Ramy akwizycji sygnałów elektroencefalograficznych dla neuroróżnorodności: studium przypadku terapii wspomaganej delfinami

Podsumowanie

W tym artykule przedstawiamy protokół pozyskiwania i rejestrowania sygnałów elektroencefalograficznych (EEG) od dzieci neuroróżnorodnych przed, w trakcie i po uczestnictwie w sesjach terapii z udziałem delfinów (DAT).

Streszczenie

Protokół ten szczegółowo opisuje podstawowe kroki pozyskiwania i rejestrowania sygnałów elektroencefalograficznych (EEG) u dzieci neuroróżnorodnych przed, w trakcie i po uczestnictwie w sesjach terapii wspomaganej delfinami (DAT). Jego głównym celem jest dostarczenie spójnych i wiarygodnych danych, które pozwolą na dokładną ocenę aktywności mózgu na różnych etapach procesu terapeutycznego. Protokół ustanawia jasne ramy do porównywania uzyskanych sygnałów EEG, zapewniając, że każde zapis spełnia standardy wymagane do skutecznej analizy i interpretacji. W tym celu stosuje się kompleksowe podejście, które łączy narzędzia elektroniczne i metody matematyczne, takie jak analiza widmowa mocy, w celu identyfikacji zmian w aktywności mózgu dzieci podczas interwencji. Ponadto zapewniona jest powtarzalność wyników, co sprzyja trafności i spójności badań naukowych związanych z terapią. Protokół ten, poprzez standaryzację pozyskiwania danych, ma na celu optymalizację wyników terapeutycznych i zapewnienie solidnej podstawy do porównania różnych badań nad wpływem DAT na neuroróżnorodność dziecięcą. Co więcej, stanowi solidny system dla przyszłych badań, ułatwiając obiektywną interpretację efektów terapii i ulepszając interwencje.

Wprowadzenie

Różnice kulturowe między różnymi grupami ludzkimi w dużej mierze zależą od ich zdolności poznawczych. Podczas gdy niektóre osoby mogą dostosować się do tych norm kulturowych, inne często spotykają się z marginalizacją. Dlatego ważne jest, aby osoby te uczestniczyły w sesjach, które promują ich integrację ze społeczeństwem ludzkim¹.

Dzieci z zaburzeniami neurorozwojowymi, takimi jak zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (ADHD) lub zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD), często wymagają połączenia terapii fizycznych i alternatywnych w celu kompleksowej i skutecznej rehabilitacji ^2,3. Ważne jest, aby pamiętać, że oprócz terapii konwencjonalnych opracowano terapie alternatywne, aby holistycznie zająć się fizycznymi, emocjonalnymi i duchowymi aspektami pacjentów. Terapie te mają na celu uzupełnienie tradycyjnych podejść i promowanie pełniejszego powrotu do zdrowia ^2,4. Terapie te, gdy są zalecane przez pracowników służby zdrowia, mogą służyć jako cenne uzupełnienie medycyny konwencjonalnej³.

Jedną z alternatywnych terapii, która cieszy się rosnącym zainteresowaniem społecznym ze względu na postępy w łagodzeniu bólu i poprawę umiejętności uczenia się u dzieci niepełnosprawnych, jest terapia wspomagana delfinami (DAT)⁵. Terapia ta wykorzystuje interakcję między ludźmi a delfinami, zazwyczaj delfinami butlonosymi w ciąży lub karmiącymi, w środowisku wodnym w celu poprawy jakości życia dzieci o różnych zdolnościach.

Obecnie DAT nie ma w pełni ustandaryzowanej metody, ponieważ zaobserwowano różnice w procesach stosowanych wobec pacjentów, terapeutów i/lub zaangażowanych specjalistów, czasie trwania i częstotliwości sesji, a także rodzaju delfina i jego treningu w celu osiągnięcia efektów terapeutycznych ^6,7,8. Według Jette i ^wsp.9 standaryzacja tych terapii usprawnia gromadzenie danych do badań, ponieważ konsekwentne gromadzenie danych pozwala na badania porównawcze i opracowywanie nowych strategii terapeutycznych opartych na dowodach.

Brak ustandaryzowanego systemu gromadzenia danych w DAT komplikuje obiektywną ocenę jego efektów, ograniczając porównywalność wyników między badaniami. Pomimo rosnącej popularności DAT, ramy metodologiczne stosowane do monitorowania zmian zachodzących u pacjentów różnią się znacznie w zależności od instytucji i zespołu badawczego, co skutkuje niespójnymi, a nawet sprzecznymi wynikami^10,11.

Ta zmienność wzbudziła obawy w społeczności naukowej, ponieważ nie ma wiarygodnych parametrów do pomiaru skuteczności terapeutycznej pod względem poprawy funkcji poznawczych, emocjonalnych lub behawioralnych u pacjentów¹². Brak standardów wpływa również na rozwój rygorystycznych protokołów, co może prowadzić do stronniczych interpretacji wyników uzyskanych w różnych badaniach DAT.

Zmienność procedur akwizycji sygnału elektroencefalograficznego (EEG), takich jak rozmieszczenie elektrod, kalibracja sprzętu i warunki środowiskowe, może wprowadzać niespójności w wynikach, komplikując interpretację efektów terapeutycznych i porównania między badaniami^13,14. Dlatego niezbędna jest standaryzacja procesu pozyskiwania danych dla sygnałów EEG w tych terapiach, aby uzyskać dokładniejsze i bardziej wiarygodne dane, przyczyniając się w ten sposób do optymalizacji praktyk terapeutycznych i dostarczając solidnych dowodów na skuteczność DAT.

Ustandaryzowany protokół sprzyja większej przejrzystości badań. Gdy stosowane są jednolite metody, dane i procedury mogą być udostępniane w sposób bardziej otwarty i skuteczny, co pozwala innym badaczom na weryfikację i walidację wyników. Jest to szczególnie ważne w nowych lub niedostatecznie zbadanych dziedzinach, w których naukowcy w dużym stopniu polegają na replikacji i walidacji wcześniejszych badań, aby pogłębić zrozumienie tego tematu¹⁵.

Ustandaryzowany system gromadzenia danych, w szczególności oparty na wykorzystaniu narzędzi neurofizjologicznych, takich jak elektroencefalografia, może dostarczyć dokładniejszych danych na temat wpływu DAT na aktywność mózgu pacjentów z neuroróżnorodnością. Chociaż EEG jest nieinwazyjną i szeroko stosowaną metodą badania aktywności mózgu, jej zastosowanie w monitorowaniu alternatywnych terapii pozostaje niespójne, co wpływa na wiarygodność i ważność uzyskanych danych¹⁶.

Terapie alternatywne, takie jak DAT, dają naukowcom możliwość zbadania wpływu leczenia na mózgi pacjentów poprzez analizę sygnałów mózgowych, takich jak EEG, w połączeniu z technikami matematycznymi i narzędziami sztucznej inteligencji w celu oceny skuteczności i efektywności różnych interwencji.

W związku z tym w niniejszym badaniu opisano proponowany protokół testowy mający na celu ocenę wyników leczenia w Meksyku u dzieci, u których zdiagnozowano zaburzenia neurorozwojowe, z uwzględnieniem DAT. Propozycja ta została starannie opracowana we współpracy z Delfiniti México, specjalistami w dziedzinie interakcji człowiek-delfin, koncentrując się nie tylko na pływaniu, ale także na interwencjach terapeutycznych za pośrednictwem delfinów.

Protokół

UWAGA: Metodologia zastosowana w tym badaniu została zatwierdzona przez Komisję Etyki Narodowego Instytutu Politechnicznego w Meksyku zgodnie z listem zobowiązanym do zachowania poufności D/1477/2020. Dokument ten popiera metodę pobierania próbek i etyczne traktowanie delfinów butlonosych przez zespół badawczy. Zapewniono odpowiedzialne wykorzystanie danych uczestników i uzyskano ich zgodę na wykorzystanie danych w eksperymentach. Przed pobraniem próbki i podłączeniem urządzenia procedura została dokładnie wyjaśniona uczestnikom, którzy mogli wycofać się z badania, jeśli się z nim nie zgadzali. Osoby, które wyraziły zgodę na udział, podpisały pisemny formularz świadomej zgody. Dodatkowo uczestnicy zostali poinformowani o testach, które mają zostać przeprowadzone; Jednak niektórzy nie do końca rozumieli procedury przed wejściem do zbiornika z waleniami.

UWAGA: Protokół ten przedstawia szczegółowe kroki pozyskiwania i rejestrowania sygnałów elektroencefalograficznych (EEG) od dzieci neuroróżnorodnych przed, w trakcie i po uczestnictwie w sesjach terapii wspomaganej delfinami (DAT). Protokół ten podzielony jest na osiem etapów.

1. Zgoda pacjenta

1. Wstępny wywiad z rodzicami i zgoda
   1. Umów się na spotkanie z rodzicami lub opiekunami dziecka uczestniczącego w programie. Zrób to osobiście w delfinarium Delfiniti w Ixtapa w Meksyku.
   2. Przeprowadź szczegółowy wywiad, aby zebrać istotne informacje na temat neuroróżnorodności dziecka, historii medycznej, wzorców zachowań i wcześniejszych doświadczeń terapeutycznych.
   3. Opisz cel pozyskiwania i rejestrowania danych EEG, związane z nimi procedury oraz potencjalne korzyści i zagrożenia. Upewnij się, że rodzice lub opiekunowie zrozumieli i podpisali formularz świadomej zgody. Upewnij się, że ten formularz jest zgodny ze standardami etycznymi i wytycznymi instytucjonalnymi.
2. Współpraca z personelem delfinarium: Zorganizuj spotkanie z zespołem terapeutycznym delfinarium, w tym z trenerami, terapeutami i odpowiednim personelem administracyjnym. Upewnij się, że spotkanie obejmuje cele badania i role każdego członka zespołu.
   UWAGA: Ten etap przygotowuje rodziców i zespół delfinarium do pozyskiwania i rejestrowania sygnałów EEG, zapewniając zrozumienie, koordynację i odpowiednie środowisko dla dziecka podczas terapii, przy jednoczesnym przestrzeganiu standardów etycznych i technicznych.

2. Przygotowanie środowiska

1. Przygotowanie sprzętu
   1. Ustaw aparat EEG (Tabela 1) w cichym miejscu, wolnym od zakłóceń, w pobliżu delfinarium przed jakąkolwiek sesją terapeutyczną. Upewnij się, że cały sprzęt działa prawidłowo i że dostępne są części zamienne.
   2. Kalibruj urządzenia EEG zgodnie ze specyfikacjami producenta, aby zapewnić dokładne i wiarygodne dane (Tabela 2, sekcja słaby sygnał).
      UWAGA: Ten etap zapewnia prawidłową konfigurację i kalibrację sprzętu do akwizycji i rejestracji sygnałów EEG w odpowiednim środowisku, zapewniając, że działa on poprawnie i jest gotowy do przechwytywania dokładnych danych przed, w trakcie i po DAT.

Hydrofone (Hydrofon)	Częstotliwość próbkowania 96000 sps
	Czułość hydrofonu 8103 25.41e-6; V/PA
	Czułość konwertera ładowania: 2647A: 0,001 V/pC
Moduł ThinkGear ASIC 1 (TGAM1)	Częstotliwość próbkowania: 512 sps
	Bluetooth w wersji 3.0
Logitech C920	Częstotliwość próbkowania18 sps
Laptop Windows11	Modelu: Machenike T58-V
	Procesor: i7-10870H (2,2 GHz-5 GHz / 8 rdzeni)
	GPU: Dwukanałowy procesor graficzny NVIDIA Geforce RTX3060 do laptopów, do 32G
	Pamięć masowa: M.2 PCIE. Dysk twardy 2,5"
	Ekran: 144 Hz 15,6 cala FHD

Tabela 1: Materiały wymagane do monitorowania terapii wspomaganej delfinami (DAT). Poniższa tabela zawiera szczegółowe informacje na temat sprzętu niezbędnego do pozyskiwania i rejestrowania sygnału EEG przed, w trakcie i po DAT.

Kalibracja sprzętu
Słaby sygnał	Sygnał EEG przechwytuje prądy elektryczne z aktywowanych neuronów w korze mózgowej, wykrywane przez systemy EEG. Systemy te funkcjonują jako interfejsy mózg-komputer (BCI), wykorzystując elektrody powierzchniowe umieszczone zgodnie z Międzynarodowym Systemem Pozycjonowania 10-20, ThinkGear TGAM1 JEST nieinwazyjnym BCI, który rejestruje i analizuje sygnały neuronowe, osiągając poziom precyzji 98%. Jest to możliwe biorąc pod uwagę integralność danych, odrzucając te próbki, w których flaga lub wskaźnik o nazwie Słaba jakość jest równa zero.
	Atrybuty aktywności fal mózgowych monitorowanych przez czujnik są określane ilościowo za pomocą wyznaczonych wartości flag: płaskość sygnału (25), nadmierna wielkość sygnału (26), współczynnik mocy (27) i detekcja poza głową (29). Możliwe są równoczesne wskazania flagi; Na przykład wartość flagi 51 dla nieoptymalnej jakości sygnału wskazuje na niezgodność zarówno z kryteriami płaskości, jak i nadmierności. Wartości flag zostały skrupulatnie dobrane, aby zapewnić unikalność każdej możliwej kombinacji. Ponadto wartość flagi 200 wskazuje na stan, w którym czujnik rejestrował warunki poza głową przez czas czterech sekund.
	Sygnał RAW szeregu czasowego o częstotliwości próbkowania 512 Hz, który umożliwia próbkowanie do 256 Hz, umożliwiając w ten sposób rozdzielenie sygnałów na podstawowe pasma lub rytmy fal mózgowych, a także wyeliminowanie częstotliwości 60 Hz, z powodu zakłóceń elektromagnetycznych z linii zasilającej prądu przemiennego przez filtr wycinający 60 Hz, a mianowicie Band Stop Filter.
Połączenie Bluetooth	Aby podłączyć czujnik TGAM1 do komputera przez Bluetooth, najpierw upewnij się, że czujnik jest włączony, a Bluetooth komputera jest włączony. Sparuj czujnik, wyszukując urządzenia w ustawieniach Bluetooth komputera, wybierając czujnik TGAM1 i wprowadzając kod parowania (zwykle "0000" lub "1234"). Po sparowaniu otwórz aplikację, która będzie korzystać z czujnika, wybierz ją jako urządzenie wejściowe i w razie potrzeby skonfiguruj prawidłowy port COM. Przetestuj połączenie, weryfikując transmisję danych w aplikacji, i rozwiąż problemy, sprawdzając zasięg, ponownie uruchamiając urządzenia lub aktualizując sterowniki, jeśli to konieczne.

Tabela 2: Kalibracja sprzętu. Poniższa tabela zawiera szczegółowy opis kalibracji elementów składowych używanego sprzętu.

3. Bodziec przed DAT

1. Przygotowanie dziecka
   1. Zapoznaj dziecko ze sprzętem do akwizycji EEG w przyjazny i niezagrażający sposób. Poświęć trochę czasu, aby dziecko czuło się komfortowo. Używaj zabawek, obrazków lub pocieszających przedmiotów znanych dziecku, między innymi w celu zmniejszenia niepokoju.
   2. Wyjaśnij dziecku procedurę pobierania i rejestrowania EEG, używając odpowiednich do wieku pomocy językowych i wizualnych. Zademonstruj, jak działa czujnik EEG i pozwól dziecku dotknąć i zbadać sprzęt, jeśli sobie tego życzy.
2. Akwizycja i rejestracja sygnałów EEG
   1. Ułóż dziecko wygodnie w krzesełku lub na macie, zgodnie z jego preferencjami i wygodą. Następnie sprawdź, czy połączenie Bluetooth jest stabilne za pośrednictwem terminala PC. Upewnij się, że są posadzone w sposób umożliwiający łatwy dostęp do skóry głowy w celu umieszczenia czujnika akwizycji i rejestracji EEG (Tabela 2 , sekcja Połączenie Bluetooth).
   2. Umieść czujnik akwizycji i zapisu EEG na głowie dziecka delikatnie i ostrożnie, szczególnie w punkcie FP1 (Rysunek 1), upewniając się, że jest dobrze dopasowany, ale wygodny, a elektroda jest prawidłowo podłączona. Użyj opaski w rozmiarze pediatrycznym i dostosuj ją w razie potrzeby, aby zapewnić bezpieczne dopasowanie, jak pokazano na rysunku 2.
   3. Po prawidłowym umieszczeniu czujnika i prawidłowym ustawieniu elektrody (rysunek 3) należy ustawić system akwizycji EEG dla częstotliwości próbkowania na 512 Hz (próbki/sekundę). Ta szybkość akwizycji jest wystarczająca do dokładnego zarejestrowania aktywności neuronalnej do 256 Hz (zgodnie z twierdzeniem Nyquista), które obejmuje wszystkie klinicznie istotne pasma częstotliwości EEG (0,5-100 Hz). Wykonaj referencyjny pomiar EEG przez 1 minutę z tymi parametrami kontrolnymi, aby uzyskać stabilny punkt do porównania sygnału i sygnału po terapii.
      UWAGA: W badaniach EEG często używa się 30-sekundowych okien czasowych do analizy, jak w badaniach snu, gdzie dane są segmentowane na epoki tego czasu trwania, aby sklasyfikować fazy snu i rozpoznać powtarzające się cykle aktywności mózgu 17,18,19. Jednak podejście to może być ograniczone w sytuacjach takich jak monitorowanie pacjentów w stanie krytycznym, gdzie krótkie zdarzenia, takie jak drgawki, mogą pozostać niezauważone. W związku z tym długość okien powinna być dostosowana do specyfiki analizy. W tym badaniu wykorzystano szersze okna, aby lepiej uchwycić aktywność mózgu związaną z interwencją: minutę przed, pięć minut w trakcie i jedną minutę po terapii. Podejście to pozwala na identyfikację zarówno długoterminowych wzorców dynamicznych, jak i krótkoterminowych zmian związanych z terapią, zapewniając bardziej kompleksowe spojrzenie na neurologię wywołaną interwencją i ułatwiając dokładniejsze wnioskowanie o jej efektach terapeutycznych.
   4. Natychmiast wykonaj kopię zapasową pozyskanych i zarejestrowanych danych sygnału EEG na bezpiecznym urządzeniu pamięci masowej. Przeprowadź wstępną analizę w celu sprawdzenia jakości i integralności danych, sprawdzając, czy flaga słabego sygnału czujnika TGAM1 jest mniejsza niż 51, jak pokazano w sekcji Tabela 2 dotycząca słabego sygnału.
   5. Stale monitoruj dziecko pod kątem wszelkich oznak dyskomfortu lub niepokoju podczas pozyskiwania i rejestrowania sygnałów EEG. Zapewnij otuchę i przerwy w razie potrzeby. Utrzymuj dziecko zrelaksowane, spokojnie rozmawiając lub angażując się w jego ulubione zajęcia.
      UWAGA: Ten etap protokołu ma na celu zapewnienie płynnego i skutecznego procesu pozyskiwania i rejestrowania sygnałów EEG przed DAT, dostarczając cennych danych w celu lepszego zrozumienia i skuteczności DAT.

Rysunek 1: Międzynarodowy system 10-20 do umieszczania elektrod pozaczaszkowych. Czujnik musi zetknąć się w punkcie²³ FP1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Użycie urządzenia elektroencefalograficznego. Ten rysunek pokazuje prawidłowy sposób umieszczenia urządzenia EEG. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Akwizycja i rejestracja sygnałów EEG przed DAT. Rysunek ten przedstawia proces pozyskiwania sygnałów EEG przed rozpoczęciem terapii. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. DAT bodziec

1. Konfiguracja sprzętu EEG
   1. Upewnij się, że nasadka zawierająca urządzenie do akwizycji i rejestracji sygnału EEG jest prawidłowo umieszczona na głowie dziecka. Sprawdź, czy elektroda dobrze styka się ze skórą głowy i w razie potrzeby wytrzyj czoło, jak pokazano na rysunku 1.
   2. Sprawdź, czy połączenie bezprzewodowe jest stabilne i czy transmisja danych działa prawidłowo, ponieważ używane jest urządzenie do akwizycji i rejestracji EEG Bluetooth, jak pokazano w Tabeli 2 Sekcja Połączenie Bluetooth.
2. Wejście do wody i wstępne zbieranie danych
   1. Pomóż dziecku wejść do wody pod nadzorem personelu delfinarium. Upewnij się, że dziecku jest wygodnie, a sprzęt EEG jest wodoodporny i bezpiecznie zamocowany.
   2. Upewnij się, że sprzęt do akwizycji i rejestracji EEG jest wodoodporny i bezpiecznie zamocowany.
   3. Zbieraj i zapisuj referencyjne dane sygnału EEG, gdy dziecko wchodzi do wody i zaczyna wchodzić w interakcje z delfinami.
3. Podczas terapii z udziałem delfinów
   1. Stale monitoruj akwizycję i rejestrację sygnałów EEG przez 5 minut (nieprzerwanie), podczas gdy dziecko wchodzi w interakcję z delfinami (ryc. 4). Upewnij się, że sprzęt jest prawidłowo dopasowany, a dziecko pozostaje zrelaksowane.
      UWAGA: Przejrzyj pisemną notatkę z kroku 3.2.3.
   2. Upewnij się, że ktoś z personelu robi szczegółowe notatki na temat zachowania dziecka, interakcji z delfinami i wszelkich znaczących zmian podczas pozyskiwania i rejestrowania sygnałów EEG.

Rysunek 4: Akwizycja i rejestracja sygnałów EEG podczas DAT. Rysunek ten przedstawia proces pozyskiwania sygnałów EEG podczas terapii. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Zarządzanie danymi po terapii:
   1. Natychmiast wykonaj kopię zapasową pozyskanych i zarejestrowanych danych sygnału EEG na bezpiecznym urządzeniu pamięci masowej.
      UWAGA: Uzyskiwany jest dokument w postaci zwykłego tekstu (.txt).
   2. Pomóż pacjentowi wyjść z wody.
      UWAGA: Ten etap ma na celu zapewnienie płynnego i skutecznego procesu kontynuacji pozyskiwania i rejestrowania sygnałów EEG podczas DAT, dostarczając cennych danych w celu lepszego zrozumienia i skuteczności tego podejścia terapeutycznego, co pozwala na uzyskanie danych do ciągłego doskonalenia procesu DAT, a tym samym pomaga zidentyfikować każde pojedyncze zachowanie delfina w stosunku do pacjenta z określoną afektacją, a nawet podczas terapii, aby określić, które punkty u pacjentaOrganizm pacjenta jest stymulowany i generuje zmiany w jego zachowaniu, co modyfikuje aktywność mózgu pacjenta.

5. Bodziec po DAT

1. Przygotowanie poterapeutyczne dla dziecka
   1. Pomóż dziecku przejść z obszaru terapii do wygodnej i suchej przestrzeni.
   2. Wyjaśnij dziecku, w odpowiednim wieku, że pozyskiwanie i rejestrowanie sygnałów EEG będzie trwało nieco dłużej.
2. Zweryfikuj sprzęt do akwizycji i rejestracji EEG, a także jego ponowną kalibrację. Upewnij się, że sprzęt do akwizycji i rejestracji EEG pozostaje na swoim miejscu i działa prawidłowo po sesji terapeutycznej.
3. Wstępne gromadzenie danych po terapii:
   1. Zbierz, zapisz i natychmiast przechowuj referencyjne dane sygnału EEG przez 1 minutę bezpośrednio po wyjściu dziecka z wody (ryc. 5).
      UWAGA: Przejrzyj pisemną notatkę z kroku 3.2.3.
   2. Pozwól dziecku zrelaksować się w komfortowych warunkach.

Rysunek 5: Akwizycja i rejestracja sygnałów EEG po DAT. Rysunek ten przedstawia proces pozyskiwania sygnałów EEG po terapii. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Ustrukturyzowane działania po terapii:
   1. Zaangażuj dziecko w czynności o niskiej stymulacji, takie jak słuchanie delikatnej muzyki.
   2. Stale monitoruj akwizycję i rejestrację sygnałów EEG przez 1-minutowe epoki, aby zapewnić stabilność danych przy jednoczesnej minimalizacji zmęczenia uczestników.
5. Zarządzanie danymi po terapii: Natychmiast wykonaj kopię zapasową pozyskanych i zarejestrowanych danych sygnału EEG na bezpiecznym urządzeniu pamięci masowej.
   UWAGA: Ten etap zapewnia płynny i skuteczny proces kontynuacji akwizycji i rejestracji sygnału EEG po DAT.

6. Pozyskiwanie danych EEG

1. Analiza danych i przygotowanie raportów
   UWAGA: Przetwarzanie surowych danych EEG jest kontrolowane za pomocą interfejsu użytkownika w celu promowania intuicyjnego zrozumienia w odniesieniu do cyklu percepcja-działanie, jak pokazano na rysunku 6.
   1. Uruchom zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) do akwizycji sygnału EEG i załaduj system.
   2. Otwórz IDE przeznaczone do przetwarzania EEG (Rysunek 7).
      UWAGA: System wyświetli dostępne zasoby na komputerze, w tym podłączone urządzenia, takie jak kamery internetowe i sprzęt do akwizycji EEG.

Rysunek 6: Przetwarzanie EEG. Przetwarzanie surowych danych EEG jest kontrolowane przez interfejs użytkownika, aby promować intuicyjne zrozumienie w odniesieniu do cyklu percepcja-działanie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) dla sygnału EEG. System wyświetli dostępne zasoby na komputerze, w tym podłączone urządzenia, takie jak kamery internetowe i sprzęt do akwizycji EEG. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Przejdź do okna Konfiguracja systemu :
   1. Przejdź do okna Konfiguracja systemu w środowisku IDE (Rysunek 8).
   2. Wybierz urządzenie EEG do próbkowania i skonfiguruj jego ustawienia (Częstotliwość próbkowania = 512 sps, Kanały do nagrywania = Fp1).
   3. Zapisz konfigurację, aby zapewnić spójność między sesjami.

Rysunek 8: Okno konfiguracji systemu. Wyświetla okno konfiguracji systemu, w którym urządzenia są konfigurowane i dostosowywane. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Wprowadź informacje o pacjencie.
   1. Użyj okna informacji o pacjencie ( Rysunek 9), aby wprowadzić następujące szczegóły: imię i nazwisko pacjenta oraz diagnoza, czas trwania eksperymentu w minutach, kontekst zbierania danych związanych z procesem DAT (np. przed, w trakcie lub po).
   2. Potwierdź wpisy, aby kontynuować.

Rysunek 9: Okno informacji o pacjencie. Wyświetla okno informacji o pacjencie, służące do wprowadzania podstawowych informacji, takich jak imię i nazwisko, diagnoza i parametry eksperymentu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Rozpocznij próbkowanie danych:
   1. Na ekranie głównym rozpocznij akwizycję danych, aktywując sekcję pobierania próbek EEG.
   2. Kliknij przycisk pobierania próbki (Rysunek 10), aby rozpocząć przechwytywanie danych.
      UWAGA: Podczas tego procesu przycisk pobierania próbki zostanie wyłączony, aby zapobiec dodatkowym interakcjom podczas zbierania danych ze skonfigurowanych urządzeń.
   3. Po zakończeniu procesu pojawi się komunikat informujący o jego zakończeniu (Rysunek 11). Na koniec zostanie utworzony folder zawierający zdjęcia z kamer oraz pliki tekstowe z wynikami badania EEG i hydrofonu.
      UWAGA: Folder zawiera dane pacjenta, datę przechwycenia, godzinę jego wykonania oraz informację, czy tego samego dnia przeprowadzono dodatkowe ujęcia przy użyciu tej samej konfiguracji.

Rysunek 10: Rozpocznij próbkowanie danych. Ten rysunek przedstawia rozpoczęcie akwizycji danych poprzez aktywację sekcji pobierania próbek EEG. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 11: Pełna próbka pobrana od pacjenta. Rysunek pokazuje, kiedy oprogramowanie zakończyło pobieranie próbek od pacjenta. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

7. Analiza danych EEG

1. Przejdź do okna Analiza danych , jak pokazano na rysunku 11 (wyróżnionym na czerwono). Następnie w sekcji Analysis (Analiza ) głównego interfejsu użytkownika (UI) (podświetlonej na czerwono) wybierz sygnały EEG zebrane podczas eksperymentu do przetworzenia (Rysunek 12).

Rysunek 12: okno analizy danych. Ten rysunek przedstawia sekcję analizy głównego interfejsu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Zastosuj techniki przetwarzania sygnału (IDE obsługuje kilka metod analizy danych EEG). Zastosuj techniki przetwarzania sygnałów, implementując potok obliczeniowy zdefiniowany w równaniach 1-5.
   1. Wizualizacja surowego sygnału EEG: Sprawdź zarejestrowane sygnały w mikrowoltach, aby zweryfikować ich integralność i jakość.
   2. Periodogram FFT: Wykonaj szybką transformację Fouriera, aby przeanalizować składowe częstotliwości sygnałów EEG.
      1. Aby przeprowadzić dekompozycję sygnałów EEG na ich składowe częstotliwości za pomocą szybkiej transformaty Fouriera (FFT), zastosuj następujący proces matematyczny. Sygnał EEG, reprezentowany jako x(t) w dziedzinie czasu, jest przekształcany w swoją reprezentację w dziedzinie częstotliwości X(f) za pomocą równania (1)20,21,22
         (1)
      2. W przypadku sygnałów dyskretnych, takich jak EEG próbkowane z określoną szybkością, należy użyć dyskretnej transformaty Fouriera (DFT), obliczonej jako (2⁾20,21,22
         (2)
         Tutaj N to liczba próbek, x[n] to sygnał dyskretny, a k odpowiada przedziałom częstotliwości.
      3. Kroki obejmują najpierw załadowanie surowego sygnału EEG z pliku .txt (wartości napięcia w szeregach czasowych), następnie zastosowanie algorytmu FFT (równanie 2) w celu przekształcenia sygnału w dziedzinę częstotliwości, a na końcu wykreślenie gęstości widmowej mocy (PSD) lub periodogramu w celu wizualizacji składowych częstotliwości. Dane wyjściowe są interpretowane poprzez identyfikację pików w widmie odpowiadających dominującym częstotliwościom fal mózgowych (np. delta, theta, alfa).
   3. Analiza spektrogramu: Generuj spektrogramy, aby zbadać, jak zawartość częstotliwości sygnału zmienia się w czasie.
      1. Przetwarzanie wstępne: Podziel sygnał EEG x(t) na nakładające się okna czasowe (np. 1-sekundowe okna z 50% nałożeniem się), aby uchwycić charakterystykę częstotliwości zmieniającą się w czasie. Pomnóż każde okno przez okno Hamminga w(t), aby zminimalizować wyciek widmowy, zgodnie z równaniem (3)20,21,22^.
         (3)
      2. Formacja Fouriera: Zastosuj FFT do każdego segmentu okienkowego, aby przekształcić sygnał w dziedzinie czasu na dziedzinę częstotliwości, uzyskując widmo o wartościach zespolonych, zgodnie z równaniem (4) 20,21,22
         (4)
         UWAGA: X(f) oznacza składowe częstotliwości, N to liczba próbek w segmencie, a f to częstotliwość.
      3. Generowanie spektrogramu: Oblicz kwadrat wielkości X(f), aby uzyskać gęstość widmową mocy (PSD) dla każdego segmentu czasu, jak pokazano w równaniu (5)20,21,22^:
         (5)
         UWAGA: Wynik jest wykreślany jako spektrogram, gdzie oś x reprezentuje czas, oś y reprezentuje częstotliwość, a intensywność koloru wskazuje moc każdej składowej częstotliwości.
      4. Wybierz opcję EEG lub Hydrophone i załaduj dane, jak pokazano w podświetlonym na czerwono polu na rysunku 13.
      5. Filtrowanie pasmowo-przepustowe: Zastosuj filtr pasmowo-przepustowy, aby wyizolować określone zakresy częstotliwości, takie jak niskie pasma beta i niskie pasma gamma, które są istotne dla cyklu percepcji-działania.
   4. Histogram FFT: Zidentyfikuj kluczowe pasma częstotliwości, takie jak delta (0,5-4 Hz), theta (4-8 Hz), alfa (8-13 Hz), beta (13-30 Hz) i gamma (>30 Hz), które są niezbędne do analizy EEG.

Rycina 13: Wyniki przetwarzania EEG. Dane wyjściowe generowane przez system, pokazujące surowe dane i przetworzone sygnały EEG (A), przetwarzanie sygnału przez periodogram FFT (B), spektrogram (C) i spektrogram z filtrem pasmowo-przepustowym (D). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Przeglądanie i interpretowanie wyników.
   1. Zbadaj przetworzone dane wyjściowe (periodogramy/spektrogramy FFT) w następujący sposób.
      1. Periodogramy: Zidentyfikuj dominujące piki częstotliwości (np. alfa: 8-13 Hz) za pomocą wykresu PSD (równanie 5). Szczyty przekraczające szum linii podstawowej wskazują na fizjologicznie istotne oscylacje.
      2. Spektrogramy: Analizuj dynamikę mocy czasowo-częstotliwościową (np. rozbłyski beta/gamma podczas zadań percepcji akcji), interpretując gradienty intensywności kolorów (czas [s] na osi x, częstotliwość [Hz] na osi y). Skoreluj zmiany mocy (np. tłumienie niskiego beta) z epokami zadań.
   2. Kontekstualizuj wyniki, porównując wzorce spektralne (np. stosunki theta/delta) z metadanymi pacjenta (np. stan kliniczny, wykonanie zadania) i dodając adnotacje do zdarzeń (np. początku bodźca) na spektrogramach, aby dostosować aktywność neuronalną do eksperymentalnych osi czasu.
4. Eksportuj i zapisuj wyniki.
   1. Przechowuj wartości PSD (częstotliwość x moc) i tablice spektrogramów (czas x częstotliwość x moc) w ustrukturyzowanych formatach.
   2. Eksport za pomocą opcji interfejsu: Wybierz formaty (np. TIFF dla figur, ASCII dla surowych wartości PSD) zgodne z MATLAB. W przypadku spektrogramów należy zachować rozdzielczości czasowo-częstotliwościowe w eksportowanych plikach.

8. Informowanie o wynikach

1. Sporządź szczegółowy raport z ustaleń.
   1. Uporządkuj raport tak, aby zawierał:
      1. Analiza spektralna: Tabelaryczne zestawienie dominujących pasm częstotliwości (np. szczytowa moc alfa przy 10 Hz ± 1,5 Hz) i ich znaczenie statystyczne (np. p < 0,05, skorygowane o wielokrotne porównania).
      2. Dynamika czasowo-częstotliwościowa: Podkreśl znaczące wzorce spektrogramu (np. wzrost mocy w paśmie gamma [30-45 Hz] podczas wykonywania silnika) ze znacznikami czasu dostosowanymi do zdarzeń zadania.
      3. Korelacje kliniczne/eksperymentalne: Opisuj obserwacje.
      4. Pomoce wizualne: Osadź kluczowe rysunki (wykresy PSD, spektrogramy) ze znormalizowanymi etykietami (np. "Moc (μV²/Hz)") i podpisami określającymi parametry (np. "Okno Hamminga: 1 s, 50% nakładania się").
      5. Uzupełnienie danych: Dołącz pliki przetworzonych danych (np. tabele .csv wartościami mocy pasma dla każdego obiektu) w celu odtworzenia.
2. Informacja zwrotna i zamknięcie.
   1. Przegląd zainteresowanych stron: rozesłanie projektu raportu do współpracowników w celu weryfikacji spójności metodologicznej (np. potwierdzenie, że parametry FFT są zgodne z wcześniej zarejestrowanymi protokołami) i dokładności interpretacji (np. walidacja twierdzeń o sprzężeniu theta-gamma w odniesieniu do surowych śladów).
   2. Finalizacja: Iteracyjnie reaguj na informacje zwrotne i archiwizuj wszystkie dane wyjściowe (surowe/przetworzone dane, skrypty, raporty) w ustrukturyzowanym repozytorium.
      UWAGA: Zorganizuj spotkanie z personelem delfinarium, aby przedstawić podsumowanie sesji zbierania danych po terapii. Uzyskane wyniki będą dostępne dla personelu delfinarium, którym będą mogli podzielić się z rodzicami. Na tym etapie analizowane i charakteryzowane są pozyskane i zarejestrowane dane EEG, przygotowywany jest szczegółowy raport, a rodzicom udzielana jest informacja zwrotna na temat wyników.

Wyniki

W pracy opisano proces pozyskiwania i analizy sygnałów EEG za pomocą symulowanego interfejsu użytkownika w IDE, uzupełniony o zastosowanie ustandaryzowanej metody zbierania danych. Podejście to zapewnia ramy odniesienia, które ułatwiają porównywanie badań i zapewniają odtwarzalność, umożliwiając innym badaczom powtórzenie procedur i uzyskanie spójnych wyników w różnych kontekstach.

Rysunek 7 przedst...

Dyskusja

Terapia wspomagana delfinami (DAT) pojawiła się jako metoda terapeutyczna dla osób z autyzmem i rozwojem^24,25. DAT oferuje uczestnikom wzbogacające życie, świeże doświadczenia, stymulując zainteresowanie i zaangażowanie sensoryczne w fascynującym tle^25,26. Istnieje jednak kilka ograniczeń, które wpływają na interpretację skuteczności DAT, w tym wymagania dotyczące kontrolowanych projektów eksperymentalnyc...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Konwerter ładunku	Hottinger Brü el & Kjæ r		Czułość: 2647A: 0,001 V/pC Częstotliwość próbkowania: 512 sps
Hydrofone (Hydrofon)	Hottinger Brü el & Kjæ r	8103	Częstotliwość próbkowania: 96000 sps Czułość: 8103 25.41e-6; V/PA
Laptop Windows11	Machenike powiedział:	Machenike T58-V	procesor: i7-10870H (2,2 GHz-5 GHz / 8 rdzeni) Karta graficzna: NVIDIA Geforce RTX3060 Laptop GPU Dwukanałowy, do 32G Pamięć masowa: M.2 PCIE. 2,5-calowy ekran HDD : 144 Hz 15,6 cala FHD
Moduł ThinkGear ASIC 1	Niebo NeuroNiebo	TGAM1 powiedział:	Bluetooth w wersji 3.0
Kamerka internetowa	Logitech	Zobacz materiał C920	Częstotliwość próbkowania18 sps