การทำงานของเซ็นเซอร์ EEG

เซนเซอร์ EEG คืออะไร?

เซนเซอร์ EEG คืออิเล็กโทรดหรือชุดประกอบอิเล็กโทรดที่ใช้เพื่อตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าที่บริเวณหนังศีรษะสำหรับการตรวจคลื่นไฟฟ้าสมอง (Electroencephalography) การบันทึกเหล่านี้จะสะท้อนถึงการทำงานร่วมกันของเซลล์ประสาทจำนวนมาก แทนที่จะเป็นกิจกรรมของเซลล์ประสาทเพียงเซลล์เดียว เซนเซอร์เป็นส่วนหนึ่งของระบบขนาดใหญ่ซึ่งรวมถึงการขยายสัญญาณ การบันทึก และการวิเคราะห์ด้วย

การทำความเข้าใจบทบาทของเซนเซอร์จะช่วยแยกแยะระหว่างสิ่งที่ฮาร์ดแวร์วัดได้ กับสิ่งที่แพทย์หรือนักวิจัยอาจคาดการณ์จากการบันทึกผล

การทำงานของเซนเซอร์ EEG

เซลล์ประสาทสื่อสารกันผ่านกระบวนการทางไฟฟ้าและเคมี และการทำงานร่วมกันอย่างเป็นระบบระหว่างกลุ่มเซลล์ประสาทจะสามารถผลิตการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยที่ตรวจจับได้ที่บริเวณหนังศีรษะ เซนเซอร์ EEG จะสัมผัสกับหนังศีรษะและทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางการวัดสัญญาณ โดยระบบบันทึกจะเปรียบเทียบศักย์ไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดและขยายสัญญาณที่ได้ วิธีการนี้ไม่ใช่การลุกล้ำร่างกาย (noninvasive) แต่รูปคลื่นสัญญาณที่บันทึกได้จะได้รับผลกระทบจากคุณภาพของการสัมผัสของอิเล็กโทรด ตลอดจนการเคลื่อนไหว กิจกรรมของดวงตา และแหล่งสัญญาณรบกวนอื่นๆ

ดังนั้น การบันทึกค่า EEG จึงเป็นการวัดทางไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ซึ่งจำเป็นต้องอาศัยบริบทและการตีความที่เหมาะสม การสัมผัสที่เสถียรมีความสำคัญมาก เนื่องจากหน้าสัมผัสที่ไม่มั่นคงสามารถก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนหรือทำให้การเปรียบเทียบผลบันทึกทำได้ยากขึ้น นักวิจัยและแพทย์ยังคงต้องบันทึกรายละเอียดของ ตำแหน่งอิเล็กโทรด และสภาวะการบันทึก เพื่อให้สามารถตีความข้อมูลได้อย่างมีความรับผิดชอบ

ประเภทของเซนเซอร์ EEG

เซนเซอร์ EEG มักจะถูกอธิบายตามวิธีการที่พวกมันสัมผัสกับหนังศีรษะ และการใช้ตัวนำกระแสไฟฟ้าหรือไม่ อิเล็กโทรดแบบเปียก (Wet electrodes) มักใช้เจลหรือตัวนำกระแสไฟฟ้าอื่นๆ ในขณะที่การออกแบบแบบแห้ง (Dry designs) มีจุดประสงค์เพื่อบันทึกโดยไม่ต้องผ่านขั้นตอนการเตรียมการดังกล่าว ส่วนแนวทางแบบกึ่งแห้ง (Semi-dry approaches) จะอยู่กึ่งกลางระหว่างทั้งสองแบบ โดยวัสดุและรูปร่างของเซนเซอร์จะแตกต่างกันไปตามระบบ คู่มือเกี่ยวกับ อินเทอร์เฟซอิเล็กโทรด ของเราจะอธิบายว่าทำไมการเลือกอิเล็กโทรดและการจัดวางจึงเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับสภาวะการบันทึก

การแบ่งประเภทกว้างๆ ด้านล่างนี้มีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบในเบื้องต้น แม้ว่าประสิทธิภาพของระบบเฉพาะตัวจะขึ้นอยู่กับการออกแบบทั้งหมดและการใช้งานก็ตาม:

หมวดหมู่เหล่านี้เพียงอย่างเดียวไม่ได้เป็นตัวบ่งชี้ว่าเซนเซอร์ชนิดนั้นเหมาะสมกับการศึกษาชิ้นใดชิ้นหนึ่งโดยเฉพาะหรือไม่ การวางตำแหน่งอิเล็กโทรด ฮาร์ดแวร์สำหรับบันทึก และงานที่กำลังศึกษาล้วนส่งผลต่อสิ่งที่จะเรียนรู้ได้จากข้อมูล รูปแบบการจัดวางที่สม่ำเสมอจะมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อจำเป็นต้องเปรียบเทียบผลบันทึกระหว่างบุคคลหรือแต่ละเซสชัน

เซนเซอร์ EEG แปลงกระแสไอออนิกให้เป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร

เมื่อกลุ่มของเซลล์ประสาทในคอร์เทกซ์เริ่มทำงานพร้อมกัน พวกมันจะสร้างกระแสไฟฟ้านอกเซลล์ (extracellular current) ที่แพร่กระจายผ่านน้ำหล่อเลี้ยงสมองและไขสันหลัง กะโหลกศีรษะ และหนังศีรษะ ที่บริเวณพื้นผิวหนังศีรษะ การเคลื่อนที่ของไอออนนี้สามารถตรวจจับได้ในรูปของความต่างศักย์เพียงเล็กน้อยระหว่างตำแหน่งสองแห่ง

เซนเซอร์ neuroscience ต้องแปลงสัญญาณไอออนิกนี้ให้เป็นกระแสไฟฟ้าที่ใช้อิเล็กตรอนซึ่งอุปกรณ์บันทึกระบบอิเล็กทรอนิกส์สามารถประมวลผลได้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบผันกลับได้ที่บริเวณอินเทอร์เฟซระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ ความแม่นยำของการแปลงสัญญาณนั้นถูกควบคุมเป็นส่วนใหญ่โดยอิมพีแดนซ์ (impedance) ของการสัมผัส: อิมพีแดนซ์ที่ต่ำและมีเสถียรภาพจะช่วยรับประกันว่ากระแสไอออนิกขนาดเล็กจะไม่ถูกลดทอนหรือถูกบิดเบือนโดยสัญญาณรบกวนจากความร้อน (thermal noise) ก่อนที่จะถูกตรวจจับ

เมื่อเซนเซอร์แนบกับผิวหนัง จะทำให้เกิด Half-cell ที่สร้างศักย์ไฟฟ้าเฉพาะตัว การรบกวนทางกลใดๆ ที่เกิดขึ้นที่บริเวณอินเทอร์เฟซ เช่น การที่ผู้ป่วยหันศีรษะหรือการดึงสายเคเบิล จะส่งผลให้เกิดการผันผวนของศักย์ไฟฟ้าดังกล่าว ซึ่งสามารถกลบสัญญาณสมองในระดับไมโครโวลต์ได้อย่างง่ายดาย

ด้วยเหตุนี้ เซนเซอร์ EEG ในอุดมคติจึงต้องรักษาอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าที่เงียบสงบ ในขณะเดียวกันก็ให้การเชื่อมต่อทางกลไกที่เสถียรแม้จะมีเส้นผมและการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของร่างกาย ตระกูลการออกแบบเซนเซอร์ EEG หลักๆ ทั้งสามประเภท ได้แก่ แบบเปียก แบบแห้ง และแบบแอคทีฟ ต่างรับมือกับความท้าทายในการแปลงสัญญาณนี้ด้วยกลยุทธ์ทางกายภาพที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง

ประโยชน์และข้อจำกัดของอิเล็กโทรด EEG แบบเปียก

เซนเซอร์ที่เป็นมาตรฐานระดับโกลด์สแตนดาร์ดสำหรับ research EEG ทางคลินิกและการวิจัยยังคงเป็นอิเล็กโทรดซิลเวอร์/ซิลเวอร์คลอไรด์ (Ag/AgCl) ที่ใช้ร่วมกับเจลหรือครีมนำไฟฟ้า ความนิยมอย่างแพร่หลายนี้มีรากฐานมาจากคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ชัดเจนของคู่ Ag/AgCl

ซับสเตรตเงินที่เคลือบด้วยชั้นของซิลเวอร์คลอไรด์จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดอกซ์แบบผันกลับได้เมื่อสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ที่มีคลอไรด์: Ag ↔ Ag⁺ + e⁻ ปฏิกิริยานี้จะสร้างอินเทอร์เฟซแบบ non-polarizable ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าสามารถผ่านข้ามขอบเขตได้โดยไม่เกิดการสะสมของแรงดันไฟฟ้าเกินขนาดใหญ่ (overpotential) ที่จะบิดเบือนสัญญาณที่บันทึกไว้ ศักย์ไฟฟ้าของ Half-cell มีความเสถียร และจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาก็รวดเร็วพอที่จะติดตามส่วนประกอบความถี่ที่เกี่ยวข้องทางชีวภาพของ EEG ได้อย่างเที่ยงตรง ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ตั้งแต่ต่ำกว่า 1 Hz ไปจนถึงประมาณ 50 Hz

ในทางปฏิบัติ เม็ดโลหะเพียงอย่างเดียวไม่สามารถสร้างเส้นทางไฟฟ้าที่เสถียรไปยังหนังศีรษะได้ นี่คือจุดที่เจลนำไฟฟ้าเข้ามามีบทบาทสำคัญ

เจลทำหน้าที่เป็นสะพานไอออนิกโดยจะเติมความชุ่มชื้นให้กับชั้นเซลล์ผิวที่ตายแล้วชั้นนอกสุด นั่นคือ Stratum corneum ทำให้ผิวหนังบวมตัวและลดความต้านทานที่ปกติจะสูงมากในระดับเมกะโอห์มให้เหลือเพียงไม่กี่กิโลโอห์ม เจลจะปรับรูปร่างตามรอยหยักและร่องขนาดเล็กบนพื้นผิวผิวหนัง ช่วยเพิ่มพื้นที่สัมผัสที่มีประสิทธิภาพ และสร้างเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำและสัญญาณรบกวนต่ำสำหรับการไหลของไอออน

เนื่องจากเจลเป็นของเหลวที่มีความหนืด มันจึงช่วยลดผลกระทบจากการเคลื่อนไหวทางกลไก เม็ดโลหะสามารถขยับเล็กน้อยภายในชั้นเจลได้โดยไม่ส่งผ่านการเคลื่อนไหวนั้นเป็นการเปลี่ยนแปลงแรงดันที่อินเทอร์เฟซผิวหนัง ผลลัพธ์ที่ได้คือเซนเซอร์ที่มีอิมพีแดนซ์สัมผัสโดยทั่วไปอยู่ในระดับไม่กี่กิโลโอห์ม มีสัญญาณรบกวนในตัวต่ำ และทนทานต่อสิ่งรบกวนจากการเคลื่อนไหวได้อย่างดีเยี่ยม

อย่างไรก็ตาม ข้อดีทางไฟฟ้าเหล่านี้ต้องแลกมาด้วยข้อเสียทางกลไกและทางปฏิบัติ:

1. การสูญเสียน้ำของเจลเมื่อเวลาผ่านไปจะทำให้อิมพีแดนซ์เพิ่มขึ้น และส่งผลให้เซนเซอร์ทำงานล้มเหลวในที่สุด

2. การเตรียมผิวหนังต้องใช้แอลกอฮอล์ทำความสะอาดและมีการขัดผิวเป็นบางครั้ง ซึ่งเพิ่มเวลาและความไม่สะดวกสบาย

3. คราบเจลที่ตกค้างบนเส้นผมทำให้จำเป็นต้องสระผมหลังการบันทึก ส่งผลให้การใช้งานในระยะยาวโดยไม่มีผู้ดูแลเป็นเรื่องที่ไม่สะดวกในทางปฏิบัติ

สำหรับการใช้งานใดๆ ที่ขยายเวลาเกินกว่าหนึ่งวัน หรือต้องการอุปกรณ์สวมใส่แบบ consumer EEG headsets ที่ไม่ต้องมีผู้ดูแลอย่างแท้จริง อิเล็กโทรดแบบเปียกแบบดั้งเดิมจึงกลายเป็นสิ่งที่ไม่สะดวกในทางปฏิบัติ ดังที่มี recent perspective review ระบุไว้ว่า แม้ว่าอิเล็กโทรดแบบเปียกจะเป็นมาตรฐานอ้างอิง แต่ความต้องการสำหรับ “เซนเซอร์อิเล็กโทรเซนเซฟาโลกราฟีแบบหนังศีรษะแห้งที่เป็นหัววัดแบบไม่ลุกล้ำร่างกายที่มีความไวสูง ความแม่นยำ ความสะดวกสบาย และความทนทานสำหรับการใช้งานซ้ำๆ และยาวนาน” ได้กลายมาเป็นแรงผลักดันหลักสำหรับนวัตกรรมด้านวัสดุ

อิเล็กโทรดแบบแห้งซิลิโคนช่วยในการบันทึก EEG แบบไร้เจลได้อย่างไร

อิเล็กโทรดแบบแห้งจะเลิกใช้เจลอิเล็กโทรไลต์โดยสิ้นเชิง แทนที่จะใช้สะพานไอออนิก พื้นผิวเซนเซอร์นำไฟฟ้าที่เป็นของแข็งจะต้องถูกกดลงบนผิวหนังโดยตรง

ความท้าทายนี้มีสองด้าน: ด้านไฟฟ้าและด้านกลไก

การทำ engineering study พยายามแก้ปัญหาทางกลไกนี้ด้วยกลไกยืดหยุ่นรูปแบบใหม่ที่ช่วยแหวกเส้นผมอย่างแข็งขันผ่านการเคลื่อนไหวแบบหลายระยะที่ควบคุมได้ เซนเซอร์นี้ประดิษฐ์ขึ้นจากซิลิโคนที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatible silicone) ผ่านการขึ้นรูปด้วยการฉีด (injection molding) ซึ่งเป็นกระบวนการผลิตที่ช่วยให้ผลิตโครงสร้างที่ยืดหยุ่นตามต้องการได้อย่างแม่นยำและทำซ้ำได้

กลไกนี้จะเคลื่อนไหวแบบหมุนเป็นเกลียวคล้ายสกรู แทนที่จะเป็นการกดลงไปตรงๆ เมื่อแอคชูเอเตอร์เคลื่อนไปข้างหน้า องค์ประกอบเซนเซอร์จะหมุนพร้อมกับยืดออกไปพร้อมๆ กัน ทำการ "หมุนเจาะ" ผ่านชั้นเส้นผมได้อย่างมีประสิทธิภาพจนกระทั่งส่วนปลายได้สัมผัสทางกลไกโดยตรงกับหนังศีรษะ การออกแบบนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ได้อินเทอร์เฟซที่เสถียรและสามารถทำซ้ำได้โดยไม่จำเป็นต้องขัดผิวหรือใช้สารประสานที่เป็นของเหลว

ต้นแบบการทำงานสำหรับการศึกษานี้ได้รับการทดสอบภายใต้แรงดันลมที่ควบคุมได้ ที่แรงดันใช้งาน 650 มิลลิบาร์ ตัวต้นแบบสามารถยืดความสูงได้เกิน 3 มิลลิเมตร และมีมุมหมุนมากกว่า 45 องศา ซึ่งเป็นไปตามเป้าหมายการออกแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเพื่อทะลุผ่านชั้นเส้นผม ผลลัพธ์จากการทดลองถูกนำไปเปรียบเทียบกับแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการออกแบบรูปทรงเรขาคณิต

การเปลี่ยนแปลงความสูงที่วัดได้คลาดเคลื่อนจากค่าที่จำลองไว้ประมาณ +17% และการเบี่ยงเบนของมุมหมุนอยู่ที่ +6% ความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่า แม้ว่าแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์จะสามารถจับหลักการทางกลไกหลักๆ ได้ แต่ปัจจัยในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น ความแปรปรวนของแรงเสียดทานและความหนาแน่นของเส้นผม จะสร้างความแตกต่างที่วัดได้ซึ่งต้องนำมาพิจารณาในการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง

ความยืดหยุ่นของซิลิโคนมีความสำคัญอย่างยิ่งที่นี่: ด้วยการกระจายแรงกดไปยังพื้นที่ที่ใหญ่ขึ้นเล็กน้อยและช่วยให้ส่วนปลายงอได้อย่างนุ่มนวลในขณะที่เคลื่อนไปข้างหน้า กลกลดังกล่าวจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดแรงกดเฉพาะจุดอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้อิเล็กโทรดแบบแห้งชนิดแข็งสร้างความไม่สะดวกสบายอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ข้อแลกเปลี่ยนทางไฟฟ้ายังคงอยู่ แม้หลังจากที่แหวกเส้นผมและสัมผัสทางกลไกได้แล้ว ส่วนปลายนำไฟฟ้าแบบแห้ง—ไม่ว่าจะเป็นการเคลือบโลหะ โพลีเมอร์นำไฟฟ้า หรือวัสดุผสมเผาผนึก (sintered composite)—ก็ต้องเผชิญกับผิวหนังโดยไม่มีสะพานเจล

อิมพีแดนซ์สัมผัสจะสูงกว่าอิมพีแดนซ์ของอิเล็กโทรดแบบเปียกอย่างมีนัยสำคัญ โดยทั่วไปจะวัดได้ในระดับเมกะโอห์ม ที่ระดับอิมพีแดนซ์เหล่านี้ เซนเซอร์จะไวต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนจากสายเคเบิลอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นจุดที่ระบบอิเล็กทรอนิกส์บนเซนเซอร์มีความจำเป็นอย่างยิ่ง

ความสำคัญของการป้องกันสัญญาณรบกวนแบบแอคทีฟและระบบอิเล็กทรอนิกส์บนเซนเซอร์

อิเล็กโทรดแบบแห้งที่มีอิมพีแดนซ์สัมผัสในระดับเมกะโอห์มซึ่งเชื่อมต่อกับสายเคเบิลยาวที่ไม่มีการป้องกันสัญญาณรบกวนจะทำหน้าที่เป็นเสาอากาศชั้นดี ความจุไฟฟ้าของสายเคเบิลและสนามไฟฟ้าความถี่หลัก 50 หรือ 60 เฮิรตซ์ที่พบได้ทั่วไปจะจับคู่เข้ากับแหล่งอิมพีแดนซ์สูง และเนื่องจากผลของการแบ่งแรงดันไฟฟ้า (voltage-divider effect) แรงดันไฟฟ้าที่รบกวนส่วนใหญ่จะตกลงที่อินเทอร์เฟซอิเล็กโทรดแทนที่จะถูกลดทอนโดยอินพุตของเครื่องขยายสัญญาณ ภายใต้สภาวะดังกล่าว สัญญาณสมองระดับไมโครโวลต์อาจถูกกลบโดยสัญญาณรบกวนอย่างสิ้นเชิง ก่อนที่จะไปถึงเครื่องขยายสัญญาณส่วนกลางแบบเดิม

การแก้ไขทางวิศวกรรมคือการย้ายขั้นแรกของการขยายสัญญาณให้อยู่ใกล้กับจุดแปลงสัญญาณให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แทนที่จะใช้เพียงหน้าสัมผัสโลหะแบบพาสซีฟแนบกับผิวหนัง องค์ประกอบเซนเซอร์สามารถรวมเครื่องขยายสัญญาณบัฟเฟอร์ที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงขนาดกะทัดรัดเข้ากับซับสเตรตของเซนเซอร์โดยตรง

มี design study details a special electrode chip ที่เกี่ยวข้องซึ่งรวมขั้นตอนอิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงอย่างยิ่งเข้ากับอัตราส่วนการขจัดสัญญาณรบกวนโหมดร่วม (CMRR) ที่เหนือกว่า ด้วยการบัฟเฟอร์สัญญาณที่ต้นทาง ชิปจะแปลงอินเทอร์เฟซอิมพีแดนซ์สูงให้เป็นเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำที่สามารถขับสายสัญญาณโดยมีความไวต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าน้อยลงอย่างมาก

อิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงจะช่วยรับประกันว่าจะมีการโหลดกระแสไอออนิกที่อ่อนอยู่แล้วน้อยที่สุด ในขณะที่ CMRR ที่สูงจะปฏิเสธสัญญาณรบกวนที่เป็นโหมดร่วมกับอินพุตดิฟเฟอเรนเชียลทั้งสองของ EEG channel ทั่วไป สิ่งสำคัญคือ แนวทางเซนเซอร์แบบแอคทีฟนี้ไม่ได้ทำให้อิมพีแดนซ์ระหว่างผิวหนังและอิเล็กโทรดลดลงด้วยตัวเอง แต่เป็นการแยกอิมพีแดนซ์นั้นออกจากส่วนที่เหลือของระบบด้วยระบบไฟฟ้า เพื่อให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของบัฟเฟอร์ในท้องถิ่นแทนที่จะเป็นความไม่แน่นอนของการเดินสายเคเบิล

สถาปัตยกรรมส่วนหน้าแบบแอคทีฟนี้ยังคงรักษาคุณลักษณะที่สำคัญประการหนึ่งไว้ นั่นคือ มันยังคงเป็นทรานสดิวเซอร์ทางไฟฟ้าบริสุทธิ์ การแปลงไอออนิกเป็นอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นรากฐานยังคงเกิดขึ้นที่อินเทอร์เฟซระหว่างโลหะแห้งและผิวหนัง พร้อมด้วยศักย์ไฟฟ้า Half-cell และสัญญาณรบกวนที่เกิดจากอินเทอร์เฟซนั้น

บัฟเฟอร์จะขยายและแปลงอิมพีแดนซ์ของแรงดันไฟฟ้าที่ได้ แต่ไม่สามารถระงับการเลื่อนลอยของความถี่ต่ำที่เกิดจากศักย์ไฟฟ้า Half-cell ที่ไม่เสถียรตามธรรมชาติของการสัมผัสแบบแห้งได้ ด้วยเหตุนี้ อิเล็กโทรดแบบแห้งแบบแอคทีฟจึงมักต้องมีการเลือกวัสดุอย่างระมัดระวังสำหรับพื้นผิวสัมผัส เช่น ทองคำ แพลทินัม หรือสารเคลือบนำไฟฟ้าพิเศษ เพื่อลดการเลื่อนของศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองในขณะที่ยังคงความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

วัสดุขั้นสูงและขอบเขตข้ามศาสตร์ในการตรวจจับ EEG

เมื่อมองไปข้างหน้า ซับสเตรตของเซนเซอร์เองคาดว่าจะพัฒนาไปไกลกว่าโลหะมาตรฐาน บทวิจารณ์เชิงมุมมองเดียวกันกับที่ระบุถึงแนวโน้มของอิเล็กโทรดแบบแห้งยังเน้นย้ำถึงศักยภาพของวัสดุนาโนที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ ได้แก่ โพลีเมอร์นำไฟฟ้า เกล็ดกราฟีน เครือข่ายท่อคาร์บอนนาโน และวัสดุผสมไฮบริดที่ผสานการนำไฟฟ้าสูงเข้ากับความยืดหยุ่นของอิลาสโตเมอร์

วัสดุดังกล่าวมีข้อดีที่สำคัญสามประการดังนี้:

1. ประการแรก พื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพสามารถมีขนาดใหญ่กว่าเม็ดโลหะเรียบได้หลายเท่า ซึ่งจะช่วยลดอิมพีแดนซ์สัมผัสโดยตรงผ่านกลไกความจุไฟฟ้าบริสุทธิ์

2. ประการสอง ความยืดหยุ่นทางกลช่วยให้เซนเซอร์สามารถปรับรูปร่างตามสัณฐานวิทยาที่โค้งมนของหนังศีรษะ ช่วยเพิ่มพื้นที่สัมผัสที่แท้จริงโดยไม่ต้องใช้แรงกดเพื่อทำให้ผิวหนังแบนราบ

3. ประการที่สาม สารเคลือบวัสดุนาโนสามารถออกแบบให้มีการเลื่อนของศักย์สัมผัสที่ต่ำกว่าโลหะเปลือยเมื่อสัมผัสกับผิวหนัง ซึ่งอาจช่วยลดสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำที่ในปัจจุบันเป็นข้อจำกัดของประสิทธิภาพการทำงานของอิเล็กโทรดแบบแห้ง

บทวิจารณ์เดียวกันนี้เสนอขั้นตอนต่อไปโดยการผสานรวมรูปแบบการตรวจจับที่หลากหลายไว้ในองค์ประกอบทรานสดิวเซอร์เดียว แทนที่จะพึ่งพาเฉพาะการวัดศักย์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว เซนเซอร์อาจรวมส่วนประกอบทางแสง เช่น โฟโตไดโอดขนาดเล็ก ที่คอยตรวจวัดการไหลเวียนของโลหิตในเนื้อเยื่อท้องถิ่นไปพร้อมๆ กัน

เหตุผลเชิงแนวคิดคือ เนื่องจากสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณแสงเกิดขึ้นจากแง่มุมที่แตกต่างกันแต่เชื่อมโยงกันของการทำงานของระบบประสาท การตรวจสอบความถูกต้องร่วมกันภายในอุปกรณ์เดียวกันจึงสามารถเพิ่มความน่าเชื่อถือในการวัดและช่วยระบุ artifacts ได้ แนวทางนี้อธิบายว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของ "ความซ้ำซ้อน" (redundancy) ที่คอยสำรวจข้อมูลประสาทแบบเดียวกันผ่านกลไกทางกายภาพที่แตกต่างกัน ข้อสังเกตที่สำคัญคือ ปัจจุบันแนวคิดนี้ยังคงเป็นเพียงแนวคิดในห้องปฏิบัติการเท่านั้น

การเลือกเซนเซอร์ EEG ที่เหมาะสม

การเลือกเซนเซอร์ EEG เริ่มต้นจากวัตถุประสงค์การใช้งาน ไม่ใช่จากสเปกเดี่ยวๆ เช่น จำนวนอิเล็กโทรด การตรวจทางคลินิก การศึกษาในห้องปฏิบัติการ การสาธิตในห้องเรียน และการโต้ตอบของผู้บริโภคอาจต้องใช้ขั้นตอนและอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน ความสะดวกสบาย เวลาในการเตรียมการ ความสามารถในการจัดวางตำแหน่งซ้ำ และความเข้ากันได้กับฮาร์ดแวร์เก็บข้อมูลล้วนเป็นปัจจัยกำหนดทางเลือกในทางปฏิบัติ

ดังนั้น เซนเซอร์จึงเป็นเพียงองค์ประกอบหนึ่งของระบบบันทึกที่สมบูรณ์เท่านั้น

ราคาและปัจจัยที่ต้องพิจารณาของเซนเซอร์ EEG

ต้นทุนจะแตกต่างกันไปตามการออกแบบเซนเซอร์และระบบส่วนที่เหลือ ซึ่งรวมถึงเครื่องขยายสัญญาณ หมวกหรือวิธีการสวมใส่ ซอฟต์แวร์ และอุปกรณ์เสริม ราคาซื้อที่ต่ำไม่ได้หมายความว่าต้นทุนรวมจะต่ำกว่าเสมอไป หากจำเป็นต้องใช้วัสดุในการตั้งค่าหรือส่วนประกอบทดแทน ในทางกลับกัน จำนวนแชนเนลที่สูงกว่าไม่ได้มีประโยชน์มากกว่าโดยอัตโนมัติ จำนวนและการจัดวางอิเล็กโทรดควรเหมาะสมกับคำถามที่กำลังศึกษา

การเปรียบเทียบที่มีประโยชน์จะพิจารณาทั้งความสามารถและเงื่อนไขที่จะใช้ระบบ ตัวอย่างเช่น การวางตำแหน่งซ้ำๆ อาจเป็นหัวใจสำคัญของการศึกษา ในขณะที่การสาธิตเพื่อการศึกษาระยะสั้นอาจให้ความสำคัญกับการตั้งค่าที่ง่าย ปัจจัยทั่วไปที่ต้องเปรียบเทียบ ได้แก่:

• ประเภทของอิเล็กโทรดและการเตรียมการที่จำเป็น

• จำนวนและการจัดวางแชนเนลบันทึก

• ความเข้ากันได้กับเครื่องขยายสัญญาณ ซอฟต์แวร์ และรูปแบบข้อมูล

• ความสะดวกสบาย การทำความสะอาด การบำรุงรักษา และความจำเป็นในการเปลี่ยนใหม่

เมื่อนำมารวมกัน ปัจจัยเหล่านี้ช่วยอธิบายว่าทำไมจึงไม่มีเซนเซอร์ EEG ที่ดีที่สุดในระดับสากล การเลือกควรสะท้อนถึงโปรโตคอลการบันทึกและระดับของหลักฐานที่จำเป็น แทนที่จะพิจารณารายการคุณลักษณะอย่างโดดเดี่ยว สำหรับการประเมินทางการแพทย์ การเลือกและการตีความอุปกรณ์เป็นเรื่องของการปฏิบัติทางคลินิกที่เหมาะสม

การเลือกใช้ชุดหูฟัง Emotiv และประเภทเซนเซอร์ให้เหมาะสมกับแอปพลิเคชันของคุณ

ฟิสิกส์ของการสัมผัสที่อธิบายไว้ข้างต้นอธิบายว่าทำไมชุดหูฟังของ Emotiv จึงเลือกที่จะรักษาสมดุลระหว่างความเสถียรของสัญญาณ เวลาในการตั้งค่า จำนวนแชนเนล และความสามารถในการสวมใส่ ประเภทเซนเซอร์ที่เหมาะสมกับการศึกษาในห้องปฏิบัติการแบบ 32 แชนเนล มักจะไม่ใช่ประเภทที่เหมาะกับการใช้งานด้านเวลเนสตลอดทั้งวัน และตัวเลือกที่ถูกต้องจะขึ้นอยู่กับคำถามที่ถูกถาม

เซนเซอร์แบบเจล: Emotiv Flex 2 Gel

Flex 2 Gel ใช้เซนเซอร์ซิลเวอร์/ซิลเวอร์คลอไรด์ (Ag/AgCl) แบบเผาผนึกรูปวงแหวนร่วมกับเจลนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นหลักการสะพานเจลแบบเดียวกับที่ทำให้อิเล็กโทรดแบบเปียกกลายเป็นมาตรฐานอ้างอิง หมวกใบนี้มีช่องเปิด 74 ช่องในตำแหน่งมาตรฐาน 10-20 positions และสามารถวางเซนเซอร์ได้สูงสุด 32 ตัวในช่องใดก็ได้เหล่านั้น

จุดแข็งของมันคือการสัมผัสที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำและเสถียรซึ่งคงทนตลอดการบันทึกที่ยาวนาน ทำให้เหมาะที่สุดสำหรับเซสชันที่ยืดเยื้อ การวิจัย EEG ที่มีความหนาแน่นสูง และการศึกษาที่เสถียรภาพของสัญญาณมีความสำคัญที่สุด ข้อแลกเปลี่ยนคือใช้เวลาในการเตรียมการนานที่สุดในกลุ่มผลิตภัณฑ์ พร้อมด้วยคราบเจลที่อธิบายไว้ข้างต้น

ถึงกระนั้น การตั้งค่าก็ยังคงง่ายกว่าระบบในห้องปฏิบัติการแบบมีสายดั้งเดิม

เซนเซอร์น้ำเกลือ (Saline): Emotiv Flex 2 Saline และ Epoc X

เซนเซอร์น้ำเกลือจะใช้แผ่นผ้าสักหลาดชุบสารละลายน้ำเกลือเพื่อนำสัญญาณระหว่างหนังศีรษะและเซนเซอร์ โดยอยู่กึ่งกลางระหว่างการออกแบบแบบเจลและแบบแห้ง: ไม่มีเจลให้ต้องล้างออก และตั้งค่าได้ในเวลาเพียงไม่กี่นาที

Flex 2 Saline มาพร้อมหมวก 32 แชนเนลและช่องเปิด 74 ช่องแบบเดียวกัน พร้อมด้วยช่องเติมน้ำยาที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถเติมความชุ่มชื้นให้กับเซนเซอร์ได้ในระหว่างเซสชัน เหมาะกับงานวิจัยที่ต้องการการจัดวางตำแหน่งแบบกำหนดเองและเวิร์กโฟลว์ที่รวดเร็วกว่าการใช้เจล

รุ่น Emotiv Epoc X เป็นชุดหูฟังขนาด 14 แชนเนลที่มีตำแหน่งคงที่ที่ AF3, F7, F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8, และ AF4 เซนเซอร์สามารถเติมน้ำยาได้โดยไม่ต้องถอดชุดหูฟังออก แถบคาดศีรษะแบบหมุนได้และการออกแบบไร้สายเหมาะสำหรับการใช้งานแบบเคลื่อนที่

นั่นทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับ cognitive research, brain-computer interface (BCI) development และการศึกษานอกสถานที่นอกห้องปฏิบัติการ ข้อแลกเปลี่ยนของเซนเซอร์น้ำเกลือคือผ้าสักหลาดจะแห้งไปตามกาลเวลา ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการออกแบบที่เติมน้ำยาได้จึงมีความสำคัญ

เซนเซอร์กึ่งแห้ง (Semi-dry): Emotiv Insight

รุ่น Emotiv Insight ใช้เซนเซอร์โพลีเมอร์กึ่งแห้งที่ชอบน้ำ (hydrophilic) ซึ่งหลีกเลี่ยงการใช้เจลและช่วยลดภาระส่วนใหญ่ในการเตรียมการ สามารถบันทึกได้ห้าแชนเนล (AF3, AF4, T7, T8, และ Pz) ที่อัตรา 128 ตัวอย่างต่อวินาที

จุดแข็งของมันคือความเร็ว Insight สามารถสวมใส่และบันทึกได้ภายในไม่กี่นาที ในรูปแบบน้ำหนักเบาที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่รวดเร็ว โครงการ BCI เบื้องต้น งานนักพัฒนา และการวัดสมองส่วนบุคคล

เซนเซอร์แบบแห้ง (Dry): Emotiv MN8

MN8 ใช้เซนเซอร์หูฟังชนิดสอดหูที่ทำจากอีลาสโตเมอร์นำไฟฟ้าแบบแห้ง จัดวางในช่องหูซ้ายและขวา โดยมีสองแชนเนลบวกกับสี่จุดอ้างอิง ได้รับการสร้างขึ้นเพื่อความแนบเนียนและความสะดวกสบาย ด้วยการตั้งค่าที่น้อยที่สุด อายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงสุดหกชั่วโมง และเสียงสเตอริโอ เหมาะสำหรับการติดตามสมาธิ การผ่อนคลาย และสุขภาวะทางปัญญาในชีวิตประจำวัน (cognitive wellness) ที่ผู้คนต้องการข้อมูลสมองโดยไม่ต้องสวมหมวก

บทสรุป

• Flex 2 Gel (เจล, สูงสุด 32 แชนเนล): การบันทึกที่ยาวนาน, การวิจัยที่มีความหนาแน่นสูง, ความเสถียรสูงสุด

• Flex 2 Saline (น้ำเกลือ, สูงสุด 32 แชนเนล): การวิจัยที่กำหนดค่าได้พร้อมการตั้งค่าที่รวดเร็วกว่า

• Epoc X (น้ำเกลือ, 14 แชนเนล): การวิจัยแบบเคลื่อนที่, การพัฒนา BCI, การศึกษานอกสถานที่

• Insight (กึ่งแห้ง, 5 แชนเนล): การใช้งานที่รวดเร็ว, โครงการเบื้องต้น, การใช้งานส่วนบุคคล

• MN8 (แห้ง, 2 แชนเนล): การวัดสุขภาวะทางปัญญาในชีวิตประจำวันแบบแนบเนียน

ไม่มีเซนเซอร์ตัวใดที่ดีที่สุดในทุกด้าน แนวทางปฏิบัติคือการคิดว่าการศึกษาของคุณต้องการความเสถียรของสัญญาณและรายละเอียดเชิงพื้นที่มากน้อยเพียงใด และสามารถสละเวลาในการตั้งค่าได้มากน้อยเพียงใด สำหรับการเข้าถึงและส่งออกข้อมูล EEG ดิบในชุดหูฟังเหล่านี้ EmotivPRO มีการบันทึก การทำเครื่องหมายเหตุการณ์ และการวัดคุณภาพ และการเข้าถึงข้อมูลดิบต้องใช้สิทธิ์การใช้งาน PRO

ทำไมฟิสิกส์ของการสัมผัสของเซนเซอร์จึงมีความสำคัญมากกว่าการออกแบบชุดหูฟัง

เส้นทางจากสัญญาณสมองไปสู่ EEG ที่อ่านออกได้นั้นจะต้องผ่านขอบเขตของวัสดุขนาดเล็กที่เป็นจุดที่เซนเซอร์สัมผัสกับหนังศีรษะ

อิเล็กโทรดแบบเปียกพร้อมเจลนำไฟฟ้ายังคงเป็นมาตรฐานอ้างอิง เนื่องจากให้หน้าสัมผัสที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำและเสถียรทางเคมีไฟฟ้า แต่ความจำเป็นในการเตรียมผิวหนังและเจลที่แห้งได้ทำให้จำกัดการใช้งานอุปกรณ์สวมใส่ในระยะยาว การออกแบบแบบแห้งช่วยแก้ปัญหาในทางปฏิบัติเกี่ยวกับเส้นผมและเจลโดยใช้การเคลื่อนไหวทางกลไกและเครื่องขยายสัญญาณบนเซนเซอร์ แต่อิมพีแดนซ์สัมผัสที่สูงขึ้นและความทนทานในโลกความเป็นจริงที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ทำให้พวกมันยังไม่สามารถแทนที่อิเล็กโทรดแบบเปียกได้ในขณะนี้

บทสรุปที่ตรงไปตรงมาที่สุดคือการแยกสัญญาทางวิศวกรรมออกจากข้อพิสูจน์ทางคลินิก กลไกซิลิโคนแบบหมุนเจาะ ชิปบัฟเฟอร์แบบแอคทีฟ และการเคลือบวัสดุนาโน ล้วนได้รับการสนับสนุนจากการศึกษาต้นแบบและบทวิจารณ์เชิงแนวคิด ไม่ใช่โดยการทดลองขนาดใหญ่ในกลุ่มผู้ใช้ที่หลากหลาย

จนกว่างานวิจัยในอนาคตจะทำการทดสอบความสะดวกสบาย สัญญาณรบกวน และความเสถียรแบบหลายวันโดยตรงกับอิเล็กโทรดแบบเปียก ความก้าวหน้าเหล่านี้ควรได้รับการมองว่าเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มที่ดี มากกว่าที่จะเป็นเทคโนโลยีที่ผ่านการตรวจสอบแล้วว่าเป็นการอัปเกรด

เอกสารอ้างอิง

1. Iacopi, F., & Lin, C. T. (2022). A perspective on electroencephalography sensors for brain-computer interfaces. Progress in Biomedical Engineering, 4(4), 043002.

2. Griebel, S., Fiedler, P., Streng, A., Haueisen, J., & Zentner, L. (2010). Neuartiger nachgiebiger Mechanismus zur Platzierung trockener EEG-Elektroden über eine Schraubenbewegung. In Biomedical engineering: joint journal of the German Society for Biomedical Engineering in VDE and the Austrian and Swiss Societies for Biomedical Engineering (Vol. 55, No. Suppl. 1, M, pp. 246-249). https\://doi.org/10.1515/BMT.2010.713

3. Li, G. (2007). Design of a Special Electrode Chip for the Extraction of Electroencephalogram Signal. Journal of Huaqiao University.

คำถามที่พบบ่อย

หน้าที่พื้นฐานของเซนเซอร์ EEG คืออะไร?

เซนเซอร์ EEG ทำหน้าที่เป็นทรานสดิวเซอร์ทางกายภาพที่แปลงกระแสไอออนิกจากสมองให้เป็นแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่อุปกรณ์บันทึกสามารถอ่านได้ มันต้องทำสิ่งนี้อย่างเที่ยงตรงที่จุดสัมผัสกับหนังศีรษะ ในขณะที่ต้องรับมือกับอุปสรรคต่างๆ เช่น ความต้านทานผิวหนังที่สูงและเส้นผม

ทำไมผิวหนังชั้นนอกจึงเป็นปัญหาสำหรับการบันทึก EEG?

Stratum corneum หรือผิวหนังชั้นนอกสุดที่ตายแล้ว มีความต้านทานไฟฟ้าที่สูงโดยธรรมชาติ ซึ่งทำให้สัญญาณสมองขนาดเล็กผ่านได้ยาก นอกจากนี้ เส้นผมยังคอยกีดกันไม่ให้เซนเซอร์ชนิดแข็งสัมผัสกับผิวหนังที่นำไฟฟ้าด้านล่าง ทำให้เกิดความท้าทายทั้งทางไฟฟ้าและทางกลไก

อิเล็กโทรดแบบเปียกแบบดั้งเดิมทำงานอย่างไร?

อิเล็กโทรดแบบเปียกจะใช้เม็ดโลหะซิลเวอร์/ซิลเวอร์คลอไรด์ (Ag/AgCl) เคลือบด้วยเจลนำไฟฟ้า เจลจะคืนความชุ่มชื้นและทำให้ผิวหนังชั้นนอกที่ตายแล้วบวมตัว ช่วยลดความต้านทานลง ในขณะที่ Ag/AgCl จะช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้ามีความเสถียรซึ่งทำหน้าที่แปลงกระแสไอออนิกให้เป็นกระแสอิเล็กทรอนิกส์

ทำไมอิเล็กโทรดแบบเปียกจึงไม่เหมาะสำหรับการใช้งานระยะยาวหรือแบบสวมใส่?

เจลในอิเล็กโทรดแบบเปียกจะแห้งไปตามกาลเวลา ซึ่งจะเพิ่มอิมพีแดนซ์และส่งผลให้สัญญาณล้มเหลว พวกมันยังต้องการการเตรียมผิวหนังและทิ้งคราบสกปรกที่จำเป็นต้องสระผม ทำให้ไม่สะดวกในทางปฏิบัติสำหรับการใช้งานหลายวันโดยไม่มีผู้ดูแล

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างอิเล็กโทรดแบบแห้งและอิเล็กโทรดแบบเปียกคืออะไร?

อิเล็กโทรดแบบแห้งจะไม่มีเจลและต้องกดพื้นผิวนำไฟฟ้าที่เป็นของแข็งลงบนผิวหนังโดยตรง ส่งผลให้อิมพีแดนซ์สัมผัสสูงขึ้นมาก หากไม่มีสะพานเจล เซนเซอร์แบบแห้งจะต้องพึ่งพาการออกแบบเชิงกล เช่น โครงสร้างซิลิโคนที่มีความยืดหยุ่น เพื่อหลีกเลี่ยงเส้นผมและรักษาอินเทอร์เฟซที่เสถียร

ทำไมการออกแบบเซนเซอร์แบบ "แอคทีฟ" จึงมีความสำคัญต่ออิเล็กโทรดแบบแห้ง?

เซนเซอร์แบบแอคทีฟจะวางเครื่องขยายสัญญาณบัฟเฟอร์ไว้บนอิเล็กโทรดโดยตรง ทำการแปลงสัญญาณอิมพีแดนซ์สูงให้เป็นเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำที่ต้นแหล่ง สิ่งนี้ช่วยป้องกันสัญญาณรบกวนจากสายเคเบิลและการรบกวนความถี่หลักไม่ให้กลบสัญญาณสมองขนาดเล็ก แม้ว่าจะไม่ได้ช่วยลดอิมพีแดนซ์ระหว่างผิวหนังและอิเล็กโทรดที่แท้จริงก็ตาม

วัสดุนาโนมีข้อดีอะไรบ้างสำหรับเซนเซอร์ EEG ในอนาคต?

วัสดุนาโนเช่นโพลีเมอร์นำไฟฟ้าและกราฟีนสามารถเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพได้อย่างมาก ซึ่งช่วยลดอิมพีแดนซ์สัมผัสผ่านการเชื่อมต่อแบบเก็บประจุ (capacitive coupling) พวกมันยังยืดหยุ่นเพื่อให้สอดคล้องกับหนังศีรษะ ช่วยปรับปรุงการสัมผัสโดยไม่ต้องใช้แรงกดหนัก และอาจแสดงการเลื่อนของศักย์ไฟฟ้าที่น้อยกว่า ช่วยลดสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำ

บทบาทของเจลในการลดความต้านทานของผิวหนังคืออะไร?

เจลทำหน้าที่เป็นสะพานไอออนิกที่ช่วยคืนความชุ่มชื้นให้กับผิวชั้น Stratum corneum ด้านนอก ทำให้เกิดการบวมตัวและช่วยลดความต้านทานไฟฟ้าที่ปกติจะสูงมาก นอกจากนี้ยังเติมเต็มความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวขนาดเล็ก ช่วยเพิ่มพื้นที่สัมผัสและสร้างเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำและสัญญาณรบกวนต่ำสำหรับกระแสไอออนิก