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방법 논문

유아-양육자의 사회적 상호 작용을 위한 가정 기반 EEG 하이퍼스캐닝

2.1K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/66655

⸱

2024년 5월 31일

 ,  ,  ,  , 
1Department of Psychology, School of Social Sciences, Nanyang Technological University, 2Department of Pediatrics, University of Cambridge, 3Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty, RWTH Aachen University

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 가정 환경에서 유아 양육자의 다이아드에서 동기화된 뇌파, 심전도 및 행동 기록을 캡처한 방법을 설명합니다.

초록

간병인과 어린이의 뇌 활동을 동시에 기록하는 이전의 하이퍼스캐닝 연구는 주로 실험실 내에서 수행되었기 때문에 결과의 일반화 가능성이 실제 환경에 대한 일반화 가능성에 제한이 있었습니다. 여기에서는 가정에서 다양한 대화형 작업을 수행하는 동안 유아-양육자 다이아드의 동기화된 뇌파(EEG), 심전도(ECG) 및 행동 기록을 캡처하기 위한 포괄적인 프로토콜이 제안됩니다. 이 프로토콜은 서로 다른 데이터 스트림을 동기화하고 EEG 데이터 보존률 및 품질 검사를 보고하는 방법을 보여줍니다. 또한 가정 환경에서의 실험 설정, 작업 및 데이터 수집과 관련된 중요한 문제와 가능한 솔루션에 대해 논의합니다. 이 프로토콜은 유아 양육자 다이아드에 국한되지 않고 다양한 다이아드 별자리에 적용될 수 있습니다. 전반적으로, 우리는 보다 생태학적으로 유효한 환경 환경에서 참가자의 뇌 활동을 포착하기 위해 실험실 외부에서 실험을 수행할 수 있는 EEG 하이퍼스캐닝 설정의 유연성을 보여줍니다. 그러나 움직임 및 기타 유형의 인공물은 여전히 가정 환경에서 수행할 수 있는 실험적 작업을 제한합니다.

서론

하이퍼스캐닝(hyperscanning)이라고도 하는 두 개 이상의 상호 작용하는 피험자의 뇌 활동을 동시에 기록함으로써 복잡하고 양방향적이며 빠르게 진행되는 역학에서 사회적 상호 작용의 신경 기초를 설명할 수 있게 되었습니다1. 이 기법은 고립되고 엄격하게 통제된 환경에서 개인을 연구하는 것에서 자유 놀이 2,3, 퍼즐 풀기4 및 협동 컴퓨터 게임 5,6 중 부모-자식 상호 작용과 같은 보다 자연스러운 상호 작용을 조사하는 것으로 초점을 옮겼습니다. 이 연구는 사회적 상호 작용 중에 뇌 활동이 동기화됨, 즉 시간적 유사성을 보인다는 것을 보여주며, 이러한 현상을 대인 신경 동기화(INS)라고 합니다. 그러나 대부분의 하이퍼스캐닝 연구는 실험실 환경에 국한되어 있습니다. 이것은 더 나은 실험 통제를 허용하지만 일부 생태학적 타당성을 잃는 대가를 치를 수 있습니다. 실험실에서 관찰된 행동은 낯설고 인공적인 환경과 부과된 과제의 특성으로 인해 참가자의 전형적인 일상 상호작용 행동을 대표하지 않을 수 있다7.

최근 뇌파검사(EEG) 또는 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)과 같은 모바일 신경영상 장치의 발전으로 참가자가 기록 컴퓨터에 물리적으로 연결되어 있어야 하는 요구 사항을 제거함으로써 이러한 문제를 완화했습니다. 따라서 참가자가 교실이나 가정에서 자유롭게 상호 작용하는 동안 참가자의 뇌 활동을 측정할 수 있습니다 8,9. fNIRS와 같은 다른 신경영상 기법과 비교했을 때 EEG의 장점은 시간적 해상도가 뛰어나 빠르게 진행되는 사회적 역동성을 조사하는 데 특히 적합하다는 점이다10. 그러나 EEG 신호는 움직임 및 기타 생리적 및 비생리학적 인공물에 매우 취약하다는 주의가 수반된다11.

그럼에도 불구하고 첫 번째 연구는 실제 환경과 조건에서 EEG 하이퍼스캐닝 설정을 성공적으로 구현했습니다. 예를 들어, Dikker et al.12은 강의 참석, 비디오 시청, 그룹 토론 참여를 포함한 다양한 교실 활동에 참여하는 학생 그룹의 EEG 신호를 측정했습니다. 이 연구는 다른 연구 8,9와 함께 비실험실 환경에서 측정을 수행하는 과정을 용이하게 하기 위해 주로 건조 EEG 전극을 사용했습니다. 전도성 겔 또는 페이스트의 도포가 필요한 습식 전극과 비교할 때 건식 전극은 유용성 측면에서 주목할 만한 이점을 제공합니다. 그들은 성인 인구 및 정지 상태에서 습식 전극과 유사한 성능을 나타내는 것으로 나타났습니다. 그러나, 이들의 성능은 임피던스 레벨(impedance levels)13의 증가로 인해 모션 관련 시나리오에서 감소할 수 있다.

여기에서는 가정 환경에서 유아 양육자 dyad의 동일한 무선 증폭기(샘플링 속도: 500Hz)에 연결된 단일 리드 심전도(ECG)를 사용하여 저밀도 7채널 액체 젤 EEG 시스템에서 동기화된 녹음을 캡처하기 위한 작업 프로토콜을 제시합니다. 능동 전극은 성인에게 사용되었지만, 수동형 전극은 일반적으로 고리 전극 형태로 제공되어 겔 적용 과정을 용이하게 하기 때문에 유아에게 대신 사용되었습니다. 또한 EEG-ECG 녹화를 3대의 카메라 및 마이크와 동기화하여 다양한 각도에서 참가자의 행동을 캡처했습니다. 이 연구에서 8-12개월 된 영아와 보호자는 EEG, ECG 및 행동을 기록하는 동안 읽기 및 놀이 작업에 참여했습니다. 과도한 움직임이 EEG 신호 품질에 미치는 영향을 최소화하기 위해 과제는 탁자 위 환경(예: 부엌 탁자 및 유아용 유아용 의자 활용)에서 수행되었으며 참가자는 상호 작용 과제 내내 앉아 있어야 했습니다. 간병인에게는 연령에 맞는 책 3권과 탁상용 장난감(떨어지는 것을 방지하기 위해 흡입 컵이 장착되어 있음)이 제공되었습니다. 그들은 약 5분 동안 아이에게 책을 읽어 준 다음 장난감을 가지고 10분 동안 놀아주도록 지시받았습니다.

이 프로토콜은 읽기 및 재생 작업 중에 동기화된 EEG-ECG, 비디오 및 오디오 데이터를 수집하는 방법을 자세히 설명합니다. 그러나 전체 절차는 이 연구 설계에만 국한되지 않고 다양한 모집단(예: 부모-자식 다이아드, 친구 다이아드) 및 실험 작업에 적합합니다. 서로 다른 데이터 스트림의 동기화 방법이 제시됩니다. 또한 Dikker et al.12를 기반으로 한 기본 EEG 전처리 파이프라인을 간략하게 설명하고 EEG 데이터 보존률 및 품질 관리 지표를 보고합니다. 특정 분석 선택은 다양한 요인(예: 작업 설계, 연구 질문, EEG 몽타주)에 따라 달라지기 때문에 하이퍼스캐닝-EEG 분석은 더 이상 자세히 설명되지 않고 대신 독자는 기존 지침 및 도구 상자(예: 지침의 경우 14;15,16 하이퍼스캐닝 분석 도구 상자의 경우). 마지막으로, 이 프로토콜은 가정 및 기타 실제 환경에서 EEG-ECG 하이퍼스캐닝에 대한 과제와 잠재적 솔루션에 대해 논의합니다.

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프로토콜

설명된 프로토콜은 싱가포르 난양기술대학교(Nanyang Technological University)의 IRB(Institutional Review Board)의 승인을 받았습니다. 정보에 입각한 동의는 모든 성인 참가자와 유아를 대신하여 부모로부터 얻었습니다.

1. 집에서의 장비 및 공간 고려 사항 세션

  1. 국가와 계절에 따라 다른 습도와 온도 조건에 대비하십시오. 온도와 습도가 높은 환경의 경우 공기 흐름이 적절한지 확인하고 가능하면 집에 있는 에어컨을 켜십시오.
  2. 동일한 주파수 대역에서 작동하는 주변 기계가 간섭을 일으킬 수 있으므로 WiFi 송신기, Bluetooth 장비(예: 휴대폰, 키보드, 마우스 등) 및 전자레인지로부터 거리를 유지하십시오. 또한 데이터에서 심각한 전력선 노이즈가 발생할 수 있으므로 실험 설정을 집에 있는 충전 장치에서 멀리 두십시오. 근처에 있는 스탠딩 팬이나 천장 팬을 고속으로 사용하면 EEG 케이블이 흔들리고 기계적 아티팩트가 발생할 수 있습니다.
  3. 참가자의 집 내에서 실험을 진행할 수 있는 유용한 공간을 준비합니다. 검사 구역에는 테이블 주위에 앉은 유아용 의자에 간병인 1명과 유아 1명을 수용할 수 있는 충분한 여유 공간이 있는지 확인하고 삼각대에 3대의 카메라가 있는지 확인하십시오. 가능한 경우 테이블에서 모든 항목을 지워 잠재적인 방해 요소를 줄입니다.
  4. 캠코더가 참가자의 표정을 캡처할 수 있도록 테스트 영역에 적절한 밝기가 있는지 확인합니다. 테이블이 창문에 가까이 있는 경우 렌즈의 눈부심을 방지하기 위해 캠코더를 창문을 향하게 배치하지 마십시오.

2. 세션 전 준비 사항

  1. EEG 측정을 위해 성인은 헤어 제품을 바르지 않고 세션 전날 머리를 감아야 한다고 참가자에게 알립니다. EEG 세션 당일에 화장을 자제할 수 있는지 물어보십시오.
  2. 모든 녹음 장비(마이크 및 캠코더), 노트북, amp트리거 박스에서 사용하는 보조 배터리 및 보조 배터리는 세션 전날에 충전됩니다. 세션 몇 시간 전에 모든 장비가 완전히 충전되었는지 확인하십시오. 충전기를 휴대하거나 장비의 배터리 잔량이 예기치 않게 부족한 경우를 대비하여 휴대용 보조 배터리를 휴대하는 것이 좋습니다.
  3. 세션에 필요한 모든 양식과 녹음 장비를 챙기십시오.

3. 참가자의 집에서 실험 준비

  1. EEG 겔화 제제
    1. 젤을 다룰 때는 장갑을 끼십시오. 4개의 주사기에 젤을 채우고, 수동 전극의 경우 2개의 주사기에 뭉툭한 팁을 채우고, 활성 전극의 경우 더 미세한 팁으로 2개의 주사기를 채웁니다.
    2. 유아 및 성인 ECG 전극을 위한 두 개의 정사각형 마스킹 테이프를 준비합니다.
  2. 녹음 장비 준비
    1. 전자 장비를 다룰 때는 장갑을 벗으십시오.
    2. 모든 노트북을 켜고 EEG 동글을 해당 노트북에 연결합니다. EEG 기록 소프트웨어가 실행 중인지 확인합니다.
    3. 성인 및 유아 연결 amp무선 연결을 통해 각 노트북의 EEG 기록 소프트웨어에 liifiers를 연결합니다.
    4. 두 ampliifiers(성인 및 유아)는 동일한 트리거 포트 설정, 즉 트리거 마커가 입력 펄스의 상승(고-활성) 또는 하강 에지(낮-활성)에서 생성되는지 여부를 확인합니다.
    5. 각 삼각대에 3개의 캠코더를 장착합니다. 각 캠코더가 양육자, 유아, 양육자와 유아(결합 보기)를 각각 캡처하는지 확인합니다( 그림 1 참조). 세션을 시작하기 전에 캠코더의 각도가 참가자의 얼굴을 일관되게 캡처할 수 있는지 확인하십시오. 이는 상호 작용 중에 보호자가 종종 유아의 눈까지 내려간다는 점을 고려합니다.
  3. 유아용 유아용 의자와 보호자의 의자를 테이블 가장자리에 배치하여 캠코더가 얼굴 표정을 포착할 수 있는 각도로 서로 마주 보도록 합니다( 그림 1 참조). 탁자 위에 충분한 공간이 없으면 유아용 유아용 의자와 보호자용 의자를 직각으로 나란히 놓습니다.

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그림 1: 설정의 하향식 보기. (1) 유아용 캠코더. (2) 결합된 뷰 캠코더. (3) 간병인용 캠코더. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

4. 간병인을 위한 EEG 및 ECG 센서 적용

  1. 안전하게 부착 ampEEG 캡에 liifier
    1. 간병인의 경우 EEG 캡의 뒷주머니를 사용하여 amp케이블 움직임과 EEG 소음을 줄이기 위해 liifier. 참가자에게 캡을 적용하기 전에 ampliifier가 단단히 보관되고 커넥터에 부착되었습니다.
    2. 취급하는 동안 물과 접촉하지 않았는지 ampliifier(즉, 젤에 담근 경우 장갑을 벗으십시오).
  2. 간병인에게 안경, 마스크 또는 귀걸이를 벗도록 요청하십시오. 머리를 묶었다면 머리띠를 풀어 머리를 내리게 한다.
  3. 장갑을 낀 상태에서 간병인의 허락을 받아 알코올 면봉(70% 이소프로필 알코올(IPA))을 사용하여 이마를 청소합니다.
  4. 간병인의 머리 양쪽에서 자연스러운 모발 분리선을 따라 귀가 완전히 보이도록 귀의 가장 윗부분에서 머리카락을 가르십시오.
  5. 간병인의 머리 둘레를 측정하여 머리의 4개 기준점, 즉 비시온(눈썹 높이), 이니온의 능선(머리 뒤쪽에서 가장 높은 지점), 왼쪽과 오른쪽 트라거스(귀 끝) 사이에 측정 테이프를 붙입니다.
  6. 왕관과 같은 손 제스처로 EEG 캡을 안쪽에서 늘리고 간병인의 이마에서 머리 뒤쪽으로 캡을 놓기 시작합니다. 캡을 놓지 않고 손을 아래로 밀어 스트랩을 잡고 턱 쪽으로 당겨 후크와 고리 끝을 조입니다. 참가자의 편안함에 따라 스트랩을 조정하십시오.
    1. 참가자의 얼굴에 있는 앞머리나 머리카락이 얼굴에서 멀리 떨어져 있어 불편함이나 시야 방해를 방지해야 합니다.
    2. 전극이 두피에 밀착되도록 캡을 부드럽게 펴십시오. 캡에 주름이 없는지 확인하십시오.
  7. 정중선의 전극 위에 측정 테이프를 놓고 비이온과 이이온 사이의 거리를 측정합니다. 국제 10-20 시스템의 Cz 전극이 측정의 중간점에 있는지 확인하십시오. 필요한 경우 스크런치 및 릴리스 방법을 사용하여 캡의 위치를 앞뒤로 이동합니다.
  8. 왼쪽과 오른쪽 tragus 사이의 거리를 측정하여 Cz 전극이 측정의 중간점에 해당하는지 확인하고 필요한 경우 조정합니다.
  9. EEG 및 ECG 겔 적용
    1. 기준 전극과 접지 전극에 겔을 바르는 것으로 시작합니다. 나머지 전극을 겔화합니다. 성인은 일반적으로 뒤쪽에 더 많은 머리카락이 있기 때문에 임피던스가 허용 가능한 범위(일반적으로 < 25kΩ)로 감소하는 데 시간이 더 오래 걸릴 수 있으므로 뒤쪽의 전극부터 시작합니다.
    2. 간병인에게 젤을 바를 때는 팁이 더 길고 가는 주사기를 사용하십시오. 주사기 팁을 전극 입구에 삽입하고 주사기의 아래쪽 곡선을 사용하여 머리카락을 자릅니다. 주사기가 당겨질 때 소량의 젤을 분사합니다. 두피와 전극 사이에 틈이 크면 전극을 꾹꾹 눌러 접촉을 확인하십시오.
    3. 주어진 활성 전극 설정이 허용하는 경우 빛을 임피던스 참조 가이드로 사용하십시오. 또는 EEG 기록 소프트웨어의 임피던스 판독값을 참조하여 접점 개선이 필요한 전극을 식별합니다.
      알림: 임피던스가 낮고 신호 품질이 좋은 전극(세션을 시작하기 전에 아티팩트를 확인하여 보장)은 캡 및/또는 EEG 몽타주에서 녹색으로 표시됩니다. 전극의 임피던스가 높으면 모발을 분리하고 전극의 젤을 두피와 명확하게 접촉하는 지점까지 잘 이동시키는 노력을 반복합니다.
    4. 캡은 일반적으로 각 머리에 완벽하게 맞지 않으며 머리의 오목한 부분으로 인해 전극과 두피 사이에 자연스러운 틈이 생길 수 있습니다. 임피던스가 계속 높게 유지되면 전극과 두피 사이에 젤 브리지를 보장하기 위해 작은 젤 마운드를 적용합니다. 그 후 캡 아래의 이웃 전극과 연결되지 않도록 겔을 옆으로 움직이지 않도록 주의하십시오.
    5. 캡 위의 인접한 전극을 가로지르는 브리징을 방지하기 위해 웰을 젤로 과도하게 채우지 않도록 주의하십시오.
    6. 모든 EEG 전극의 임피던스가 낮아지면 알코올 물티슈를 사용하여 참가자의 왼쪽 쇄골 아래의 부드러운 부분을 청소하고 ECG 전극을 부착하기 시작합니다.
      1. ECG 전극 바닥에 원형 테이프를 붙이고 전극의 웰을 덮을 만큼 충분한 젤을 바릅니다.
      2. 왼쪽 쇄골 아래의 부드러운 부분에 전극을 부착합니다. 센서 상단에 흰색 마스킹 테이프를 붙입니다.

5. 유아를 위한 EEG 및 ECG 센서 적용

  1. 보호자에게 유아가 실험자가 제공한 조끼를 입도록 요청하고, 나중에 증폭기를 보관할 뒷주머니가 있습니다.
  2. 간병인의 허락을 받아 알코올 물티슈를 사용하여 이마를 닦습니다. 4개의 기준점 주위에 측정 테이프를 놓아 유아의 머리 둘레를 측정합니다.
  3. 아기가 명백히 기분이 좋고 혼자 또는 보호자와 함께 행복하게 놀고 있다면 EEG 캡을 씌우십시오. 아기의 기분과 모자에 대한 경향에 대해 양육자와 상의하십시오. 부모가 동의하는 경우 뚜껑을 씌우기 전에 아기의 손을 잡을 수 있는 건조 식품이나 장난감을 준비하십시오. 또한 아기를 양육자의 무릎에 올려 겔링 과정에서 편안함을 느낄 수 있도록 합니다.
  4. 왕관처럼 스트레칭하는 동작으로 아기의 머리에 모자를 씌우고 갈고리와 고리 끝을 턱 아래에 고정합니다. 두 번째 실험자나 보호자가 딸랑이를 사용하여 유아가 위를 보도록 유도하여 고리와 고리 끝을 더 쉽게 고정할 수 있도록 합니다.
    1. 유아의 얼굴에 있는 앞머리나 흩어진 털은 불편함이나 시야 방해를 방지하기 위해 캡 아래에 깔끔하게 끼워져 있는지 확인하십시오.
    2. 전극이 두피에 밀착되도록 캡을 부드럽게 펴십시오. 캡에 주름이 없는지 확인하십시오.
  5. 측정 테이프를 사용하여 Cz 전극이 머리의 중간 지점 또는 상단에 오도록 하여 캡이 올바르게 배치되었는지 확인하고 필요한 경우 스크런치 및 릴리스 방법을 사용하여 조정합니다(4.7단계 참조).
  6. 앰프를 캡에 단단히 부착하십시오. 연결되면 임피던스 판독값을 표시합니다.
  7. 연결된 앰프를 유아용 조끼 뒤쪽의 주머니에 넣습니다.
  8. EEG 및 ECG 겔 적용
    1. 기준 전극과 접지 전극에 겔을 바르는 것으로 시작합니다. 뒤쪽부터 나머지 전극을 겔화합니다.
      알림: 유아는 실험자가 머리를 만지거나 젤의 냉각 느낌으로 인해 약간 까다로울 수 있습니다. 이 경우, 계속하기 전에 양육자가 아기를 달랠 수 있도록 약간의 시간을 허용하십시오. 두 번째 실험자는 유아의 주의를 산만하게 할 수 있습니다(예: 비눗방울을 불거나, 장난감을 사용하거나, 음식을 주는 등).
    2. 모든 전극 구멍을 젤로 채운 다음 수동 전극을 사용하는 경우 면 팁을 사용하여 머리카락을 왼쪽에서 오른쪽으로 부드럽게 가르십시오(여기에서와 같이). EEG 기록 소프트웨어의 몽타주를 참조하여 겔화하는 동안 임피던스를 확인하십시오.
    3. 유아는 성인에 비해 겔화 과정에 덜 관대하기 때문에 EEG 기록 소프트웨어에서 일반적으로 50kΩ< 낮은 임피던스를 보여주는지 확인하십시오.
    4. 아기 물티슈로 아기의 왼쪽 쇄골 아래의 부드러운 부분을 청소하고 성인 ECG와 동일한 절차에 따라 ECG를 유아의 왼쪽 쇄골 아래에 부착합니다.

6. 다중 모드 데이터 동기화를 위한 트리거 상자 만들기

참고: 서로 다른 센서 데이터 스트림(즉, EEG, ECG, 비디오 및 오디오)은 세션 중 서로 다른 시점에서 기록을 시작하므로 이벤트의 단일 타임라인을 만들려면 수동으로 동기화해야 합니다. 따라서 캠코더(즉, LED 조명)와 증폭기(즉, 디지털 또는 아날로그 신호) 모두에 의해 포착될 수 있는 공통 이벤트가 필요합니다. 이를 달성하기 위해 사내 동기화 트리거 박스가 사용되며, 이는 아래에 설명된 대로 간단한 마이크로 컨트롤러 유닛 프로그램을 사용하여 구축할 수 있습니다.

  1. 트리거 박스를 구축하려면 증폭기의 트리거 포트에 연결되는 마이크로 컨트롤러 개발 기판, LED, BNC 커넥터, 보조 배터리, 디지털 입력 장치(즉, 푸시 버튼) 및 전기 펄스/신호 출력(즉, 트리거 와이어)을 사용합니다.
    1. 암 BNC 커넥터를 입력 역할을 하는 푸시 버튼(예: 입력 핀: 8)에 연결하고 LED 조명과 전기 펄스 신호가 출력 역할을 합니다(예: 출력 핀: 12, 그림 2A 참조).
    2. BNC 커넥터를 두 개의 amp2.5mm 전선 케이블을 통해 liifiers, 푸시 버튼에서 디지털 TTL 신호를 읽을 때 EEG-ECG 기록의 s를 s로 표시하는 1비트 트리거를 생성합니다( 그림 2C 참조).
  2. 성인과 유아의 트리거 포트 설정을 구성하십시오 amp긴밀하고 정확한 EEG-EEG 동기화를 보장하기 위해 동일한 방식으로 liifiers.
    1. 트리거 마커가 두 앰프 녹음에서 생성되도록 트리거 시스템을 설계하십시오. 트리거 푸시 버튼이 눌릴 때와 반대로 눌린 후에는, 트리거 푸시 버튼이 해제될 때입니다.
    2. 증폭기에서 트리거 포트의 현재 상태를 식별합니다. 처음에 0 또는 LOW인 경우 포트를 low-active로 설정하여 푸시 버튼에서 손을 뗄 때 마커를 생성합니다. 또는 포트의 초기 상태가 1 또는 HIGH인 경우 푸시 버튼을 놓을 때 마커를 생성하도록 포트를 하이 액티브로 설정합니다( 그림 3 참조).

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그림 2: 트리거 박스 구축. (A) 트리거 박스용 마이크로컨트롤러 회로도; (B) 내장 방아쇠 상자의 내부; (C) 성인 및 유아 EEG-ECG에 연결된 트리거 박스 ampliifiers, 트리거 푸시 버튼 및 보조 배터리. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: 높은 활성 및 낮은 활성 트리거 포트 설정. 트리거 핀의 초기 상태(0 또는 1)에 따라 트리거 포트 설정(High Active, HA 또는 Low Active, LA)이 선택되어 펄스 끝(트리거 푸시 버튼에서 손을 뗄 때)에 마커가 생성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

7. 센서 스트림 동기화

  1. 동기화를 쉽게 하려면 마이크 수신기를 해당 캠코더에 부착하여 비디오(캠코더)를 오디오(마이크)와 자동으로 동기화합니다.
    알림: 마이크는 캠코더에 부착되어 있고 EEG 및 ECG 전극은 동일한 증폭기에 연결된 EEG 전극 분기 세트에서 나오기 때문에 이러한 데이터 스트림은 자동으로 사전 동기화됩니다.
  2. 해당 마이크 송신기를 보호자의 상단 칼라와 유아의 조끼에 부착합니다.
  3. 세 캠코더 모두에 대한 캠코더 녹화를 시작한 후 해당 캠코더의 위치가 실내의 트리거 박스에서 LED 조명 신호를 캡처할 수 있는지 확인합니다.
  4. 노트북과 앰프(SD 카드 버전)에서 EEG 기록을 시작합니다. 세션 후 동기화를 용이하게 하려면 먼저 카메라를 시작한 다음 EEG 센서를 성인-유아 순서대로 시작하십시오. 유아 EEG는 다른 모든 센서가 동기화되는 마스터 센서이기 때문입니다(음의 비디오-EEG 오프셋을 피하기 위해).
  5. 두 앰프를 모두 amp스퓨리어스 마커를 피하기 위해 2.5mm 잭을 사용하여 트리거 박스 설정에 단단히 고정합니다(그림 2C).
    알림: 잭이 증폭기에 부착될 때 EEG 연속 스트림에서 트리거 마커가 보여야 합니다.
  6. Trigger Box를 사용하여 데이터 스트림을 동기화합니다.
    1. 두 구성 간의 마커 모양(버튼 누름 시작 및 종료) 차이는 누름이 상당히 긴 경우(최소 1 - 2초 길이)에만 두드러지므로 길게 누름을 수행합니다.
    2. 여러 트리거를 길게 눌러 여러 트리거를 생성하여 센서 간 예상 오프셋의 정확성과 신뢰성을 높이고 일부 트리거가 일부 센서에 의해 등록되지 않은 상황에서 사후 동기화를 지원합니다.
    3. 모든 카메라를 확인하여 트리거 박스의 LED 신호가 녹음에서 보이는지 확인하고 랩톱에서 진행 중인 EEG 녹음에 동시 마커가 표시되는지 확인합니다.
  7. 제거 amp트리거 박스 설정에서 liifiers를 선택하고 ampliifiers는 해당 EEG 캡에 단단히 부착되어 있습니다.
  8. 실험 세션의 시작과 끝 시, 특히 웹 카메라를 사용하여 드롭된 비디오 프레임을 모니터링하는 경우 동기화가 드리프트되는 경우 이 동기화 절차를 수행합니다.

8. 부모-유아 상호작용 실험

  1. 부모-유아 상호 작용 작업을 시작하기 전에 테이블에서 모든 장비를 제거하여 양육자-유아 상호 작용 실험에 대한 잠재적인 방해 요소를 제거합니다.
  2. 실험 작업을 수행합니다.
    참고: 과제는 실험자의 지시나 개입을 최소화하면서 다이아드 간의 자연스러운 상호 작용을 강조하기 위해 선택되었습니다(예: 일반적으로 집에서 하는 것처럼 아기와 함께 5분 동안 읽기). 작업 시간은 참가자의 편안함과 장비의 한계(예: 증폭기의 배터리 수명)에 따라 달라집니다.
  3. 가능하면 주의가 산만해지지 않도록 실험 내내 모든 실험자가 유아의 시야에서 숨겨져 있는지 확인하십시오. 한 명의 실험자는 센서 스트리밍 문제가 발생할 경우 개입할 수 있도록 녹음 노트북과 함께 근처에 있어야 합니다. 녹음 노트북이 amp무선(Wi-Fi, Bluetooth) 성능 저하로 인한 샘플 손실을 방지하기 위해 liifiers(< 10m)를 참조하십시오.

9. 실험 종료 시 정리

  1. 캠코더의 녹화와 랩톱 및 앰프의 EEG 녹화 소프트웨어를 중지합니다. 끄다 ampliifier를 캡에서 분리합니다.
  2. EEG 캡 제거
    1. 양육자로부터 시작하여 ECG 테이프와 전극을 부드럽게 제거하거나 필요한 경우 양육자에게 유아의 ECG를 제거하도록 요청하십시오. 아기의 피부는 민감하기 때문에 아기 물티슈나 따뜻한 물을 사용하여 테이프를 적시면 쉽게 제거할 수 있습니다.
    2. 먼저 캡의 고리와 고리 끝을 제거한 다음 캡을 뒤로 벗겨내고 뒤집습니다. 아기 물티슈를 사용하여 아기의 머리에서 젤 잔여물을 닦아내고 보호자의 캡을 제거합니다.
    3. 간병인에게 과도한 젤은 샤워 중에 쉽게 씻겨 나간다고 조언하십시오.
  3. 수송 준비
    1. EEG 및 ECG 전극과 함께 EEG 캡을 비닐 봉지에 넣습니다. 캡의 젤이 캡의 스플리터 박스에 닿지 않도록 하십시오. 운송 중에는 전선과 스플리터 상자를 구조화된 상자에 보관하십시오.
    2. 운송 중 기계적 손상을 방지하려면 amp진동을 최소화하기 위해 패딩 처리된 상자에 liifier를 넣으십시오.
  4. 실험실에서 캡 세척 후
    1. 가능한 한 빨리 EEG 캡 청소를 시작하십시오.
    2. EEG 캡을 청소통에 넣고 마른 천으로 전선을 수원에서 멀리 끼웁니다. 스플리터 박스가 물에 닿지 않도록 하세요.
    3. 욕조에 약 1L의 물을 붓고 알데히드 기반 소독제 10mL를 추가합니다. 캡을 용액 내에 10분 동안 그대로 두십시오. 캡을 용액에 너무 오래 두거나 소독제를 너무 많이 넣으면 시간이 지남에 따라 캡의 열화가 가속화됩니다.
    4. 10분 후 칫솔을 사용하여 흐르는 물에 전극의 겔 잔여물을 청소합니다. 활성 전극은 각 전극에 작은 전자 회로가 내장되어 있으므로 청소할 때 특히 주의하십시오.
    5. 캡을 물로 철저히 헹구어 소독액을 제거합니다.
    6. 마른 천을 사용하여 캡을 두드려 말리고 캡 안에 마른 천을 삽입하여 남아 있는 수분을 흡수합니다. 후크와 고리 끝을 닫아 마른 천을 캡 안에 보관합니다.
    7. 캡을 걸어 말리고 캡의 젖은 끝이 커넥터와 만나지 않도록 하십시오. 이를 위해 매달린 상태에서 스플리터 박스와 커넥터보다 낮은 위치에 캡을 놓으십시오.
  5. 데이터 저장
    1. 캠코더의 SD 카드, 앰프 및 랩톱의 녹화물에있는 데이터가 데이터 저장 사이트로 내보내고 백업하는지 확인하십시오.

10. 데이터 품질 보증

  1. 비디오-오디오 데이터
    1. 소리가 켜져 있는지, 작업 중에 시야가 가려지지 않았는지, 마커가 캡처되었는지 확인합니다.
  2. EEG-ECG 데이터
    1. SD 카드 녹음이 있고 손상되지 않았는지 확인하십시오. 마커가 두 EEG 기록 모두에서 캡처되었는지 확인합니다.
    2. 기술적 결함(예: ampEEG/ECG 신호의 증폭기 분리 및 전기적 또는 기계적 간섭.

11. 데이터 처리

  1. 다중 센서 기록의 동기화Synchronization of multi-sensor recordings
    1. 간병인, 유아 및 결합된 뷰 캠코더 비디오를 비디오 편집 소프트웨어로 가져옵니다.
    2. 비디오를 통해 각 LED 트리거 라이트가 처음 나타나는 특정 프레임을 표시합니다. 비디오를 계속 살펴보고 각 트리거에 대해 LED 표시등이 완전히 사라지는 특정 프레임에 다른 마커를 추가합니다.
    3. 세 개의 비디오 모두에 대해 다음 단계를 완료합니다. 완료되면 스프레드시트에 모든 비디오의 마커 프레임 번호를 기록합니다.
    4. EEG 마커 열기 file에서 amp유아 및 성인을 위한 liifier의 SD 카드. 스프레드시트에 마커 샘플 정보를 기록합니다.
    5. 비디오는 초당 프레임 수(FPS, 예: 25FPS)로 기록되고 EEG-ECG는 초당 샘플(예: 500Hz)로 기록되므로 프레임과 샘플 수를 밀리초(ms)와 같은 공통 측정 단위로 변환하여 단일 타임라인을 생성할 수 있습니다.
    6. 모든 센서(비디오 및 생리학 기록)에 대해 연속된 마커 쌍마다 대한 ms 타임스탬프를 빼서 트리거 간 간격(ITI)이라고 하는 트리거 사이의 시간을 계산합니다.
      참고: 녹화 센서의 시작 시간은 다르지만 다른 센서(비디오 및 EEG)에서 동일한 트리거 세트에 대한 ITI(ms)는 여전히 일치해야 합니다. 따라서 이를 검증하려면 모든 센서와 마스터 EEG 간의 각 ITI(ITI Lag)의 차이를 계산하십시오.
    7. 비디오-EEG ITI 지연의 품질을 확인하십시오. 샘플링 속도/FPS는 두 센서 간에 다르기 때문에 일반적으로 EEG는 비디오보다 샘플링 속도가 훨씬 높으므로 계산된 EEG-비디오 ITI 지연에 대해 1 비디오 프레임(여기서는 40ms)± 허용 오차를 허용합니다.
    8. 성인 EEG의 품질을 확인하십시오 - 유아 EEG ITI 지연. 샘플링 속도가 동일하기 때문에 ± EEG 샘플 1개(여기서는 2ms)의 오차 허용 오차를 허용합니다.
    9. 이러한 검사가 완료되면 각 센서와 마스터 센서의 타임라인(이 경우 유아 EEG) 간의 오프셋을 계산합니다.
    10. 각 센서의 각 마커(비디오, 성인 EEG)에서 마스터 EEG의 각 트리거 마커의 ms 타임스탬프를 뺍니다. 이렇게 하면 각 센서에 대해 N[센서 - 마스터 EEG] 오프셋(N = 트리거 수)이 생성됩니다.
    11. 각 센서에 대해 이러한 오프셋의 평균을 계산하고 반올림하여 마스터 EEG에 대한 최종 오프셋 번호를 생성합니다. 이 오프셋 번호를 사용하여 마스터 EEG와 동시에 시작하도록 비디오 및 EEG 데이터를 잘라냅니다.
  2. 간단한 비디오 코딩
    1. 비디오 내에서 실험의 여러 단계(예: 실험 작업의 시작 및 종료 또는 중단)를 식별하려면 비디오 편집 소프트웨어를 사용하여 프레임의 특정 타임스탬프를 기록해 둡니다.
  3. EEG 전처리
    1. 작업의 시작과 끝에서 성인과 유아의 EEG 파일을 자릅니다.
    2. 불량 채널 식별 및 제거
      1. 작업 녹음의 전체/대부분의 동안 지속적으로 소음이 있거나 신호가 없는 것처럼 보이는 채널을 기록해 두십시오.
        참고: 저밀도 녹음의 경우 가능한 한 많은 채널을 유지하는 것이 목표입니다. 따라서 짧은 기간 동안만 불량한 채널의 경우 채널 자체보다는 분석의 나중 단계에서 손상된 데이터 세그먼트를 제거하는 것이 좋습니다.
      2. 파워 스펙트럼 밀도(PSD)를 플로팅하고 육안으로 검사하여 외곽 채널을 식별할 수 있습니다.
    3. 느린(2초 이상) 선형 추세를 제거하려면 차단 주파수가 0.5Hz인 기본 FIR 고역 통과 필터를 사용하여 데이터를 고역 통과 필터링하십시오.
    4. 근인성 및 외부 소스에서 고주파 잡음을 제거하려면 차단 주파수가 35Hz인 Basic FIR 저역 통과 필터를 사용하여 데이터를 저역 통과 필터링하십시오.
    5. 데이터를 겹치지 않는 연속적인 1 s Epoch로 분할합니다.
    6. 최소값이 -100μV(성인용) 및 -150(유아용) 미만 및/또는 최대값이 +100μV(성인용) 및 +150(유아용)을 초과하는 모든 세그먼트를 자동으로 거부합니다.
    7. 11.3.6에서 제외되지 않은 모든 세그먼트를 육안으로 검사합니다. 아티팩트가 포함된 모든 세그먼트를 수동으로 거부합니다. 거부된 세그먼트 사이에 단일 1s 세그먼트만 허용되는 경우 단일 1s 세그먼트가 유지되지 않도록 전체 기간을 제거합니다.
    8. INS/dyadic 분석의 경우 성인과 유아에게 공통적으로 허용되는 세그먼트만 분석합니다. 유아에서 거부된 성인의 모든 부분을 제거하고 그 반대의 경우도 마찬가지이므로 성인과 유아의 EEG 시계열이 완벽하게 정렬된 상태로 유지되도록 합니다.

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결과

이 연구에 포함된 참가자는 8개월에서 12개월 사이의 일반적으로 발달 중인 유아와 집에서 영어 또는 영어 및 제2외국어를 사용하는 어머니 및/또는 할머니였습니다. 성인과 유아의 7-전극 EEG와 단일 리드 ECG, 3대의 카메라와 마이크의 비디오 및 오디오 녹음이 작업 중에 동시에 획득되었습니다. 신경 활동은 국제 10-20 시스템에 따라 F3, F4, C3, Cz, C4, P3 및 P4에 걸쳐 측정되었습니다. 서로 다른 데이터 스트림은 실험의 시작과 끝에서 임시로 정렬되고 잘려서 모든 기록이 시점 t = 0에서 시작되도록 했습니다(그림 4).

figure-results-1
그림 4

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토론

이 프로토콜에서 우리는 유아와 양육자가 더 편안하게 느낄 수 있고 그들의 행동이 실험실 환경과 달리 실제 상호 작용을 더 잘 나타낼 수 있는 참가자의 집에서 측정을 수행하여 생태학적 타당성을 높입니다7. 더욱이, 가정 환경에서의 녹화는 예를 들어, 이동 시간과 관련하여 참가자의 부담을 완화할 수 있으며, 따라서 특정 참가자 그룹을 보다 접근하기 쉽게 만들 수 있다. 그러나 이러한 장점과 함께 실제 상황에서의 자연주의적 EEG 하이퍼스캐닝 기록은 실험 설계 및 프로토콜, 데이터 아티팩트와 관련하여 고유한 문제와 한계를 제기합니다. 다음에서는 가정용 녹음에 대한 과제와 가능한 솔루션에 대해 설명합니다.

자연주의적 환경은 공간, 온도 및 방해와 같은 일련의 혼란스러운 변수를 도입할 수 있으며, 이는 집에 있는 참가자 그룹마다 다를 수 있지만 통제된 실험실 환경에서는 일정하게 유지됩니다. EEG 하이퍼스캐닝 프로토콜에는 여러 대의 카메라, 마이...

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공개 사항

이해 상충은 선언되지 않습니다.

감사의 글

이 연구는 난양기술대학교(Nanyang Technological University)의 대통령 박사후 연구원 장학금(Presidential Postdoctoral Fellowship Grant)으로 자금을 지원받았으며, VR에 수여되었습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
바늘이 없는 10cc Luer Lock Tip 주사기Terumo Corporation
actiCAP 슬림 8채널 전극 세트(LiveAMP8)Brain Products GmbH
Arduino 소프트웨어(IDE)ArduinoArduino IDE 1.8.19Arduino 마이크로컨트롤러의 코드를 작성하는 데 사용되는 소프트웨어입니다. 선택한 마이크로 컨트롤러 장치와 함께 대체 프로그래밍 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. 
아두이노 우노 보드아두이노트리거 박스의 회로를 구축하는 데 사용됩니다. 대체 마이크로 컨트롤러 보드를 사용할 수 있습니다.
BNC 커넥터BNC 커넥터는 트리거 박스 설정의 다양한 부분을 연결합니다.
BNC 푸시 버튼 Brain Products GmbHBP-345-9000BNC 트리거 푸시 버튼을 눌러 트리거를 보냅니다.
BNC-2.5mm 잭 트리거 케이블(80cm) Brain Products GmbHBP-245-12002개의 Live를 연결하는 BNC 케이블Amps를 트리거 박스에 연결합니다.
BrainVision 분석기 버전 2.2.0.7383Brain Products GmbHEEG 분석 소프트웨어.
동글이 포함된 BrainVision 레코더 라이선스Brain Products GmbHS-BP-170-3000
BrainVision 레코더 버전 1.23.0003Brain Products GmbHEEG 레코딩 소프트웨어.
맞춤형 8Ch LiveAmp Cap 패시브 (유아용 EEG 캡)Brain Products GmbHLC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 유아용 머리 크기 44, 46, 48. 다른 EEG 캡을 사용할 수 있습니다.
Dell Latitude 3520 노트북 Dell노트북 2대, 성인 EEG 기록용 1대와 유아 EEG 기록용 1대. 대체 컴퓨터를 사용할 수 있습니다.
치과 세척 주사기
LiveAmp 8-CH 무선 증폭기BrainProducts GmbHBP-200-3020두 개의 LiveAmp, 하나는 성인 EEG용이고 다른 하나는 유아 EEG용입니다. 대체 증폭기를 사용할 수 있습니다.
Manfrotto MT190X3 128RC 마이크로 플루이드 비디오 헤드가 있는 삼각대ManfrottoMT190X3대체 삼각대를 사용할 수 있습니다.
Matlab 소프트웨어MathWorks, Inc.R2023a대체 분석 및 표현 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.
보조 배터리(10000mAh)PhilipsDLP6715NB/69대체 보조 배터리를 사용할 수 있습니다.
원시 EEG 캡EASYCAP GmbH성인 머리 크기 52, 54, 56, 58. 다른 EEG 캡을 사용할 수 있습니다.
Rode Wireless Go II 싱글 세트Rø de 마이크대체 마이크를 사용할 수 있습니다.
Sony FDR-AX700 캠코더SonyFDR-AX700대체 캠코더 또는 웹캠을 사용할 수 있습니다.
SuperVisc 고점도 젤 이지캡 GmbHNS-7907

참고문헌

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