Das 10-10-System ist eine Erweiterung der internationalen 10-20-Elektrodenplatzierungsmethode, die entwickelt wurde, um Forschern ein dichteres, gleichmäßigeres Gitter von Kopfhautelektroden für die Elektroenzephalographie (EEG)-Aufzeichnung zu bieten. Es schließt räumliche Lücken, die durch das ältere 10-20-Layout entstehen, und erweitert die Abdeckung von 19 Standardpositionen auf 74 oder mehr Ableitstellen.
Diese zusätzliche Dichte unterstützt eine präzisere topografische Kartierung – den Prozess, ein detailliertes Bild davon zu erstellen, wo sich die elektrische Aktivität zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Kopfhautoberfläche konzentriert.
Was ist das 10-10-EEG-System?
Das 10-10-System wurde erstmals als „Ten Percent Electrode System“ dokumentiert – eine Methode, die speziell für topografische Untersuchungen sowohl der spontanen EEG-Aktivität (das laufende Hintergrundsignal des Gehirns) als auch der evozierten Aktivität (durch einen bestimmten Reiz ausgelöste Signale) entwickelt wurde.
Die ursprüngliche Beschreibung skizziert ein Array mit 81 Elektroden, das jede Standardleitung aus dem Internationalen 10-20-System beibehält und gleichzeitig zusätzliche Elektroden in den Lücken dazwischen hinzufügt. Einige dieser neuen Elektroden befinden sich genau in der Mitte zwischen zwei bestehenden 10-20-Leitungen. Andere sind zwischen diesen neu hinzugefügten Mittelpunktselektroden platziert, was eine noch feinere Abdeckung ermöglicht.
Die Namenslogik hinter diesen zusätzlichen Positionen wurde bewusst an bestehende Strukturen angelehnt, anstatt sie neu zu erfinden. Hilfselektroden-Bezeichnungen beziehen sich sowohl auf das darunter liegende Gehirnareal an einer bestimmten Stelle als auch auf die angrenzenden 10-20-Leitungen, die es umgeben. So kann sich ein Forscher, der mit dem 10-20-System vertraut ist, auf dem neuen Netz orientieren, ohne ein völlig neues Vokabular erlernen zu müssen.
Der erklärte Zweck der Veröffentlichung dieses erweiterten Arrays bestand darin, die Standardisierung in Laboratorien zu fördern, die mit hochauflösendem EEG arbeiten. Bevor es eine gemeinsame Namenskonvention gab, riskierte jedes Labor, das zusätzliche Elektroden zwischen den Standard-10-20-Punkten hinzufügte, inkonsistente Bezeichnungen zu verwenden, was den Vergleich topografischer Ergebnisse zwischen verschiedenen Forschungsgruppen erschwerte. Das 10%-System löste dieses Problem direkt, indem es jeder hinzugefügten Stelle einen festen, vorhersehbaren Namen gab.
Anatomische Orientierungspunkte und Konventionen für die Elektrodenbenennung
Das 10-10-System stützt sich auf vier externe Orientierungspunkte, die direkt am Kopf eines Probanden gemessen werden: das Nasion (die Vertiefung am oberen Ende der Nase, zwischen den Augen), das Inion (der knöcherne Vorsprung an der Schädelbasis) und die linken und rechten präaurikulären Punkte (kleine Vertiefungen direkt vor jedem Ohr). Ein fünfter Referenzpunkt, der Scheitelpunkt oder Cz, befindet sich im exakten Zentrum des Schädels, berechnet als Mittelpunkt zwischen Nasion und Inion sowie als Mittelpunkt zwischen den beiden präaurikulären Punkten.
Das 10-10-System unterteilt stattdessen Bögen in Intervallen von 10 %, was die Anzahl der Stopps entlang jeder Linie effektiv verdoppelt und eine völlig neue Schicht von Zwischenpositionen schafft.
Elektrodenbezeichnungen folgen einem konsistenten Buchstaben- und Zahlenmuster, das beide Systeme teilen. Jede Bezeichnung beginnt mit ein oder zwei Buchstaben, die die Gehirnregion unter dieser Stelle angeben:
Fp für den Stirnpol (frontal pole)
F für frontal
C für zentral (central)
P für parietal
O für okzipital (occipital)
T für temporal
Darüber hinaus führt das 10-10-System kombinierte Bezeichnungen für die Zwischenzonen ein, die zwischen diesen primären Regionen liegen, einschließlich FC, CP, FT, TP, AF und PO.
Auf den oder die Buchstaben folgt eine Nummer, die eine bestimmte Bedeutung trägt. Gerade Zahlen kennzeichnen Positionen in der rechten Hemisphäre, ungerade Zahlen markieren Positionen in der linken Hemisphäre, und der Buchstabe „z“ (für Null/zero) kennzeichnet jede Stelle, die sich direkt auf der Mittellinie befindet, die von vorne nach hinten über den Scheitelpunkt verläuft.
Kartierung des erweiterten 74-Elektroden-Netzes
Die Version des Netzes des 10-10-Systems, die in aktuellen klinischen und Forschungsbereichen am häufigsten verwendet wird, enthält 74 aktive Kopfhautelektroden, plus separate Referenz- und Masseelektroden, die für den Aufbau einer funktionierenden Aufnahmeanordnung erforderlich sind.
Dies ist eine geringere Anzahl als in der ursprünglichen Beschreibung mit 81 Elektroden, die zusätzliche Ohrläppchenpositionen enthielt, die in modernen Konfigurationen nicht immer verwendet werden. Beide Zählungen basieren auf demselben grundlegenden Designprinzip; sie unterscheiden sich hauptsächlich darin, ob Ohrelektroden in der Gesamtzahl enthalten sind.
Die vollständige Mittellinienkette, die von vorne nach hinten verläuft, umfasst typischerweise Fpz, AFz, Fz, FCz, Cz, CPz, Pz, POz und Oz. Wenn man sich seitlich von der Mittellinie wegbewegt, decken symmetrische Paare jede Hemisphäre parallel ab: unter anderem Fp1/Fp2, AF3/AF4, AF7/AF8, F3/F4, F7/F8, FC3/FC4, FT7/FT8, C3/C4, T7/T8, CP3/CP4, TP7/TP8, P3/P4, P7/P8, PO3/PO4, PO7/PO8 und O1/O2, die die verbleibenden Zwischenplätze füllen.
Im direkten Vergleich verdoppelt diese Anordnung die räumliche Abtastdichte des 10-20-Systems in etwa, da sie zwischen fast jedem zuvor alleinstehenden Positionspaar eine neue Aufzeichnungsstelle einfügt.
Wie sich das 10-10-System von 10-20- und 10-5-Montagen unterscheidet
Auf einem Spektrum der Elektrodendichte decken drei verwandte Systeme unterschiedliche Punkte auf dieser Skala ab.
Das 10-20-System befindet sich am dünner besiedelten Ende und verwendet nur 19 Aufzeichnungselektroden auf der Kopfhaut plus Ohrreferenzen, die in Intervallen von 20 % über den Kopf verteilt sind. Dieser weite Abstand ist effizient und schnell einzurichten, bedeutet aber auch, dass Aktivitäten, die ihren Höhepunkt im engen Raum zwischen zwei standardmäßigen 10-20-Stellen erreichen, im aufgezeichneten Signal unterrepräsentiert sein oder ganz übersehen werden können.
Das 10-10-System liegt in der Mitte dieses Spektrums und verwendet etwa 74 bis 81 Kopfhautelektroden im Abstand von 10 %. Die Designabsicht besteht darin, die dem 10-20-Abstand immanenten Abdeckungslücken zu schließen, ohne auf die extremste verfügbare Dichte überzugehen.
Dieses Extrem findet sich beim 10-5-System, das die Kopfhaut weiter in 5%-Intervalle unterteilt und über 300 mögliche Elektrodenpositionen erzeugt.
System | Abstand | Kopfhautelektroden | Hauptmerkmal |
|---|---|---|---|
10-20 | 20%-Intervalle | 19 Elektroden | Geringe Dichte und schneller Aufbau |
10-10 | 10%-Intervalle | 74-81 Elektroden | Schließt räumliche Abdeckungslücken |
10-5 | 5%-Intervalle | 300+ Positionen | Extrem hohe Dichte für die Forschung |
Anwendungen und Vorteile in der EEG-Forschung
Das 10-10-System hat in der modernen hochauflösenden EEG-Forschung praktische Anwendung gefunden. Ein Beispiel ist eine Studie von Murugappan et al. zur Klassifizierung menschlicher emotionaler Zustände anhand von EEG-Signalen.
Forscher entwickelten ein audio-visuelles Protokoll, um fünf verschiedene emotionale Zustände hervorzurufen – Ekel, Glück, Überraschung, Angst und einen neutralen Ausgangszustand – und zeichneten die Gehirnaktivität mit 64 Elektroden auf, die nach dem internationalen 10-10-System auf der Kopfhaut von 20 Probanden platziert wurden. Die Rohsignale wurden mithilfe einer Surface-Laplacian-Filtermethode bereinigt, einer Signalverarbeitungstechnik, die mit dem Ansatz der Laplace-Montage verwandt ist, bevor sie mittels einer diskreten Wavelet-Transformation in Alpha-, Beta- und Gamma-Frequenzbänder zerlegt wurden.
Mit energiebasierten Merkmalen, die aus diesen Frequenzbändern extrahiert wurden, testete die Studie zwei Musterklassifizierungsverfahren, K-Nearest-Neighbor (KNN) und lineare Diskriminanzanalyse (LDA), um zu sehen, wie genau jedes die Gehirnsignale in die richtige emotionale Kategorie einordnen konnte. Ein vorgeschlagener Merkmalsatz erzeugte eine durchschnittliche maximale Klassifikationsrate von 83.26% unter Verwendung von KNN und 75.21% unter Verwendung von LDA, was die in derselben Studie getesteten konventionelleren Merkmalsextraktionsansätze übertraf.
Dieses Ergebnis zeigt, dass ein 64-Kanal-Array, das auf dem 10-10-Layout basiert, eine sinnvolle Signalklassifizierungsarbeit unterstützen kann.
Über diese einzelne Anwendung hinaus werden dem 10-10-System aufgrund geometrischer Überlegungen und nicht aufgrund eines direkten experimentellen Vergleichs mehrere Vorteile zugeschrieben. Es wird allgemein angenommen, dass ein dichteres Elektrodennetz genauere topografische Karten und eine bessere Quellenlokalisierung liefert, da mehr Messpunkte auf der Kopfhaut im Prinzip räumliche Details erfassen sollten, die bei einem größeren Abstand geglättet oder übersehen würden.
Es wird auch angenommen, dass eine dichtere Abdeckung fokale oder hochfrequente Aktivitäten besser erfasst, die auf einen kleinen Bereich der Kopfhaut konzentriert sind – Aktivitäten, die zwischen zwei weit auseinander liegende 10-20-Elektroden fallen und unentdeckt bleiben könnten. Die Dichte des Systems macht es auch kompatibel mit räumlichen Filtertechniken wie der Surface-Laplacian-Verarbeitung, derselben Methode, die in der oben beschriebenen Studie zur Emotionsklassifizierung angewendet wurde.
Grenzen und zukünftige Richtungen für das 10-10-EEG-System
Trotz seiner klaren Vorteile erfordert die Anwendung hochauflösender Arrays eine erhebliche Einrichtungszeit und langfristiges Fachwissen, um die Signalqualität effektiv zu steuern. Die Vorbereitung von Dutzenden von Stellen auf der Kopfhaut kann arbeitsintensiv sein und verlängert oft die Dauer und Komplexität der Vorbereitungsphase sowohl für Forscher als auch für Patienten. Die Aufrechterhaltung einer konsistenten Leistung bei einer so großen Anzahl von Sensoren erfordert zudem eine häufige Kalibrierung, was bei langen, sich wiederholenden Versuchsreihen eine Herausforderung darstellen kann.
Darüber hinaus ist das 10-10-System, obwohl es umfangreich ist, nicht völlig unempfindlich gegenüber Problemen mit der Volumenleitung oder der inhärenten Einschränkung der Empfindlichkeit auf Kopfhautebene. Bestimmte tiefer liegende Gehirnaktivitäten lassen sich durch externe Sensoren allein nach wie vor nur schwer isolieren, unabhängig davon, wie perfekt das Netz platziert ist. Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, diese Systeme mit hochentwickelten Rechenfiltern zu kombinieren, um die Signalunschärfe weiter zu minimieren und das Signal-Rausch-Verhältnis unter schwierigen Laborbedingungen zu verbessern.
Mit Blick auf die Zukunft birgt die Integration automatisierter Platzierungstechnologien das Potenzial, aktuelle Hürden beim Aufbau zu verringern. Innovative Hardware könnte irgendwann die schnelle, freihändige Anwendung von Arrays mit voller Dichte ermöglichen, was den Zugang zu hochauflösendem Monitoring demokratisieren würde. Mit der Weiterentwicklung dieser Systeme werden sie wahrscheinlich tragbarer und anpassungsfähiger werden, was schließlich langfristige, hochauflösende EEG-Messungen in komfortableren und natürlicheren Umgebungen ermöglicht.
Was dies für die hochauflösende EEG-Aufzeichnung bedeutet
Das 10-10-EEG-Elektrodenplatzierungssystem ist eine standardisierte Erweiterung des 10-20-Layouts, die entwickelt wurde, um räumliche Lücken mit einem Netz von 74 oder mehr Elektroden zu schließen, die durch ein einheitliches anatomisches Benennungsschema geregelt werden. Jede Position lässt sich auf dieselben Orientierungspunkte Nasion, Inion, präaurikulär und Vertex zurückführen, die auch in der ursprünglichen 10-20-Methode verwendet wurden, jedoch feiner unterteilt, um eine dichtere Abdeckung und eine detailliertere topografische Untersuchung der elektrischen Gehirnaktivität zu ermöglichen – ein Kerninteresse in der gesamten Neurowissenschaft.
Das System hat praktische Anwendung in Forschungsumgebungen und bei EEG-Montagen gefunden, einschließlich Studien, die Wavelet-basierte Klassifizierungsmethoden auf EEG-Signale anwenden, die über Dutzende von Kopfhautstellen aufgezeichnet wurden.
Wenn Labors dieses Layout übernehmen, werden praktische Aspekte wie Vorbereitungszeit, dauerhafter Komfort und das Risiko von Gelbrücken zwischen eng beieinander liegenden Sensoren ebenso wichtig wie das Potenzial für schärfere Gehirnkarten. Die wahre Stärke des Systems liegt heute darin, eine gemeinsame Sprache zu schaffen, die es verschiedenen Forschungsgruppen ermöglicht, ihre hochauflösenden Ergebnisse auf konsistente Weise zu vergleichen.
Referenzen
Chatrian, G. E., Lettich, E., & Nelson, P. L. (1985). Ten percent electrode system for topographic studies of spontaneous and evoked EEG activities. American Journal of EEG technology, 25(2), 83-92. https://doi.org/10.1080/00029238.1985.11080163
Murugappan, M., Ramachandran, N., & Sazali, Y. (2010). Classification of human emotion from EEG using discrete wavelet transform. Journal of biomedical science and engineering, 3(4), 390-396. http://dx.doi.org/10.4236/jbise.2010.34054
Häufig gestellte Fragen
Was ist das 10-10-EEG-Elektrodenplatzierungssystem?
Das 10-10-System ist eine Erweiterung der internationalen 10-20-Methode, bei der Elektroden in 10%-Intervallen zwischen anatomischen Orientierungspunkten hinzugefügt werden. Es entsteht ein dichteres Netz aus typischerweise 74 Kopfhautelektroden, um detailliertere räumliche Informationen über die elektrische Aktivität des Gehirns zu erfassen.
Wie unterscheidet sich das 10-10-System vom 10-20-System?
Das 10-20-System platziert Elektroden in Intervallen von 20 % entlang des Kopfes, während das 10-10-System diesen Abstand auf 10 % halbiert. Dies füllt die Lücken zwischen bestehenden 10-20-Positionen und verdoppelt die Anzahl der Aufzeichnungsstellen in etwa, ohne ursprüngliche Elektroden zu entfernen.
Warum wurde das 10-10-System entwickelt?
Es wurde entwickelt, um Forschern ein standardisiertes, hochauflösendes Layout für topografische EEG-Studien zu bieten. Vor seiner Einführung verwendeten Labore, die zusätzliche Elektroden hinzufügten, oft uneinheitliche Bezeichnungen, was den Vergleich von Ergebnissen zwischen verschiedenen Forschungsgruppen erschwerte.
Welche anatomischen Orientierungspunkte leiten die Elektrodenplatzierung?
Das System stützt sich auf das Nasion (die Nasenwurzel), das Inion (den Vorsprung am Hinterkopf) und die linken und rechten präaurikulären Punkte (direkt vor jedem Ohr). Der Scheitelpunkt (Cz) wird dann als der zentrale Mittelpunkt zwischen diesen vier Orientierungspunkten berechnet.
Wie werden Elektroden im 10-10-System benannt?
Die Bezeichnungen beginnen mit ein oder zwei Buchstaben, die die darunter liegende Gehirnregion angeben (z. B. F für frontal, FC für fronto-zentral). Es folgt eine Zahl: ungerade für die linke Hemisphäre, gerade für die rechte und „z“ für die Mittellinie, wodurch die Benennung an die vertrauten 10-20-Ankerpunkte gebunden bleibt.
Wie viele Elektroden verwendet das 10-10-System üblicherweise?
Die am weitesten verbreitete Konfiguration umfasst 74 aktive Kopfhautelektroden sowie separate Referenz- und Masseelektroden. Dies ist etwas weniger als in der ursprünglichen Beschreibung mit 81 Positionen, bei der auch Ohrläppchenpositionen mitgezählt wurden, die heute oft weggelassen werden.
Welche Vorteile werden von der Verwendung des 10-10-Systems erwartet?
Es wird angenommen, dass eine dichtere Elektrodenabdeckung die topografische Kartierung verbessert und fokale oder hochfrequente Gehirnaktivitäten besser erkennt, die sonst zwischen weit auseinander liegenden Sensoren verloren gehen könnten.
Emotiv ist ein führender Anbieter von Neurotechnologie, der die neurowissenschaftliche Forschung mit zugänglichen EEG- und Gehirndaten-Tools vorantreibt.
Christian Burgos
