Summary
这里介绍的是使用c-grid(耳脑电图,以cEEGrid的名称出售)长时间记录实验室内外大脑活动的程序。该协议描述了如何设置这些数组以及如何使用它们记录大脑活动。
Abstract
c-grid(耳脑电图,以cEEGrid的名义出售)是一种不显眼且舒适的电极阵列,可用于在贴在耳朵周围后研究大脑活动。c-grid适合在实验室外长时间使用,甚至一整天。可以使用这些网格研究各种认知过程,如以前的研究所示,包括实验室以外的研究。为了记录高质量的耳脑电图数据,必须仔细准备。在此协议中,我们解释了成功实施所需的步骤。首先,显示了如何在录制之前测试网格的功能。其次,描述了如何准备参与者以及如何适应c网格,这是记录高质量数据的最重要步骤。第三,概述了如何将电网连接到放大器以及如何检查信号质量。在此协议中,我们列出了使c网格记录成功的最佳实践建议和技巧。如果研究人员遵循此协议,他们将全面装备在实验室内外进行c网格实验。
Introduction
通过移动耳脑电图(EEG),可以记录日常生活中的大脑活动,并且可以获得实验室以外的神经处理的新见解1。为了适合日常生活,移动耳脑电图系统应该是透明的、不显眼的、易于使用的、运动耐受性的,即使佩戴几个小时也能舒适2。c-grid(以cEEGrid的名义出售)是一种c形耳EEG系统,旨在满足这些要求,以尽量减少对自然行为的干扰。网格由印在Flexprint材料3上的10个Ag/AgCl电极组成。结合小型化的移动放大器和用于数据采集的智能手机4,5,这些网格可用于收集超过8小时的耳脑电图数据1,6。
在实验室进行的几项研究表明,c-grids在研究听觉和其他认知过程方面具有潜力。C网格已成功用于听觉注意力解码,其精度高于机会水平7,8,9,10,11。Segaert等人12使用这些阵列来量化轻度认知障碍患者的语言障碍。Garrett等人13表明,这些阵列可以捕获源自脑干的听觉脑电位。除了专注于听觉领域的研究外,Knierim等人14还使用网格来研究通过α功率变化来测量的心流体验(即完全参与任务的感觉)。最后,Pacharra等人15将这些网格用于视觉任务。所有这些基于实验室的研究都展示了可以用这些网格捕获的各种认知过程。
这些网格也可用于实验室以外的脑电图记录,如几项研究所说明的那样。例如,这些阵列已被用于评估驾驶模拟器16,17中的精神负荷,并在飞行模拟器18中研究注意力不集中的耳聋,即对关键警报声音的非感知。这些网格特别有希望用于长期记录,例如癫痫发作2和睡眠分期6的长期监测。Hölle等人1使用这些网格来测量办公室一天6小时的听觉注意力。总之,所有这些研究都强调了它们在实验室内外研究各种大脑过程的潜力。
每次脑电图记录都需要仔细准备才能获得有效的结果。这对于移动应用程序尤其重要,因为由于参与者的移动,预计会比实验室中有更多的伪影。为了确保最佳结果,需要特定的制备步骤。我们陈述了准备网格,准备参与者进行数据收集以及安装和连接用于脑电图记录的网格的关键步骤。我们指出潜在的错误,并在附件不正确时展示数据质量差的示例。最后,展示了一个钢琴演奏古怪任务的代表性结果。
Protocol
该协议中使用的一般程序已获得奥尔登堡大学伦理委员会的批准。参与者在参与之前提供了书面知情同意书。
注意:c-grids只能用于未受损的皮肤和对所用粘合剂不过敏的参与者。它有两面。外面有黑色文字。电极的导电表面位于内部,在录制过程中它们面向参与者的皮肤。重要的是,请小心处理这些网格。请勿触摸导电表面,不要折叠网格,不要过度弯曲它们,并避免拉扯它们。
1. 测试
注意:如果小心处理,c型网格可以重复使用多次。为确保最佳功能,请在下次记录之前检查所有电极是否正常工作。在记录开始之前,对新网格执行相同的程序,以识别潜在问题(例如,由于制造过程中的问题)。有几个选项可以快速检查问题(例如,电极损坏)。
- 选项 1:万用表。
- 设置万用表以测量电阻。
- 将万用表的一个引脚连接到电极,将另一个引脚连接到连接器端的相应触点。
- 检查是否可以测量每个电极的低电阻(<10 kΩ)。
- 选项2:电极凝胶
- 使用电极凝胶桥接所有电极。确保电极之间没有间隙。
- 将网格连接到放大器的连接器。要查看信号,请根据所使用的连接器布局将网格连接到带有参考电极和接地电极的一侧。
- 使用放大器的阻抗检查。检查参比电极和所有八个记录电极的阻抗(总共 10 个电极减去接地电极和参比电极);它们必须都具有低阻抗(<10 kΩ)。之后,擦去凝胶。
- 选项3:水
注:请谨慎使用此选项,以免对设备造成任何水损坏。- 将所有电极浸入一杯水中,但请确保保持网格尾部干燥。或者,将c网格放在装满水的板中(电极面向板)。
- 将网格连接到放大器的连接器。
- 使用放大器的阻抗检查。检查参比电极和所有八个记录电极的阻抗(总共 10 个电极减去接地电极和参比电极);它们必须都具有低阻抗(<10 kΩ)。之后,用纸巾擦干c网格。
2. 为参与者做好准备
注意:对于高质量的录音,参与者应该有干净和干燥的头发,不应该使用任何美发产品(例如,造型产品)或皮肤产品,不应该化妆。如果可能的话,参与者应该在录制前直接用温和和中性的洗发水洗头,并清洗耳朵周围的区域。要求参与者指出是否有任何准备步骤对他们来说不舒服。
- 为了让参与者做好准备,实验者需要进入耳朵后面和周围的区域。对于头发较长的参与者,请使用发夹以方便访问。
- 在参与者的耳朵周围放置一个c网格,看看它是如何贴合的。此外,检查是否可以在不接触耳朵的情况下将其放置在耳朵周围。确保它不会接触耳后或耳垂,因为这会在一段时间后感到不舒服。这种预拟合还指示了将要覆盖的区域,因此需要清洁。
注意:这些网格有一种尺寸,并不适合所有耳朵尺寸。对于较大的耳朵,用一把小剪刀在 C 内部的电极周围剪一些塑料。特别注意不要切入电极或导电路径。 - 将一小滴研磨电极凝胶滴在纸巾上。使用凝胶用一定的压力清洁参与者耳朵周围的皮肤,但要确保参与者保持舒适。确保慷慨地清洁将要覆盖的整个区域。
- 将纸巾浸入一些酒精中,然后用这种纸巾清洁耳后区域。
- 用干净的毛巾擦干清洁的区域。
- 为了获得更高的舒适度,可以选择在耳朵的背面放置一小块胶带。
- 对另一只耳朵重复上述所有步骤(步骤2.1-2.5)。
3. 准备和安装网格
注意: 使用双面胶带连接 c 网格有不同的方法。这里展示两种选择:覆盖整个表面的C形贴纸(由制造商提供)和单独放置在电极周围的小圆形贴纸(例如,重复使用时)。
- 在每个电极周围贴上双面不干胶贴纸(C 形或单个贴纸)。确保贴纸没有覆盖电极的导电表面。
- 在每个电极上放置小滴(扁豆大小)电极凝胶。避免使用过多的凝胶,因为这可能会溢出到粘合材料上并减少对皮肤的附着力。过多的凝胶也会在电极之间形成桥梁。
- 取下不干胶贴纸的盖子。重新涂抹凝胶,以防在此步骤中将其取出。或者,取下第一个盖子,然后涂抹凝胶;然而,这需要非常稳定的手,这样凝胶就不会意外地溢出到粘合剂上。
- 要求参与者将头发远离耳朵,以免妨碍安装。尽可能移开任何头发,使贴纸直接接触皮肤。根据发际线的不同,这并不总是可能的(例如,当耳朵正上方有头发时)。
- 将网格放在耳朵周围,就位后将其按入皮肤。确保不要将其放置在离耳朵太近的地方,因为这可能会让参与者感到不舒服。在网格和耳朵背面之间留出一些空间(1 毫米至 2 毫米)。此外,要求参与者按压电极。
- 对另一只耳朵重复上述所有步骤(步骤3.1-3.5)。
- 取下所有发夹。如有必要,小心地将眼镜或面膜条放在耳朵上。
4. 连接
- 将连接器连接到放大器。在此步骤中,避免过度弯曲或拉扯c形栅。
- 将触点插入连接器。确保触点插入正确的一侧。确保 C 网格内侧的裸露触点与连接器中的触点朝向。
注意:了解所用连接器的布局(包括接地和参比电极的位置)非常重要。根据所使用的系统,布局可能会有所不同。若要构建连接器,请访问 https://uol.de/psychologie/abteilungen/ceegrid。使用正确的连接器,c-grid可以连接到任何放大器。 - 例如,要将放大器固定到位,请使用头带将其固定在磁头上。
注意:奥尔登堡实验室使用内置于名为nEEGlace的颈部扬声器中的放大器。nEEGlace使设置更舒适,更快捷。
5. 检查阻抗和数据
- 通过蓝牙将放大器连接到智能手机(可选:笔记本电脑)。
- 用放大器的阻抗检查检查电极的阻抗。阻抗通常会随着时间的推移(5分钟到10分钟)而改善,并且开始时每个电极的阻抗不必低于10 kΩ。不要试图在高阻抗电极下方放置更多的凝胶。
- 检查脑电图信号。要求参与者咬紧下巴,眨眼,闭上眼睛(阿尔法活动)。观察信号中相应的伪影和阿尔法活动。确保每个电极都提供良好的信号。如果产生的脑电信号很差,请取下网格,擦去参与者耳朵周围的任何残留凝胶,然后安装新的凝胶。
- 开始录制。
6. 移除和清理
- 完成数据记录后,断开手机(或笔记本电脑)与放大器的连接。将网格从放大器上拆下,然后将放大器从参与者身上卸下。轻轻地从参与者身上取下 c 网格。确保既不要过度弯曲c网格,也不要拔掉参与者的头发。让参与者用纸巾或毛巾清洁自己。
- 将网格浸泡在水中几分钟。它们可以完全浸没。
- 小心地拆下贴纸以避免损坏。冲洗掉任何残留的凝胶。风干网格。不要在电极的导电表面上摩擦。
- 将c-grids安全地存放在黑暗干燥的地方。
Representative Results
遵循此协议时,每个电极的阻抗通常低于10 kΩ或在放置网格后几分钟接近该值(图1),表明电极与皮肤接触良好。值得注意的是,在安装后2小时内阻抗仍可能改善。
图2 显示了不同的未处理脑电图信号。 图2A 说明了不使用凝胶时数据的外观。需要导电凝胶,不使用凝胶,网格无法正常工作。如果使用过多的凝胶,电极可能会桥接。此方案的数据如图 2B 所示。桥接电极显示完全相同的信号。当仔细进行准备和装配时,可以期待高质量的数据,如图 2C所示。
图 3 说明了一个参与者的示例性事件相关潜力 (ERP) 范式(古怪任务)的过程和数据。图 3A 说明了该范例。具体来说,实验者在钢琴上演奏了两个不同音符的预定义序列(中C和中G)。中C经常演奏(328次),中G不经常演奏(78次);参与者必须数出不常见的笔记。开源 AFEx 应用程序记录了所有音调的音调开始、响度 (RMS) 和频谱内容 (PSD)。Record-A 应用程序同时记录声学特征和EEG 4。在分析中,根据功率谱密度区分不频繁和频繁的音调(PSD;详见Hölle等人19)。EEG数据在0.1 Hz下进行高通滤波,在25 Hz下进行低通滤波。使用广义特征向量分解计算空间滤波器,最大化感兴趣的信号20。在图3B,C中,可以观察到具有听觉处理典型组件的ERP,例如N1表示两种音调,P3表示必须计数的不常用音调。这些结果与之前对c-grids1,3和cap-EEG21,22的古怪研究一致。
图 1:良好阻抗的示例。 所有值均以千欧 (kΩ) 为单位。 请点击此处查看此图的大图。
图 2:具有不同质量的未处理信号的图示。 (A)完全不使用电极凝胶时的10秒数据示例。(B)电极桥接时10秒数据的示例。(C)在实验室中获取的10秒良好数据的示例。请点击此处查看此图的大图。
图 3:一个参与者的事件相关潜力 (ERP) 范式(古怪任务)的结果。 (A) 范式概述。参与者听着钢琴上弹奏的一系列音调,并不得不数出不常见的音调。智能手机同时记录所有c网格通道的脑电图和声学特征(B)ERP。缩写:REF = 参比电极;DRL = 接地电极。(C)基于左上角显示的空间过滤器的ERP。请点击此处查看此图的大图。
Discussion
这里提供的是使用c网格进行耳脑电图记录的协议。遵循此协议的步骤可确保高质量的录音。在以下段落中,与cap-EEG进行了比较,讨论了协议中最关键的步骤以及一些最佳实践建议,并讨论了一些修改。
c型脑电图与帽脑电图和入耳式脑电图的比较
c-grid允许在日常生活中不显眼地记录大脑活动,非常适合长时间的记录。与帽脑电图相比,它具有几个优点。首先,由于其重量、舒适性和低能见度,它几乎不会限制参与者的日常活动1.其次,它可以长时间佩戴 - 在一项研究中超过11小时6 - 电极不会脱落1,3,6,因为它们被胶粘性贴纸密封。不利的一面是,c-grid仅覆盖帽脑电图表面的一小部分,因此不能代替帽脑电图用于所有目的。然而,在需要轻量级、不显眼、快速设置、限制最小的解决方案的情况下(例如,在工作场所),c-grids可以提供相关的神经信息。
与帽脑电图相比,c-grids对参与者之间结果的比较可能更加困难。对于帽脑电图,通常使用国际10-20系统来促进研究之间和不同头部大小的参与者的结果比较。在该系统中,电极相对于特定的解剖标志(即,从前到后的鼻孔和内离子以及从左到右的耳朵)定位。在实践中,使用不同的盖子尺寸来解释不同的头部尺寸,从而近似最佳电极定位。由于两个原因,c网格不能轻易集成到该系统中。首先,这些目前以一种尺寸提供,因此,根据头部尺寸,可以覆盖或多或少的空间。其次,耳朵的形状会影响网格的位置。一般来说,最上面的两个电极将直接在耳朵上方,但根据耳朵的形状,它们可能会更多地向前或向后倾斜。我们不知道有任何研究调查了电极位置的这些变化是否足够大以具有相关性。
测量耳脑电图的另一种方法是将电极放置在耳内,例如,在外耳道或孔23,24,25中。这种方法提供的可见性甚至比c网格更低,但由于电极26之间的距离很小,导致记录幅度较低的信号。
最关键的步骤
一般来说,脑电图,尤其是移动式耳式脑电图,仍然是一项具有挑战性的技术。因此,参与者的仔细准备和网格的放置对于确保长期的良好数据质量至关重要。准备工作从参与者的头发和皮肤开始。耳朵周围的头发和皮肤应清洗和干燥。除此之外,实验者还需要用研磨凝胶和酒精仔细清洁耳朵周围的区域,并确保网格与胶粘性贴纸牢固连接。这些步骤很重要,应小心执行,以确保良好的电极-皮肤粘附和长时间的低阻抗。皮肤清洁尤其可以决定成功和失败的录音。
然而,即使小心谨慎,单个电极的阻抗在放置电极后可能仍然很差。通常,电极-皮肤界面会随着时间的推移而稳定,我们经常观察到阻抗在5分钟到15分钟内降低。如果信号质量仍然很差,建议完全去除网格,擦去参与者耳朵周围的任何残留凝胶,并安装新的凝胶。安装新的网格比清洁和准备先前拆除的网格更快。安装网格后,不建议将电极凝胶添加到单个电极上,因为这会影响贴纸的粘合强度,甚至可能导致相邻电极的桥接。
放置网格后,当电极的阻抗较低时,可以开始数据记录。对于较长的记录(>1小时),应在开始时进行简短的数据质量检查。例如,本研究举例说明了一个3分钟的听觉古怪任务,可以快速进行和分析,以确保良好的信号质量。
在某些情况下,使用 c 网格进行录制可能根本无法进行,例如当网格对于耳朵来说太小时(即使在切割后)或发际线离耳朵太近时,这意味着网格不会粘在皮肤上。如果网格“悬停”在一些头发上,研究人员就不能指望高质量的数据。
故障 排除
阻抗和/或信号不良
为避免这些问题,在贴合前必须仔细清洁皮肤。此外,应确保在安装之前测试每个电极的功能。例如,应检查网格是否正确插入连接器,并且每个电极是否与皮肤牢固接触,然后等待几分钟,直到阻抗和信号改善。为了在安装后进一步检查功能,应按下单个电极,并检查产生的信号。如果每个电极的相应信号显示响应,则电极原则上起作用。如果上述所有步骤都没有帮助,则应取下网格,擦去参与者耳朵周围的残留凝胶,然后安装新的凝胶。
没有信号的情况
首先,应确保电网正确连接到放大器,并确保电网连接器没有倒置。只有当接地电极和参比电极连接时,才会有信号;接地和基准是位于左侧、右侧还是两侧取决于连接器。
录制过程中信号变差
此问题可能有几个原因需要解决。首先,一些电极可能已经从皮肤上脱落。当粘合剂受到电极凝胶残留物、电极下方的头发或参与者的干扰(例如,在耳朵周围抓挠或调整眼镜)的影响时,就会发生这种情况。其次,电网和放大器之间的连接可能存在问题(即,网格可能已从放大器中拉出,或者其位置可能已移动)。最后,电网在使用过程中可能会受到损坏。如果 c 网格的尾部弯曲得太厉害,就会发生这种情况。
显示相同信号的通道
在这种情况下,电极是桥接的。应该取下网格,擦去参与者耳朵周围的残留凝胶,然后安装一个新的。还应确保在每个电极上仅使用扁豆大小的电极凝胶滴,以避免桥接。
参与者报告安置不舒服
舒适度降低的最常见原因是网格放置得太靠近耳朵的背面。应确保在 c 形网格和耳朵背面之间留出 1 毫米到 2 毫米的距离。耳朵后面贴一小块胶带有助于增加舒适度。
方法的修改
c网格有一种尺寸。但是,它允许其大小具有一定的灵活性。通过切割内侧的塑料,可以减小尺寸以适应更大的耳朵。应特别注意不要切入电极或导电路径。
根据所使用的放大器和录音场景,有不同的方法可以将放大器放置在机身上。网格尾部的固定长度以及它水平指向远离耳朵的事实限制了放置放大器连接器的可能位置。不同的制造商提供适配器电缆,将电网连接到特定的放大器(移动或基于实验室)。已经提出了不同的解决方案来放置放大器;一些研究人员使用头带3,而另一些研究人员则将其集成到基帽27中。对于较短的实验,头带是合适的。对于较长的实验,放大器可以粘在衣服6 或身体2上,存放在定制的带子上,贴在戴在脖子1上的耳机上,或粘在通常用于山地自行车的颈部保护器上。我们开发了一个原型,它将颈部扬声器(用于呈现听觉刺激)与移动脑电放大器和c网格连接器相结合(构建说明可以在这里找到:https://github.com/mgbleichner/nEEGlace)。我们在最近的一项研究(准备中)中成功地使用了这种方法,其中我们在参与者在办公室工作时记录了4小时的耳脑电图。
未来应用
c-grid是日常生活中长期记录的有前途的工具。例如,可以使用它来研究日常生活中的声音处理1。通过长期记录,还可以研究认知和听觉功能的昼夜节律变化28,29。出于诊断目的,该网格可用于长期监测癫痫发作2,睡眠分期6,或用于测量听力设备7,11的注意力。
结论
该协议全面装备了研究人员在实验室内外对这些c网格进行实验。如果研究人员遵循此协议并仔细执行步骤,包括最重要的步骤,例如皮肤清洁和安装c-grid,他们可以期待耳脑电图实验的高质量数据。
Disclosures
作者报告没有利益冲突。
Acknowledgments
这项工作由德国研究基金会(DFG,德国研究基金会)在艾美奖-诺特计划下资助,BL 1591/1-1 - 项目ID 411333557。我们感谢Suong Nguyen,Manuela Jäger和Maria Stollmann协助拍摄视频。我们感谢乔安娜·斯坎伦的视频画外音。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Abrasive gel: Abralyt HiCl | easycap GmbH, Germany | ||
AFEx app | University of Oldenburg, Germany | for our exemplary data recording, open-source: https://zenodo.org/record/5814670#.Y0AavXZByUk | |
Alcohol | Carl Roth GmbH + Co. KG, Germany | 70% isopropanol, 30% destilled water | |
c-grid: cEEGrid | TSMI, Oldenzaal, The Netherlands | ||
cEEGrid connector | University of Oldenburg, Germany | costum build | |
EEG acquisition app: Smarting | mBrainTrain, Serbia | ||
Matlab | The MathWorks, Inc., USA | used for data analyses and creating the figures | |
Medical tape: Leukosilk | BSN medical GmbH, Germany | ||
mobile EEG amplifier: Smarting MOBI | mBrainTrain, Serbia | ||
Multimeter | PeakTech Prüf- und Messtechnik GmbH, Germany | optional device to check functionality of electrodes | |
nEEGlace | University of Oldenburg, Germany | costumized neckspeaker with integrated EEG amplifier (Smarting, mBrainTrain, Serbia) and cEEGrid connectors | |
Paper wipes | - | ||
Record-a app | University of Oldenburg, Germany | for our exemplary data recording, open-source: https://github.com/NeuropsyOL/Pocketable-Labs | |
Smartphone: Google Pixel 3a | Google LLC, USA | ||
Yahama Digital Piano P-35 | Hamamatsu, Japan | for our exemplary data recording |
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