Ухо-ЭЭГ
Метод медицинской диагностики
Ухо-ЭЭГ
Примеры внутриушных ЭЭГ-установок. Слева показан одиночный ушной вкладыш (правое ухо), справа показан правый ушной вкладыш в ухе.
Цельизмерить динамику мозговой активности

Ear-EEG — это метод измерения динамики мозговой активности с помощью мельчайших изменений напряжения, наблюдаемых на коже, обычно путем размещения электродов на коже головы. В ear-EEG электроды размещаются исключительно внутри или вокруг наружного уха, что приводит как к гораздо большей невидимости, так и к мобильности пользователя по сравнению с полной электроэнцефалографией (ЭЭГ) кожи головы, но также значительно уменьшенной амплитуде сигнала, а также к сокращению количества областей мозга, в которых можно измерить активность. Его можно в целом разделить на две группы: те, которые используют положения электродов исключительно внутри раковины и ушного канала, и те, которые также размещают электроды близко к уху, обычно скрытые за мочкой уха. В целом, первый тип будет наиболее невидимым, но также будет предлагать наиболее сложный (шумный) сигнал. Ear-EEG является хорошим кандидатом для включения в слышимое устройство, однако из-за высокой сложности датчиков ear-EEG это еще не было сделано.

История

Ear-EEG впервые была описана в патентной заявке [1] , а затем в других публикациях. [2] [3] С тех пор она превратилась в начинание, распространенное среди нескольких исследовательских групп [4] и коллабораций, а также частных компаний. [5] [6] Известными воплощениями технологии являются cEEGrid [7] [8] (см. изображение справа) и изготовленные на заказ 3D-печатные ушные вкладыши от NeuroTechnology Lab (см. изображение выше). Известно, что также ведутся попытки создания внутриушных универсальных наушников. [9] [10] [11] [12] [13]

Демонстрация нескольких cEEGrid на головах манекенов

Использование в исследованиях

Можно придумать множество областей 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 контролировать влияние различных событий на людей, при этом позволяя им беспрепятственно переживать эти события. И в этом контексте очень важно проводить подробные сравнения между ушной ЭЭГ и обычной скальповой ЭЭГ, поскольку результаты должны быть сопоставимы на разных платформах. Это было сделано в нескольких работах. [7] [15] [16] [17] В них было обнаружено, что измерения ушной ЭЭГ сопоставимы с скальповой ЭЭГ в частотной области; однако активность во временной области, зарегистрированная двумя системами, заметно отличается. В нескольких работах были представлены модели (т. е. прямые модели ушной ЭЭГ) того, как электрическое поле от электрических источников в мозге отображается на потенциалы в ухе. [18] [19] [20] Прямые модели уха-ЭЭГ позволяют прогнозировать потенциалы в ухе для определенного нейронного явления и могут использоваться для улучшения понимания того, какие нейронные источники можно измерить с помощью уха-ЭЭГ [18]

Пример топографии скальпа (в середине) с соответствующими топографиями ушей (слева и справа). Топографии показывают потенциал на скальпе и в ушах для одного диполярного источника мозга и были рассчитаны с использованием индивидуальной прямой модели ухо-ЭЭГ, как описано Каппелем и др. [18]

Сухой контактный электрод уха-ЭЭГ

Сухой контактный электрод уха-ЭЭГ — это метод, при котором гель не наносится между электродом и кожей. [21] [22] [23] Этот метод в целом повышает комфорт и удобство использования для долгосрочных и реальных записей. Поскольку на электроды не наносится гель, пользователь может потенциально установить устройство уха-ЭЭГ без посторонней помощи.

Высокоплотная ЭЭГ уха.
Пример высокоплотного ушного ЭЭГ. Слева виден высокоплотный ушной ЭЭГ-вкладыш, установленный в ухе. Справа — изображение высокоплотного мягкого ушного ЭЭГ-вкладыша с электродами сухого контакта. [24] [25]

Электроэнцефалография уха с сухим контактом использовалась для выполнения высокоплотных записей ЭЭГ уха, которые позволяют отображать реакцию мозга на топографической 3D-карте уха (топография уха). [24]

При использовании электродов с сухим контактом интерфейс 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] Для улучшения этих аспектов для ушной ЭЭГ были предложены наноструктурированные электроды и мягкие наушники. [25] Электронная аппаратура также должна быть тщательно спроектирована для размещения электродов с сухим контактом. [27] [28]

Реальный мониторинг

Состояние человеческого мозга зависит от окружающей среды, а реакция мозга зависит от состояния мозга. Таким образом, ограничение исследований мозга лабораторией представляет собой фундаментальное ограничение. Реальный мониторинг ушной ЭЭГ преодолевает это ограничение и позволяет исследовать вызванные и спонтанные реакции, связанные с повседневными жизненными ситуациями. [29] [22]

Компактность и незаметность устройств ушной ЭЭГ делает их пригодными для мониторинга ЭЭГ в реальной жизни. [30] [31] [21] [32] [33] Общей проблемой при записи ЭЭГ являются помехи, возникающие из-за шума и артефактов. В лабораторных условиях артефакты и помехи можно в значительной степени избежать или контролировать, в реальной жизни это сложно. Физиологические артефакты — это категория артефактов физиологического происхождения, в отличие от артефактов, возникающих из-за электрических помех. Исследование физиологических артефактов в ушной ЭЭГ показало, что артефакты от сокращений челюстных мышц выше для ушной ЭЭГ по сравнению с ЭЭГ головы, тогда как моргание глаз не влияет на ушную ЭЭГ. [34] [35]

Мониторинг сна

Перспективным вариантом использования является долгосрочный мониторинг сна, где в настоящее время существует потребность в более удобной (и дешевой) альтернативе золотому стандарту полисомнографии . [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] однако разработка монитора сна на основе ушной ЭЭГ является глобальным начинанием, и другие известные примеры имеют место в Университете Колорадо, [41] Имперском колледже Лондона [42] [17] , а также в Оксфордском университете. [33]

Возможное коммерческое использование

Несмотря на отсутствие на рынке продуктов ушной ЭЭГ, несколько компаний сообщили об инвестициях в технологию ушной ЭЭГ. Главными из них являются производители слуховых аппаратов Oticon [43] и Widex и ее дочерняя компания T&W Engineering [44] , которые изучают возможности применения слуховых аппаратов, осуществимость которых, по-видимому, имеет некоторую поддержку [45] [46], а также сигнализатор гипогликемии .

Другие потенциальные варианты использования, которые, как известно, были изучены, включают обнаружение сонливости водителя , [47] BCI [48] [49] и биометрическую идентификацию. [50]

Ссылки

  1. ^ Заявка США 2007112277, Фишер, Рассел; Ферраро, Джозеф и Лал, Принс и др., «Устройство и метод измерения и мониторинга паттернов биоэлектрических сигналов», опубликованная 17 мая 2007 г.  , с тех пор отклонена.
  2. ↑ EP 2448477, Kidmose, Preben; Ungstrup, Michael & Rank, Mike L., «Ушной вкладыш с поверхностными электродами», опубликовано 2012-05-09, передано Widex A/S 
  3. ^ Kidmose, Preben (2012). «Вызванные слухом ответы от записей ЭЭГ уха». Ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 2012 года . EMBC 2012. Сан-Диего, Калифорния. С.  586– 589. doi :10.1109/EMBC.2012.6345999. ISBN 978-1-4577-1787-1.
  4. ^ Блейхнер, Мартин (6 апреля 2015 г.). «Изучение миниатюрных электродов ЭЭГ для интерфейсов мозг-компьютер. ЭЭГ, которую вы не видите?». Physiol Rep . 3 (4): e12362. doi :10.14814/phy2.12362. PMC 4425967. PMID  25847919 . 
  5. ^ "The Aware". United Sciences | Precision 3D Hole Scanning . United Sciences. 20 апреля 2016 г. Получено 25 августа 2016 г.
  6. ^ Фидлер, Лоренц. Ушная ЭЭГ позволяет извлекать нейронные ответы в сложных сценариях слушания — будущая технология для слуховых аппаратов? EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  7. ^ ab Debener, Stefan (17 ноября 2015 г.). «Ненавязчивая амбулаторная ЭЭГ с использованием смартфона и гибких печатных электродов вокруг уха». Scientific Reports . 5 : 16743. Bibcode :2015NatSR...516743D. doi :10.1038/srep16743. PMC 4648079 . PMID  26572314. 
  8. ^ "cEEGrid –". www.ceegrid.com . Получено 2016-11-14 .
  9. ^ Kidmose, P.; Looney, D.; Jochumsen, L.; Mandic, DP (июль 2013 г.). "Ear-EEG от обычных наушников: исследование возможности". 2013 35-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2013. IEEE. стр.  543–546 . doi :10.1109/embc.2013.6609557. ISBN 9781457702167. PMID  24109744. S2CID  10278053.
  10. ^ Донг, Хао. Новый метод внутриушной регистрации ЭЭГ на основе мягкого материала . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  11. ^ Говердовский, Валентин. Универсальный вискоэластический внутриушной ЭЭГ-монитор . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  12. ^ Говердовский, Валентин (1 января 2016 г.). «Внутриушная ЭЭГ от вискоэластичных универсальных наушников: надежный и ненавязчивый круглосуточный мониторинг». Журнал датчиков IEEE . 16 (1). IEEE: 271– 277. Bibcode : 2016ISenJ..16..271G. doi : 10.1109/JSEN.2015.2471183. hdl : 10044/1/43182 . S2CID  44224053.
  13. ^ Нортон, Джеймс (31 марта 2015 г.). «Мягкие изогнутые системы электродов, способные интегрироваться в ушную раковину в качестве постоянного интерфейса мозг–компьютер». PNAS . 112 (13): 3920– 3925. Bibcode :2015PNAS..112.3920N. doi : 10.1073/pnas.1424875112 . PMC 4386388 . PMID  25775550. 
  14. ^ Кассон, Александр (10 мая 2010 г.). «Носимый электроэнцефалограф. Что это такое, зачем он нужен и что он в себя включает?» (PDF) . Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology . 29 (3): 44– 56. doi : 10.1109/MEMB.2010.936545. hdl : 10044/1/5910. PMID  20659857. S2CID  1891995.
  15. ^ Миккельсен, Кааре (18 ноября 2015 г.). «ЭЭГ, записанная с уха: характеристика метода уха-ЭЭГ». Frontiers in Neuroscience . 9 : 438. doi : 10.3389 /fnins.2015.00438 . PMC 4649040. PMID  26635514. 
  16. ^ Блейхнер, Мартин (5 октября 2016 г.). «Определение слухового внимания с помощью ушной ЭЭГ: сравнение cEEGrid и высокоплотной шапочной ЭЭГ». Журнал нейронной инженерии . 13 (6): 066004. Bibcode : 2016JNEng..13f6004B. doi : 10.1088/1741-2560/13/6/066004 . PMID  27705963.
  17. ^ ab Dong, Hao (18 октября 2016 г.). «Новый мягкий материал на основе техники внутриушной записи ЭЭГ». 2016 38-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2016. стр.  5709–5712 . doi :10.1109/EMBC.2016.7592023. hdl :10044/1/44965. ISBN 978-1-4577-0220-4. PMID  28269551. S2CID  27566415.
  18. ^ abc Kappel, Simon L.; Makeig, Scott; Kidmose, Preben (2019-09-10). "Ear-EEG Forward Models: Improved Head-Models for Ear-EEG". Frontiers in Neuroscience . 13 : 943. doi : 10.3389/fnins.2019.00943 . ISSN  1662-453X. PMC 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.). "Hearables: Multimodal Physiological In-Ear Sensing". Scientific Reports . 7 (1): 6948. arXiv : 1609.03330 . Bibcode :2017NatSR...7.6948G. doi :10.1038/s41598-017-06925-2. ISSN  2045-2322. PMC 5537365 . PMID  28761162. 
  20. ^ Kidmose, Preben; Looney, David; Ungstrup, Michael; Rank, Mike Lind; Mandic, Danilo P. (октябрь 2013 г.). «Исследование вызванных потенциалов с помощью ушной ЭЭГ». IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 60 (10): 2824– 2830. doi :10.1109/TBME.2013.2264956. ISSN  0018-9294. PMID  23722447. S2CID  12550407.
  21. ^ ab Hoon Lee, Joong; Min Lee, Seung; Jin Byeon, Hang; Sook Hong, Joung; Suk Park, Kwang; Lee, Sang-Hoon (август 2014 г.). "Ушные электроды канального типа на основе CNT/PDMS для незаметной регистрации ЭЭГ". Journal of Neural Engineering . 11 (4): 046014. Bibcode :2014JNEng..11d6014L. doi :10.1088/1741-2560/11/4/046014. ISSN  1741-2552. PMID  24963747. S2CID  37513095.
  22. ^ ab Kappel, Simon L.; Kidmose, Preben (июль 2018 г.). "Real-Life Dry-Contact Ear-EEG". 2018 40-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2018. стр.  5470– 5474. doi :10.1109/embc.2018.8513532. ISBN 9781538636466. PMID  30441575. S2CID  53093217.
  23. ^ Xiong Zhou; Qiang Li; Kilsgaard, Soren; Moradi, Farshad; Kappel, Simon L.; Kidmose, Preben (июнь 2016 г.). «Носимая система регистрации ЭЭГ уха на основе активных электродов с сухим контактом». Симпозиум IEEE 2016 г. по схемам VLSI (VLSI-Circuits) . стр.  1– 2. doi :10.1109/VLSIC.2016.7573559. ISBN 9781509006359. S2CID  37530730.
  24. ^ ab Kappel, Simon L.; Kidmose, Preben (июль 2017 г.). "Высокоплотная ушная ЭЭГ". 2017 39-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2017. стр.  2394–2397 . doi :10.1109/embc.2017.8037338. ISBN 9781509028092. PMID  29060380. S2CID  8902094.
  25. ^ ab Kappel, Simon L.; Rank, Mike Lind; Toft, Hans Olaf; Andersen, Mikael; Kidmose, Preben (2018). «Сухой контактный электрод Ear-EEG». IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 66 (1): 150– 158. doi : 10.1109/tbme.2018.2835778 . ISSN  0018-9294. PMID  29993415. S2CID  51614629.
  26. ^ Чи, Ю Майк; Юнг, Цыи-Пин; Каувенбергс, Герт (2010). «Сухие контактные и бесконтактные биопотенциальные электроды: методологический обзор». Обзоры IEEE по биомедицинской инженерии . 3 : 106–119 . CiteSeerX 10.1.1.227.2124 . doi :10.1109/RBME.2010.2084078. ISSN  1937-3333. PMID  22275204. S2CID  2705602. 
  27. ^ Каппель, Саймон Л.; Кидмоуз, Пребен (август 2015 г.). «Исследование спектров импеданса для сухих и влажных электродов EarEEG». 2015 37-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2015. стр.  3161– 3164. doi :10.1109/embc.2015.7319063. ISBN 9781424492718. PMID  26736963. S2CID  450962.
  28. ^ Xiong Zhou; Qiang Li; Kilsgaard, Søren; Moradi, Farshad; Kappel, Simon L.; Kidmose, Preben (июнь 2016 г.). «Носимая система регистрации ЭЭГ уха на основе активных электродов с сухим контактом». Симпозиум IEEE 2016 г. по схемам VLSI (VLSI-Circuits) . стр.  1– 2. doi :10.1109/vlsic.2016.7573559. ISBN 9781509006359. S2CID  37530730.
  29. ^ Блейхнер, Мартин Г.; Дебенер, Стефан (2017-04-07). «Скрытое, ненавязчивое получение ЭЭГ , центрированное на ухе: cEEGrids для прозрачной ЭЭГ». Frontiers in Human Neuroscience . 11 : 163. doi : 10.3389/fnhum.2017.00163 . ISSN  1662-5161. PMC 5383730. PMID  28439233. 
  30. ^ Каппель, Саймон Л. (сентябрь 2016 г.). Разработка и характеристика ушной ЭЭГ для мониторинга мозга в реальной жизни (диссертация на соискание степени доктора философии). Университет Орхуса. doi : 10.7146/aul.260.183. ISBN 9788775074204.
  31. ^ Бляйхнер, Мартин Г.; Лундбек, Миха; Селиски, Маттиас; Миноу, Фальк; Йегер, Мануэла; Эмкес, Райнер; Дебенер, Стефан; Де Вос, Маартен (апрель 2015 г.). «Изучение миниатюрных электродов ЭЭГ для интерфейсов мозг-компьютер. ЭЭГ, которую вы не видите?». Physiological Reports . 3 (4): e12362. doi :10.14814/phy2.12362. ISSN  2051-817X. PMC 4425967 . PMID  25847919. 
  32. ^ Фидлер, Л.; Облесер, Дж.; Ланнер, Т.; Граверсен, К. (август 2016 г.). «Ear-EEG позволяет извлекать нейронные ответы в сложных сценариях прослушивания — будущая технология для слуховых аппаратов?». 2016 38-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2016. стр.  5697– 5700. doi :10.1109/EMBC.2016.7592020. ISBN 9781457702204. PMID  28269548. S2CID  206635991.
  33. ^ ab Pham, Nhat; Dinh, Tuan; Raghebi, Zohreh; Kim, Taeho; Bui, Nam; Nguyen, Phuc; Truong, Hoang; Banaei-Kashani, Farnoush; Halbower, Ann; Dinh, Thang; Vu, Tam (2020-06-15). "WAKE". Труды 18-й Международной конференции по мобильным системам, приложениям и услугам . MobiSys '20. Торонто, Онтарио, Канада: Ассоциация вычислительной техники. стр.  404–418 . doi :10.1145/3386901.3389032. ISBN 978-1-4503-7954-0. S2CID  219398352.
  34. ^ Каппель, Саймон Л.; Луни, Дэвид; Мандич, Данило П.; Кидмоуз, Пребен (2017-08-11). "Физиологические артефакты в ЭЭГ скальпа и уха". BioMedical Engineering OnLine . 16 (1): 103. doi : 10.1186/s12938-017-0391-2 . ISSN  1475-925X. PMC 5553928. PMID  28800744 . 
  35. ^ Каппель, Саймон Л.; Луни, Дэвид; Мандич, Данило П.; Кидмоуз, Пребен (август 2014 г.). «Метод количественной оценки артефактов в ЭЭГ и эмпирическое исследование артефактов». 2014 36-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society . Том 2014. стр.  1686–1690 . doi :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 внутриушной энцефалографический датчик для мониторинга сна. Предварительные наблюдения из исследований сна». Анналы Американского торакального общества . 13 (12): 2229– 2233. doi :10.1513/AnnalsATS.201605-342BC. ISSN  2329-6933. PMC 5291497. PMID 27684316  . 
  37. ^ Стохольм, Андреас. Автоматическая классификация стадий сна с использованием ушной ЭЭГ . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  38. ^ Миккельсен, Кааре (2017). «Автоматическое определение стадии сна с использованием ушной ЭЭГ». BioMedical Engineering OnLine . 16 (1): 111. doi : 10.1186/s12938-017-0400-5 . PMC 5606130. PMID  28927417 . 
  39. ^ Нгуен, Ань; Алькураши, Рагхда; Рагеби, Зохре; Банаи-кашани, Фарнуш; Хэлбауэр, Энн К.; Ву, Там (2016). «Легкая и недорогая внутриушная сенсорная система для автоматического мониторинга стадий сна в течение всей ночи». Труды 14-й конференции ACM по встроенным сетевым сенсорным системам на CD-ROM . SenSys '16. Стэнфорд, Калифорния, США: ACM Press. стр.  230–244 . doi :10.1145/2994551.2994562. ISBN 9781450342636. S2CID  11709648.
  40. ^ "Øreprop Skal Aflæse søvnløses hjerneaktivitet" . Инновационный фонд Дании . Проверено 4 января 2018 г.
  41. ^ Нгуен, Ань. Легкая и недорогая внутриушная сенсорная система для автоматического мониторинга стадий сна в течение всей ночи . 14-я конференция ACM по встроенным сетевым сенсорным системам. Стэнфорд, США.
  42. ^ Мосс, Джеймс (2017). «Эффективность внутриушной электроэнцефалографии (ЭЭГ) для мониторинга латентности сна и влияния лишения сна». A80-C. НОВЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К SDB . Тезисы международной конференции Американского торакального общества. Американское торакальное общество. стр. A7596. doi :10.1164/ajrccm-conference.2017.195.1_MeetingAbstracts.A7596 (неактивен 1 ноября 2024 г.).{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  43. ^ Фидлер, Лоренц. ЭЭГ вокруг уха отражает присутствие говорящего в сценарии с несколькими говорящими . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  44. ^ "Сигнал тревоги гипогликемии на основе ЭЭГ уха". Университет Орхуса . Получено 31 августа 2016 г.
  45. ^ Миркович, Бояна (27 июля 2016 г.). «Обнаружение говорящего с помощью скрытой ЭЭГ вокруг уха». Frontiers in Neuroscience . 9 : 438. doi : 10.3389/fnins.2015.00438 . PMC 4649040. PMID  26635514. 
  46. ^ Миркович, Бояна. Ушная ЭЭГ позволяет извлекать нейронные ответы в сложных сценариях слушания – будущая технология для слуховых аппаратов? EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  47. ^ Хванг, Тэхо. Определение сонливости водителя с помощью внутриушной ЭЭГ . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  48. ^ Чой, Су-Ин. Возможность использования ЭЭГ уха для разработки практической системы интерфейса мозг-компьютер: предварительное исследование . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
  49. ^ Ю-Тэ Ванг; Наканиши, Масаки; Каппель, Саймон Линд; Кидмосе, Пребен; Мандич, Данило П.; Ицзюнь Ванг; Чунг-Куан Чэн; Цыи-Пинг Юнг (август 2015 г.). «Разработка онлайн-системы интерфейса мозг-компьютер на основе стационарного визуального вызванного потенциала с использованием EarEEG». 2015 г. 37-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2015 г. стр.  2271– 2274. doi :10.1109/embc.2015.7318845. ISBN 9781424492718. PMID  26736745. S2CID  5996098.
  50. ^ Янг, Джонг-Кай. Аутентификация по мыслям с помощью недорогой EarEEG . EMBC 2016. Орландо, Флорида.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ear-EEG&oldid=1270550692"