Bezprzewodowa elektromiografia powierzchniowa rejestrująca aktywność mięśni twarzy podczas mimiki

Streszczenie

Źródło:
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, Uniwersytet w Tel Awiwie, ²Oddział Otorynolaryngologii, Szpital Uniwersytecki w Jenie, Uniwersytet Friedricha Schillera w Jenie, ³Szkoła Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet w Tel Awiwie, ⁴Zakład Badań Motorycznych, Patofizjologii i Biomechaniki, Wydział Chirurgii Urazowej, Chirurgii Ręki i Rekonstrukcyjnej, Szpital Uniwersytecki w Jenie, Uniwersytet Friedrich-Schiller w Jenie, ⁵X-trodes Ltd.

Ten film przedstawia procedurę nieinwazyjnego rejestrowania aktywności mięśni twarzy za pomocą bezprzewodowej elektromiografii powierzchniowej (sEMG) podczas mimiki twarzy wykonywanej przez uczestnika pod kontrolą wideo.

Protokół

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z instytucjonalnymi, krajowymi i międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi dobrostanu ludzi i zostały zweryfikowane przez lokalną instytucjonalną komisję rewizyjną.

1. Przygotowanie sprzętu i oprogramowania

1. Ładowanie jednostki akwizycji danych (DAU): Przed eksperymentem w pełni naładuj bezprzewodowy przetwornik DAU.
2. Przygotuj bezpieczną kartę cyfrową (SD): Włóż sformatowaną kartę SD typu v30 do DAU i włącz ją.
3. Zminimalizuj zakłócenia: Przełącz wszystkie telefony komórkowe w tryb cichy i wyłącz Bluetooth, aby uniknąć zakłóceń.
4. Konfiguracja tabletu
   1. Zainstaluj i otwórz aplikację elektrod (patrz tabela materiałów) na tablecie z systemem Android.
   2. Aplikacja przeskanuje w poszukiwaniu dostępnych urządzeń. Wybierz DAU według numeru ID i kliknij Potwierdź, aby sparować tablet z DAU.
   3. Wybierz montaż maski elektrody i kliknij przycisk Potwierdź.
   4. Wybierz kanały (1-16) do wyświetlenia na ekranie i kliknij Potwierdź. Pojawi się ekran pokazujący sygnały z wybranych kanałów, wskazujący gotowość do eksperymentu.
      NUTA: Domyślnie zaznaczone jest wszystkie 16 kanałów.
5. Podłącz tablet do komputera za pomocą kabla. Zmień ustawienia uniwersalnej magistrali szeregowej (USB) tabletu z systemem Android z przesyłania plików na tethering przez USB.
6. Zainstaluj PsychoPy: Pobierz i zainstaluj program PsychoPy (wersja v2023.1.3) na komputerze.
7. Pobierz pliki protokołu: Otwórz repozytorium Github pod adresem https://github.com/NeuroEngLabTAU/facial_expressions_experiment i pobierz wszystkie pliki, klikając <> kod, a następnie klikając Pobierz ZIP. Ten folder zawiera plik eksperymentu facial_expressions.psyexp; podfolder schaede-cut-tlv z niezbędnymi filmami do przeprowadzenia eksperymentu i innymi plikami używanymi automatycznie przez PsychoPy. Wyodrębnij folder do żądanej lokalizacji na komputerze.

2. Konfiguracja uczestnika

1. Nakładanie maski elektrodowej
   1. Przygotowanie twarzy: Poinstruuj uczestnika, aby oczyścił twarz, jeśli nałożony został krem do twarzy lub makijaż. Wyczyść za pomocą żelu przygotowawczego, szmatki bez włókien na bazie alkoholu lub wody z mydłem. Pozostaw skórę do wyschnięcia na co najmniej 1 minutę.
      NUTA: Ten krok jest opcjonalny.
   2. Umieszczenie elektrody:
      1. Ostrożnie odklej folie ochronne od strony styku ze skórą maski z matrycą elektrod, postępując zgodnie z kolejnością wskazaną na naklejce (1-6).
      2. Umieść elektrodę numer 11 (oznaczoną symbolem oka) w pobliżu prawego oka uczestnika, a elektrodę numer 8 (oznaczoną symbolem nosa) na nosie.
      3. Przymocuj elektrody 1-15 po prawej stronie twarzy i elektrodę 16 po lewej stronie czoła. Umieść elektrodę odniesienia na prawym wyrostku sutkowatym. Patrz rysunek 1A , aby zapoznać się z pozycjami elektrod względem mięśni.
   3. Mocowanie: Delikatnie dociśnij maskę do skóry, a następnie ostrożnie odklej zewnętrzne przezroczyste folie nośne jedna po drugiej, aby całkowicie przymocować maskę. Uważaj, aby nie zdjąć maski podczas tego procesu.
   4. Podłącz DAU: Włóż kartę złącza matrycy elektrod do gniazda złącza DAU, a następnie przymocuj DAU do taśmy.
2. Dokumentacja fotograficzna:
   1. Zrób co najmniej 3 zdjęcia uczestnika pod różnymi kątami (90°, 45°, 0°), aby udokumentować umiejscowienie elektrody.
3. Sadzanie uczestnika (patrz rysunek 1B)
   1. Krzesło i odległość: Posadź uczestnika na pionowym krześle w stałej odległości (np. 70 cm) od ekranu komputera, na którym zostaną wyświetlone instrukcje dotyczące ćwiczeń twarzy.
   2. Kontrola komfortu: Upewnij się, że uczestnik siedzi wygodnie i wyraźnie widzi ekran.

3. Walidacja sygnału

1. Sprawdź jakość sygnału EMG: Sprawdź, czy aplikacja na tablet wykrywa wszystkie 16 sygnałów elektrod EMG.
2. W razie potrzeby rozwiąż problemy:
   1. Delikatnie dociśnij każdą elektrodę do skóry uczestnika i upewnij się, że nie zostały uwięzione pęcherzyki powietrza.
   2. Poczekaj, aż sygnał się ustabilizuje.
   3. Odsuń się od urządzeń elektronicznych, które mogą powodować zakłócenia.
   4. Jeśli problemy będą się powtarzać, rozważ ponowne podłączenie DAU lub przełączenie pomieszczeń.
   5. W ostateczności wymień łatkę elektrody.

4. Przeprowadzanie eksperymentu

1. Rozpocznij nagrywanie EMG: Otwórz aplikację elektrod na tablecie z systemem Android i naciśnij Rozpocznij sesję.
2. Uzupełnij dane sesji.
   1. Pojawi się okno ze szczegółami sesji. Wprowadź nazwę badania, nazwę sesji, ośrodek, operatora, identyfikator pacjenta, wiek, płeć i uwagi.
      1. Kliknij Rozpocznij nagrywanie, aby rozpocząć przechwytywanie danych EMG. Od tego momentu rejestrowane są dane EMG. Surowe dane zostaną zapisane na karcie SD z częstotliwością próbkowania 4 kS/s.
3. Kalibracja (opcjonalnie): Aplikacja zainicjuje proces kalibracji, w którym uczestnik wykonuje określone podstawowe zadania (np. zamykanie oczu, żucie) po naciśnięciu przycisku Start. W razie potrzeby można przeprowadzić ponowną kalibrację. Po zakończeniu kalibracji kliknij przycisk OK. W razie potrzeby pomiń ten krok, klikając przycisk Dalej.
4. Otwórz plik eksperymentu.
   1. Na komputerze kliknij dwukrotnie pobrany plik eksperymentu facial_expressions.psyexp, aby otworzyć go w PsychoPy.
   2. Kliknij Uruchom eksperyment, aby go uruchomić.
   3. Po wyświetleniu monitu wprowadź szczegóły sesji (numer uczestnika, numer sesji, nazwę tabletu) i kliknij przycisk OK.
      NUTA: Nazwa tabletu to numer seryjny tabletu, który można znaleźć w ustawieniach tabletu z systemem Android w sekcji Informacje o tablecie.
5. Sesja w akcji
   1. Poproś uczestnika, aby wykonał 11 wyrazów twarzy (Rysunek 2) zgodnie z instrukcjami zawartymi w przewodniku wideo. Po pierwszym wyrażeniu (Rest) każde wyrażenie jest powtarzane trzy razy z rzędu. Uczestnik zostanie poproszony o utrzymanie każdego wyrażenia przez 5 sekund, po czym nastąpi 3-sekundowy odpoczynek.
   2. Obserwuj i prowadź uczestników, jeśli to konieczne, aby zapewnić dokładność i synchronizację z instrukcjami.
6. Zakończ eksperyment.
   1. Po zakończeniu PsychoPy automatycznie zatrzyma eksperyment. Zatrzymaj rejestrację danych EMG na tablecie, klikając ZAKOŃCZ nagrywanie. Potwierdź, klikając przycisk Tak, zatrzymaj. Pojawi się okno z potwierdzeniem, że sesja została zakończona, a następnie kliknij przycisk OK.
   2. Naciśnij przycisk Synchronizuj, aby zsynchronizować dane sesji z chmurą systemu. Po zakończeniu zamknij aplikację.

5. Obsługa i analiza danych po eksperymencie

1. Zbierz dane z Psychopy.
   NUTA: Po zakończeniu sesji Psychopy automatycznie zapisuje plik CSV w podfolderze danych. Nazwa pliku wskazuje szczegóły sesji. Pliki CSV zawierają nazwy filmów, znaczniki czasu, numer identyfikacyjny uczestnika, numer sesji i numer tabletu z systemem Android.
2. Przekonwertuj dane EMG.
   1. Zaloguj się do usługi w chmurze systemu elektrod i wybierz szczegóły sesji.
   2. Prześlij dane EMG z karty SD.
   3. Konwertuj przesłane pliki XF2 zawierające dane EMG na format pliku EDF (European Data Format), klikając opcję Generuj pliki EDF. Pobierz wybrane pliki do analizy w trybie offline.
3. Wykonaj podstawową analizę danych EMG. UWAGA: Pliki EDF zawierają surowe dane EMG z 16 kanałów (EMG CH-1 do CH-16), dane żyroskopowe z 3 kanałów (GYRO-X, Y, Z) oraz dane akcelerometru z 3 kanałów (ACC-X, Y, Z). Adnotacje z Psychopy wskazujące punkty czasowe dla określonej mimiki twarzy są automatycznie zapisywane w pliku. Do dalszej analizy wykorzystano wyłącznie surowe dane EMG z 16 kanałów i adnotacje.
   1. Przefiltruj surowe dane EMG za pomocą filtra pasmowoprzepustowego 10-500 Hz.
   2. Zastosuj filtr wycinający 50 Hz, aby zredukować szumy.
   3. Kontynuuj żądaną analizę w celu badawczym.

Wyniki

Rysunek 1: Omówienie schematu konfiguracji eksperymentalnej. (A) Położenie elektrod na twarzy: 1-16 kanałów na twarzy, elektroda referencyjna na prawym wyrostku sutkowatym. (B) Uczestnicy siedzą wygodnie przed ekranem komputera. Ten panel zos...

Materiały