-Aktivierung durch externe oder interne Stimuli, sodass K-Komplexe auch als Form evozierter Potenziale angesehen werden können.
• Vertex-Wellen: Charakteristisch für den Wach-Schlaf-Übergang (N1), treten im stabilen Leichtschlaf auf. Dauer weniger als 200 ms, weitgehend symmetrisch. Zeigen eine scharfe negative Spitze. Maximum liegt über dem Vertex (Wendepunkt), stadienspezifische Subgruppe der K-Komplexe. Bei Jugendlichen sind die Vertex-Wellen am steilsten und am höchsten. Je älter man wird, desto stumpfer werden sie.

Risiken und Nebenwirkungen

Ein Routine-EEG ist mit kaum Risiken verbunden und vollkommen schmerzfrei. Zu Unregelmäßigkeiten kann es dennoch kommen, wenn die Elektroden sich etwa durch starkes Schwitzen von der Kopfhaut lösen, was die Auswertung verzerren würde. Auch Muskelzuckungen der Augen können das EEG verfälschen. Beim Provokations-EEG wird ein epileptischer Anfall ausgelöst, was für den Patienten unangenehm ist. Die Untersuchungstechnik bei einem normalen EEG ist sicher und bringt keine Komplikationen mit sich. Wenn ein Provokations-EEG durchgeführt wird, kann ein epileptischer Anfall ausgelöst werden. Da es in einem geschützten Umfeld unter ärztlicher Überwachung stattfindet, braucht man keine Angst zu haben. Die Ärztin achtet darauf, dass die Patientin nicht stürzt oder sich auf die Zunge beißt und sich verletzt. Sollte der Anfall lange dauern, bekommt die Patient*in ein krampflösendes Medikament.

Kosten

Das EEG (Elektroenzephalografie) ist eine kostengünstige Routineuntersuchung. Die Kosten für ein EEG liegen zwischen 50 und 100 Euro.

EEG außerhalb der medizinischen Diagnostik

Eine EEG-Untersuchung kann auch außerhalb des medizinischen Bereiches verwendet werden. Allerdings ist die Forschung zur Verwendung der Elektroenzephalographie in diesem Bereich noch nicht so fortgeschritten wie im medizinischen Bereich. In einigen wissenschaftlichen Publikationen wird erwähnt, dass eine EEG-Messung zur Einschätzung des IQs genutzt werden kann. Die Leistungsdichte der Alpha- und Beta-Bänder steht in Wechselbeziehung mit dem IQ. In diesem Fall wurde die EEG-Methode nicht so oft angewandt, um konkrete Ergebnisse zu haben. Im Jahr 2014 gelang es indischen Forscher*innen einfache Gedanken mithilfe des EEGs in binäre Signale umzuwandeln. Binäre Signale sind Signale, die nur in zwei Zuständen existieren können.

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