هنگام انتخاب دستگاه الکتروانسفالوگرافی (EEG)، یافتن بهترین عملکرد ممکن با تعادل بین ویژگیها و ارزش دستگاه بسیار مهم است. پس از بررسی تمام ویژگیهای مرتبط با سیگنال (که شامل مراحل سنسور و تقویتکننده میشود)، به بررسی سایر ویژگیهای مهم مانند اتصال، توان، خودمختاری، فرمت داده و غیره خواهیم پرداخت.
بررسی کلی ویژگیهای فنی EEG
ویژگیهای فنی الکتروانسفالوگرافی (EEG) را میتوان به سه حوزه اصلی تقسیم کرد:
حوزه سنسور یا هدست (لایه سنسور)
تقویتکننده (لایه اکتسابی)
لایه اتصال و داده (لایه اتصال) و سایر ویژگیهای مهم مانند منبع تغذیه، سیگنالهای ورودی/خروجی کمکی، سنسورهای داخلی و غیره
در این مطلب، بر روی حوزه سوم تمرکز خواهیم کرد.
ویژگیهای دستگاه EEG
۱٫ منبع تغذیه و خودمختاری EEG
نحوه تأمین انرژی دستگاه بسیاری از ویژگیهای مرتبط با قابلیت استفاده برای آزمایشکننده، تحرک شرکتکننده، مدتزمان ضبط و غیره را تعیین میکند. دو امکان وجود دارد:
۱-تغذیه کابلی: تقویتکننده از طریق یک منبع تغذیه به طور مستقیم به خط برق متصل میشود. مزیت اصلی این است که آزمایش میتواند تا هر زمان لازم ادامه یابد بدون محدودیت زمانی ناشی از شارژ باتری. عیب اصلی این است که تقویتکننده باید به پریز برق وصل شود، بنابراین شرکتکننده با کابل برق محدود شده و حرکت و دسترسی او محدود میشود. در سناریوهای پیادهروی، کابل برق باید با دقت مدیریت شود تا از خطر سقوط یا آسیب به تجهیزات جلوگیری شود.
۲-تغذیه باتری: تقویتکننده توسط باتریها تغذیه میشود، بنابراین میتواند به شرکتکننده متصل شود و امکان حرکت آزاد و رفتار طبیعیتر را فراهم میکند. عیب اصلی این است که حداکثر مدت زمان ضبط توسط ظرفیت باتری محدود میشود. در یک تقویتکننده باتریدار، باتری میتواند داخلی یا قابل تعویض باشد.
- باتری داخلی: این گزینه ظرفیت باتری را به حداکثر رسانده و درعینحال فضای موردنیاز و در نتیجه اندازه تقویتکننده را کاهش میدهد. دلیل این امر حداقل شدن پیچیدگی محفظه باتری است. عیب اصلی این است که پس از تخلیه باتری، تقویتکننده باید خاموش و شارژ شود که معمولاً چندین ساعت طول میکشد، قبل از اینکه جمعآوری دادهها ازسرگرفته شود.
- باتری قابلتعویض: این گزینه دوم به فضای بیشتری برای مکانیسمهای اتصال و شارژ نیاز دارد، بنابراین تقویتکننده بزرگتر است. مزیت اصلی این است که وقتی باتری کاملاً تخلیه شد، میتوان آن را با یک باتری شارژ شده جایگزین کرد و ضبط را بلافاصله ادامه داد. در مورد تعویض باتری، میتوان به دو روش جایگزین انجام داد: (۱ دستگاه باید قبل از تعویض باتری خاموش شود و ضبط مجدد آغاز شود؛ یا ۲) باتری را میتوان بدون خاموش کردن دستگاه تعویض کرد (تعویض گرم).
انتخاب بین تقویتکننده کابلی یا باتری دار
انتخاب بین تقویتکننده کابلی یا باتری دار معمولاً توسط میزان تحرک و محیطزیست موردنیاز برای کاربرد نهایی تعیین میشود، زیرا باتریها برای فراهمکردن آزادی حرکت بسیار مناسبتر هستند. در مورد باتریهای داخلی، داشتن زمان ضبط مداوم ۸ ساعت یا بیشتر برای پوشش یک روز کامل آزمایش (یک شب کامل آزمایش خواب) مطلوب است. در مورد باتریهای قابلتعویض، آنها بهترین گزینه در سناریوهای ضبط هستند که زمان یا امکان شارژ باتری وجود ندارد یا مدتزمان ضبط بسیار طولانی است.
اتصال سیمی یا بیسیم تقویتکننده EEG به کامپیوتر
مانند منبع تغذیه، اتصال تقویتکننده به کامپیوتر بر آزادی حرکت شرکتکننده تأثیر میگذارد. دو نوع اتصال وجود دارد: سیمی یا بیسیم.
سیمی: اکثر دستگاههای EEG سیمی، اگر نگوییم همه، از فناوری USB استفاده میکنند. مزایای اصلی این نوع انتقال داده این است که تقریباً هیچ محدودیتی در مقدار دادههای EEG وجود ندارد که بتوان در زمان واقعی به کامپیوتر منتقل کرد – با تأخیر بسیار کم و مقاومت بالا در برابر ازدسترفتن یا خرابشدن بستهها. عیب اصلی مشابه با هر رابط سیمی است، همیشه یک کابل وجود دارد که تحرک را محدود میکند.
بیسیم: فناوریهای ارتباط بیسیم مدرن تقویتکننده را به یک دستگاه تلفن همراه تبدیل میکنند که میتوان آن را به شرکتکننده متصل کرد. دو استاندارد اصلی بلوتوث و وایفای هستند، بعلاوه تولیدکنندگانی وجود دارند که از فناوری اختصاصی خود استفاده میکنند.
وایفای: این فناوری دارای توان عملیاتی بالا (مقدار داده منتقل شده در ثانیه) است؛ اما با هزینه مصرف بالای انرژی همراه است. این امر نیاز به استفاده از باتریهای با ظرفیت بالاتر نسبت به دستگاههایی دارد که از فناوریهای ارتباطی دیگر استفاده میکنند که معمولاً منجر به دستگاههای بزرگتر و سنگینتر میشود. پروتکل ارتباطی خاص پیادهسازی شده توسط دستگاه در شبکههای وایفای نیز مهم است. دو امکان وجود دارد: TCP یا UDP. مزیت TCP نسبت به UDP این است که دارای مکانیسمهایی برای تضمین انتقال قابلاعتماد دادههای EEG به کامپیوتر است و ازدسترفتن دادهها، تکرارها یا عدم تراز در ترتیب دادهها جلوگیری میکند. علاوه بر این، هر دو پروتکل TCP و UDP به دلیل زیرساخت سطح پایین شبکه، تأخیرهای بالایی بین بستهها دارند (TCP بیشتر از UDP به دلیل بررسی دادههای داخلی). استفاده از فناوری وایفای در ضبط EEG امروزه کمتر رایج است و برای تحلیل سیگنال EEG در زمان واقعی ایدهآل نیست. ولی نمی توان از نرخ بالای انتقال داده در آنها چشم پوشی کرد که نسبت به بلوتوث بسیار زیاد است.
بلوتوث: این فناوری توان عملیاتی پایینتری نسبت به وایفای دارد، اما تأخیرهای کمتری نیز دارد که آن را به جایگزینی مناسب برای دستگاههای پخش جریانی در زمان واقعی تبدیل میکند. پروتکل ارتباطی همچنین به انرژی کمتری نیاز دارد، بنابراین میتوان از باتریهای کوچکتر استفاده کرد و اندازه و وزن تقویتکننده را به حداقل رساند. استاندارد بلوتوث را میتوان به دودسته تقسیم کرد: ۱) بلوتوث کلاسیک، که برای برنامههای کاربردی پخش داده مداوم طراحی شده است؛ و ۲) بلوتوث با انرژی کم (BLE)، که برای برنامههای کاربردی با نرخ داده پایین و مصرف انرژی کم طراحی شده است که میتواند با باتری کوچک برای مدت طولانی کار کند(توجه داشته باشید که نسخه های جدید از ۴٫۲ به بعد در حال افزایش توان داده به قیمت افزایش مصرف انرژی هستند).
فن آوریهای اختصاصی: اینها فناوریهایی هستند که برای ارتباطات موقت توسط سازنده توسعهیافتهاند. این نوع فناوری از یک پروتکل اختصاصی و بهینه استفاده میکند که معمولاً انتقال دادهها را کاهش میدهد (بهعنوانمثال حذف سرصفحه دادههای موردنیاز ارتباطات استاندارد) بهمنظور به حداکثر رساندن توان داده و گاهی اوقات کاهش مصرف انرژی. اشکال این نوع فناوری این است که برای تبدیل پروتکل ارتباطی اختصاصی به یک پروتکل جهانی، نیاز به استفاده از یک دانگل خاص یا دستگاه سختافزاری دیگر دارد که به پیچیدگی راهاندازی و قطعات اضافی که میتوانند شکسته شوند اضافه میکند.
توجه داشته باشید که همه هدستهای بیسیم EEG مستعد قطع ارتباط بین فرستنده و گیرنده در صورت ازدستدادن پوشش یا اگر فضای الکترومغناطیسی بسیار شلوغ باشد (بسیاری از دستگاهها مانند تلفنهای همراه یا کامپیوترها از همان نوع اتصال به طور همزمان در یک مکان استفاده میکنند) هستند؛ بنابراین بسیار مهم است که سیستمهای EEG پروتکلهای خاصی را اجرا کنند که اتصال مجدد فوری و حفظ یکپارچگی دادهها را در صورت قطع اتصال تضمین کنند.
اگر تحرک ضروری نباشد، اتصالات سیمی به دلیل تأخیر بسته بسیار کم و توان عملیاتی بالای داده میتوانند انتخاب شوند. بااینحال، هنگامی که تحرک موردنیاز است، هدستهای بیسیم EEG باید دادهها را به طور مداوم و بدون تأخیر بالای بین بستهها پخش کنند، بنابراین وایفای فقط برای کاربردهای بسیار خاص مناسب است. در بقیه موارد، فناوریهای بلوتوث کلاسیک بهترین سازگاری را دارند؛ زیرا نیازی به آداپتورهای خارجی ندارند، تأثیر زیادی بر اندازه و وزن تقویتکننده ندارند (تقویتکنندههای کوچک و سبک را میتوان با خودمختاری ۸+ ساعت طراحی کرد) و میتوانند دادهها را بدون تأخیر بالای بسته منتقل کنند. همچنین امروزه و به لطف آخرین پیشرفتها در پروتکلهای بلوتوث باانرژی کم که قبلاً ذکر شد، این فناوری ویژگیهای امیدوارکنندهای برای تبدیلشدن به یک استاندارد در دستگاههای EEG برای پخش داده در زمان واقعی دارد.
۳-سیگنالهای ورودی/خروجی کمکی تقویتکننده EEG
محققان اغلب سیگنالهای الکتریکی EEG را با رویدادها یا تحریک خارجی، سایر اندازهگیریهای بیولوژیکی/رفتاری یا دستگاهها و برنامههای کاربردی دیگر همگامسازی میکنند. اگرچه همیشه میتوانیم با نرمافزار همگامسازی کنیم، اما دقیقترین راه انجام این کار از طریق سختافزار است. به همین دلیل است که اکثر سیستمهای EEG ورودیها/خروجیهای کمکی خارجی اضافی دارند:
- ورودی آنالوگ:
تریگرهای بصری/فتودیودهایی که تغییرات در روشنایی را اندازهگیری میکنند، مفید برای همگامسازی EEG با محرکهای بصری روی صفحه کامپیوتر یا با چراغهای چشمکزن.
تریگرهای شنیداری/میکروفونها برای همگامسازی با محرکهای شنیداری.
سیگنالهای آنالوگ مانند (الکتروکاردیوگرام، الکترواوکولوگرام یا الکترومیوگرام)، پاسخ گالوانیک پوست یا سایر حسگرهای زیستی؛ مانند باندهای تلاش تنفسی، سنسورهای جریان هوا و غیره که برای همگامسازی EEG با سایر پاسخهای فیزیولوژیکی مفید هستند.
- ورودی/خروجی دیجیتال:
دکمهها یا پدالهایی که میتوانند اقدامات شرکتکننده را تشخیص دهند، برای مثال در آزمایشهای حرکت خودکار یا مبتنی بر نشانه.
ورودی/خروجی کامپیوتر (مانند پورت موازی) به آداپتور تقویتکننده برای همگامسازی رویدادهای آمده از کامپیوترها یا سایر سختافزارها
ورودیهای کمکی یک افزودنی مهم برای هر دستگاه EEG هستند و همگامسازی سطح نمونه سختافزاری را برای همه سیگنالهای ضبط شده فراهم میکنند. این ویژگیها در تقویتکنندههای بیسیم بسیار مهم هستند، زیرا این تقویتکنندهها تأخیر و عدم قطعیت زمانی بالاتری در انتقال داده ایجاد میکنند که به تأخیر/عدم قطعیت لایه نرمافزاری گیرنده اضافه میشود.
۴-سنسورهای داخلی در تقویتکنندههای EEG
هدستهای مدرن EEG سیار و متحرک شامل سنسورهای حرکت در تقویتکننده هستند تا تشخیص یا فیلترکردن نویزهای حرکت را در مراحل تجزیهوتحلیل دادههای بعدی تسهیل کنند. دو سنسور اصلی مورداستفاده عبارتاند از:
شتابسنج ۳ محور: این سنسور شتاب یا نیروی G را در هر یک از سه محور فضا اندازهگیری میکند.
واحد اندازهگیری اینرسی (IMU) 6 یا ۹ محور: IMUهای ۶ محوره دارای یک شتابسنج ۳ محوره و یک ژیروسکوپ ۳ محوره هستند که حرکت چرخشی را در هر یک از سه محور اندازهگیری میکنند. IMUهای ۹ محوره دارای سنسورهای قبلی به علاوه یک مغناطیسسنج ۳ محوره هستند که شدت میدان مغناطیسی را در سه محور (معمولاً میدان مغناطیسی زمین) اندازهگیری میکنند. این نوع سنسور نسبت به شتابسنج دو مزیت دارد: ۱) جهتگیری قسمت بدن متحرک با تقویتکننده را ارائه میدهد؛ و ۲) ۶ درجه آزادی اضافی برای تکنیکهای فیلتر کردن فراهم میکند و فضای کانال را برای تکنیکهای فیلتر کردن پرکاربرد مانند تجزیه مؤلفه مستقل افزایش میدهد.
برای دستگاههای EEG ثابت، ادغام این سنسورها در تقویتکننده چندان مفید نیست. بااینحال، هنگامی که تقویتکننده متحرک است، آنها بهعنوان راهی برای بهبود تجزیهوتحلیل داده بسیار مفید هستند، زیرا تخمین دقیقی از حرکات شرکتکننده ارائه میدهند. واحدهای اندازهگیری اینرسی (IMU) همیشه بر شتابسنجها ترجیح داده میشوند.
۵-پشتیبانگیری داده در تقویتکنندههای EEG
سه موقعیت ضبط مرتبط وجود دارد که در آن ضبط و ذخیره سیگنالهای EEG در خود تقویتکننده (پشتیبانگیری داده) برای دانلود بعدی مفید است:
- هنگام نمونهبرداری با نرخ بالا (مقدار زیاد داده) اما اتصال تقویتکننده با کامپیوتر دارای نرخ توان عملیاتی محدود است.
- هنگام ضبط با اتصال ناپایدار که میتواند منجر به قطع ارتباط و ازدسترفتن داده شود (برای مثال در سناریوهایی که اتصال را با دستگاههای دیگر به اشتراک میگذاریم).
- زمانی که کامپیوتر نمیتواند نزدیک به تقویتکننده باشد که باید مانند یک هالت عمل کند (فقط عملکرد ضبط برای مانیتورینگ طولانیمدت یا سیار).
این پشتیبانگیری را میتوان به دو روش پیادهسازی کرد.
- ذخیره داخلی: دادهها بهصورت داخلی در تقویتکننده ذخیره میشوند. تقویتکننده باید بعداً به کامپیوتر متصل شود تا دادهها دانلود شوند. عیب اصلی این گزینه این است که مقدار حافظه داخلی ثابت است و نمیتوان آن را در طول سالهای استفاده افزایش داد یا در میدان تعویض کرد.
- ذخیره قابلجابهجایی (حالت سیستم فایل): دادهها در یک حافظه قابلجابهجایی ذخیره میشوند که میتوان آن را از هر کامپیوتری خواند. اگر به حافظه بیشتری نیاز بود، میتوان از کارت بزرگتری استفاده کرد.
خلاصه اینکه، پشتیبانگیری داده معمولاً زمانی که از اتصال سیمی استفاده میشود ضروری نیست، اما در فناوریهای بیسیم به آزمایشکننده آرامش خاطر میدهد که دادهها در صورت بروز مشکل اتصال همچنان به طور کامل ضبط میشوند. در این موارد، گزینه ذخیرهسازی قابلجابهجایی یک روش آسانتر و انعطافپذیرتر برای انتقال دادهها است که آن را مفیدتر میکند.
۶-فایلهای خروجی داده EEG
دادههای EEG نیاز به ذخیرهشدن دارند، معمولاً همراه با برخی اطلاعات متادیتا مانند اطلاعات شناسایی ناشناس شرکتکننده یا رویدادهای موردعلاقه، برای تحلیل و تفسیر. فرمتهای فایل داده EEG را میتوان به طور گسترده به فرمتهای اختصاصی یا استاندارد تقسیم کرد. نیاز به استانداردسازی دادهها توسط مزایای قابلیت همکاری هدایت میشود: اشتراکگذاری دادهها در سیستمهای اطلاعات مراقبتهای بهداشتی و تجزیهوتحلیل در آزمایشگاههای تحقیقاتی با استفاده از ابزارهای نرمافزاری تحلیل. این موضوع در هنگام برخورد با مجموعهدادههای بزرگ EEG از اهمیت ویژهای برخوردار است .
- فرمتهای اختصاصی: بسیاری از تولیدکنندگان سختافزار دادههای EEG را با استفاده از فرمت فایل خود ذخیره میکنند. این به تولیدکنندگان درجه بالایی از انعطافپذیری با هزینه عدم قابلیت همکاری با ابزارهای نرمافزاری شخص ثالث میدهد. یک استراتژی برای غلبه جزئی بر عدم قابلیت همکاری، ارائه افزونههای نرمافزاری برای هر یک از برنامههای کاربردی نرمافزار مختلف برای بارگذاری فایلهای داده EEG اختصاصی خاص است.
- فرمتهای استاندارد: دو فرمت فایل استاندارد اصلی EDF و GDF هستند. این فرمتها ضبط دادههای چندکاناله و نرخ نمونهبرداری متفاوت برای هر سیگنال را امکانپذیر میکنند و حاوی یک هدر برای ذخیره اطلاعات متادیتا مربوط به شرکتکننده، تنظیمات تقویتکننده، رویدادهای موردعلاقه و غیره هستند. آنها توسط ابزارهای اصلی تجزیهوتحلیل نرمافزار پشتیبانی میشوند:
در اینجا مثالهایی از مونتاژهای EEG دنیای واقعی و آزمایشهای مصنوعات دو سیستم تجاری با ویژگیهای مربوطه به مانیتورینگ EEG آورده شده است. ارزش اصلی نسبت به سایر فناوریهای EEG، عملیبودن برای محقق و راحتی برای کاربر نهایی است، بدون اینکه نیاز به قربانیکردن کیفیت سیگنال باشد.
سیستم های ثبت EEG پرتابل IEEG-8/16X طراحی شده است تا اولین سیستم EEG قابلاعتماد باکیفیت سیگنال بالا باشد که میتواند توسط خود شخص تنظیم شود. این سیستم روی علوم اعصاب و سایر کاربردهایی که نیاز به داده از مناطق جلویی و خلفی مغز دارند استفاده میشود.
