Ухо-ЭЭГ - Ear-EEG

Ухо-ЭЭГ
Ear-EEG2.jpg
Примеры крепления ЭЭГ в ухе. Слева видна одна затычка для ушей (правое ухо), справа - правая затычка для ушей в ухе.
Цельизмерить динамику мозговой активности

Ухо-ЭЭГ это метод измерения динамики мозговой активности по мельчайшим изменениям напряжения, наблюдаемым на коже, обычно путем размещения электродов на коже черепа. В ушной ЭЭГ электроды размещаются исключительно в наружном ухе или вокруг него, что приводит к гораздо большей невидимости и мобильности пользователя по сравнению с полной кожей головы. электроэнцефалография (ЭЭГ), но также значительно снижает амплитуду сигнала, а также уменьшает количество областей мозга, в которых можно измерить активность. В общих чертах их можно разделить на две группы: те, которые используют положение электродов исключительно в раковине и слуховом проходе, и те, которые также размещают электроды близко к уху, обычно скрытые за мочкой уха. Вообще говоря, первый тип будет наиболее невидимым, но он также будет предлагать наиболее сложный (шумный) сигнал. ЭЭГ уха - хороший кандидат для включения в слышимый Однако в связи с высокой сложностью ушных ЭЭГ-датчиков этого пока не сделано.

История

Ухо-ЭЭГ впервые была описана в «Патенте США A1 US20070112277 A1»,[1] хотя другие заслуживающие упоминания упоминания: «Патент B1 EP EP2448477 B1»[2] и «Слуховые вызванные ответы из записей ЭЭГ уха».[3]С тех пор эта работа превратилась в деятельность нескольких исследовательских групп.[4] и сотрудничества, а также частных компаний [5].[6] Известными воплощениями технологии являются cEEGrid [7][8] (см. рисунок справа) и затычки для ушей, напечатанные на 3D-принтере от NeuroTechnology Lab (см. рисунок выше). Также известны попытки создания обычных наушников-вкладышей.[9][10][11][12][13]

Демонстрация нескольких cEEGrids на фиктивных головах

Использование в исследованиях

Можно подумать о нескольких областях исследований, в которых ненавязчивая и невидимая система ЭЭГ была бы полезна.[14] Хорошими примерами являются исследования групповой динамики или дидактики, в которых было бы очень ценно иметь возможность отслеживать влияние различных событий на людей, при этом позволяя им беспрепятственно пережить указанные события. И в этом контексте очень важно выполнить подробное сравнение ЭЭГ уха и обычной ЭЭГ кожи головы, поскольку результаты должны быть сопоставимы на разных платформах. Это было сделано в нескольких статьях.[7][15][16][17] В них было обнаружено, что измерения ЭЭГ уха сравнимы с ЭЭГ кожи головы в частотной области; однако активность во временной области, регистрируемая двумя системами, заметно различается. В нескольких статьях представлены модели (то есть прямые модели ЭЭГ уха) того, как электрическое поле от электрических источников в мозге отображается на потенциалы в ухе.[18][19][20] Прямые модели ЭЭГ уха позволяют прогнозировать потенциалы в ухе для конкретного нейронного феномена и могут использоваться для улучшения понимания того, какие нейронные источники можно измерить с помощью ЭЭГ уха.[18]

Пример топографии волосистой части головы (в центре) с соответствующими топографиями уха (слева и справа). Топографии показывают потенциал на коже черепа и в ушах для одного диполярного источника головного мозга и были рассчитаны с использованием индивидуализированной прямой модели ЭЭГ уха, как описано Kappel et al.[18]

Ухо-ЭЭГ электрод с сухим контактом

ЭЭГ уха с электродом с сухим контактом - это метод, при котором гель не наносится между электродом и кожей.[21][22][23] Этот метод обычно повышает комфорт и удобство использования для долгосрочных и реальных записей. Поскольку на электроды гель не наносится, пользователь потенциально может установить ушное устройство ЭЭГ без посторонней помощи.

ЭЭГ уха высокой плотности.
Пример ушной ЭЭГ высокой плотности. Слева виден ушной ЭЭГ-наушник высокой плотности, установленный в ухе. Справа - изображение мягкого наушника для ЭЭГ-уха высокой плотности с электродами с сухим контактом.[24][25]

ЭЭГ уха с электродом с сухим контактом использовалась для выполнения записи ЭЭГ уха с высокой плотностью, что позволяет отображать реакцию мозга на топографической трехмерной карте уха (Ear-topographies).[24]

При использовании электродов с сухим контактом граница раздела между кожей и электродами в основном определяется электрохимическими свойствами материала электрода, механической конструкцией электрода, свойствами поверхности электрода и тем, как электрод удерживается на коже. .[26] Чтобы улучшить эти аспекты ЭЭГ уха, были предложены наноструктурированные электроды и мягкие наушники.[25] Электронные приборы также должны быть тщательно спроектированы для размещения электродов с сухим контактом.[27][28]

Мониторинг в реальной жизни

На состояние человеческого мозга влияет окружающая среда, а на реакцию мозга влияет состояние мозга. Таким образом, ограничение исследования мозга лабораторией представляет собой фундаментальное ограничение. Мониторинг ЭЭГ уха в реальной жизни преодолевает это ограничение и позволяет исследовать вызванные и спонтанные реакции, связанные с повседневными жизненными ситуациями.[29][22]

Компактный и незаметный характер устройств ЭЭГ уха делает их подходящими для реального мониторинга ЭЭГ.[30][31][21][32][33] Общая проблема при записи ЭЭГ - это помехи, возникающие из-за шума и артефактов. В лабораторных условиях артефактов и помех можно в значительной степени избежать или контролировать, в реальной жизни это сложно. Физиологические артефакты - это категория артефактов физиологического происхождения, в отличие от артефактов, возникающих в результате электрических помех. Изучение физиологических артефактов в ЭЭГ уха показало, что артефакты сокращений мышц челюсти были выше для ЭЭГ уха по сравнению с ЭЭГ кожи головы, в то время как моргание глаз не влияло на ЭЭГ уха.[34][35]

Мониторинг сна

Перспективным вариантом использования является долгосрочный мониторинг сна, где в настоящее время существует потребность в более удобной (и более дешевой) альтернативе золотому стандарту. полисомнография.[36][37][38][39] Инновационный фонд Дании недавно профинансировал крупный проект по использованию ушной ЭЭГ для мониторинга сна в сотрудничестве между промышленностью и Орхусским университетом в Дании.[40] тем не менее, разработка монитора сна на основе ушной ЭЭГ является глобальной задачей, и другие известные примеры имеют место в Университете Колорадо,[41] Имперский колледж Лондон[42][17] а также Оксфордский университет[33].

Возможное коммерческое использование

Несмотря на отсутствие на рынке продуктов для ушной ЭЭГ, несколько компаний заявили о своих инвестициях в технологию ушной ЭЭГ. В первую очередь это производители слуховых аппаратов Oticon. [43] и Widex,[44] кто изучает возможности применения слуховых аппаратов, для которых существует некоторая поддержка,[45][46] и гипогликемия тревога.

Другие возможные варианты использования, которые, как известно, были изучены, - это обнаружение сонливости водителя,[47] BCI[48][49] и биометрическая идентификация.[50]

Рекомендации

  1. ^ A1 Патент США US20070112277 A1 
  2. ^ B1 Патент EP EP2448477 B1 
  3. ^ Kidmose, Preben. Слуховые вызванные отклики от записей ушной ЭЭГ. EMBC 2012. Сан-Диего, Калифорния. Дои:10.1109 / EMBC.2012.6345999.
  4. ^ Блайхнер, Мартин (6 апреля 2015 г.). «Изучение миниатюрных электродов ЭЭГ для интерфейсов мозг-компьютер. ЭЭГ вы не видите?». Physiol Rep. 3 (4): e12362. Дои:10.14814 / phy2.12362. ЧВК  4425967. PMID  25847919.
  5. ^ "Осведомленность". Объединенные науки. Получено 25 августа 2016.
  6. ^ Фидлер, Лоренц. ЭЭГ уха позволяет извлекать нервные реакции в сложных сценариях прослушивания - будущая технология для слуховых аппаратов?. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  7. ^ а б Дебенер, Стефан (17 ноября 2015 г.). «Ненавязчивая амбулаторная ЭЭГ с использованием смартфона и гибких печатных электродов вокруг уха». Научные отчеты. 5: 16743. Bibcode:2015НатСР ... 516743Д. Дои:10.1038 / srep16743. ЧВК  4648079. PMID  26572314.
  8. ^ "cEEGrid -". www.ceegrid.com. Получено 2016-11-14.
  9. ^ Kidmose, P .; Looney, D .; Jochumsen, L .; Мандич, Д. П. (июль 2013 г.). «Ухо-ЭЭГ из обычных наушников: технико-экономическое обоснование». 2013 35-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии (EMBC). IEEE. 2013: 543–546. Дои:10.1109 / embc.2013.6609557. ISBN  9781457702167. PMID  24109744. S2CID  10278053.
  10. ^ Донг, Хао. Новая техника внутриушной записи ЭЭГ на основе мягких материалов. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  11. ^ Говердовский, Валентин. Универсальный вязкоэластичный внутриканальный ЭЭГ-монитор. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  12. ^ Говердовский, Валентин (1 января 2016 г.). «Внутриушная ЭЭГ из вязкоупругих наушников общего назначения: надежный и ненавязчивый круглосуточный мониторинг». Журнал датчиков IEEE. IEEE. 16 (1): 271–277. Bibcode:2016ISenJ..16..271G. Дои:10.1109 / JSEN.2015.2471183. HDL:10044/1/43182. S2CID  44224053.
  13. ^ Нортон, Джеймс (31 марта 2015 г.). «Мягкие изогнутые электродные системы, способные интегрироваться в ушную раковину в качестве постоянного интерфейса мозг-компьютер». PNAS. 112 (13): 3920–3925. Bibcode:2015ПНАС..112.3920Н. Дои:10.1073 / pnas.1424875112. ЧВК  4386388. PMID  25775550.
  14. ^ Кассон, Александр (10 мая 2010 г.). «Носимая электроэнцефалография. Что это такое, зачем она нужна и с чем связана?» (PDF). Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology. 29 (3): 44–56. Дои:10.1109 / MEMB.2010.936545. HDL:10044/1/5910. PMID  20659857. S2CID  1891995.
  15. ^ Миккельсен, Кааре (18 ноября 2015 г.). «ЭЭГ, записанная из уха: характеристика метода ушной ЭЭГ». Границы неврологии. 9: 438. Дои:10.3389 / fnins.2015.00438. ЧВК  4649040. PMID  26635514.
  16. ^ Блайхнер, Мартин (5 октября 2016 г.). «Выявление слухового внимания с помощью ЭЭГ уха: сравнение cEEGrid и ЭЭГ высокой плотности». Журнал нейронной инженерии. 13 (6): 066004. Bibcode:2016JNEng..13f6004B. Дои:10.1088/1741-2560/13/6/066004. PMID  27705963.
  17. ^ а б Донг, Хао (18 октября 2016 г.). «Новый метод внутриушной записи ЭЭГ на основе мягкого материала». 2016 38-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии (EMBC). 2016. С. 5709–5712. Дои:10.1109 / EMBC.2016.7592023. HDL:10044/1/44965. ISBN  978-1-4577-0220-4. PMID  28269551. S2CID  27566415.
  18. ^ а б c Каппель, Саймон Л .; Макейг, Скотт; Кидмос, Пребен (10.09.2019). «Прямые модели ЭЭГ уха: улучшенные модели головы для ЭЭГ уха». Границы неврологии. 13: 943. Дои:10.3389 / fnins.2019.00943. ISSN  1662-453X. ЧВК  6747017. PMID  31551697.
  19. ^ Говердовский, Валентин; фон Розенберг, Вильгельм; Накамура, Такаши; Луни, Дэвид; Шарп, Дэвид Дж .; Папавассилиу, Христос; Моррелл, Мэри Дж .; Мандич, Данило П. (декабрь 2017 г.). «Носимые устройства: мультимодальное физиологическое восприятие в ухе». Научные отчеты. 7 (1): 6948. arXiv:1609.03330. Bibcode:2017НатСР ... 7.6948Г. Дои:10.1038 / s41598-017-06925-2. ISSN  2045-2322. ЧВК  5537365. PMID  28761162.
  20. ^ Кидмос, Пребен; Луни, Дэвид; Унгструп, Майкл; Ранг, Майк Линд; Мандич, Данило П. (октябрь 2013 г.). «Исследование вызванных потенциалов от уха-ЭЭГ». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии. 60 (10): 2824–2830. Дои:10.1109 / TBME.2013.2264956. ISSN  0018-9294. PMID  23722447. S2CID  12550407.
  21. ^ а б Хун Ли, Джунг; Мин Ли, Сын; Джин Бён, Hang; Сук Хонг, Чжон; Сук Парк, Кванг; Ли, Сан-Хун (август 2014 г.). «Ушные электроды канального типа на основе CNT / PDMS для незаметной записи ЭЭГ». Журнал нейронной инженерии. 11 (4): 046014. Bibcode:2014JNEng..11d6014L. Дои:10.1088/1741-2560/11/4/046014. ISSN  1741-2552. PMID  24963747.
  22. ^ а б Каппель, Саймон Л .; Kidmose, Preben (июль 2018 г.). «Реальная ЭЭГ уха с сухим контактом». 2018 40-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии (EMBC). 2018. С. 5470–5474. Дои:10.1109 / наб.2018.8513532. ISBN  9781538636466. PMID  30441575. S2CID  53093217.
  23. ^ Сюн Чжоу; Цян Ли; Килсгаард, Сорен; Моради, Фаршад; Каппель, Саймон Л .; Kidmose, Preben (июнь 2016 г.). «Носимая ушная система регистрации ЭЭГ на основе активных электродов с сухим контактом». Симпозиум IEEE 2016 по схемам СБИС (VLSI-Circuits). С. 1–2. Дои:10.1109 / VLSIC.2016.7573559. ISBN  9781509006359. S2CID  37530730.
  24. ^ а б Каппель, Саймон Л .; Kidmose, Preben (июль 2017 г.). «Ухо-ЭЭГ высокой плотности». 2017 39-я Ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2017. С. 2394–2397. Дои:10.1109 / embc.2017.8037338. ISBN  9781509028092. PMID  29060380. S2CID  8902094.
  25. ^ а б Каппель, Саймон Л .; Ранг, Майк Линд; Тофт, Ханс Олаф; Андерсен, Микаэль; Кидмос, Пребен (2018). «Ухо-ЭЭГ с сухим контактом». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии. 66 (1): 150–158. Дои:10.1109 / tbme.2018.2835778. ISSN  0018-9294. PMID  29993415. S2CID  51614629.
  26. ^ Чи, Ю Майк; Юнг, Цзый-Пин; Каувенбергс, Герт (2010). «Сухоконтактные и бесконтактные биопотенциальные электроды: методический обзор». Обзоры IEEE в области биомедицинской инженерии. 3: 106–119. Дои:10.1109 / RBME.2010.2084078. ISSN  1937-3333. PMID  22275204. S2CID  2705602.
  27. ^ Каппель, Саймон Л .; Кидмос, Пребен (август 2015 г.). «Исследование спектров импеданса для сухих и влажных электродов EarEEG». 2015 37-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии (EMBC). 2015. С. 3161–3164. Дои:10.1109 / embc.2015.7319063. ISBN  9781424492718. PMID  26736963. S2CID  450962.
  28. ^ Сюн Чжоу; Цян Ли; Килсгаард, Сорен; Моради, Фаршад; Каппель, Саймон Л .; Kidmose, Preben (июнь 2016 г.). «Носимая ушная система регистрации ЭЭГ на основе активных электродов с сухим контактом». Симпозиум IEEE 2016 по схемам СБИС (VLSI-Circuits). С. 1–2. Дои:10.1109 / vlsic.2016.7573559. ISBN  9781509006359. S2CID  37530730.
  29. ^ Bleichner, Martin G .; Дебенер, Стефан (2017-04-07). «Скрытое, ненавязчивое получение ЭЭГ в центре уха: cEEGrids для прозрачной ЭЭГ». Границы нейробиологии человека. 11: 163. Дои:10.3389 / fnhum.2017.00163. ISSN  1662-5161. ЧВК  5383730. PMID  28439233.
  30. ^ Каппель, Саймон Л. (сентябрь 2016 г.). Разработка и характеристика ушной ЭЭГ для мониторинга мозга в реальной жизни (Кандидатская диссертация). Орхусский университет. Дои:10.7146 / aul.260.183.
  31. ^ Bleichner, Martin G .; Лундбек, Миха; Селиский, Матиас; Миноу, Фальк; Егер, Мануэла; Эмкес, Райнер; Дебенер, Стефан; Де Вос, Маартен (апрель 2015 г.). «Изучение миниатюрных электродов ЭЭГ для интерфейсов мозг-компьютер. ЭЭГ вы не видите?». Физиологические отчеты. 3 (4): e12362. Дои:10.14814 / phy2.12362. ISSN  2051-817X. ЧВК  4425967. PMID  25847919.
  32. ^ Fiedler, L .; Obleser, J .; Lunner, T .; Граверсен, К. (август 2016 г.). «Ухо-ЭЭГ позволяет извлекать нервные реакции в сложных сценариях прослушивания - технология будущего для слуховых аппаратов?». 2016 38-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии (EMBC). 2016. С. 5697–5700. Дои:10.1109 / EMBC.2016.7592020. ISBN  9781457702204. PMID  28269548.
  33. ^ а б Фам, Нхат; Динь, Туан; Рагеби, Зорех; Ким, Тэхо; Буй, Нам; Нгуен, Фук; Чыонг, Хоанг; Банаи-Кашани, Фарнуш; Хэлбауэр, Энн; Динь, Тханг; Ву, Там (15.06.2020). "WAKE: заушная носимая система для обнаружения микросна". Материалы 18-й Международной конференции по мобильным системам, приложениям и услугам. MobiSys '20. Торонто, Онтарио, Канада: Ассоциация вычислительной техники: 404–418. Дои:10.1145/3386901.3389032. ISBN  978-1-4503-7954-0.
  34. ^ Каппель, Саймон Л .; Луни, Дэвид; Мандич, Данило П .; Кидмос, Пребен (2017-08-11). «Физиологические артефакты ЭЭГ кожи головы и ЭЭГ уха». Биомедицинская инженерия онлайн. 16 (1): 103. Дои:10.1186 / s12938-017-0391-2. ISSN  1475-925X. ЧВК  5553928. PMID  28800744.
  35. ^ Каппель, Саймон Л .; Луни, Дэвид; Мандич, Данило П .; Кидмос, Пребен (август 2014 г.). «Метод количественной оценки артефактов на ЭЭГ и эмпирическое исследование артефактов». 2014 36-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии. 2014. С. 1686–1690. Дои:10.1109 / embc.2014.6943931. ISBN  9781424479290. PMID  25570299. S2CID  12524339.
  36. ^ Луни, Дэвид; Говердовский, Валентин; Розенцвейг, Ивана; Моррелл, Мэри Дж .; Мандич, Данило П. (декабрь 2016 г.). «Носимый внутриушный энцефалографический датчик для мониторинга сна. Предварительные наблюдения по результатам исследований дневного сна». Анналы Американского торакального общества. 13 (12): 2229–2233. Дои:10.1513 / Анналы АТС.201605-342BC. ISSN  2329-6933. ЧВК  5291497. PMID  27684316.
  37. ^ Стохгольм, Андреас. Автоматическая классификация стадий сна с использованием ушной ЭЭГ. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  38. ^ Миккельсен, Кааре (2017). «Автоматическая стадия сна с помощью ушной ЭЭГ». Биомедицинская инженерия онлайн. 16 (1): 111. Дои:10.1186 / s12938-017-0400-5. ЧВК  5606130. PMID  28927417.
  39. ^ Нгуен, Ань; Алькураши, Рагда; Рагеби, Зорех; Банаи-кашани, Фарнуш; Halbower, Ann C .; Ву, Там (2016). «Легкая и недорогая внутриушная сенсорная система для автоматического мониторинга сна в течение всей ночи». CD-ROM Материалы 14-й конференции ACM по встроенным сетевым сенсорным системам - SenSys '16. SenSys '16. Стэнфорд, Калифорния, США: ACM Press: 230–244. Дои:10.1145/2994551.2994562. ISBN  9781450342636. S2CID  11709648.
  40. ^ "Øreprop skal aflæse søvnløses hjerneaktivitet". Инновационный фонд Дании. Получено 4 января 2018.
  41. ^ Нгуен, Ань. Легкая и недорогая внутриушная сенсорная система для автоматического мониторинга сна в течение всей ночи. 14-я конференция ACM по встроенной сетевой сенсорной системе. Стэнфорд, США.
  42. ^ Мосс, Джеймс (2017). «Эффективность внутриушной электроэнцефалографии (ЭЭГ) для мониторинга задержки сна и влияния депривации сна». А80-С. НОВЫЕ ПОДХОДЫ ДИАГНОСТИКИ К SDB. Тезисы докладов международной конференции Американского торакального общества. Американское торакальное общество. стр. A7596. Дои:10.1164 / ajrccm-conference.2017.195.1_MeetingAbstracts.A7596 (неактивно 2020-10-22).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на октябрь 2020 г. (связь)
  43. ^ Фидлер, Лоренц. ЭЭГ вокруг уха отражает присутствующего говорящего в сценарии с несколькими динамиками. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  44. ^ «Тревога при гипогликемии на основе ЭЭГ уха». Орхусский университет. Получено 31 августа 2016.
  45. ^ Миркович, Бояна (27 июля 2016 г.). «Обнаружение целевого динамика со скрытой ЭЭГ вокруг уха». Границы неврологии. 9: 438. Дои:10.3389 / fnins.2015.00438. ЧВК  4649040. PMID  26635514.
  46. ^ Миркович, Бояна. ЭЭГ уха позволяет извлекать нервные реакции в сложных сценариях прослушивания - будущая технология для слуховых аппаратов?. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  47. ^ Хван, Тэхо. Обнаружение сонливости водителя с помощью внутриушной ЭЭГ. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  48. ^ Чой, Су-Ин. Возможность использования ЭЭГ уха для разработки системы практического интерфейса мозг-компьютер: предварительное исследование. EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  49. ^ Ю-Дэ Ван; Наканиши, Масаки; Каппель, Саймон Линд; Кидмос, Пребен; Мандич, Данило П .; Ицзюнь Ван; Чунг-Куан Ченг; Цзы-Пин Юнг (август 2015 г.). «Разработка онлайн-системы интерфейса мозг-компьютер на основе постоянного визуального вызванного потенциала с использованием EarEEG». 2015 37-я ежегодная международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии (EMBC). 2015. С. 2271–2274. Дои:10.1109 / embc.2015.7318845. ISBN  9781424492718. PMID  26736745. S2CID  5996098.
  50. ^ Ян, Джонг-Кай. Прошивка аутентификации с помощью недорогого EarEEG. EMBC 2016. Орландо, Флорида.