Беспроводная поверхностная электромиография для записи активности мышц лица во время мимики

Аннотация

Источник:
Хила Ман¹, Пол Ф. Фанк², Иева Вебрайте-Адерет³, Кристоф Андерс⁴, Орландо Гунтинас-Личиус², Яэль Ханейн<sup>1,3,5

1</sup>Школа неврологии им. Сагола, Тель-Авивский университет, ²отделение оториноларингологии, Университетская больница Йены, Йенский университет им. Фридриха Шиллера, ³Школа электротехники, Тель-Авивский университет, ⁴отделение моторных исследований, патофизиологии и биомеханики, отделение травматологии, хирургии кисти и реконструктивной хирургии, Университетская больница Йены, Йенский университет им. Фридриха Шиллера, ⁵X-trodes Ltd.

В этом видео демонстрируется процедура неинвазивной записи активности мышц лица с помощью беспроводной поверхностной электромиографии (ЭМГ) во время видеоуправляемой мимики, выполняемой участником.

Протокол

Все процедуры с участием людей были выполнены в соответствии с институциональными, национальными и международными руководящими принципами по благополучию человека и были рассмотрены местным институциональным наблюдательным советом.

1. Подготовка оборудования и программного обеспечения

1. Зарядка блока сбора данных (DAU): Полностью зарядите беспроводную DAU перед экспериментом.
2. Подготовьте защищенную цифровую (SD) карту: вставьте отформатированную SD-карту типа v30 внутрь DAU и включите ее.
3. Сведите к минимуму сбои: переведите все сотовые телефоны в тихий режим и отключите Bluetooth, чтобы избежать помех.
4. Настройка планшета
   1. Установите и откройте приложение электродов (см. Таблицу материалов) на планшете Android.
   2. Приложение выполнит сканирование на наличие доступных устройств. Выберите DAU по идентификационному номеру и нажмите Подтвердить, чтобы выполнить сопряжение планшета с DAU.
   3. Выберите монтаж электродной маски и нажмите кнопку Подтвердить.
   4. Выберите каналы (1-16) для отображения на экране и нажмите «Подтвердить». Появится экран с сигналами от выбранных каналов, свидетельствующий о готовности к эксперименту.
      ЗАМЕТКА: По умолчанию выбраны все 16 каналов.
5. Подключите планшет к компьютеру с помощью кабеля. Измените настройки универсальной последовательной шины (USB) планшета Android с передачи файлов на USB-модем.
6. Установите PsychoPy: Скачайте и установите программу PsychoPy (версия v2023.1.3) на компьютер.
7. Загрузите файлы протокола: Откройте репозиторий Github по адресу https://github.com/NeuroEngLabTAU/facial_expressions_experiment и загрузите все файлы, нажав на <> код, а затем нажав на Загрузить ZIP. Эта папка содержит файл эксперимента facial_expressions.psyexp; подпапка schaede-cut-tlv с необходимыми видео для проведения эксперимента, а также другие файлы, автоматически используемые PsychoPy. Извлеките папку в нужное место на компьютере.

2. Настройка участника

1. Наложение электродной маски
   1. Подготовка лица: Проинструктируйте участника о том, как очистить лицо, если был нанесен крем или макияж. Очистите с помощью подготовительного геля, безволокнистой салфетки на спиртовой основе или воды с мылом. Дайте коже высохнуть не менее 1 минуты.
      ЗАМЕТКА: Этот шаг является необязательным.
   2. Установка электродов:
      1. Осторожно снимите защитные пленки со стороны маски электродной матрицы, контактирующей с кожей, следуя порядку, указанному на наклейке (1-6).
      2. Поместите электрод No 11 (отмеченный символом глаза) рядом с правым глазом участника, а электрод No 8 (отмеченный символом носа) — на нос.
      3. Прикрепите электроды 1-15 на правой стороне лица и электрод 16 на левой стороне лба. Поместите электрод сравнения на правый сосцевидный отросток. Положение электродов относительно мышц приведено на рисунке 1A .
   3. Крепление: Аккуратно прижмите маску к коже, затем осторожно снимите внешнюю прозрачную поддерживающую пленку одну за другой, чтобы полностью прикрепить маску. Будьте осторожны, чтобы не отсоединить маску во время этого процесса.
   4. Подключение DAU: вставьте плату разъема электродной матрицы в гнездо разъема DAU, затем закрепите DAU на ленте.
2. Фотодокументация:
   1. Сделайте не менее 3 снимков участника с разных ракурсов (90°, 45°, 0°), чтобы задокументировать расположение электродов.
3. Посадка участника (см. рисунок 1B)
   1. Стул и расстояние: Усадите участника на вертикальный стул на фиксированном расстоянии (например, 70 см) от экрана компьютера, на котором будут отображаться инструкции по упражнениям для лица.
   2. Проверка комфорта: убедитесь, что участник сидит удобно и может четко видеть экран.

3. Валидация сигнала

1. Проверка качества сигнала ЭМГ: убедитесь, что приложение для планшета обнаруживает все 16 сигналов электродов ЭМГ.
2. При необходимости устраните неполадки:
   1. Осторожно прижмите каждый электрод к коже участника и убедитесь, что в нем не застревают пузырьки воздуха.
   2. Дайте время для стабилизации сигнала.
   3. Отойдите подальше от электронных устройств, которые могут создавать помехи.
   4. Если проблема не устранена, рассмотрите возможность повторного подключения DAU или переключения комнат.
   5. В крайнем случае, замените электродный пластырь.

4. Проведение эксперимента

1. Начать запись ЭМГ: Откройте приложение электродов на планшете Android и нажмите Начать сессию.
2. Заполните данные сеанса.
   1. Появится окно с информацией о сеансе. Введите название исследования, название сеанса, центр, оператора, идентификатор пациента, возраст, пол и примечания.
      1. Нажмите кнопку Начать запись, чтобы начать сбор данных ЭМГ. С этого момента происходит запись данных ЭМГ. Необработанные данные будут сохранены на SD-карте с частотой дискретизации 4 кГц/с.
3. Калибровка (опционально): Приложение инициирует процесс калибровки, в котором участник выполняет определенные базовые задачи (например, закрывает глаза, жевает) после нажатия кнопки «Старт». При необходимости может быть выполнена повторная калибровка. После завершения калибровки нажмите OK. При необходимости пропустите этот шаг, нажав Далее.
4. Откройте файл эксперимента.
   1. На компьютере дважды щелкните загруженный файл эксперимента facial_expressions.psyexp, чтобы открыть его в PsychoPy.
   2. Нажмите кнопку Запустить эксперимент, чтобы запустить эксперимент.
   3. Введите сведения о сеансе (номер участника, номер сеанса, имя планшета) при появлении запроса и нажмите OK.
      ЗАМЕТКА: Название планшета — это серийный номер планшета, который можно найти в настройках планшета Android в разделе «О планшете».
5. Сессия в действии
   1. Попросите участника выполнить 11 мимики (рисунок 2) в соответствии с инструкциями видеоруководства. После первого выражения (Rest) каждое выражение повторяется три раза подряд. Участнику будет предложено удерживать каждое выражение лица в течение 5 секунд, после чего следует 3 секунды отдыха.
   2. Наблюдайте за участниками и направляйте их, если это необходимо, чтобы обеспечить точность и синхронизацию с инструкциями.
6. Завершите эксперимент.
   1. По завершении PsychoPy автоматически остановит эксперимент. Остановите запись данных ЭМГ на планшете, нажав кнопку ЗАВЕРШИТЬ запись. Подтвердите, нажав Да, стоп. Появится окно, подтверждающее, что сеанс завершен, а затем нажмите OK.
   2. Нажмите кнопку «Синхронизировать», чтобы синхронизировать данные сеанса с облаком системы. Когда все будет готово, закройте приложение.

5. Обработка и анализ данных после эксперимента

1. Соберите данные из Psychopy.
   ЗАМЕТКА: После завершения сеанса Psychopy автоматически сохраняет CSV-файл в подпапке данных. Имя файла указывает на сведения о сеансе. CSV-файлы содержат названия видео, временные метки, идентификационный номер участника, номер сеанса и номер планшета Android.
2. Преобразуйте данные ЭМГ.
   1. Войдите в облачный сервис электродной системы и выберите детали сеанса.
   2. Загрузите данные ЭМГ с SD-карты.
   3. Конвертируйте загруженные файлы XF2, содержащие данные EMG, в формат файлов EDF (европейский формат данных), нажав кнопку Создать файлы EDF. Загрузите выбранные файлы для анализа в автономном режиме.
3. Выполнение базового анализа данных ЭМГ. ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы EDF содержат необработанные данные ЭМГ из 16 каналов (ЭМГ CH-1 - CH-16), данные гироскопа из 3 каналов (GYRO-X, Y, Z) и данные акселерометра из 3 каналов (ACC-X, Y, Z). Аннотации из Psychopy с указанием временных точек для определенных выражений лица автоматически сохраняются в файле. Для дальнейшего анализа использовались только исходные данные ЭМГ из 16 каналов и аннотаций.
   1. Отфильтруйте необработанные данные ЭМГ с помощью полосового фильтра 10-500 Гц.
   2. Примените режекторный фильтр с частотой 50 Гц для снижения шума.
   3. Проведите желаемый анализ в соответствии с целью исследования.

Результаты

Рисунок 1: Обзор схематической экспериментальной установки. (А) Расположение электродов на лице: 1-16 каналов на лице, электрод сравнения на правом сосцевидном отростке. (B) Участники удобно располагаются перед экраном компьютера. Эта панель ...

Материалы