Artefakt

Wie es funktioniert

Biosignale sind oft winzig. Ein EEG bewegt sich im Bereich von Mikrovolt, also Millionstel Volt. Alles, was in der Nähe ebenfalls elektrische Aktivität erzeugt oder den Sensor stört, addiert sich zum eigentlichen Signal. Man unterscheidet zwei Gruppen:

• Physiologische Artefakte stammen aus dem eigenen Körper, aber nicht aus der Quelle, die gemessen werden soll: Blinzeln und Augenbewegungen, Muskelspannung in Kiefer, Stirn und Nacken, der Herzschlag im EEG, Schwitzen, Atmung und Bewegung.
• Technische Artefakte entstehen durch die Messung selbst oder die Umgebung: schlechter Elektrodenkontakt, bewegte Kabel, Netzbrummen mit 50 Hz, Störungen durch elektronische Geräte oder ein übersteuerter Verstärker.

Messung in der Praxis

Die beste Artefaktbehandlung ist, Artefakte gar nicht erst entstehen zu lassen:

• Vor der Messung: Haut vorbereiten, Elektrodenkontakt prüfen, Kabel fixieren, Handy weglegen, bequem sitzen, Kiefer locker lassen.
• Während der Messung: das Rohsignal mitlaufen lassen und Ereignisse wie Husten, Sprechen oder Bewegung markieren.
• Im Neurofeedback: Viele Protokolle arbeiten mit Hemmschwellen. Steigt etwa die Muskelaktivität, pausiert das Feedback. Sonst würde das Training Muskelspannung belohnen statt Hirnaktivität.
• Nach der Messung: jede Aufzeichnung vor der Auswertung sichten. Automatische Artefakterkennung ist ein Vorschlag, keine Entscheidung.

Typische Erkennungsmerkmale:

Kennwerte und Grenzen

Artefakte verändern nicht nur das Aussehen einer Kurve, sondern die berechneten Werte:

• HRV: Ein einziger verpasster Herzschlag erscheint als doppelt so langer Abstand. Werte wie RMSSD und SDNN steigen dadurch sprunghaft, und auch die Frequenzanalyse wird verzerrt (Berntson & Stowell, 1998). Für die HRV werden deshalb nur Abstände zwischen normalen Schlägen ausgewertet (Task Force, 1996).
• EEG: Blinzeln und Augenbewegungen erhöhen die langsamen Frequenzen (Delta, Theta) an den vorderen Elektroden, Muskelaktivität die schnellen (Beta, Gamma). Verhältniswerte wie der Theta-Beta-Quotient verschieben sich dadurch scheinbar.
• Korrigierte Daten sind veränderte Daten: Jede Korrektur, etwa das Ersetzen eines fehlerhaften Schlags durch einen berechneten Wert, glättet das Signal. Wie viel korrigiert wurde, gehört deshalb in den Report. Enthält ein Abschnitt zu viele Artefakte, ist es ehrlicher, ihn zu verwerfen, als ihn schönzurechnen.

Typische Fehler und Artefakte

• Filter für alles halten: Ein Filter entfernt nur Störungen ausserhalb des Frequenzbereichs, der interessiert. Muskelartefakte überlappen mit Beta und Gamma und lassen sich nicht einfach wegfiltern.
• Überkorrektur: Wer bei der Bereinigung zu viel entfernt, zum Beispiel zu viele Komponenten in einer ICA, verliert echte Hirnaktivität.
• Automatik ungeprüft übernehmen: Algorithmen erkennen nicht jedes Artefakt und markieren manchmal echte Signale.
• Unterschiedlich bereinigte Sitzungen vergleichen: Veränderungen im Verlauf können dann aus der Bereinigung stammen statt aus dem Training.
• Ein Artefakt als Befund deuten: Ein hoher Beta-Anteil kann schlicht ein angespannter Kiefer sein.

Studienlage

EEG: Mit EEGLAB beschreiben Delorme & Makeig (2004) eine frei verfügbare Software, die unter anderem Artefaktentfernung und die unabhängige Komponentenanalyse (ICA) umfasst. Die ICA zerlegt das EEG in voneinander unabhängige Anteile; Komponenten, die etwa von Augenbewegungen oder Muskeln stammen, lassen sich so erkennen und gezielt entfernen. Einen Überblick über die gängigen Verfahren zur Artefaktentfernung und ihre Einsatzbedingungen geben Urigüen & Garcia-Zapirain (2015).

HRV: Wie stark schon einzelne Fehler bei der Schlagerkennung die HRV-Kennwerte verzerren können, zeigt die Arbeit von Berntson & Stowell (1998). Die Standards der Task Force (1996) legen fest, dass für die HRV nur Abstände zwischen normalen Herzschlägen ausgewertet werden.