Большой табличный обзор на 48 нейроинтерфейсов

Краткий перевод и выжимка статьи https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811922008953

Введение

Популярный метод мониторинга мозга электроэнцефалография (ЭЭГ) в последние годы привлек к себе внимание коммерции. Это привело к разнообразию портативных устройств ЭЭГ с возможностью беспроводного подключения, что позволяет использовать их относительно пользователям в реальных условиях за пределами лаборатории. Широкая доступность и относительная доступность этих устройств обеспечивают низкий порог входа для новичков в область исследований ЭЭГ. Однако большое разнообразие устройств и порой непрозрачная коммуникация от их производителей могут затруднить получение обзора этих устройств. Аналогичным образом, учитывая широту существующих знаний и исследований в области (беспроводной) ЭЭГ, может быть сложно начать работу с новыми идеями. Поэтому в этой статье сначала приводится список из 48 беспроводных устройств ЭЭГ вместе с рядом важных — иногда труднодоступных — функций и характеристик, позволяющих сравнивать их бок о бок, а также краткое введение в каждый из этих аспектов и то, как они могут повлиять на решение.

Обзор беспроводного оборудования ЭЭГ

Чтобы получить список современного беспроводного оборудования для ЭЭГ, мы выполнили поиск литературы и выполнили общий поиск в Интернете по поставщикам оборудования для ЭЭГ и определили предлагаемые продукты, которые соответствуют основному критерию: устройство для сбора данных ЭЭГ с поддержкой протокола беспроводной передачи.

Для каждого из этих устройств затем получили свойства, перечисленные в таблице.

В хорошем качестве https://vk.com/doc-112940624_691058594

Системы отсортированы в алфавитном порядке по названию компании. Отображаемые характеристики включают: устройство, компанию, веб-сайт по состоянию на 2022 год, с которого были взяты данные, год выпуска на рынок, количество электродов ЭЭГ, размещение электродов ЭЭГ (фиксированное или гибкое), опорное местоположение (E: мочка уха, M: сосцевидный отросток, 2M: связанные сосцевидные отростки, Flex: несколько опорных вариантов, в противном случае 10–20 местоположений), акселерометры и гироскопы для отслеживания движения, количество биполярных каналов ExG и вспомогательных каналов (числа в скобках указывают на возможность повторного использования имеющихся электродов ЭЭГ), наличие и тип портов триггеров, тип электродов (например, сухой, влажный, гель; гибридный указывает на то, что одни и те же электроды можно использовать несколькими способами), активное предварительное усиление или пассивные электроды, экранированные/неэкранированные электроды, возможности мониторинга импеданса (Start: возможно перед записью, Check: возможно проверить во время записи, Continuous: контролируется непрерывно, No: невозможно), диапазон входного сигнала (мВpp), входное сопротивление (ГОм), входной шум (мкВrms), коэффициент подавления синфазного сигнала CMRR (дБ), полоса пропускания усилителя (Гц), частота дискретизации (в Гц), цифровое разрешение (бит), младший бит (мкВ/бит), размер (мм) и вес (г), срок службы батареи (в часах), беспроводной протокол (т. е. Bluetooth, BLE, Wi-Fi или ISM Proprietary на частоте 2,4 ГГц), локальное хранилище (размер локального хранилища или SD для поддержки SD-карт или No для отсутствия локального хранилища), поддерживаемые форматы вывода, поддержка потоковой передачи в реальном времени (LSL: совместимый с уровнем потоковой передачи в лаборатории, SDK: доступный комплект для разработки программного обеспечения, дополнительная информация следует за спецификациями поставщика), поддержка ЭЭГ смартфонов (следует за спецификациями поставщика), оценка CoME D для мобильности устройства и оценка CoME S для характеристик системы в соответствии с Bateson et al. (2017) ; при отсутствии информации, необходимой для расчета балла, использовалось наименьшее значение, медицинская справка и диапазон цен (тыс. евро), действительные по состоянию на декабрь 2022 года. Дефис (-) указывает на то, что информацию получить не удалось.

В обзоре рассмотрены следующие устройства

Если сортировать по количеству каналов

Компания и устройство

Название компаний и устройств, как оно представлено на рынке. Как упоминалось во введении, на рынке беспроводных ЭЭГ конкурируют как традиционные компании ЭЭГ, так и (относительные) новички, даже стартапы. Более устоявшиеся компании, скорее всего, предложат более широкий ассортимент продукции, которая может хорошо взаимодействовать с беспроводным устройством ЭЭГ, включая, например, программные пакеты для анализа и дополнительные аппаратные периферийные устройства, потенциально позволяющие встраивать беспроводное устройство ЭЭГ в более крупную экосистему для сбора (нейро)физиологических данных

Количество и расположение ЭЭГ и референтных каналов

Число каналов ЭЭГ, указанное в таблице, относится к эффективному числу каналов ЭЭГ в полученных данных, т. е. без учета заземляющих и референтных электродов. Референтный электрод является критическим электродом, поскольку все остальные электроды будут соотнесены с ним.

В традиционных исследованиях ЭЭГ, где проблемы, характерные для портативных систем, можно легко игнорировать, часто используется минимум 32 канала для обеспечения широкого охвата кожи головы. В настоящее время в ЭЭГ высокой плотности используется до 256 каналов

Дополнительные внешние и внутренние датчики

Помимо ЭЭГ, некоторые устройства позволяют подключать дополнительные электроды для записи данных из разных источников. Это может использоваться для дополнительных электрофизиологических измерений, таких как электроокулограмма (активность глаз), электрокардиограмма (сердце), электромиограмма (мышцы), электродермальная активность кожи или дыхание.

Тип электрода

Внешний слой кожи является плохим проводником электричества. По этой причине так называемые гелевые электроды используют электролитный гель, который проникает в кожу. Сам электрод, обычно небольшой диск из спеченного серебра/хлорида серебра (Ag/AgCl), остается на поверхности кожи, в то время как гель создает высокопроводящий мостик для снижения импеданса между кожей и электродом. Гель также обеспечивает буфер против механического перемещения электродов. Этот гель добавляется вручную на этапе подготовки: кожа под каждым электродом слегка очищается, протирается и/или царапается, а гель вводится с помощью шприца.

Основной компромисс между гелевыми и сухими электродами обычно сводится к качеству сигнала и комфорту по сравнению с удобством.

Активные , пассивные и экранированные электроды

Расположенное поблизости электрооборудование представляет собой существенный источник внешнего шума в устройствах ЭЭГ: их электромагнитная активность улавливается кабелями электродов, которые по сути действуют как антенна. Одним из решений этой проблемы является усиление сигнала непосредственно на электродах, прежде чем он будет отправлен по кабелям. Для этого так называемые активные электроды имеют дополнительный сверхмалошумящий предварительный усилитель, расположенный внутри электрода.

В то время как предварительное усиление является мерой, которая может быть принята немедленно на месте электрода, экранирование относится к защите сигнала при его прохождении по кабелю, снижая воздействие электромагнитных помех окружающей среды во время передачи на (основной) усилитель.

Проверка импеданса

Для оценки качества сигнала устройства обеспечивают измерение импеданса для каждого электрода. Во время подготовки это позволяет экспериментатору или пользователю оптимизировать соединение электрода с кожей головы.

Характеристики усилителя

Усилитель может быть охарактеризован, помимо прочего, его входным диапазоном, усилением, полосой пропускания, входным импедансом и коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR). Диапазон входного сигнала относится к напряжению входного сигнала (выраженному в пиковом напряжении, Vpp), которое усилитель способен принять в качестве входного сигнала при надлежащем функционировании. Поскольку активность мозга обычно находится в диапазоне мкВ или даже мВ, все системы, показанные в таблице смогут должным образом усилить их без насыщения.

Чем выше CMRR, тем лучше усилитель будет работать против сильных шумовых артефактов, которые являются общими для всех электродов, таких как электромагнитные помехи окружающей среды.

Частота дискретизации

Частота дискретизации относится к числу выборок данных, которые в цифровом виде собираются в секунду.

В ЭЭГ обычно берется больший запас, чтобы обеспечить более высокую точность сигнала. Поэтому, поскольку интересующая активность ЭЭГ обычно составляет около 50 Гц, распространены частоты дискретизации 250 или 500

Цифровое разрешение и младший бит

После выборки аналоговой активности мозга она преобразуется в цифровое значение с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Разрешение этого преобразователя обозначает количество конечных значений, которые может охватывать цифровой сигнал. Поскольку это количество значений должно быть закодировано в двоичном коде, оно выражается как количество бит. Например, система с разрешением 10 бит может кодировать аналоговый вход на 1024 различных уровнях (2 10 = 1024), а система с разрешением 24 бит может кодировать тот же аналоговый вход на 16777216 различных уровнях (2 24 = 16777216). Чем выше разрешение, тем лучше цифровой сигнал может соответствовать аналоговому оригиналу.

Размер, вес и время работы от батареи

Размер усилителя или устройства указан в мм по убыванию размеров (например, не «длина», а просто самое длинное значение указано первым), а вес указан в граммах. Срок службы батареи указывает максимальную продолжительность записи в часах на одной зарядке батареи. Соображения здесь очевидны: чем меньше и легче, тем лучше для большинства беспроводных случаев, поскольку это увеличивает мобильность устройства, а чем больше срок службы батареи, тем больше мобильность участников, обеспечивая большую гибкость с точки зрения дизайна исследования.

Беспроводной протокол

Определяющим фактором устройств, перечисленных в таблице является то, что они могут передавать полученный сигнал по беспроводной сети.. Протоколы, которые представлены в таблиц это Wi-Fi (IEEE 802.11), Bluetooth (IEEE 802.15.1), Bluetooth Low Energy (BLE, версии Bluetooth 4.x с более низким потреблением энергии), Bluetooth 5 (с большими возможностями и совместимый как с Bluetooth, так и с BLE) и ISM Proprietary на частоте 2,4 ГГц (обычно основанный на IEEE 802.15.4 или IEEE 802.15.6). Основные различия между этими протоколами связаны со скоростью передачи, диапазоном и диапазоном частот, в котором они работают. Bluetooth и BLE имеют более низкую скорость передачи (до 2 Мбит/с), в то время как Wi-Fi может иметь более высокую скорость передачи данных (до 2 Гбит/с)

Хранение данных и формат вывода

Некоторые беспроводные устройства ЭЭГ обеспечивают возможность записи сигнала на борту. Это означает, что данные могут храниться на локальном, возможно, съемном флэш-накопителе до или вместо беспроводной передачи.

Доступ к данным в реальном времени

В то время как локальное хранение данных полезно по вышеупомянутым причинам, основная цель беспроводного протокола обычно заключается в обеспечении удаленного получения данных в реальном времени. Такой доступ позволяет использовать устройство для когнитивного мониторинга в реальном времени или для интерактивных приложений, где подключенное устройство может использовать мозговую активность в качестве входных данных и реагировать всякий раз, когда обнаруживаются определенные ментальные состояния, т. е. интерфейс мозг-компьютер.

Категоризация показателей мобильной ЭЭГ (CoME)

Бейтсон представил Категоризации мобильной ЭЭГ(CoME) для предоставления количественного метода категоризации различных систем ЭЭГ или различных способов использования систем ЭЭГ на основе выбранных параметров. Схема CoME предусматривает три отдельных балла: балл мобильности устройства, балл мобильности участника и балл спецификации системы. Кроме того, полная оценка CoME использует количество каналов, о чем мы уже говорили выше.

Оценка мобильности устройства (CoME D ) отражает, где и как расположено устройство ЭЭГ, фактически представляя степень, в которой участник свободен от физических ограничений в результате использования устройства. Минимальная оценка 0 указывает на традиционную, привязанную систему, в то время как максимальная оценка 5 относится к полностью наголовному устройству без необходимости в дополнительном оборудовании — даже для беспроводного получения данных.

Оценка системных характеристик (CoME S) варьируется от 4 до 20 и складывается из четырех отдельных характеристик, каждая из которых оценивается в диапазоне от 1 до 5. Эти четыре характеристики — тип электрода (1 — пассивные, неэкранированные, сухие электроды, а 5 — активные, экранированные, гелевые электроды; см. выше), разрядность (от 14 бит для оценки 1 до более 24 бит для оценки 5), частота дискретизации (приблизительно от 128 до более 1000 Гц) и срок службы батареи (от отсутствия батареи до более 24 часов).

Медицинское освидетельствование

Использование устройств в клиническом или медицинском контексте допускается только в том случае, если эти устройства получили соответствующие сертификаты.

Диапазон цен

Цена — очень динамичная характеристика. Стоит отметить, что в целом, за редкими исключениями (например, OpenBCI, Emotiv, которые являются более потребительскими системами), редко можно найти общедоступные цены в Интернете, и только прямые запросы на конкретную расценку могут дать оценку. Как правило, цена беспроводных систем ЭЭГ, по-видимому, напрямую связана с количеством каналов.