Проведення полімерних тату-електродів у клінічній електро- та магніто-енцефалографії npj Гнучке
Предмети
Анотація
Тимчасові електроди для татуювання - це остання розробка в області шкірних датчиків. Вони успішно продемонстрували свої результати у моніторингу різних електрофізіологічних сигналів на шкірі. Ці епідермальні електронні пристрої забезпечують конформний і непомітний контакт із користувачем, забезпечуючи при цьому якісні записи з часом. Оцінка мозкової діяльності в клінічній практиці стикається з різними обмеженнями, коли такі електроди можуть забезпечити реалістичні технологічні рішення та підвищити ефективність діагностики. Тут ми представляємо ефективність струменевих друкованих провідних полімерних електродів для татуювання в клінічній електроенцефалографії та їх сумісність з магнітоенцефалографією. Механізм роботи цих сухих датчиків досліджується за допомогою моделювання імпедансу шкіра/електрод для кращого розуміння передачі біосигналів на цій поверхні. Крім того, спеціально виготовлена фантомна платформа шкіри демонструє можливість записів високої щільності, які є важливими для локалізації невропатологічної діяльності. Ці оцінки дають цінний внесок для успішного застосування цих надтонких електронних датчиків татуювань у мультимодальному моніторингу та діагностиці мозку.
Вступ
У клінічній практиці записи ЕЕГ часто поєднуються з магнітоенцефалографією (МЕГ). Поки ЕЕГ реєструє зміни електричного поля в мозку, МЕГ відчуває зміни в магнітному полі, викликані модифікаціями електричного поля, що генеруються тією ж популяцією нейронів. Одночасні записи ЕЕГ/МЕГ є важливими для розуміння динамічних когнітивних процесів завдяки їх високій часовій роздільній здатності 23. Оскільки електроди ЕЕГ схильні до взаємодії з датчиками МЕГ, слід враховувати особливі вимоги та запобіжні заходи. Деякі металеві електроди дійсно можуть створювати артефакти, що затуляють виявлення магнітного поля (детальніше описано нижче). Безметалеві ЕЕГ-електроди в таких експериментальних установках обіцяють забезпечувати мінімальне збурення магнітного сигналу.
Тут ми досліджуємо ефективність ТТЕ у записах низькоамплітудних ЕЕГ-сигналів та їх потенціал для інтеграції стандартного протоколу клінічної оцінки для оцінки стану мозку. Для того щоб зрозуміти, наскільки ефективно ТТЕ перетворюють біосигнали, ми досліджуємо їх контактний імпеданс, детально розглядаючи еквівалентну схему моделі Ag/AgCl та тату-електродів. Потім ми проводимо три експериментальні оцінки, зазвичай прийняті для епілепсії: записи спонтанної активності мозку (моніторинг альфа-хвиль), штучно індукована активність (слуховий викликаний потенціал (AEP)) виявлення та одночасний запис MEG/EEG. У MEG велика кількість датчиків дозволяє відновити відображення мозкової діяльності з великою просторовою роздільною здатністю. Використовуючи фантом, що імітує шкіру, ми досліджуємо можливість використання hdEEG за допомогою тату-електродів. Сумісність ТТЕ з MEG та їх здатність записувати високу щільність спрямовані на те, щоб запропонувати вдосконалені інструменти для нейродегенеративної діагностики захворювань з високою тимчасово-просторовою роздільною здатністю 12 .
a Шарувата структура тимчасового паперу для татуювання дозволяє звільнити верхню плівку, на якій виготовляються електроди. Розширений вигляд повністю полімерного друкованого ТТЕ. c ТТЕ, випущений на шкіру голови, в положенні Оз. d ТТЕ, що виділяється на шкіру голови через 12 год після застосування. e Записи імпедансу на передпліччя за допомогою електродів TTE та Ag/AgCl. Дані були оснащені моделями, зображеними праворуч. Деталі щодо моделі наведені в основному тексті.
Основним і найскладнішим питанням тонкоплівкової епідермальної електроніки є взаємозв'язок м'яких, майже непомітних пристроїв з жорсткою електронікою. Дійсно, м'який/жорсткий інтерфейс може легко розірватися під час монтажу електродів або руху учасника. З цією метою було розроблено спеціально розроблене зовнішнє з'єднання, виготовлене з тонкого (1,3 мкм) та гнучкого листа поліетилен-нафталату (PEN) та спеціального пластикового затиску, що покращує міцність з'єднання і, в свою чергу, призводить до надійної реєстрації біопотенціалів мозку. . Цей безметалевий плоский контакт зменшує електромагнітні шуми та перешкоди іншому обладнанню, як це особливо потрібно в MEG. Монолітно зібраний датчик і контактний провід, показані на рис. 1b, полегшують маніпуляцію під час розміщення на шкірі голови, що робиться в один крок. Приклад ТТЕ, накладеного на шкіру голови людини, наведено на рис. 1c, d.
Результати і обговорення
Оцінка імпедансу принципу роботи ТТЕ
Записи альфа-хвиль
Запис чітко визначеної електрофізіологічної активності служить відповідним підтвердженням функції ТТЕ. Діяльність мозку змінюється, коли суб’єкт переходить зі стану настороженості у релаксацію. У цьому випадку альфа-хвилі, найбільш вивчений ритм мозку, видно видно з потиличної частки. Альфа-хвилі з’являються в діапазоні частот 8–12 Гц із типовою амплітудою 50 мкВ (від піку до піку) 2. Така спонтанна активність мозку виявляється ТТЕ (рис. 2), з похідної Cz – Oz, ідентифікованої за міжнародною системою 10–20 (рис. 2а). На графіку частотно-часових графіків (рис. 2b) альфа-ритми центрируються близько 10 Гц протягом однієї хвилини розслаблення із закритими очима. Зазвичай вони зникають, коли учасник відкриває очі. На інтервалі 60–70 с ми можемо помітити, що альфа-активність зникає за кілька секунд до явного прохання відкрити очі (через 75 с, рис. 2б, в). Це забезпечило значущу перевірку електрофізіологічного характеру виконуваних записів. Амплітуда ЕЕГ-сигналів показана в збільшеному вигляді від 55 до 85 с інтервалу часу на рис. 2в. Середня пікова до пікової амплітуди альфа-хвиль, усереднена за 1 сек запису, становила 25 ± 14 мкВ.
a Схематичне відображення локалізації електродів на голові, згідно з міжнародною системою 10–20, з виділеною дезівацією Cz – Oz, прийнятою для записів спонтанної мозкової діяльності. Часово-частотний графік з видимою альфа-активністю при 10 Гц. Альфа-хвилі на мить зникли на 10 с, оскільки суб’єкт почув навколишній шум, перебуваючи ще у фазі розслаблення. Через 75 с учасника прямо попросили відкрити очі (відрізняється вертикальною білою пунктирною лінією). c Амплітудно-часовий графік близько 75 с. Запис ЕЕГ демонструє коливання альфа-хвиль від 55 до 60 с і від 71 до 75 с, що представляють стан неспокійної релаксації.