Opname van hersenactiviteit met oor-elektro-encefalografie
Summary
Hier wordt de procedure gepresenteerd voor het gebruik van het c-grid (oor-elektro-encefalografie, verkocht onder de naam cEEGrid) voor het registreren van hersenactiviteit in en buiten het laboratorium voor langere duur. Dit protocol beschrijft hoe u deze arrays instelt en hoe u hersenactiviteit registreert met behulp van hen.
Abstract
Het c-grid (oor-elektro-encefalografie, verkocht onder de naam cEEGrid) is een onopvallende en comfortabele elektrode-array die kan worden gebruikt voor het onderzoeken van hersenactiviteit na het aanbrengen rond het oor. Het c-grid is geschikt voor gebruik buiten het laboratorium voor lange duur, zelfs voor de hele dag. Verschillende cognitieve processen kunnen worden bestudeerd met behulp van deze rasters, zoals aangetoond door eerder onderzoek, inclusief onderzoek buiten het laboratorium. Om oor-EEG-gegevens van hoge kwaliteit vast te leggen, is een zorgvuldige voorbereiding noodzakelijk. In dit protocol leggen we de stappen uit die nodig zijn voor een succesvolle implementatie. Eerst wordt getoond hoe u de functionaliteit van het raster voorafgaand aan een opname kunt testen. Ten tweede wordt een beschrijving gegeven van hoe de deelnemer moet worden voorbereid en hoe het c-raster moet worden aangebracht, wat de belangrijkste stap is voor het vastleggen van gegevens van hoge kwaliteit. Ten derde wordt een overzicht gegeven van hoe de netten op een versterker moeten worden aangesloten en hoe de signaalkwaliteit moet worden gecontroleerd. In dit protocol vermelden we aanbevelingen en tips voor best practices die c-grid-opnames succesvol maken. Als onderzoekers dit protocol volgen, zijn ze uitgebreid uitgerust om te experimenteren met het c-grid, zowel in als buiten het laboratorium.
Introduction
Met mobiele oor-elektro-encefalografie (EEG) kan hersenactiviteit in het dagelijks leven worden geregistreerd en kunnen nieuwe inzichten in neurale verwerking buiten het laboratorium worden verkregen1. Om geschikt te zijn voor het dagelijks leven, moet een mobiel oor-EEG-systeem transparant, onopvallend, gebruiksvriendelijk, bewegingstolerant en comfortabel zijn om zelfs enkele uren te dragen2. Het c-grid (verkocht onder de naam cEEGrid), een c-vormig oor-EEG-systeem, heeft tot doel aan deze vereisten te voldoen om interferentie met natuurlijk gedrag te minimaliseren. Het rooster bestaat uit 10 Ag/AgCl elektroden geprint op Flexprint materiaal3. In combinatie met een geminiaturiseerde, mobiele versterker en een smartphone voor data-acquisitie 4,5, kunnen deze rasters worden gebruikt om oor-EEG-gegevens te verzamelen gedurende meer dan 8 uur 1,6.
Verschillende studies uitgevoerd in het laboratorium hebben het potentieel van c-grids aangetoond voor het bestuderen van auditieve en andere cognitieve processen. C-grids zijn met succes gebruikt voor auditieve aandachtsdecodering met nauwkeurigheid boven kansniveau 7,8,9,10,11. Segaert et al.12 gebruikten deze arrays om taalstoornissen te kwantificeren bij patiënten met milde cognitieve stoornissen. Garrett et al.13 toonden aan dat deze arrays auditieve hersenpotentialen kunnen vastleggen die afkomstig zijn van de hersenstam. Afgezien van het onderzoek dat zich richtte op het auditieve domein, gebruikten Knierim et al.14 de rasters om stroomervaringen te onderzoeken (d.w.z. het gevoel van totale betrokkenheid bij een taak), zoals gemeten door veranderingen in alfavermogen. Ten slotte gebruikten Pacharra et al.15 deze rasters voor een visuele taak. Al deze laboratoriumstudies tonen de verschillende cognitieve processen die met deze rasters kunnen worden vastgelegd.
Deze rasters kunnen ook worden gebruikt voor EEG-opnames buiten het laboratorium, zoals geïllustreerd door verschillende studies. Deze arrays zijn bijvoorbeeld gebruikt om mentale belasting te evalueren in een rijsimulator16,17 en om onbedoelde doofheid, de niet-perceptie van kritieke alarmgeluiden, in een vluchtsimulator18 te bestuderen. De rasters zijn vooral veelbelovend voor langetermijnregistraties, zoals de langetermijnmonitoring van epileptische aanvallen2 en slaapstadiëring6. Hölle et al.1 gebruikten deze rasters om de auditieve aandacht te meten tijdens een werkdag gedurende 6 uur. Kortom, al deze studies benadrukken hun potentieel om verschillende hersenprocessen in en buiten het laboratorium te onderzoeken.
Elke EEG-opname vereist een zorgvuldige voorbereiding om geldige resultaten te verkrijgen. Dit is vooral belangrijk voor mobiele applicaties waar meer artefacten kunnen worden verwacht dan in het lab vanwege de beweging van de deelnemer. Om optimale resultaten te garanderen, zijn specifieke voorbereidingsstappen noodzakelijk. We vermelden de kritieke stappen in het voorbereiden van de rasters, het voorbereiden van de deelnemer op gegevensverzameling en het aanbrengen en aansluiten van de rasters voor EEG-opnames. We wijzen op mogelijke fouten en laten voorbeelden zien van slechte gegevenskwaliteit wanneer de bijlage niet correct is. Ten slotte worden representatieve resultaten van een piano-gespeelde oddball-taak getoond.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier is een protocol voor oor-EEG opnames met de c-grids. Het volgen van de stappen van dit protocol zorgt voor opnames van hoge kwaliteit. In de volgende paragrafen wordt een vergelijking gemaakt met cap-EEG, worden de meest kritische stappen in het protocol samen met enkele aanbevelingen voor beste praktijken besproken en enkele wijzigingen besproken.
Vergelijking van c-grids met cap-EEG en in-ear EEG
Het c-grid maakt de onopvallende registratie van hersenactiviteit in het dagelijks leven mogelijk en is zeer geschikt voor langere opnames. Het heeft verschillende voordelen ten opzichte van cap-EEG. Ten eerste beperkt het vanwege het gewicht, het comfort en het lage zicht nauwelijks de deelnemers aan hun dagelijkse activiteiten1. Ten tweede kan het gedurende langere tijd worden gedragen – meer dan 11 uur in één onderzoek6 – zonder dat de elektroden 1,3,6 afvallen, omdat ze worden verzegeld door de zelfklevende stickers. Aan de andere kant beslaat het c-grid slechts een fractie van het oppervlak van cap-EEG en kan het dus niet cap-EEG voor alle doeleinden vervangen. In gevallen waarin echter een lichtgewicht, onopvallende, snel in te stellen, minimaal beperkende oplossing nodig is (bijvoorbeeld op de werkplek), kunnen c-grids relevante neurale informatie bieden.
De vergelijking van resultaten tussen deelnemers is mogelijk moeilijker voor c-grids in vergelijking met cap-EEG. Voor cap-EEG wordt vaak het internationale 10-20-systeem gebruikt om de vergelijking van resultaten tussen studies en tussen deelnemers met verschillende hoofdmaten te vergemakkelijken. In dit systeem worden de elektroden gepositioneerd ten opzichte van specifieke anatomische oriëntatiepunten (d.w.z. de nasie en inion voor voor naar achter en de oren voor van links naar rechts). In de praktijk worden verschillende dopmaten gebruikt om rekening te houden met verschillende hoofdmaten en daardoor de optimale elektrodepositionering te benaderen. Het c-grid kan om twee redenen niet gemakkelijk in dat systeem worden geïntegreerd. Ten eerste zijn deze momenteel verkrijgbaar in één maat en bedekken ze dus meer of minder ruimte, afhankelijk van de hoofdmaat. Ten tweede beïnvloedt de vorm van het oor de positionering van de rasters. Over het algemeen bevinden de twee bovenste elektroden zich direct boven het oor, maar afhankelijk van de oorvorm kunnen ze meer naar voren of naar achteren worden gekanteld. We zijn niet op de hoogte van een studie die heeft onderzocht of deze verschuivingen in elektrodeposities groot genoeg zijn om relevant te zijn.
Een andere benadering voor het meten van oor-EEG is om de elektroden in het oor te plaatsen, bijvoorbeeld in de buitenste gehoorgang of de concha 23,24,25. Een dergelijke benadering biedt nog minder zicht dan het c-grid, maar leidt tot het opnemen van signalen met lagere amplitudes vanwege de kleine afstanden tussen de elektroden26.
Meest kritieke stappen
EEG in het algemeen, en vooral mobiel oorgericht EEG, blijft een uitdagende technologie. Daarom is de zorgvuldige voorbereiding van de deelnemer en de plaatsing van de netten essentieel om een goede datakwaliteit in de loop van de tijd te waarborgen. De voorbereiding begint met het haar en de huid van de deelnemers. Het haar en de huid rond het oor moeten worden gewassen en gedroogd. Daarnaast moet de experimentator het gebied rond het oor zorgvuldig reinigen met schurende gel en alcohol en ervoor zorgen dat de roosters stevig zijn bevestigd met de zelfklevende stickers. Deze stappen zijn belangrijk en moeten zorgvuldig worden uitgevoerd om een goede elektrode-huidhechting en een lage impedantie voor langere perioden te garanderen. Vooral de huidreiniging kan het verschil maken tussen een succesvolle en een mislukte opname.
Zelfs met de juiste zorg kan de impedantie voor individuele elektroden echter nog steeds slecht zijn direct na het plaatsen van de elektroden. Over het algemeen stabiliseert de elektrode-huidinterface in de loop van de tijd en we zien vaak dat de impedantie binnen 5 minuten tot 15 minuten afneemt. Als de signaalkwaliteit slecht blijft, wordt aanbevolen om de roosters volledig te verwijderen, eventuele resterende gel rond het oor van de deelnemer af te vegen en een nieuwe te plaatsen. Het is sneller om een nieuwe te plaatsen in tegenstelling tot het schoonmaken en voorbereiden van het eerder verwijderde rooster. Het wordt niet aanbevolen om elektrodegel toe te voegen aan individuele elektroden zodra het rooster is aangebracht, omdat dit de hechtingssterkte van de stickers in gevaar kan brengen en zelfs kan leiden tot het overbruggen van de naburige elektroden.
Nadat het rooster is geplaatst en wanneer de impedantie van de elektroden laag is, kan de gegevensregistratie beginnen. Voor langere opnames (>1 uur) moet aan het begin een korte gegevenskwaliteitscontrole worden uitgevoerd. Een auditieve oddball-taak van 3 minuten wordt bijvoorbeeld geïllustreerd in deze studie, die snel kan worden uitgevoerd en geanalyseerd om een goede signaalkwaliteit te garanderen.
In sommige gevallen is opnemen met het c-raster helemaal niet mogelijk, zoals wanneer het raster te klein is voor het oor (zelfs na het knippen) of wanneer de haarlijn te dicht bij het oor ligt, wat betekent dat het raster niet aan de huid kleeft. Als het raster over wat haar “zweeft”, kunnen onderzoekers geen gegevens van hoge kwaliteit verwachten.
Probleemoplossing
Slechte impedantie en/of signaal
Om deze problemen te voorkomen, is het noodzakelijk dat de huid zorgvuldig wordt gereinigd voordat deze wordt aangebracht. Bovendien moet men ervoor zorgen dat de functionaliteit van elke elektrode vóór de montage wordt getest. Men moet bijvoorbeeld controleren of het rooster correct is aangesloten op de connector en dat elke elektrode stevig contact heeft met de huid en vervolgens een paar minuten wachten totdat de impedantie en het signaal verbeteren. Om de functionaliteit na het aanbrengen verder te controleren, moeten de afzonderlijke elektroden worden ingedrukt en moet het resulterende signaal worden gecontroleerd. Als het overeenkomstige signaal van elke elektrode een respons vertoont, is de elektrode in principe functioneel. Als alle bovenstaande stappen niet helpen, moet men het rooster verwijderen, de resterende gel rond het oor van de deelnemer afvegen en een nieuwe passen.
Situaties zonder signaal
Ten eerste moet men ervoor zorgen dat het net goed is aangesloten op de versterker en ervoor zorgen dat de netconnector niet ondersteboven staat. Er zal alleen een signaal zijn als de aard- en referentie-elektroden zijn aangesloten; of de massa en referentie zich aan de linkerkant, de rechterkant of aan beide zijden bevinden, hangt af van de connector.
Signaal wordt erger tijdens de opname
Er kunnen verschillende redenen zijn voor dit probleem die moeten worden aangepakt. Ten eerste kunnen sommige elektroden los zijn geraakt van de huid. Dit kan gebeuren wanneer de lijm wordt aangetast door de overblijfselen van de elektrodegel, door haar onder de elektroden of door interferentie van de deelnemer (bijvoorbeeld krabben rond het oor of het aanpassen van een bril). Ten tweede kunnen er problemen zijn met de verbinding tussen het net en de versterker (d.w.z. het raster kan uit de versterker zijn getrokken of de positie ervan kan zijn verschoven). Ten slotte kan het net schade hebben opgelopen tijdens het gebruik. Dit kan gebeuren als de staart van het c-rooster te sterk gebogen is.
Kanalen met identieke signalen
In dit geval worden de elektroden overbrugd. Men moet het rooster verwijderen, de resterende gel rond het oor van de deelnemer afvegen en een nieuwe passen. Men moet er ook voor zorgen dat u alleen druppels elektrodegel ter grootte van een linzen op elke elektrode gebruikt om overbrugging te voorkomen.
Deelnemers melden dat de plaatsing ongemakkelijk is
De meest voorkomende reden voor verminderd comfort is dat het rooster te dicht bij de achterkant van het oor wordt geplaatst. Men moet ervoor zorgen dat u 1 mm tot 2 mm tussen het c-rooster en de achterkant van het oor laat. Een klein stukje tape dat achter het oor is bevestigd, helpt het comfort te verhogen.
Wijzigingen van de methode
Het c-grid is er in één maat. Het biedt echter enige flexibiliteit met betrekking tot de grootte. Door het plastic van de binnenkant te snijden, kan de grootte worden verkleind om grotere oren te passen. Men moet speciale aandacht besteden om niet in de elektroden of de geleidende paden te snijden.
Afhankelijk van de gebruikte versterker en het opnamescenario zijn er verschillende manieren om de versterker op de body te plaatsen. De vaste lengte van de staart van het raster en het feit dat deze horizontaal van het oor wijst, beperkt de mogelijke locaties voor het plaatsen van de connector van de versterker. Verschillende fabrikanten leveren adapterkabels die het net aansluiten op een specifieke versterker (mobiel of laboratoriumgebaseerd). Er zijn verschillende oplossingen voorgesteld voor het plaatsen van de versterker; sommige onderzoekers gebruiken een hoofdband3, terwijl anderen deze integreren in een basecap27. Voor kortere experimenten is een hoofdband geschikt. Voor langere experimenten kan de versterker op de kleding6 of body2 worden geplakt, opgeslagen in op maat gemaakte riemen, worden vastgeplakt aan een hoofdtelefoon die om de nek wordt gedragen1, of worden vastgeplakt aan een nekbeschermer die vaak wordt gebruikt voor mountainbiken. We hebben een prototype ontwikkeld dat een nekluidspreker (voor het presenteren van auditieve stimuli) combineert met een mobiele EEG-versterker en connectoren naar het c-grid (bouwinstructies zijn hier te vinden: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). We hebben deze aanpak met succes gebruikt in een recente studie (in voorbereiding) waarin we oor-EEG gedurende 4 uur registreerden terwijl deelnemers op een kantoor werkten.
Toekomstige toepassingen
Het c-grid is een veelbelovend hulpmiddel voor langetermijnopnames in het dagelijks leven. Men kan het bijvoorbeeld gebruiken om geluidsverwerking in het dagelijks leven te onderzoeken1. Met langetermijnopnamen kunnen ook circadiane variaties in cognitie en auditieve functie worden onderzocht28,29. Voor diagnostische doeleinden kan het raster worden gebruikt voor de langetermijnmonitoring van epileptische aanvallen2, slaapstadiëring6 of voor het meten van aandacht voor hoortoestellen 7,11.
Conclusie
Dit protocol stelt onderzoekers uitgebreid in staat om te experimenteren met deze c-grids in en buiten het lab. Als onderzoekers dit protocol volgen en de stappen zorgvuldig uitvoeren, inclusief de belangrijkste, zoals huidreiniging en het passen van het c-grid, kunnen ze hoogwaardige gegevens verwachten voor hun oor-EEG-experimenten.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) in het kader van het Emmy-Noether-programma, BL 1591/1-1 – Project ID 411333557. We bedanken Suong Nguyen, Manuela Jäger en Maria Stollmann voor hun hulp bij het filmen van de video. We bedanken Joanna Scanlon voor de video voice-over.
Materials
| 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 |
Referências
- Hölle, D., Meekes, J., Bleichner, M. G. Mobile ear-EEG to study auditory attention in everyday life. Behavior Research Methods. 53 (5), 2025-2036 (2021).
- Bleichner, M. G., Debener, S. Concealed, unobtrusive ear-centered EEG acquisition: cEEGrids for transparent EEG. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 163 (2017).
- Debener, S., Emkes, R., De Vos, M., Bleichner, M. Unobtrusive ambulatory EEG using a smartphone and flexible printed electrodes around the ear. Scientific Reports. 5, 16743 (2015).
- Blum, S., Hölle, D., Bleichner, M. G., Debener, S. Pocketable labs for everyone: Synchronized multi-sensor data streaming and recording on smartphones with the lab streaming layer. Sensors. 21 (23), 8135 (2021).
- Bleichner, M. G., Emkes, R. Building an ear-EEG system by hacking a commercial neck speaker and a commercial EEG amplifier to record brain activity beyond the lab. Journal of Open Hardware. 4 (1), 5 (2020).
- Sterr, A., et al. Sleep EEG derived from behind-the-ear electrodes (cEEGrid) compared to standard polysomnography: A proof of concept study. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 452 (2018).
- Mirkovic, B., Bleichner, M. G., De Vos, M., Debener, S. Target speaker detection with concealed EEG around the ear. Frontiers in Neuroscience. 10, 349 (2016).
- Bleichner, M. G., Mirkovic, B., Debener, S. Identifying auditory attention with ear-EEG: cEEGrid versus high-density cap-EEG comparison. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066004 (2016).
- Nogueira, W., et al. Decoding selective attention in normal hearing listeners and bilateral cochlear implant users with concealed ear EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 720 (2019).
- Denk, F., et al. Event-related potentials measured from in and around the ear electrodes integrated in a live hearing device for monitoring sound perception. Trends in Hearing. 22, 2331216518788219 (2018).
- Holtze, B., Rosenkranz, M., Jaeger, M., Debener, S., Mirkovic, B. Ear-EEG measures of auditory attention to continuous speech. Frontiers in Neuroscience. 16, 869426 (2022).
- Segaert, K., et al. Detecting impaired language processing in patients with mild cognitive impairment using around-the-ear cEEgrid electrodes. Psychophysiology. 59 (5), e13964 (2021).
- Garrett, M., Debener, S., Verhulst, S. Acquisition of subcortical auditory potentials with around-the-ear cEEGrid technology in normal and hearing impaired listeners. Frontiers in Neuroscience. 13, 730 (2019).
- Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for Brain-computer-interfaces – neural observation through OpenBCI amplifiers with around-the-ear cEEGrid electrodes. Brain-Computer Interfaces. 8 (4), 161-179 (2021).
- Pacharra, M., Debener, S., Wascher, E. Concealed around-the-ear EEG captures cognitive processing in a visual simon task. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 290 (2017).
- Wascher, E., et al. Evaluating mental load during realistic driving simulations by means of round the ear electrodes. Frontiers in Neuroscience. 13, 940 (2019).
- Getzmann, S., Reiser, J. E., Karthaus, M., Rudinger, G., Wascher, E. Measuring correlates of mental workload during simulated driving using cEEGrid electrodes: A test-retest reliability analysis. Frontiers in Neuroergonomics. 2, 729197 (2021).
- Somon, B., Giebeler, Y., Darmet, L., Dehais, F. Benchmarking cEEGrid and solid gel-based electrodes to classify inattentional deafness in a flight simulator. Frontiers in Neuroergonomics. 2, 802486 (2022).
- Hölle, D., Blum, S., Kissner, S., Debener, S., Bleichner, M. G. Real-time audio processing of real-life soundscapes for EEG analysis: ERPs based on natural sound onsets. Frontiers in Neuroergonomics. 3, 793061 (2022).
- Cohen, M. X. A tutorial on generalized eigendecomposition for denoising, contrast enhancement, and dimension reduction in multichannel electrophysiology. NeuroImage. 247, 118809 (2022).
- Meiser, A., Bleichner, M. G. Ear-EEG compares well to cap-EEG in recording auditory ERPs: A quantification of signal loss. Journal of Neural Engineering. 19 (2), (2022).
- Polich, J. Updating P300: An integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
- Kidmose, P., Looney, D., Mandic, D. P. Auditory evoked responses from ear-EEG recordings. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. , 586-589 (2012).
- Looney, D., Goverdovsky, V., Rosenzweig, I., Morrell, M. J., Mandic, D. P. Wearable in-ear encephalography sensor for monitoring sleep preliminary observations from nap studies. Annals of the American Thoracic Society. 13 (12), 2229-2233 (2016).
- Kappel, S. L., Makeig, S., Kidmose, P. Ear-EEG forward models: Improved head-models for ear-EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 943 (2019).
- Meiser, A., Tadel, F., Debener, S., Bleichner, M. G. The sensitivity of ear-EEG: Evaluating the source-sensor relationship using forward modeling. Brain Topography. 33 (6), 665-676 (2020).
- Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for brain-computer-interfaces. arXiv. , (2021).
- Aseem, A., Hussain, M. E. Circadian variation in cognition: a comparative study between sleep-disturbed and healthy participants. Biological Rhythm Research. 52 (4), 636-644 (2019).
- Basinou, V., Park, J. -. S., Cederroth, C. R., Canlon, B. Circadian regulation of auditory function. Hearing Research. 347 (3), 47-55 (2017).
