Vom Roh-EEG zum Spektrogramm

Ein Monitor zeigt drei Bilder desselben Signals, und jedes beantwortet eine andere Frage. Die Rohkurve sagt, was in diesem Augenblick geschieht. Das Spektrum sagt, welche Oszillation gerade vorherrscht. Das Spektrogramm sagt, wohin sich der Zustand über die letzte halbe Stunde bewegt hat. Wer alle drei als dasselbe Bild in verschiedener Aufmachung behandelt, verliert genau die Information, die zwischen ihnen liegt.

Das internationale Konsensuspapier zum perioperativen EEG-Monitoring empfiehlt ausdrücklich, Rohsignal und Spektrogramm neben dem Indexwert zu beurteilen und nicht an dessen Stelle.¹ Quelle Die deutschsprachigen Übersichten zum quantifizierten und zum prozessierten EEG führen dieselbe Befundlehre und zeigen die drei Darstellungen regelhaft nebeneinander.^{2, 3} Der Grund ist nicht Gründlichkeit um ihrer selbst willen: Jede Rechenstufe wirft Information weg, die vorher da war, und diese Verluste sind vorhersagbar.⁴

Praktisch zahlt sich das an drei Stellen aus: beim Übernehmen einer laufenden Narkose, weil das Spektrogramm die letzten Stunden in wenigen Sekunden zusammenfasst; beim unerwarteten Indexwert, weil sich dort sofort sehen lässt, ob sich das Signal oder nur die Zahl verändert hat; und beim Vertiefen und Ausleiten, weil die Bewegung der Bänder früher sichtbar wird als jeder gemittelte Zahlenwert.

Für die Praxis heißt das: Blenden Sie bei jeder Übernahme zuerst das Spektrogramm ein und lesen Sie es von links nach rechts, bevor Sie die aktuelle Zahl ansehen. Den Fehler erkennen Sie daran, dass in der Übergabe ein Indexwert genannt wird und niemand sagen kann, ob er seit zehn Minuten oder seit zwei Stunden so aussieht.

Das EEG läuft ununterbrochen, die Spektralanalyse braucht dagegen einen Abschnitt endlicher Länge. Der erste Rechenschritt zerschneidet den Strom deshalb in kurze, meist überlappende Fenster von einigen Sekunden. Jedes Fenster wird einzeln gerechnet und liefert am Ende einen senkrechten Streifen des Spektrogramms.⁵

Die Länge dieses Fensters ist die wichtigste Stellschraube der gesamten Darstellung, und sie lässt sich nicht in beide Richtungen zugleich optimieren. Ein kurzes Fenster gibt an, wann etwas geschehen ist, kann aber benachbarte Frequenzen nicht mehr auseinanderhalten. Ein langes Fenster trennt Frequenzen fein, verschmiert das Ereignis dafür über seine gesamte Dauer. Diese Abwägung ist der Methode eigen und keine Schwäche eines bestimmten Geräts; die methodische Übersicht zur Multitaper-Analyse stellt sie ausführlich dar.⁶ Quelle

Ein zweiter Punkt betrifft die Ränder. Ein herausgeschnittener Abschnitt beginnt und endet abrupt, und diese künstlichen Sprünge erzeugen Frequenzanteile, die im Signal nicht vorkommen. Deshalb wird jedes Fenster mit einer Fensterfunktion gewichtet, die es zu den Rändern hin auslaufen lässt; die Multitaper-Technik verwendet mehrere solcher Funktionen nebeneinander und mittelt die Ergebnisse.⁶

Die klinische Folge dieses Tauschs ist konkret. Ein Ereignis, das kürzer ist als das Rechenfenster, erscheint im Spektrogramm nicht als Ereignis, sondern als leichte Einfärbung des ganzen Streifens. Eine Suppressionspause von einer Sekunde ist deshalb im Spektrogramm nicht als Pause zu erkennen, im Roh-EEG dagegen sofort. Wer Pausen sucht, sucht sie in der Kurve.

Roh-EEGSpektrogrammNeues Signal

Für die Praxis heißt das: Bestimmen Sie zuerst, welche Frage Sie haben, und wählen Sie danach die Fensterlänge des Geräts, wenn es sie anbietet. Suchen Sie kurze Ereignisse grundsätzlich in der Rohkurve. Den Fehler erkennen Sie daran, dass eine Suppression ausgeschlossen wird, ohne dass jemand die Rohkurve angesehen hat.

Jeder Signalabschnitt lässt sich als Summe von Sinusschwingungen verschiedener Frequenz, Amplitude und Phasenlage darstellen. Die Fouriertransformation berechnet, welchen Beitrag jede Frequenz leistet. Das ist der Kern der gesamten Spektralanalyse und in der Anästhesie seit Langem eingeführt.⁵ Quelle

Aus den Beiträgen wird die Leistung gebildet, also das Quadrat der Amplitude, bezogen auf die Breite des Frequenzbereichs. So entsteht die spektrale Leistungsdichte als Leistung je Hertz. Aufgetragen wird sie fast immer logarithmisch in Dezibel, weil die Leistung der langsamen Anteile die der schnellen um Größenordnungen übertrifft; linear aufgetragen wäre oberhalb von etwa zehn Hertz nichts mehr zu erkennen.⁶

Beim Übergang zur Leistung fällt die Phase weg. Das ist der erste große Verlust: Zwei Signale mit gleicher Leistungsverteilung, aber unterschiedlicher Kopplung zwischen den Frequenzen ergeben dasselbe Spektrum. Verfahren wie die Bikohärenz versuchen, einen Teil dieser Information zurückzugewinnen, und sind als ergänzende Kenngröße beschrieben worden.⁷

Der letzte Schritt ist die Mittelung. Das Spektrum eines einzelnen Fensters ist unruhig, weil jede Schätzung streut; Monitore mitteln deshalb über mehrere Fenster oder mehrere Fensterfunktionen. Das Ergebnis wird ruhiger und zugleich träger: Was gemittelt wird, kann nicht mehr plötzlich sein. Für den Patient State Index ist eine merkliche zeitliche Verzögerung gegenüber dem Roh-EEG in einer unabhängigen Auswertung beschrieben worden.⁸

Für die Praxis heißt das: Rechnen Sie bei jeder schnellen Veränderung damit, dass die Kurve sie früher zeigt als jede gemittelte Größe. Bewerten Sie einen Indexwert nie unmittelbar nach einem Bolus, sondern nach Ablauf der Mittelungszeit. Den Fehler erkennen Sie daran, dass Sekunden nach einer Gabe bereits eine Wirkung am Zahlenwert abgelesen wird.

Das Spektrogramm entsteht, indem die Spektren vieler aufeinanderfolgender Fenster nebeneinandergestellt werden. Auf der waagerechten Achse liegt die Zeit, auf der senkrechten die Frequenz, und die Leistungsdichte wird als Farbe aufgetragen. Damit wird der Verlauf über Minuten bis Stunden auf einen Blick lesbar; die Übersichten zur EEG-Befundung in der Anästhesie stützen ihre gesamte Musterlehre auf diese Darstellung.^{9, 10}

Beim Lesen sind drei Dinge zu beachten. Die Frequenzachse reicht bei den meisten Geräten nur bis etwa dreißig Hertz, weil oberhalb davon wenig Leistung liegt und Muskelsignal überwiegt. Die Zeitachse verändert das Bild vollständig: Fünf Minuten und vier Stunden sehen verschieden aus, ohne dass sich am Patienten etwas geändert hätte. Die Farbskala ist bei vielen Geräten relativ, bezieht sich also auf den dargestellten Ausschnitt; dieselbe Farbe bedeutet dann bei zwei Patienten nicht dieselbe absolute Leistung.

Roh-EEGSpektrumSpektrogrammNeues Signal

Der Begriff Density Spectral Array, abgekürzt DSA, bezeichnet genau diese Darstellung. Es handelt sich nicht um ein anderes Verfahren, sondern um denselben Gegenstand unter einem älteren Namen, der sich bei einigen Herstellern gehalten hat; die deutschsprachigen Übersichten verwenden beide Bezeichnungen nebeneinander.^{3, 2} Quelle Wer das weiß, spart sich die Suche nach einem Unterschied, den es nicht gibt.

Für die Praxis heißt das: Prüfen Sie an jedem fremden Monitor zuerst die Achsen, also welchen Zeitraum und welchen Frequenzbereich das Bild zeigt. Vergleichen Sie Farben nie zwischen zwei Patienten oder zwei Geräten. Den Fehler erkennen Sie daran, dass ein Spektrogramm als heller oder dunkler beschrieben wird, ohne dass die Skala benannt ist.

Eine Spektralkante fasst die Verteilung der Leistung zu einer einzigen Zahl zusammen. Die spektrale Eckfrequenz SEF95 ist diejenige Frequenz, unterhalb derer 95 Prozent der Gesamtleistung des Spektrums liegen. Daneben werden die Medianfrequenz, also die Kante bei 50 Prozent, und seltener die Kante bei 90 Prozent verwendet. Alle diese Größen stammen aus der frühen Signalverarbeitung des EEG in der Anästhesie und sind dort methodisch beschrieben.⁵

Der Nutzen liegt im Verlauf: Eine Kantenfrequenz lässt sich über Stunden auftragen und macht eine Bewegung sichtbar, bevor sie im Farbbild auffällt. Die Grenze liegt darin, dass die Zahl die Form der Verteilung nicht kennt. Ein schmaler Alphagipfel auf niedriger Grundleistung kann zu derselben SEF95 führen wie eine breit verteilte Leistung ohne jeden Gipfel. Die Kante sagt, wo die Leistung endet, nicht, wie sie verteilt ist.

Eine zweite Grenze ist pharmakologisch: Für Desfluran ist beschrieben worden, dass zwei handelsübliche Indizes und die geprüften Spektralparameter die pharmakodynamische Wirkung auf das EEG nur unzureichend abbildeten,¹¹ und ein Vergleich über alle Narkosephasen fand für keinen der klassischen EEG-Parameter eine durchgehende Überlegenheit.¹² Die dritte Grenze ist technisch: Muskelaktivität und elektrische Einstreuung liegen im schnellen Bereich und verschieben jede Kante nach oben; die systematische Sichtung der Artefaktquellen berichtet für die große Mehrheit der eingeschlossenen Arbeiten einen fälschlich erhöhten Wert.¹³

SpektrumRoh-EEGNeues Signal

Für die Praxis heißt das: Lesen Sie die SEF95 als Verlaufslinie und nie als Einzelwert. Prüfen Sie bei jeder Kantenfrequenz zusätzlich den Suppressionsanteil und die Muskelanzeige. Den Fehler erkennen Sie daran, dass eine Dosisentscheidung allein mit einer Kantenfrequenz begründet wird.

Die drei Bilder stehen nicht in einer Rangfolge von grob nach fein, sondern beantworten drei verschiedene Fragen. Das Roh-EEG beantwortet die Frage, was gerade geschieht. Es ist die einzige Darstellung, in der einzelne Ereignisse sichtbar sind: Spindeln, Bursts, Suppressionspausen, Kauterartefakte, ein abgefallener Elektrodenkontakt. Der Grundlagentext zur praktischen Nutzung der Rohkurve führt genau diese Befunde als Begründung dafür an, die Kurve neben dem Indexwert zu betrachten.⁴ Quelle

Das Spektrum beantwortet die Frage, welche Oszillation in diesem Abschnitt vorherrscht. Es zeigt Gipfel und Verteilung und ist damit die genaueste Auskunft über das Muster. Es hat jedoch keine Zeitachse und kann eine Veränderung grundsätzlich nicht abbilden.

Das Spektrogramm beantwortet die Frage, wohin sich der Zustand bewegt. Es macht Bänder als waagerechte Streifen sichtbar, zeigt ihre Wanderung und ihr Verschwinden. Dafür verschluckt es alles, was kürzer ist als sein Rechenfenster, und verwischt die Höhe der einzelnen Welle.

Für die Praxis heißt das: Formulieren Sie die Frage, bevor Sie eine Darstellung wählen. Nutzen Sie die Rohkurve für Ereignisse, das Spektrum für das Muster, das Spektrogramm für die Richtung. Den Fehler erkennen Sie daran, dass eine Frage nach dem Verlauf mit einem Blick auf die Rohkurve beantwortet wird.

Der erste Handgriff ist die Einrichtung des Bildschirms: Rohkurve sichtbar machen, ihr Zeitfenster auf etwa zehn Sekunden stellen, Spektrogramm einblenden und dessen Zeitachse auf den bisherigen Verlauf der Narkose einstellen.¹

Der zweite Handgriff betrifft die Skalen: dargestellter Frequenzbereich, Farbskala und die Frage, ob das Gerät die Amplitude der Rohkurve automatisch anpasst, weil dann Höhenvergleiche zwischen zwei Zeitpunkten nicht zulässig sind.

Der dritte Handgriff ist die Gegenprobe: Was Sie in der Kurve gezählt haben, muss sich im Spektrum als Gipfel wiederfinden und im Spektrogramm als Band an derselben Stelle liegen. Stimmen die drei Bilder nicht überein, liegt weit häufiger ein Artefakt oder eine Fehlbedienung vor als ein ungewöhnlicher Hirnzustand.¹³

Für die Praxis heißt das: Richten Sie den Monitor am Anfang jeder Narkose einmal vollständig ein, statt später im Bedarfsfall zu suchen. Machen Sie die Gegenprobe zwischen den drei Darstellungen zur Gewohnheit. Den Fehler erkennen Sie daran, dass in einer kritischen Situation zuerst die Bedienung des Geräts geklärt werden muss.

Die Befundung läuft in einer festen Reihenfolge, und jede Stufe hat ihre eigene Entscheidung. Erstens die Rohkurve: Ist das Signal durchgehend aktiv, oder enthält es Pausen? Enthält es Artefakte? Diese Frage ist vor allen anderen zu klären, weil eine falsche Antwort jede weitere Stufe verdirbt.⁴

Zweitens das Spektrum oder das aktuelle Band: Welches Muster liegt vor, und passt es zum geführten Wirkstoff? Ein fehlendes Alphaband verlangt zuerst die Prüfung von Wirkstoff, Alter und Signalqualität und erst danach eine Dosisänderung.

Drittens der Verlauf im Spektrogramm: Eine Wanderung der Leistung zu langsameren Frequenzen bei gleichzeitigem Verlust des Alphabandes ist der Weg in die Vertiefung; das Auftauchen schnellerer Anteile bei abnehmender langsamer Leistung weist in Richtung Erwachen oder Arousal.

Viertens erst der Index, als Zusatzinformation zu einem bereits gefassten Befund. Weicht er von dem ab, was die drei Bilder zeigen, ist zuerst nach dem Grund für die Abweichung zu suchen; die Zahl überstimmt das Signal nicht.^{1, 3}

Für die Praxis heißt das: Sprechen Sie Ihre Beurteilung in vier Schritten aus, also Kurve, Muster, Richtung, Zahl. Den Fehler erkennen Sie daran, dass die Reihenfolge umgekehrt beginnt, nämlich bei der Zahl.

• Das Spektrogramm zeige alles, was im Signal steht. Es zeigt nichts, was kürzer ist als sein Rechenfenster. Suppressionspausen, einzelne Bursts und kurze Kauterstöße sind dort nicht als Ereignis erkennbar und gehören in die Rohkurve.⁶
• Dieselbe Farbe bedeute dieselbe Leistung. Viele Farbskalen beziehen sich auf den dargestellten Ausschnitt. Farbvergleiche zwischen Patienten oder zwischen Geräten sind dann nicht zulässig.²
• SEF95 ersetze das Spektrum. Sehr verschiedene Verteilungen führen zur selben Kante. Die Kante sagt, wo die Leistung endet, und nicht, wie sie verteilt ist.⁵
• Das Density Spectral Array sei etwas anderes als das Spektrogramm. Es ist dieselbe Darstellung unter einem älteren Namen.^{3, 2}
• Spektralparameter bildeten jede Anästhetikawirkung zuverlässig ab. Für Desfluran ist das ausdrücklich nicht der Fall, und ein phasenübergreifender Vergleich fand für keinen klassischen Parameter eine durchgehende Überlegenheit.^{11, 12}

Für die Praxis heißt das: Behandeln Sie jede zusammenfassende Zahl als Zusammenfassung und gehen Sie bei Zweifeln eine Stufe zurück zur Darstellung, aus der sie stammt. Den Fehler erkennen Sie daran, dass über ein Signal gesprochen wird, das niemand im Original gesehen hat.

Merksätze

• Jede Rechenstufe wirft Information weg, und zwar vorhersagbar. Wer den Verlust kennt, weiß, wo er das Fehlende findet.
• Zeitauflösung und Frequenzauflösung lassen sich nur gegeneinander tauschen, nie beide zugleich gewinnen.
• Was kürzer ist als das Rechenfenster, erscheint im Spektrogramm nicht als Ereignis. Pausen finden Sie nur in der Kurve.
• Density Spectral Array und Spektrogramm sind dieselbe Darstellung unter zwei Namen.
• SEF95 ist eine Verlaufslinie und keine Diagnose. Dieselbe Kante entsteht aus sehr verschiedenen Spektren.

Aufgaben