Methodenartikel

Aufzeichnung der Gehirnaktivität mit Ohr-Elektroenzephalographie

DOI:

10.3791/64897

⸱

31. März 2023

 , 
1Neurophysiology of Everyday Life Group, Department of Psychology, University of Oldenburg, 2Research Center for Neurosensory Science, University of Oldenburg

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier wird das Verfahren zur Verwendung des c-Gitters (Ohr-Elektroenzephalographie, vertrieben unter dem Namen cEEGrid) zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität innerhalb und außerhalb des Labors über längere Zeiträume vorgestellt. Dieses Protokoll beschreibt, wie diese Arrays eingerichtet werden und wie die Gehirnaktivität mit ihnen aufgezeichnet wird.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das c-Gitter (Ohr-Elektroenzephalographie, vertrieben unter dem Namen cEEGrid) ist ein unauffälliges und komfortables Elektroden-Array, das zur Untersuchung der Gehirnaktivität nach der Befestigung um das Ohr verwendet werden kann. Das C-Grid eignet sich für den Einsatz außerhalb des Labors über lange Zeiträume, sogar für den ganzen Tag. Verschiedene kognitive Prozesse können mit diesen Gittern untersucht werden, wie frühere Forschungen gezeigt haben, auch außerhalb des Labors. Um qualitativ hochwertige Ohr-EEG-Daten zu erfassen, ist eine sorgfältige Vorbereitung notwendig. In diesem Protokoll erläutern wir die Schritte, die für eine erfolgreiche Implementierung erforderlich sind. Zunächst wird gezeigt, wie die Funktionalität des Grids vor einer Aufzeichnung getestet werden kann. Zweitens wird beschrieben, wie der Teilnehmer vorbereitet werden muss und wie er an das C-Grid angepasst werden muss, was der wichtigste Schritt für die Aufzeichnung qualitativ hochwertiger Daten ist. Drittens wird beschrieben, wie die Netze an einen Verstärker angeschlossen werden und wie die Signalqualität überprüft werden kann. In diesem Protokoll listen wir Best-Practice-Empfehlungen und Tipps auf, die C-Grid-Aufnahmen erfolgreich machen. Halten sich die Forscher an dieses Protokoll, sind sie umfassend gerüstet, um sowohl innerhalb als auch außerhalb des Labors mit dem C-Gitter zu experimentieren.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mit der mobilen Ohr-Elektroenzephalographie (EEG) kann die Gehirnaktivität im Alltag aufgezeichnet und neue Erkenntnisse über die neuronale Verarbeitung außerhalb des Labors gewonnen werden1. Um alltagstauglich zu sein, sollte ein mobiles Ohr-EEG-System transparent, unauffällig, einfach zu bedienen, bewegungstolerant und auch über mehrere Stunden angenehm zu tragensein 2. Das C-Gitter (verkauft unter dem Namen cEEGrid), ein c-förmiges Ohr-EEG-System, zielt darauf ab, diese Anforderungen zu erfüllen, um Störungen des natürlichen Verhaltens zu minimieren. Das Gitter besteht aus 10 Ag/AgCl-Elektroden, die auf Flexprint-Material3 gedruckt sind. In Kombination mit einem miniaturisierten, mobilen Verstärker und einem Smartphone zur Datenerfassung 4,5 können diese Gitter verwendet werden, um Ohr-EEG-Daten für mehr als 8 Stunden zu sammeln 1,6.

Mehrere Studien, die im Labor durchgeführt wurden, haben das Potenzial von C-Gittern für die Untersuchung auditiver und anderer kognitiver Prozesse gezeigt. C-Gitter wurden erfolgreich für die Dekodierung der auditiven Aufmerksamkeit mit Genauigkeiten über den Wahrscheinlichkeitsstufen7, 8, 9, 10, 11 verwendet. Segaert et al.12 verwendeten diese Arrays, um Sprachstörungen bei Patienten mit leichter kognitiver Beeinträchtigung zu quantifizieren. Garrett et al.13 zeigten, dass diese Arrays auditive Gehirnpotentiale erfassen können, die aus dem Hirnstamm stammen. Abgesehen von der Forschung, die sich auf den auditiven Bereich konzentrierte, verwendeten Knierim et al.14 die Gitter, um Strömungserfahrungen (d.h. das Gefühl der totalen Beteiligung an einer Aufgabe) zu untersuchen, gemessen an Änderungen der Alpha-Leistung. Schließlich nutzten Pacharra et al.15 diese Gitter für eine visuelle Aufgabe. Alle diese laborbasierten Studien zeigen die verschiedenen kognitiven Prozesse, die mit diesen Gittern erfasst werden können.

Diese Gitter können auch außerhalb des Labors für EEG-Aufnahmen genutzt werden, wie mehrere Studien zeigen. Zum Beispiel wurden diese Arrays verwendet, um die mentale Belastung in einem Fahrsimulator 16,17 zu bewerten und um Unaufmerksamkeitstaubheit, die Nichtwahrnehmung kritischer Alarmtöne, in einem Flugsimulator18 zu untersuchen. Die Gitter sind besonders vielversprechend für Langzeitaufnahmen, wie z.B. die Langzeitüberwachung von epileptischen Anfällen2 und Schlafstadien6. Hölle et al.1 verwendeten diese Raster, um die auditive Aufmerksamkeit während eines Bürotages für 6 Stunden zu messen. Zusammenfassend unterstreichen alle diese Studien ihr Potenzial, verschiedene Gehirnprozesse innerhalb und außerhalb des Labors zu untersuchen.

Jede EEG-Aufzeichnung erfordert eine sorgfältige Vorbereitung, um valide Ergebnisse zu erhalten. Dies ist besonders wichtig für mobile Anwendungen, bei denen aufgrund der Bewegung des Teilnehmers mehr Artefakte zu erwarten sind als im Labor. Um ein optimales Ergebnis zu gewährleisten, sind spezifische Vorbereitungsschritte notwendig. Wir beschreiben die kritischen Schritte bei der Vorbereitung der Netze, der Vorbereitung des Teilnehmers auf die Datenerfassung und der Anpassung und Verbindung der Netze für EEG-Aufzeichnungen. Wir weisen auf mögliche Fehler hin und zeigen Beispiele für schlechte Datenqualität, wenn der Anhang nicht korrekt ist. Abschließend werden repräsentative Ergebnisse einer am Klavier gespielten Sonderlingsaufgabe gezeigt.

Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das in diesem Protokoll verwendete allgemeine Verfahren wurde vom Ethikrat der Universität Oldenburg genehmigt. Der Teilnehmer hat vor seiner Teilnahme eine schriftliche Einverständniserklärung abgegeben.

HINWEIS: Die C-Gitter sollten nur auf unbeschädigter Haut und bei Teilnehmern verwendet werden, die keine Allergie gegen den verwendeten Klebstoff haben. Es hat zwei Seiten. Auf der Außenseite befindet sich schwarzer Text. Die leitfähigen Oberflächen der Elektroden befinden sich auf der Innenseite und sind während der Aufnahme der Haut des Teilnehmers zugewandt. Wichtig ist, dass Sie mit diesen Gittern vorsichtig umgehen. Berühren Sie die leitfähigen Oberflächen nicht, falten Sie die Gitter nicht, biegen Sie sie nicht übermäßig und vermeiden Sie es, daran zu ziehen.

1. Testen

HINWEIS: Bei vorsichtiger Handhabung können C-Gitter mehrmals wiederverwendet werden. Um eine optimale Funktion zu gewährleisten, überprüfen Sie vor der nächsten Aufnahme, ob alle Elektroden ordnungsgemäß funktionieren. Führen Sie das gleiche Verfahren für neue Gitter durch, um potenzielle Probleme (z. B. aufgrund von Problemen im Herstellungsprozess) zu identifizieren, bevor die Aufzeichnung beginnt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, schnell nach Problemen zu suchen (z. B. eine defekte Elektrode).

  1. Option 1: Multimeter.
    1. Stellen Sie ein Multimeter ein, um den Widerstand zu messen.
    2. Befestigen Sie einen Stift des Multimeters an der Elektrode und den anderen Stift an dem entsprechenden Kontakt am Steckerende.
    3. Prüfen Sie, ob für jede Elektrode ein niedriger Widerstand (<10 kΩ) gemessen werden kann.
  2. Option 2: Elektrodengel
    1. Verwenden Sie Elektrodengel, um alle Elektroden zu überbrücken. Stellen Sie sicher, dass keine Lücken zwischen den Elektroden vorhanden sind.
    2. Befestigen Sie das Gitter am Anschluss eines Verstärkers. Um ein Signal zu sehen, befestigen Sie das Gitter an der Seite mit den Referenz- und Masseelektroden entsprechend dem verwendeten Steckerlayout.
    3. Verwenden Sie die Impedanzprüfung des Verstärkers. Überprüfen Sie die Impedanz der Referenzelektrode und aller acht Aufzeichnungselektroden (insgesamt 10 Elektroden abzüglich der Masse- und Referenzelektroden). sie müssen alle eine niedrige Impedanz (<10 kΩ) haben. Danach wischen Sie das Gel ab.
  3. Option 3: Wasser
    HINWEIS: Verwenden Sie diese Option mit Vorsicht, um keine Wasserschäden am Gerät zu verursachen.
    1. Tauchen Sie alle Elektroden in ein Glas Wasser, aber achten Sie darauf, den Schwanz des Gitters trocken zu halten. Alternativ können Sie das C-Gitter in eine mit Wasser gefüllte Platte legen (wobei die Elektroden der Platte zugewandt sind).
    2. Befestigen Sie das Gitter am Anschluss des Verstärkers.
    3. Verwenden Sie die Impedanzprüfung des Verstärkers. Überprüfen Sie die Impedanz der Referenzelektrode und aller acht Aufzeichnungselektroden (insgesamt 10 Elektroden abzüglich der Masse- und Referenzelektroden). sie müssen alle eine niedrige Impedanz (<10 kΩ) haben. Danach trocknen Sie das C-Gitter mit einem Taschentuch ab.

2. Vorbereitung des Teilnehmers

HINWEIS: Für qualitativ hochwertige Aufnahmen sollte der Teilnehmer sauberes und trockenes Haar haben, keine Haarprodukte (z. B. Stylingprodukte) oder Hautprodukte verwendet haben und kein Make-up tragen. Wenn möglich, sollten die Teilnehmer ihre Haare direkt vor der Aufnahme mit einem milden und neutralen Shampoo waschen und auch die Bereiche um die Ohren waschen. Bitten Sie die Teilnehmer anzugeben, ob einer der vorbereitenden Schritte für sie unangenehm ist.

  1. Um den Teilnehmer vorzubereiten, benötigt der Experimentator Zugang zum Bereich hinter und um das Ohr. Verwenden Sie für Teilnehmer mit längeren Haaren Haarspangen für einen leichteren Zugang.
  2. Legen Sie ein C-Gitter um das Ohr des Teilnehmers, um zu sehen, wie es passt. Überprüfen Sie außerdem, ob es um das Ohr herum positioniert werden kann, ohne das Ohr zu berühren. Stellen Sie sicher, dass es die Rückseite des Ohres oder das Ohrläppchen nicht berührt, da dies nach einiger Zeit unangenehm sein kann. Diese Voranpassung gibt auch einen Hinweis auf den Bereich, der abgedeckt wird und daher gereinigt werden muss.
    HINWEIS: Diese Gitter sind in einer Größe erhältlich und passen nicht zu allen Ohrgrößen. Für größere Ohren schneiden Sie mit einer kleinen Schere etwas von dem Kunststoff um die Elektroden an der Innenseite des C ab. Achten Sie besonders darauf, nicht in die Elektroden oder den Leiterweg zu schneiden.
  3. Tragen Sie einen kleinen Tropfen abrasives Elektrodengel auf ein Gewebe auf. Verwenden Sie das Gel, um die Haut um das Ohr des Teilnehmers mit etwas Druck zu reinigen, aber stellen Sie sicher, dass es für den Teilnehmer angenehm bleibt. Achten Sie darauf, den gesamten Bereich, der abgedeckt wird, großzügig zu reinigen.
  4. Tauchen Sie ein Taschentuch in etwas Alkohol und reinigen Sie den Bereich hinter dem Ohr mit diesem Tuch.
  5. Trocknen Sie den gereinigten Bereich mit einem sauberen Handtuch ab.
  6. Für mehr Komfort können Sie optional ein kleines Stück Klebeband auf der Rückseite des Ohrs platzieren.
  7. Wiederholen Sie alle oben genannten Schritte (Schritte 2.1-2.5) für das andere Ohr.

3. Vorbereitung und Montage der Gitter

HINWEIS: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das C-Gitter mit doppelseitigem Klebeband zu befestigen. Hier werden zwei Möglichkeiten vorgestellt: C-förmige Aufkleber (vom Hersteller zur Verfügung gestellt), die die gesamte Oberfläche abdecken und kleine kreisförmige Aufkleber, die einzeln um die Elektroden gelegt werden (z. B. bei der Wiederverwendung).

  1. Kleben Sie doppelseitige Klebeaufkleber (entweder die C-förmigen oder einzelne Aufkleber) um jede Elektrode. Achten Sie darauf, dass die Aufkleber nicht die leitfähige Oberfläche der Elektroden bedecken.
  2. Geben Sie kleine Tropfen (linsengroß) Elektrodengel auf jede Elektrode. Vermeiden Sie es, zu viel Gel zu verwenden, da dies auf das Klebematerial übergehen und die Haftung auf der Haut verringern kann. Zu viel Gel könnte auch Brücken zwischen den Elektroden bilden.
  3. Entfernen Sie die Abdeckung des/der selbstklebenden Aufklebers. Tragen Sie das Gel erneut auf, falls es während dieses Schritts entfernt wurde. Alternativ entfernen Sie die erste Abdeckung und tragen Sie dann das Gel auf. Dies erfordert jedoch eine sehr ruhige Hand, damit das Gel nicht versehentlich auf den Klebstoff verschüttet wird.
  4. Bitten Sie den Teilnehmer, seine Haare vom Ohr fernzuhalten, damit sie die Anpassung nicht behindern. Bewegen Sie alle Haare so weit wie möglich aus dem Weg, so dass die Aufkleber die Haut direkt berühren. Je nach Haaransatz ist dies nicht immer möglich (z.B. wenn sich Haare direkt über dem Ohr befinden).
  5. Positionieren Sie das Gitter um das Ohr und drücken Sie es an Ort und Stelle in die Haut. Achten Sie darauf, es nicht zu nah am Ohr zu platzieren, da dies für den Teilnehmer unangenehm werden kann. Lassen Sie etwas Abstand (1 mm bis 2 mm) zwischen dem Gitter und der Rückseite des Ohres. Bitten Sie den Teilnehmer außerdem, auf die Elektroden zu drücken.
  6. Wiederholen Sie alle oben genannten Schritte (Schritte 3.1-3.5) für das andere Ohr.
  7. Entfernen Sie alle Haarspangen. Setzen Sie bei Bedarf vorsichtig die Brille oder die Streifen von Gesichtsmasken auf die Ohren.

4. Anschließen

  1. Schließen Sie den Stecker an den Verstärker an. Vermeiden Sie in diesem Schritt ein übermäßiges Biegen oder Ziehen am C-Gitter.
  2. Stecken Sie die Kontakte in den Anschluss. Stellen Sie sicher, dass die Kontakte auf der richtigen Seite eingesteckt sind. Stellen Sie sicher, dass die freiliegenden Kontakte auf der Innenseite des C-Gitters den Kontakten im Stecker zugewandt sind.
    HINWEIS: Es ist wichtig, das Layout des verwendeten Steckverbinders zu kennen (einschließlich der Position der Masse und der Referenzelektroden). Je nach verwendetem System kann das Layout unterschiedlich sein. Um einen Konnektor zu erstellen, besuchen Sie https://uol.de/psychologie/abteilungen/ceegrid. Mit dem richtigen Stecker können C-Grids an jeden Verstärker angeschlossen werden.
  3. Um den Verstärker an Ort und Stelle zu halten, verwenden Sie z. B. ein Stirnband, um ihn am Kopf zu fixieren.
    HINWEIS: Das Oldenburger Labor verwendet einen Verstärker, der in einen Halslautsprecher namens nEEGlace eingebaut ist. Der nEEGlace macht die Einrichtung komfortabler und schneller.

5. Überprüfen Sie die Impedanz und die Daten

  1. Verbinden Sie den Verstärker per Bluetooth mit einem Smartphone (optional: einem Laptop).
  2. Prüfen Sie die Impedanz der Elektroden mit der Impedanzprüfung des Verstärkers. Die Impedanz verbessert sich in der Regel mit der Zeit (5 min bis 10 min) und muss nicht für jede Elektrode am Anfang unter 10 kΩ liegen. Versuchen Sie nicht, mehr Gel unter Elektroden mit hoher Impedanz zu geben.
  3. Überprüfen Sie das EEG-Signal. Bitten Sie den Teilnehmer, die Kiefer zusammenzupressen, zu blinzeln und die Augen zu schließen (Alpha-Aktivität). Beobachten Sie die entsprechenden Artefakte und die Alpha-Aktivität im Signal. Stellen Sie sicher, dass jede Elektrode ein gutes Signal liefert. Wenn das resultierende EEG-Signal schlecht ist, entfernen Sie das Gitter, wischen Sie das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers ab und setzen Sie ein neues ein.
  4. Beginnen Sie mit der Aufnahme.

6. Entfernen und Aufräumen

  1. Nachdem Sie die Datenaufzeichnung beendet haben, trennen Sie das Telefon (oder den Laptop) vom Verstärker. Trennen Sie die Gitter vom Verstärker und entfernen Sie den Verstärker vom Teilnehmer. Entfernen Sie vorsichtig die C-Gitter vom Teilnehmer. Achten Sie darauf, das C-Gitter weder zu stark zu verbiegen noch die Haare des Teilnehmers auszureißen. Erlauben Sie den Teilnehmern, sich mit Taschentüchern oder einem Handtuch zu reinigen.
  2. Weichen Sie die Gitter einige Minuten in Wasser ein. Sie können vollständig untergetaucht werden.
  3. Lösen Sie die Aufkleber vorsichtig, um Beschädigungen zu vermeiden. Spülen Sie das restliche Gel ab. Trocknen Sie die Gitter an der Luft. Reiben Sie nicht über die leitfähige Oberfläche der Elektroden.
  4. Lagern Sie die C-Gitter sicher an einem dunklen und trockenen Ort.

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wenn man diesem Protokoll folgt, liegt die Impedanz jeder Elektrode in der Regel unter 10 kΩ oder nähert sich diesem Wert einige Minuten nach dem Platzieren des Gitters (Abbildung 1), was auf einen guten Elektroden-Haut-Kontakt hinweist. Bemerkenswert ist, dass sich die Impedanz innerhalb von 2 Stunden nach der Montage noch verbessern kann.

Abbildung 2 zeigt verschiedene unverarbeitete EEG-Signale. Abbildung 2A zeigt, wie die Daten aussehen, wenn kein Gel verwendet wird. Ein leitfähiges Gel ist erforderlich, und das Gitter funktioniert ohne Gel nicht richtig. Wenn zu viel Gel verwendet wird, können die Elektroden überbrückt werden. Die Daten für dieses Szenario sind in Abbildung 2B dargestellt. Brückenelektroden zeigen genau das gleiche Signal. Wenn die Vorbereitung und Anpassung sorgfältig durchgeführt werden, kann man qualitativ hochwertige Daten erwarten, wie in Abbildung 2C dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die Vorgehensweise und die Daten aus einem beispielhaften ereignisbezogenen Potentialparadigma (ERP) (Oddball-Aufgabe) mit einem Teilnehmer. Abbildung 3A veranschaulicht das Paradigma. Konkret spielte der Experimentator eine vordefinierte Abfolge von zwei verschiedenen Tönen auf dem Klavier (mittleres C und mittleres G). Das mittlere C wurde häufig gespielt (328 mal) und das mittlere G selten (78 mal); Der Teilnehmer musste die seltenen Noten zählen. Die Open-Source-AFEx-App zeichnete die Tonansätze, die Lautstärke (RMS) und den spektralen Inhalt (PSD) für alle Töne auf. Die Record-A-App zeichnete gleichzeitig die akustischen Merkmale und das EEG4 auf. In den Analysen wurden seltene und häufige Töne anhand der spektralen Leistungsdichte (PSD) unterschieden; siehe Hölle et al.19 für Details). Die EEG-Daten wurden bei 0,1 Hz hochpassgefiltert und bei 25 Hz tiefpassgefiltert. Ein räumlicher Filter wurde unter Verwendung der verallgemeinerten Eigenvektorzerlegung berechnet, die das interessierende Signal20 maximiert. In Abbildung 3B,C ist das resultierende ERP mit typischen Komponenten der auditiven Verarbeitung zu sehen, wie z.B. das N1 für beide Töne und das P3 für den seltenen Ton, der gezählt werden musste. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Oddball-Studien sowohl mit c-Gittern1,3 als auch mit cap-EEG21,22 überein.

figure-results-1
Abbildung 1: Beispiel für eine gute Impedanz. Alle Werte sind in Kiloohm (kΩ) angegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

figure-results-2
Abbildung 2: Darstellung von unverarbeiteten Signalen mit unterschiedlichen Qualitäten . (A) Beispiel für 10 s Daten, wenn überhaupt kein Elektrodengel verwendet wird. (B) Beispiel für 10 s Daten, wenn die Elektroden überbrückt werden. (C) Beispiel für 10 Sekunden guter Daten, die im Labor aufgenommen wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

figure-results-3
Abbildung 3: Ergebnisse eines ereignisbezogenen Potentialparadigmas (ERP) (Oddball-Aufgabe) mit einem Teilnehmer. (A) Überblick über das Paradigma. Der Teilnehmer hörte eine Abfolge von Tönen, die auf einem Klavier gespielt wurden, und musste den seltenen zählen. Das Smartphone zeichnete gleichzeitig die EEG- und akustischen Merkmale (B) ERPs aller C-Grid-Kanäle auf. Abkürzungen: REF = Referenzelektrode; DRL = Masseelektrode. (C) ERP basierend auf dem räumlichen Filter, der in der oberen linken Ecke angezeigt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier ist ein Protokoll für Ohr-EEG-Aufnahmen mit den c-Gittern vorgesehen. Die Befolgung der Schritte dieses Protokolls gewährleistet qualitativ hochwertige Aufnahmen. In den folgenden Abschnitten wird ein Vergleich mit dem CAP-EEG vorgenommen, die wichtigsten Schritte des Protokolls sowie einige Best-Practice-Empfehlungen diskutiert und einige Änderungen diskutiert.

Vergleich von C-Gittern mit Cap-EEG und In-Ear-EEG
Das C-Grid ermöglicht die unauffällige Aufzeichnung der Gehirnaktivität im Alltag und eignet sich gut für längere Aufnahmen. Es hat mehrere Vorteile gegenüber dem Cap-EEG. Erstens schränkt es aufgrund seines Gewichts, seines Komforts und seiner schlechten Sicht die Teilnehmer kaum in ihren täglichen Aktivitäten ein1. Zweitens kann es über einen längeren Zeitraum getragen werden - mehr als 11 Stunden in einer Studie 6 - ohne dass die Elektroden 1,3,6 abfallen, da sie durch die Klebeaufkleber versiegelt sind. Auf der anderen Seite deckt das c-Gitter nur einen Bruchteil der Oberfläche des Cap-EEG ab und kann daher das Cap-EEG nicht für alle Zwecke ersetzen. In Fällen, in denen eine leichte, unauffällige, schnell einzurichtende, minimal einschränkende Lösung erforderlich ist (z. B. am Arbeitsplatz), können C-Grids jedoch relevante neuronale Informationen liefern.

Der Vergleich der Ergebnisse zwischen den Teilnehmern ist für C-Grids im Vergleich zum Cap-EEG möglicherweise schwieriger. Für das Cap-EEG wird häufig das internationale 10-20-System verwendet, um den Vergleich der Ergebnisse zwischen Studien und Teilnehmern mit unterschiedlichen Kopfgrößen zu erleichtern. In diesem System sind die Elektroden relativ zu bestimmten anatomischen Orientierungspunkten positioniert (d. h. das Nasion und das Inion von vorne nach hinten und die Ohren von links nach rechts). In der Praxis werden unterschiedliche Kappengrößen verwendet, um unterschiedliche Kopfgrößen zu berücksichtigen und damit die optimale Elektrodenpositionierung anzunähern. Das C-Grid kann aus zwei Gründen nicht einfach in dieses System integriert werden. Erstens sind diese derzeit in Einheitsgröße erhältlich und decken somit je nach Kopfgröße mehr oder weniger Platz ab. Zweitens beeinflusst die Form des Ohres die Positionierung der Gitter. Im Allgemeinen befinden sich die beiden obersten Elektroden direkt über dem Ohr, aber je nach Ohrform können sie eher nach vorne oder nach hinten geneigt sein. Uns ist keine Studie bekannt, die untersucht hat, ob diese Verschiebungen der Elektrodenpositionen groß genug sind, um relevant zu sein.

Ein weiterer Ansatz zur Messung des Ohr-EEG besteht darin, die Elektroden im Inneren des Ohres zu platzieren, z. B. im äußeren Gehörgang oder in der Concha23,24,25. Ein solcher Ansatz bietet eine noch geringere Sichtbarkeit als das c-Gitter, führt aber aufgrund der geringen Abstände zwischen den Elektroden26 zur Aufzeichnung von Signalen mit niedrigeren Amplituden.

Die wichtigsten Schritte
Das EEG im Allgemeinen und das mobile ohrzentrierte EEG im Besonderen sind nach wie vor eine herausfordernde Technologie. Daher ist die sorgfältige Vorbereitung des Teilnehmers und die Platzierung der Raster unerlässlich, um eine gute Datenqualität über die Zeit zu gewährleisten. Die Vorbereitung beginnt mit den Haaren und der Haut der Teilnehmer. Die Haare und die Haut um das Ohr sollten gewaschen und getrocknet werden. Darüber hinaus muss der Experimentator den Bereich um das Ohr herum sorgfältig mit abrasivem Gel und Alkohol reinigen und sicherstellen, dass die Gitter mit den Klebeaufklebern fest verbunden sind. Diese Schritte sind wichtig und sollten sorgfältig durchgeführt werden, um eine gute Elektroden-Hauthaftung und eine niedrige Impedanz über längere Zeiträume zu gewährleisten. Vor allem die Hautreinigung kann den Unterschied zwischen einer erfolgreichen und einer misslungenen Aufnahme ausmachen.

Aber auch bei richtiger Pflege kann die Impedanz einzelner Elektroden direkt nach der Platzierung der Elektroden immer noch schlecht sein. Im Allgemeinen stabilisiert sich die Elektroden-Haut-Grenzfläche im Laufe der Zeit, und wir beobachten oft, dass die Impedanz innerhalb von 5 Minuten bis 15 Minuten abnimmt. Wenn die Signalqualität schlecht bleibt, wird empfohlen, die Gitter vollständig zu entfernen, das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers herum abzuwischen und ein neues anzubringen. Es ist schneller, ein neues zu montieren, als das zuvor entfernte Gitter zu reinigen und vorzubereiten. Es wird nicht empfohlen, nach dem Einbau des Gitters Elektrodengel auf einzelne Elektroden aufzutragen, da dies die Haftfestigkeit der Aufkleber beeinträchtigen und sogar zur Überbrückung der benachbarten Elektroden führen kann.

Nachdem das Gitter platziert wurde und die Impedanz der Elektroden niedrig ist, kann die Datenaufzeichnung beginnen. Bei längeren Aufzeichnungen (>1 h) sollte zu Beginn eine kurze Datenqualitätsprüfung durchgeführt werden. Zum Beispiel wird in dieser Studie eine 3-minütige auditive Oddball-Aufgabe veranschaulicht, die schnell durchgeführt und analysiert werden kann, um eine gute Signalqualität zu gewährleisten.

In einigen Fällen ist die Aufnahme mit dem C-Gitter möglicherweise überhaupt nicht möglich, z. B. wenn das Gitter zu klein für das Ohr ist (auch nach dem Schneiden) oder wenn der Haaransatz zu nah am Ohr liegt, was bedeutet, dass das Gitter nicht an der Haut haftet. Wenn das Gitter über einigen Haaren "schwebt", können die Forscher keine qualitativ hochwertigen Daten erwarten.

Fehlerbehebung
Schlechte Impedanz und/oder schlechtes Signal
Um diese Probleme zu vermeiden, ist es unerlässlich, dass die Haut vor der Anpassung sorgfältig gereinigt wird. Darüber hinaus sollte man darauf achten, die Funktionalität jeder Elektrode vor der Montage zu testen. Zum Beispiel sollte man überprüfen, ob das Gitter korrekt in den Stecker eingesteckt ist und ob jede Elektrode festen Kontakt mit der Haut hat und dann einige Minuten warten, bis sich die Impedanz und das Signal verbessern. Um die Funktionalität nach der Montage weiter zu überprüfen, sollten die einzelnen Elektroden gedrückt und das resultierende Signal überprüft werden. Wenn das entsprechende Signal jeder Elektrode eine Reaktion zeigt, ist die Elektrode prinzipiell funktionstüchtig. Wenn alle oben genannten Schritte nicht helfen, sollte man das Gitter entfernen, das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers abwischen und ein neues einsetzen.

Situationen ohne Signal
Erstens sollte man sicherstellen, dass das Netz richtig mit dem Verstärker verbunden ist, sowie sicherstellen, dass der Netzstecker nicht auf dem Kopf steht. Es gibt nur dann ein Signal, wenn die Masse- und Referenzelektroden angeschlossen sind. Ob sich die Masse und die Referenz auf der linken, rechten oder auf beiden Seiten befinden, hängt vom Steckverbinder ab.

Das Signal wird während der Aufnahme schlechter
Es kann mehrere Gründe für dieses Problem geben, die angegangen werden müssen. Erstens könnten sich einige der Elektroden von der Haut gelöst haben. Dies kann passieren, wenn der Klebstoff durch die Reste des Elektrodengels, durch Haare unter den Elektroden oder durch Störungen des Teilnehmers (z. B. Kratzen um das Ohr oder Anpassen der Brille) beeinträchtigt wird. Zweitens könnte es Probleme mit der Verbindung zwischen dem Gitter und dem Verstärker geben (d.h. das Gitter könnte aus dem Verstärker herausgezogen worden sein oder seine Position könnte sich verschoben haben). Schließlich könnte das Netz während der Nutzung beschädigt worden sein. Dies kann passieren, wenn das Ende des C-Gitters zu stark gebogen ist.

Kanäle mit identischen Signalen
In diesem Fall werden die Elektroden überbrückt. Man sollte das Gitter entfernen, das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers abwischen und ein neues einsetzen. Man sollte auch darauf achten, nur linsengroße Tropfen Elektrodengel auf jeder Elektrode zu verwenden, um eine Überbrückung zu vermeiden.

Teilnehmer, die berichten, dass die Platzierung unangenehm ist
Der häufigste Grund für einen verminderten Komfort ist, dass das Gitter zu nahe an der Rückseite des Ohres platziert ist. Man sollte darauf achten, 1 mm bis 2 mm zwischen dem C-Gitter und der Rückseite des Ohres zu lassen. Ein kleines Stück Klebeband, das hinter dem Ohr angebracht ist, hilft, den Komfort zu erhöhen.

Modifikationen der Methode
Das C-Gitter ist in einer Größe erhältlich. Es ermöglicht jedoch eine gewisse Flexibilität in Bezug auf seine Größe. Durch das Schneiden des Kunststoffs an der Innenseite kann die Größe verkleinert werden, um größere Ohren zu passen. Man sollte besonders darauf achten, nicht in die Elektroden oder die Leiterbahnen zu schneiden.

Je nach verwendetem Verstärker und Aufnahmeszenario gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, den Verstärker auf dem Körper zu platzieren. Die feste Länge des Gitterschwanzes und die Tatsache, dass es horizontal vom Ohr weg zeigt, begrenzt die möglichen Positionen für die Platzierung des Steckers des Verstärkers. Verschiedene Hersteller bieten Adapterkabel an, die das Netz mit einem bestimmten Verstärker (entweder mobil oder laborbasiert) verbinden. Für die Platzierung des Verstärkers wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Einige Forscher verwenden ein Stirnband3, während andere es in eine Basecap27 integrieren. Für kürzere Experimente eignet sich ein Stirnband. Für längere Experimente kann der Verstärker an die Kleidung6 oder den Körper2 geklebt, in speziell angefertigten Gurten aufbewahrt, an Kopfhörer geklebt werden, die um den Hals getragen werden1 oder an einen Nackenschutz geklebt werden, der üblicherweise beim Mountainbiken verwendet wird. Wir haben einen Prototypen entwickelt, der einen Halslautsprecher (zur Darstellung von Hörreizen) mit einem mobilen EEG-Verstärker und Anschlüssen an das C-Grid kombiniert (eine Bauanleitung finden Sie hier: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Wir haben diesen Ansatz erfolgreich in einer aktuellen Studie (in Vorbereitung) angewendet, in der wir das Ohr-EEG für 4 h aufgezeichnet haben, während die Teilnehmer in einem Büro arbeiteten.

Zukünftige Anwendungen
Das C-Grid ist ein vielversprechendes Werkzeug für Langzeitaufnahmen im Alltag. Zum Beispiel kann man damit die Klangverarbeitung im Alltaguntersuchen 1. Mit Langzeitaufzeichnungen können auch circadiane Variationen der Kognition und der Hörfunktion untersucht werden28,29. Für diagnostische Zwecke kann das Raster zur Langzeitüberwachung von epileptischen Anfällen2, Schlafstadien6 oder zur Messung der Aufmerksamkeit für Hörgeräte 7,11 verwendet werden.

Schlussfolgerung
Dieses Protokoll rüstet Forscher umfassend aus, um mit diesen C-Gittern innerhalb und außerhalb des Labors zu experimentieren. Wenn die Forscher dieses Protokoll befolgen und die Schritte, einschließlich der wichtigsten, wie die Hautreinigung und die Anpassung des C-Gitters, sorgfältig durchführen, können sie qualitativ hochwertige Daten für ihre Ohr-EEG-Experimente erwarten.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren berichten von keinen Interessenkonflikten.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy-Noether-Programms BL 1591/1-1 - Projekt-ID 411333557 gefördert. Wir danken Suong Nguyen, Manuela Jäger und Maria Stollmann für ihre Unterstützung bei den Dreharbeiten zum Video. Wir danken Joanna Scanlon für das Video-Voiceover.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Schleifgel: Abralyt HiCleasycap GmbH, Deutschland
AFEx-AppUniversität Oldenburg, Deutschlandfür unsere beispielhafte Datenerfassung, Open-Source: https://zenodo.org/record/5814670#.Y0AavXZByUk
AlkoholCarl Roth GmbH + Co. KG, Deutschland70% Isopropanol, 30% destilliertes Wasser
c-Grid: cEEGridTSMI, Oldenzaal, Niederlande
cEEGrid-KonnektorUniversität Oldenburg, Deutschlandkundenspezifischer Aufbau
einer EEG-Erfassungs-App: SmartingmBrainTrain, Serbien
MatlabThe MathWorks, Inc., USAfür die Datenanalyse und die Erstellung der Zahlen
Medizinisches Klebeband: LeukosilkBSN medical GmbH, Deutschland
mobiler EEG-Verstärker: Smarting MOBImBrainTrain, Serbien
MultimeterPeakTech Prü f- und Messtechnik GmbH, Deutschlandoptionales Gerät zur Überprüfung der Funktionalität von Elektroden
nEEGlaceUniversität Oldenburg, Deutschlandkundenspezifischer Nackenlautsprecher mit integriertem EEG-Verstärker (Smarting, mBrainTrain, Serbien) und cEEGrid-Anschlüssen
Papiertücher -
Record-a Appder Universität Oldenburg, Deutschlandfür unsere vorbildliche Datenerfassung, Open-Source: https://github.com/NeuropsyOL/Pocketable-Labs
Smartphone: Google Pixel 3a Google LLC, USA
Yahama Digital Piano P-35Hamamatsu, Japanfür unsere beispielhafte Datenaufzeichnung

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Bleichner, M. G., Debener, S. Concealed, unobtrusive ear-centered EEG acquisition: cEEGrids for transparent EEG. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 163(2017).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Wascher, E., et al. Evaluating mental load during realistic driving simulations by means of round the ear electrodes. Frontiers in Neuroscience. 13, 940(2019).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Cohen, M. X. A tutorial on generalized eigendecomposition for denoising, contrast enhancement, and dimension reduction in multichannel electrophysiology. NeuroImage. 247, 118809(2022).
  21. 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).
  22. Polich, J. Updating P300: An integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Kappel, S. L., Makeig, S., Kidmose, P. Ear-EEG forward models: Improved head-models for ear-EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 943(2019).
  26. 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).
  27. Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for brain-computer-interfaces. arXiv. , (2021).
  28. 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).
  29. Basinou, V., Park, J. -S., Cederroth, C. R., Canlon, B. Circadian regulation of auditory function. Hearing Research. 347 (3), 47-55 (2017).

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Ear ElectroencephalographyBrain Activity RecordingcEEGrid ElectrodeEEG Signal QualityElectrode PreparationMobile EEG AmplifierElectrode ImpedanceCognitive ProcessesElectrode Gel ApplicationEvent Related Potentials

Verwandte Artikel