Drahtlose Oberflächen-Elektromyographie Aufzeichnung der Aktivität der Gesichtsmuskulatur während der Expression

Zusammenfassung

Quelle:
Hila Man¹, Paul F. Funk², Ieva Vebraite-Adereth³, Christoph Anders⁴, Orlando Guntinas-Lichius², Yael Hanein<sup>1,3,5

1</sup>Sagol School of Neuroscience, Universität Tel Aviv, ²Klinik für Hals-Nasen-Heilkunde, Universitätsklinikum Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena, ³Fakultät für Elektrotechnik, Universität Tel Aviv, ⁴Abteilung Motorforschung, Pathophysiologie und Biomechanik, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena, ⁵X-trodes Ltd.

Dieses Video zeigt das Verfahren zur nicht-invasiven Aufzeichnung der Aktivität der Gesichtsmuskulatur mittels drahtloser Oberflächen-Elektromyographie (sEMG) während videogeführter Gesichtsausdrücke eines Teilnehmers.

Protokoll

Alle Eingriffe, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt sind, wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

1. Vorbereitung von Geräten und Software

1. Charge Data Acquisition Unit (DAU): Laden Sie die drahtlose DAU vor dem Experiment vollständig auf.
2. Vorbereiten einer Secure Digital (SD)-Karte: Legen Sie eine formatierte SD-Karte vom Typ v30 in die DAU ein und schalten Sie sie ein.
3. Minimieren Sie Unterbrechungen: Stellen Sie alle Mobiltelefone in den leisen Modus und schalten Sie Bluetooth aus, um Störungen zu vermeiden.
4. Tablet-Einrichtung
   1. Installieren und öffnen Sie die Anwendung der Elektroden (siehe Materialtabelle) auf dem Android-Tablet.
   2. Die Anwendung sucht nach verfügbaren Geräten. Wählen Sie die DAU anhand der ID-Nummer aus und klicken Sie auf Bestätigen, um das Tablet mit der DAU zu koppeln.
   3. Wählen Sie die Elektrodenmaskenmontage aus und klicken Sie auf Bestätigen.
   4. Wählen Sie die Kanäle (1-16) aus, die auf dem Bildschirm angezeigt werden sollen, und klicken Sie auf Bestätigen. Ein Bildschirm mit Signalen von den ausgewählten Kanälen wird angezeigt, um die Bereitschaft für das Experiment anzuzeigen.
      ANMERKUNG: Standardmäßig sind alle 16 Kanäle ausgewählt.
5. Verbinden Sie das Tablet über ein Kabel mit dem Computer. Ändern Sie die USB-Einstellungen (Universal Serial Bus) des Android-Tablets dahingehend, dass Dateien auf USB-Tethering übertragen werden.
6. PsychoPy installieren: Laden Sie das Programm PsychoPy (Version v2023.1.3) herunter und installieren Sie es auf dem Computer.
7. Protokolldateien herunterladen: Öffnen Sie das Github-Repository unter https://github.com/NeuroEngLabTAU/facial_expressions_experiment und laden Sie alle Dateien herunter, indem Sie auf <> Code und dann auf ZIP herunterladen klicken. Dieser Ordner enthält die Experimentdatei facial_expressions.psyexp; Unterordner schaede-cut-tlv mit den notwendigen Videos für die Durchführung des Experiments und anderen Dateien, die automatisch von PsychoPy verwendet werden. Extrahieren Sie den Ordner an den gewünschten Speicherort auf dem Computer.

2. Einrichtung der Teilnehmer

1. Anwendung der Elektrodenmaske
   1. Gesichtsvorbereitung: Weisen Sie den Teilnehmer an, das Gesicht zu reinigen, wenn Gesichtscreme oder Make-up aufgetragen wurde. Reinigen Sie die Reinigung mit einem Vorbereitungsgel, einem faserlosen Tuch auf Alkoholbasis oder Wasser und Seife. Lassen Sie die Haut mindestens 1 Minute trocknen.
      ANMERKUNG: Dieser Schritt ist optional.
   2. Platzierung der Elektroden:
      1. Ziehen Sie die Schutzfolien vorsichtig von der Hautkontaktseite der Elektrodenarray-Maske ab, in der auf dem Aufkleber angegebenen Reihenfolge (1-6).
      2. Platzieren Sie die Elektrode Nummer 11 (gekennzeichnet mit einem Augensymbol) in der Nähe des rechten Auges des Teilnehmers und die Elektrode Nummer 8 (gekennzeichnet mit einem Nasensymbol) auf der Nase.
      3. Befestigen Sie die Elektroden 1-15 auf der rechten Seite des Gesichts und die Elektrode 16 auf der linken Stirn. Platzieren Sie die Referenzelektrode auf dem rechten Mastoid. In Abbildung 1A finden Sie die Elektrodenpositionen relativ zu den Muskeln.
   3. Befestigung: Drücken Sie die Maske vorsichtig auf die Haut und ziehen Sie dann vorsichtig die äußeren transparenten Stützfolien nacheinander ab, um die Maske vollständig zu befestigen. Achten Sie darauf, die Maske während dieses Vorgangs nicht abzunehmen.
   4. DAU anschließen: Stecken Sie die Elektrodenarray-Anschlusskarte in die Anschlussbuchse der DAU und befestigen Sie die DAU auf dem Band.
2. Fotografische Dokumentation:
   1. Machen Sie mindestens 3 Bilder des Teilnehmers aus verschiedenen Winkeln (90°, 45°, 0°), um die Elektrodenplatzierung zu dokumentieren.
3. Platzieren des Teilnehmers (siehe Abbildung 1B)
   1. Stuhl und Abstand: Setzen Sie den Teilnehmer in einem festen Abstand (z. B. 70 cm) zum Computerbildschirm auf einen aufrechten Stuhl, auf dem Anweisungen für Gesichtsübungen angezeigt werden.
   2. Komfort-Check: Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer bequem sitzt und den Bildschirm gut sehen kann.

3. Signal-Validierung

1. Überprüfen der EMG-Signalqualität: Stellen Sie sicher, dass die Tablet-Anwendung alle 16 EMG-Elektrodensignale erkennt.
2. Beheben Sie bei Bedarf die Störung:
   1. Drücken Sie jede Elektrode vorsichtig gegen die Haut des Teilnehmers und stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen eingeschlossen werden.
   2. Warten Sie Zeit, bis sich das Signal stabilisiert hat.
   3. Halten Sie sich von elektronischen Geräten fern, die Störungen verursachen können.
   4. Wenn die Probleme weiterhin bestehen, sollten Sie die DAU wieder anbringen oder den Raum wechseln.
   5. Tauschen Sie als letzten Ausweg das Elektrodenpflaster aus.

4. Ausführen des Experiments

1. EMG-Aufzeichnung starten: Öffnen Sie die Elektrodenanwendung auf dem Android-Tablet und drücken Sie auf Sitzung starten.
2. Geben Sie die Sitzungsdetails ein.
   1. Es erscheint ein Fenster mit den Sitzungsdetails. Geben Sie den Namen der Studie, den Sitzungsnamen, die Site, den Operator, die Patienten-ID, das Alter, das Geschlecht und die Bemerkungen ein.
      1. Klicken Sie auf Aufzeichnung starten, um die EMG-Datenerfassung zu starten. Ab diesem Zeitpunkt werden EMG-Daten aufgezeichnet. Die Rohdaten werden mit einer Abtastrate von 4 kS/s auf der SD-Karte gespeichert.
3. Kalibrierung (optional): Die Anwendung startet einen Kalibrierungsprozess, bei dem der Teilnehmer nach dem Drücken von Start bestimmte grundlegende Aufgaben (z. B. Augen schließen, Kauen) ausführt. Bei Bedarf kann eine Rekalibrierung durchgeführt werden. Nachdem die Kalibrierung abgeschlossen ist, klicken Sie auf OK. Überspringen Sie diesen Schritt bei Bedarf, indem Sie auf Weiter klicken.
4. Öffnen Sie die Experimentdatei.
   1. Doppelklicken Sie auf dem Computer auf die heruntergeladene Experimentdatei facial_expressions.psyexp, um sie in PsychoPy zu öffnen.
   2. Klicken Sie auf Experiment ausführen, um das Experiment zu starten.
   3. Geben Sie die Sitzungsdetails (Teilnehmernummer, Sitzungsnummer, Tablet-Name) ein, wenn Sie dazu aufgefordert werden, und klicken Sie auf OK.
      ANMERKUNG: Der Tablet-Name ist die Seriennummer des Tablets, die in den Einstellungen des Android-Tablets unter Über das Tablet zu finden ist.
5. Sitzung in Aktion
   1. Lassen Sie den Teilnehmer 11 Gesichtsausdrücke (Abbildung 2) ausführen, die von einem Videoguide angeleitet werden. Nach dem ersten Ausdruck (Rest) wird jeder Ausdruck dreimal hintereinander wiederholt. Der Teilnehmer wird gebeten, jeden Ausdruck 5 Sekunden lang zu halten, gefolgt von einer 3-stündigen Pause.
   2. Beobachten und leiten Sie die Teilnehmer bei Bedarf an, um die Genauigkeit und Synchronisation mit den Anweisungen zu gewährleisten.
6. Beenden Sie den Versuch.
   1. Wenn das Experiment abgeschlossen ist, stoppt PsychoPy das Experiment automatisch. Stoppen Sie die EMG-Datenaufzeichnung auf dem Tablet, indem Sie auf AUFZEICHNUNG BEENDEN klicken. Bestätigen Sie mit Ja, Stopp. In einem Fenster wird bestätigt, dass die Sitzung abgeschlossen wurde, und klicken Sie dann auf OK.
   2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Synchronisieren, um die Sitzungsdaten mit der Cloud des Systems zu synchronisieren. Wenn Sie fertig sind, beenden Sie die Anwendung.

5. Datenverarbeitung und -analyse nach dem Experiment

1. Sammeln Sie die Daten von Psychopy.
   ANMERKUNG: Sobald die Sitzung beendet ist, speichert Psychopy automatisch eine CSV-Datei im Unterordner data. Der Dateiname gibt die Sitzungsdetails an. CSV-Dateien enthalten Videonamen, Zeitstempel, die Identifizierungsnummer der Teilnehmer, die Sitzungsnummer und die Nummer des Android-Tablets.
2. Konvertieren Sie die EMG-Daten.
   1. Melden Sie sich beim Cloud-Dienst des Elektrodensystems an und wählen Sie die Sitzungsdetails aus.
   2. Laden Sie EMG-Daten von der SD-Karte hoch.
   3. Konvertieren Sie hochgeladene XF2-Dateien mit EMG-Daten in das EDF-Dateiformat (Europäisches Datenformat), indem Sie auf EDF-Dateien generieren klicken. Laden Sie die ausgewählten Dateien für die Offline-Analyse herunter.
3. Führen Sie grundlegende EMG-Datenanalysen durch. HINWEIS: EDF-Dateien enthalten EMG-Rohdaten von 16 Kanälen (EMG CH-1 bis CH-16), Gyrodaten von 3 Kanälen (GYRO-X, Y, Z) und Beschleunigungsmesserdaten von 3 Kanälen (ACC-X, Y, Z). Anmerkungen aus der Psychopy, die Zeitpunkte für bestimmte Gesichtsausdrücke angeben, werden automatisch in der Datei gespeichert. Für die weitere Analyse wurden nur EMG-Rohdaten von 16 Kanälen und Annotationen verwendet.
   1. Filtern Sie die EMG-Rohdaten mit einem Bandpassfilter von 10-500 Hz.
   2. Wenden Sie einen 50-Hz-Notch-Filter an, um das Rauschen zu reduzieren.
   3. Fahren Sie mit der gewünschten Analyse für den Forschungszweck fort.

Ergebnisse

Abbildung 1: Schematische Übersicht über den Versuchsaufbau. (A) Positionen der Elektroden auf dem Gesicht: 1-16 Kanäle auf dem Gesicht, eine Referenzelektrode auf dem rechten Mastoid. (B) Die Teilnehmer werden bequem vor einem Computerbildsc...

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