Làm chủ quy trình thiết lập điện não đồ (EEG): Những phương pháp thực hành tốt nhất trước khi ghi

Thiết lập EEG là gì?

Một thiết lập EEG là tập hợp các thiết bị và quy trình được sử dụng để ghi lại hoạt động điện từ da đầu. Thuật ngữ này có thể đề cập đến một cấu hình lâm sàng dùng để đánh giá chẩn đoán, một bố trí nghiên cứu được thiết kế theo đề cương nghiên cứu, hoặc một hệ thống di động được sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm thông thường. Trong mỗi trường hợp, các điện cực phát hiện các điện thế và hệ thống thu nhận dữ liệu sẽ chuyển đổi chúng thành một bản ghi có thể xem xét lại.

Thiết lập cũng bao gồm các quyết định về vị trí đặt điện cực, điện cực tham chiếu, các kênh ghi và điều kiện thu thập dữ liệu. Vị trí chuẩn hóa giúp đảm bảo tính nhất quán giữa các lần ghi, trong khi cấu hình được chọn phải phản ánh đúng mục đích của việc thăm khám hoặc nghiên cứu.

EEG được sử dụng trong đánh giá lâm sàng và trong khoa học thần kinh, cùng nhiều lĩnh vực khác. Phương pháp này ghi lại các mô hình hoạt động điện thay vì mô tả trực tiếp cấu trúc não, do đó các phát hiện được diễn giải cùng với bối cảnh lâm sàng hoặc nghiên cứu. Do đó, một thiết lập EEG hiệu quả phụ thuộc vào cả thiết bị phù hợp lẫn quy trình thực hành ghi cẩn thận.

Các thành phần của một thiết lập EEG

Một hệ thống EEG kết hợp các cảm biến, xử lý tín hiệu và một phương tiện ghi dữ liệu. Các thành phần hoạt động như một chuỗi: các điện cực tiếp xúc với da đầu, bộ khuếch đại xử lý các tín hiệu điện nhỏ, và hệ thống ghi sẽ hiển thị cũng như lưu trữ các kênh kết quả. Chi tiết về việc đeo và kết nối sẽ khác nhau tùy thuộc vào thiết bị và quy trình.

Điện cực EEG

Điện cực EEG phát hiện các điện thế tại các vị trí đã chọn trên da đầu. Chúng có thể được đặt riêng lẻ hoặc tích hợp vào một mũ đội đầu, với vị trí được xác định theo sơ đồ chuẩn hóa hoặc quy trình nghiên cứu cụ thể. Chất lượng tiếp xúc rất quan trọng vì tiếp xúc kém có thể dẫn đến các bản ghi không ổn định hoặc nhiều nhiễu; các cân nhắc thực tế được thảo luận trong phần tổng quan này về chất lượng tiếp xúc điện cực.

Hơn nữa, loại điện cực và vị trí đặt được chọn phải phù hợp với nhu cầu ghi, bao gồm số lượng và sự phân bố của các kênh. Các cân nhắc thiết lập phổ biến bao gồm:

• Xác định các vị trí cần thiết trên da đầu bằng hệ thống định vị áp dụng.

• Chuẩn bị vùng tiếp xúc theo hướng dẫn của điện cực và thiết bị.

• Cố định các điện cực để giảm chuyển động trong quá trình ghi.

• Kiểm tra kết nối và chất lượng tín hiệu trước khi tiến hành.

Các bước kiểm tra này giúp phân biệt các sự cố về thiết bị hoặc tiếp xúc với các mẫu sóng có thể xuất hiện trong bản ghi.

Bộ khuếch đại EEG

Bộ khuếch đại tiếp nhận các chênh lệch điện áp nhỏ do các điện cực phát hiện và chuyển chúng thành dữ liệu sẵn sàng để ghi và hiển thị. Dung lượng kênh và các đầu vào tương thích của nó phải phù hợp với sơ đồ bố trí điện cực đã lên kế hoạch. Bộ khuếch đại là một phần của chuỗi tín hiệu, vì vậy các kết nối đáng tin cậy và cấu hình hệ thống phù hợp cũng quan trọng như chính thiết bị đó.

Thiết lập máy EEG và hệ thống ghi

Hệ thống ghi kết nối với bộ khuếch đại và hiển thị các kênh EEG để theo dõi, lưu trữ và xem lại sau đó. Trước khi thu thập dữ liệu, người vận hành sẽ cấu hình bản ghi theo quy trình, xác nhận rằng các kênh khả dụng và kiểm tra xem màn hình hiển thị có hoạt động như mong đợi hay không. Các bước điều khiển và quy trình làm việc chính xác phụ thuộc vào hệ thống đang sử dụng.

Vai trò của các yếu tố hệ thống phổ biến có thể được tóm tắt mà không cần giả định rằng mọi thiết lập đều sử dụng phần cứng hoặc phần mềm giống hệt nhau.

Một màn hình hiển thị hoạt động tốt đơn thuần không khẳng định rằng một bản ghi đạt yêu cầu về mặt kỹ thuật. Việc kiểm tra kênh, quan sát hành vi của tín hiệu và ghi chép lại cấu hình sẽ giúp dữ liệu thu thập được dễ xem lại và diễn giải hơn.

Mũ hoặc băng đeo đầu EEG

Một mũ EEG hoặc băng đeo đầu giữ các điện cực theo một bố cục có thể lặp lại và có thể đơn giản hóa việc đặt điện cực khi cần nhiều vị trí. Độ vừa vặn, khoảng cách giữa các điện cực và khả năng tương thích với quy trình ghi sẽ ảnh hưởng đến mức độ hiệu quả của một chiếc mũ cụ thể đối với tác vụ. Một chiếc mũ không thể thay thế cho nhu cầu kiểm tra xác minh vị trí và độ tiếp xúc của các điện cực.

Các loại thiết lập EEG

Các thiết lập EEG thường được phân nhóm theo địa điểm và lý do thực hiện việc ghi tín hiệu. Sự phân biệt này rất hữu ích, nhưng các danh mục có thể chồng chéo nhau: một nghiên cứu có thể sử dụng thiết bị lâm sàng và một hệ thống di động có thể thu thập dữ liệu cho mục đích lâm sàng hoặc nghiên cứu. Mỗi cách bố trí vẫn phải hỗ trợ việc ghi rõ ràng và lưu trữ tài liệu thích hợp.

Thiết lập EEG lâm sàng

Một thiết lập EEG lâm sàng được bố trí để ghi dữ liệu phục vụ cho việc đánh giá y khoa. Kế hoạch điện cực, thời lượng ghi và bất kỳ quy trình nào trong quá trình kiểm tra đều được xác định bởi câu hỏi lâm sàng và quy trình tại cơ sở. Bản ghi EEG kết quả sẽ được các chuyên gia có trình độ xem xét trong bối cảnh cụ thể; bản thân bản ghi không phải là một chẩn đoán độc lập.

Thiết lập EEG nghiên cứu

Một thiết lập EEG nghiên cứu tuân theo thiết kế nghiên cứu, bao gồm các vị trí điện cực cần thiết, điều kiện ghi và kế hoạch quản lý dữ liệu. Các quy trình nhất quán giữa những người tham gia và các phiên ghi giúp hỗ trợ việc so sánh, trong khi siêu dữ liệu (metadata) có thể giúp ghi lại các khác biệt có thể ảnh hưởng đến việc diễn giải. Các đề cương nghiên cứu cũng giải quyết vấn đề đồng thuận tham gia, quyền riêng tư và xử lý dữ liệu đã ghi.

Thiết lập EEG di động

Một thiết lập EEG di động được thiết kế để sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm hoặc phòng khám cố định. Tính di động có thể giúp thực hiện việc ghi trong phạm vi môi trường rộng lớn hơn, mặc dù chuyển động, nhiễu điện và sự thay đổi trong điều kiện ghi có thể tạo ra các thách thức thực tế. Hệ thống và quy trình cần phải tính đến môi trường nơi dữ liệu được thu thập.

Tại sao việc phổ biến thông tin cho người tham gia lại quan trọng đối với dữ liệu EEG đáng tin cậy

Việc phổ biến thông tin và chuẩn hóa quy trình được thiết kế để giảm phương sai quy trình phát sinh từ các hành vi khó đoán trước.

Một người tham gia hiểu rõ các hướng dẫn về tác vụ và tầm quan trọng của việc giảm thiểu căng cơ mặt, nuốt và chớp mắt sẽ tạo ra ít nhiễu cơ biên độ cao hơn, những nhiễu vốn có thể gây nhiễu cho việc phân tích tín hiệu phía sau. Quá trình lấy sự đồng ý cho các bước chuẩn bị da cũng thiết lập một tinh thần hợp tác, ngăn ngừa các chuyển động giật mình trong quá trình làm sạch da đầu.

Một bài đánh giá chuyên sâu về quản lý các nghiên cứu EEG nhấn mạnh rằng việc xây dựng các quy trình bằng văn bản chính thức, đào tạo đội ngũ và tiến hành các phiên thử nghiệm ban đầu là điều cần thiết để đảm bảo việc triển khai nhất quán qua nhiều phiên ghi và địa điểm. Bài đánh giá dựa trên kinh nghiệm từ các nghiên cứu đa trung tâm quy mô lớn này gắn liền việc lập kế hoạch trước khi thu thập dữ liệu với tính hợp lệ của bộ dữ liệu cuối cùng. Nếu không có sự chuẩn hóa nền tảng này, ngay cả EEG headset tiên tiến nhất cũng không thể bù đắp được lượng nhiễu do trạng thái không nhất quán của người tham gia gây ra.

4 khuyến nghị từ bài đánh giá:

1. Thiết lập các quy trình chính thức bằng văn bản và đào tạo đội ngũ để đảm bảo tính nhất quán qua nhiều phiên

2. Chạy các phiên thử nghiệm để xác định các vấn đề về thiết lập trước khi thu thập dữ liệu thực tế

3. Chuẩn hóa các hướng dẫn cho người tham gia liên quan đến chuyển động, cắn chặt hàm và chớp mắt

4. Xem việc chuẩn hóa hành vi như một bước kiểm soát nhiễu thượng nguồn quan trọng

Tại sao thời gian chuẩn bị ảnh hưởng trực tiếp đến độ trung thực của bản ghi EEG

Sau khi người tham gia được phổ biến thông tin, quy trình làm việc sẽ chuyển sang giao diện sinh học. Da đầu phải được chuẩn bị để tạo ra một kết nối ổn định, trở kháng thấp giữa da và các điện cực ghi.

Quy trình chuẩn bị điển hình bao gồm việc làm sạch da đầu bằng dung dịch cồn và đối với các hệ thống điện cực ướt, chà nhẹ da để loại bỏ tế bào chết và dầu thừa. Bước này thường tốn thời gian và người ta thường có xu hướng muốn đẩy nhanh tiến độ, đặc biệt là trong các bối cảnh lâm sàng hoặc hướng tới người tiêu dùng. Tuy nhiên, một đánh giá trực tiếp về sự đánh đổi này đến từ một nghiên cứu BCI năm 2024 so sánh các hệ thống thiết lập nhanh sử dụng điện cực khô và ướt.

Trong nghiên cứu đó, thời gian thiết lập hệ thống trung bình cho điện cực khô là 38,4 giây, trong khi quy trình điện cực ướt mất 103,4 giây. Chất lượng tín hiệu, được đo bằng tốc độ truyền thông tin trong mô hình điện thế gợi thị giác trạng thái ổn định (SSVEP), có sự khác biệt rõ rệt: thiết lập ướt đạt 138,89 bit mỗi phút, so với 70,59 bit mỗi phút đối với thiết lập khô.

Mặc dù cả hai cấu hình đều tạo ra hiệu suất BCI chức năng, thiết lập khô nhanh hơn mang lại mức nhiễu nền cao hơn. Mối tương quan trực tiếp giữa thời gian chuẩn bị và độ trung thực của bản ghi là rất rõ ràng: việc chuẩn bị giao diện sinh học chậm hơn, kỹ lưỡng hơn mang lại tín hiệu sạch hơn.

Hình thái chính xác của đường cong thời gian-chất lượng này phụ thuộc vào ngữ cảnh và không thể khái quát hóa trên tất cả các loại điện cực và tình trạng da đầu, nhưng dữ liệu BCI cung cấp bằng chứng rõ ràng nhất cho thấy việc đầu tư thời gian vào chuẩn bị da đầu là không thể bỏ qua, nó quyết định trực tiếp đến chất lượng dữ liệu thô. Một thiết lập máy EEG nhanh có thể được tiếp thị như một sự tiện lợi, nhưng nó vốn dĩ làm tổn hại đến giao diện sinh học trừ khi các công nghệ điện cực thay thế có thể thu hẹp khoảng cách này.

Các thực hành tốt nhất để giảm thiểu nhiễu môi trường trong phòng thí nghiệm EEG

Sau khi người tham gia đã được chuẩn bị, bước tiếp theo là kiểm soát môi trường ghi vật lý. Nhiễu điện, đặc biệt là nhiễu đường dây điện 50 hoặc 60 Hz từ lưới điện, có thể dễ dàng xâm nhập vào bộ khuếch đại có độ lợi cao nếu không gian ghi không được bố trí hợp lý.

Do đó, quy trình làm việc chuẩn bao gồm việc bố trí người tham gia tránh xa các nguồn điện không có vỏ bọc chống nhiễu, tắt các thiết bị điện không cần thiết và sử dụng các buồng được nối đất, bọc chống nhiễu khi có thể. Nhiệt độ xung quanh và ánh sáng cũng rất quan trọng vì sự biến động có thể gây ra hiện tượng nhiễu do mồ hôi hoặc kích thích ánh sáng làm thay đổi các nhịp não đang diễn ra.

Bài đánh giá quản lý nghiên cứu EEG đã đề cập ở trên khuyến nghị rõ ràng việc lập kế hoạch cho môi trường vật lý và thiết lập thiết bị trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu. Bằng cách kiểm tra trước các điều kiện ghi, các nhóm có thể xác định và loại bỏ các nguồn gây nhiễu bên ngoài trước khi bắt đầu thu thập dữ liệu chính thức.

Mặc dù bài đánh giá không cung cấp các tiêu chuẩn định lượng về hiệu quả che chắn nhiễu, chẳng hạn như mức giảm decibel từ lồng Faraday, nguyên tắc quy trình vẫn nhất quán: một môi trường chuẩn hóa giúp giảm phương sai bên ngoài vốn có thể bị nhầm lẫn với hoạt động thần kinh. Đối với các ứng dụng EEG di động, nơi mà một căn phòng được bọc chống nhiễu hoàn toàn thường không khả thi, nguyên tắc tương tự được áp dụng dưới một hình thức khác: người vận hành phải ghi chép một cách có hệ thống và nếu có thể, loại bỏ các nguồn gây nhiễu gần đó trong danh sách kiểm tra trước khi ghi.

Việc thiếu bằng chứng định lượng trực tiếp trong các nghiên cứu được cung cấp có nghĩa là các tuyên bố về hiệu quả che chắn cụ thể vẫn được suy ra từ sự đồng thuận kỹ thuật hơn là được xác thực bằng thực nghiệm trong tài liệu EEG, nhưng tính tất yếu mang tính logic của việc kiểm soát môi trường là không thể bàn cãi.

Lựa chọn chiến lược tham chiếu trong quá trình thiết lập EEG

Một quyết định ít thấy hơn nhưng có hệ quả không kém trong quy trình làm việc trước khi ghi là việc lựa chọn sơ đồ tham chiếu. Mọi phép đo điện áp trong EEG đều là sự chênh lệch giữa hai điểm, và điện cực tham chiếu sẽ xác định điểm nào được coi là mức "không" cho tất cả các kênh khác.

Quyết định về vị trí đặt điện cực tham chiếu và cách tái tham chiếu dữ liệu về mặt toán học thường được hoãn lại đến giai đoạn phân tích, nhưng sơ đồ vật lý và chiến lược tham chiếu khái niệm là những lựa chọn ở giai đoạn thiết lập có ảnh hưởng cơ bản đến địa hình không gian của tín hiệu được ghi lại.

Một nghiên cứu so sánh quy trình tiền xử lý đã đánh giá một số phương pháp tái tham chiếu phổ biến: Tham chiếu Trung bình Chung (CAR), CAR mạnh (rCAR), Kỹ thuật Chuẩn hóa Điện cực Tham chiếu (REST) và biến thể nội suy của nó (RESIT). Phân tích cho thấy trong khi CAR, REST và RESIT tạo ra các biểu diễn địa hình tương tự nhau, phương pháp rCAR lại tạo ra các mô hình nhiễu loạn quang phổ liên quan đến sự kiện (ERSP) khác biệt đáng kể. Việc phân đoạn tín hiệu cũng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả làm sạch dữ liệu.

Những phát hiện này xác nhận rằng việc lựa chọn sơ đồ tham chiếu là một bước phương pháp luận phụ thuộc vào tham số, có thể làm sai lệch dữ liệu ngay từ thời điểm thu nhận. Do đó, trong quá trình thiết lập, vị trí của điện cực tham chiếu (thường ở dái tai hoặc xương chũm) và logic tái tham chiếu dự kiến phải được quyết định và ghi chép lại.

Việc lựa chọn tham chiếu tùy tiện hoặc không cân nhắc kỹ có thể tạo ra các bản đồ vỏ não gây hiểu nhầm về sau, biến điều này thành một khía cạnh trọng yếu thay vì tầm thường của cấu hình hệ thống và mũ EEG.

Cách sàng lọc nhiễu trong quá trình hiệu chuẩn đường cơ sở EEG

Sau khi người tham gia đã vào vị trí, da đầu được chuẩn bị, môi trường được che chắn và điện cực tham chiếu được chọn, chặng kiểm tra cuối cùng trước khi ghi là giai đoạn hiệu chuẩn đường cơ sở. Giai đoạn này thường bao gồm một đoạn nghỉ ngắn, thường là mở mắt hoặc nhắm mắt, trong đó người làm thí nghiệm xác minh rằng bộ khuếch đại hoạt động ổn định, các bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và da được cân bằng, và tín hiệu không có các nhiễu rõ ràng như trôi đường cơ sở DC quá mức, nhiễu cơ tần số cao hoặc điện thế mắt chậm.

Giai đoạn hiệu chuẩn đóng vai trò như một bức tranh chẩn đoán tức thời: điện cực lỏng sẽ hiển thị đường cơ sở dao động, vị trí chà da kém sẽ hiển thị trở kháng cao và nhiễu đường dây điện, còn người tham gia căng thẳng sẽ tạo ra hoạt động cơ liên tục.

Bài đánh giá quản lý nghiên cứu EEG nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo dõi chất lượng dữ liệu liên tục và sử dụng các phiên thử nghiệm ban đầu để sớm phát hiện các vấn đề liên quan đến thiết lập. Trong khi đó, việc so sánh quy trình tiền xử lý cho thấy cách phân đoạn tín hiệu liên tục thành các kỷ nguyên (epoch) ảnh hưởng đáng kể đến quy trình làm sạch sau đó.

Điều này có ý nghĩa trực tiếp đối với việc hiệu chuẩn đường cơ sở vì người vận hành phải quyết định điều gì cấu thành một kỷ nguyên nghỉ "sạch" có thể chấp nhận được, và quyết định đó sẽ ảnh hưởng đến các ngưỡng loại bỏ nhiễu được áp dụng sau này trong quá trình phân tích. Đối với các thiết bị EEG gia đình dành cho người tiêu dùng, tính năng kiểm tra trở kháng tự động và các chỉ báo nhiễu tích hợp sẽ hỗ trợ một phần cho quá trình hiệu chuẩn này, nhưng logic cơ bản vẫn như nhau: việc chủ động dừng lại để sàng lọc tín hiệu thô trước khi thu thập dữ liệu sẽ ngăn chặn việc lưu trữ các kỷ nguyên mà cuối cùng sẽ bị loại bỏ trong quá trình tiền xử lý.

Tác động của các thiết lập EEG nhanh đối với tính chuẩn xác của dữ liệu

Quy trình làm việc EEG trước khi ghi là một chuỗi các bước phụ thuộc lẫn nhau, và mỗi bước đại diện cho một thời điểm quyết định nơi có thể tiết kiệm thời gian nhưng phải trả giá bằng chất lượng tín hiệu.

Nghiên cứu về thiết lập BCI nhanh cung cấp minh chứng trực tiếp nhất cho sự đánh đổi này. Việc gắn điện cực khô chỉ mất 38,4 giây, tức là chưa bằng một phần ba thời gian cần thiết cho thiết lập điện cực ướt, nhưng chất lượng tín hiệu thu được thấp hơn rõ rệt. Hiệu suất tác vụ, trong ngữ cảnh BCI cụ thể đó, vẫn ở mức đủ dùng, nhưng sự gia tăng của mức nhiễu nền là hậu quả tất yếu của việc rút ngắn thời gian chuẩn bị giao diện sinh học. Bỏ qua hoặc rút ngắn việc làm sạch da đầu, kiểm tra môi trường hoặc sàng lọc đường cơ sở không nhất thiết làm cho bản ghi không thể sử dụng được, nhưng chắc chắn sẽ làm giảm băng thông tín hiệu sạch sẵn có cho các bước phân tích sau đó.

Cần phải thừa nhận rằng bằng chứng trực tiếp cho nhiều bước riêng lẻ trong quy trình này còn hạn chế. Đánh giá quản lý nghiên cứu ủng hộ giá trị của việc chuẩn hóa quy trình, lập kế hoạch môi trường và sàng lọc thử nghiệm, nhưng không tách biệt đóng góp nguyên nhân của, chẳng hạn, một kịch bản phổ biến thông tin cụ thể hoặc một khoảng cách che chắn nhất định đối với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cuối cùng.

Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ gắn điện cực cho thấy các lựa chọn tái tham chiếu có ảnh hưởng đến kết quả, nhưng nó đánh giá quá trình xử lý sau khi thu thập hơn là chất lượng dữ liệu thô ở giai đoạn thiết lập vật lý. Nghiên cứu BCI đưa ra một phép so sánh cụ thể giữa thời lượng và chất lượng, nhưng khả năng khái quát hóa của nó đối với các hệ thống điện cực khác và các bối cảnh ghi khác vẫn chưa được chứng minh.

Do đó, các khuyến nghị được phác thảo ở đây được hiểu đúng nhất như một khuôn khổ cho thực hành có hệ thống, được rút ra từ các bằng chứng tốt nhất hiện có và sự đồng thuận của lĩnh vực này, chứ không phải là các quy định bắt buộc chung đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Thông điệp cốt lõi là việc hiệu chuẩn cẩn thận trước khi ghi là yếu tố quan trọng nhất để thu được các tín hiệu thần kinh sạch, có thể diễn giải được, và mỗi bước đi tắt được thực hiện trong giai đoạn thiết lập là một sự đánh đổi trực tiếp với độ trung thực của bộ dữ liệu cuối cùng.

Thiết lập EEG khác nhau như thế nào giữa các hệ thống Emotiv

Quy trình làm việc trước khi ghi áp dụng cho mọi hệ thống EEG, nhưng thời gian thực hiện mỗi bước và các rủi ro nằm ở đâu phụ thuộc phần lớn vào giao diện cảm biến. Các hệ thống EEG không dây của Emotiv được thiết kế để đưa việc ghi dữ liệu cấp độ nghiên cứu vượt ra ngoài phòng thí nghiệm cố định, đi vào các lớp học và các nghiên cứu thực địa di động. Vì dải sản phẩm bao gồm các cảm biến gel, nước muối sinh lý, bán khô và khô, một nhóm nghiên cứu có thể chọn vị trí phù hợp trong mối đánh đổi giữa thời gian chuẩn bị và chất lượng tín hiệu đã mô tả ở trên, thay vì phải xây dựng mọi quy trình xung quanh một thiết lập duy nhất.

Thu hẹp khoảng cách của điện cực khô

Nghiên cứu BCI được thảo luận ở trên cho thấy rằng thiết lập điện cực khô nhanh đi kèm với mức nhiễu nền cao hơn, một sự đánh đổi vẫn tồn tại trừ khi các công nghệ điện cực thay thế có thể thu hẹp khoảng cách. EPOC X PRO giải quyết vấn đề này ngay tại chính cảm biến. Mỗi cảm biến có bộ khuếch đại chủ động riêng, giúp giảm nhiễu do chuyển động của cáp và trở kháng của điện cực, và tín hiệu được thu nhận ở độ phân giải 24-bit.

Khoảng dự trữ tín hiệu (headroom) bổ sung cho phép thu nhận hiện tượng trôi tần số thấp, độ lệch điện cực và các nhiễu do chuyển động đột ngột mà không bị cắt xén (clipping), giúp có ít thử nghiệm cần phải loại bỏ hơn trong quá trình tiền xử lý. Emotiv thiết kế sự kết hợp này để các cảm biến khô có thể mang lại chất lượng tín hiệu tương đương với các cảm biến ướt.

Hình học của cảm biến cũng rất quan trọng. Cảm biến phẳng nằm trên vùng da trần ở trán và các vị trí tham chiếu ở xương chũm, trong khi cảm biến dạng lược, có sẵn ở hai chiều dài, tiếp cận xuyên qua tóc. Bất kỳ loại cảm biến nào cũng có thể gắn vào bất kỳ vị trí cắm nào, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh cảm biến cho phù hợp với từng vị trí thay vì phải thỏa hiệp với một dạng hình học duy nhất trên toàn bộ da đầu. Và vì cảm biến khô không phụ thuộc vào nước muối, độ dài của phiên ghi không bị giới hạn bởi thời gian miếng đệm giữ ẩm, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các nghiên cứu khối lượng công việc kéo dài và các quy trình có nhiều người tham gia.

Không có điều nào trong số này thay thế được việc kiểm tra đường cơ sở. Một đoạn nghỉ ngắn vẫn là phương pháp để xác nhận chất lượng tín hiệu cho một quy trình và nhóm người tham gia nhất định.

Mang quy trình làm việc ra khỏi phòng thí nghiệm

Mỗi bước trong quy trình làm việc trước khi ghi vẫn được áp dụng bên ngoài phòng che chắn; điều thay đổi là cách thức thực hiện.

Môi trường: Các hệ thống của Emotiv đều không dây, do đó không có cáp bộ khuếch đại nào giữ người tham gia với máy trạm. Epoc X và Flex 2 sử dụng tính năng loại bỏ nhiễu chế độ chung, và EPOC X PRO bổ sung thêm Wi-Fi 6, hoạt động tốt hơn trong điều kiện dải tần 2,4 GHz bận rộn thường thấy ở các môi trường nghiên cứu thực tế.

Các cảm biến chuyển động 9 trục trong Epoc X, Insight, Flex 2 và EPOC X PRO ghi lại chuyển động của đầu cùng với EEG, do đó chuyển động trong một phiên được ghi lại thành tài liệu thay vì phải phỏng đoán. EPOC X PRO cũng có thể ghi dữ liệu trực tiếp trên thiết bị trong hơn 8 giờ ở tần số 256 Hz mà không cần kết nối máy tính, nhờ vậy quá trình ghi vẫn tiếp tục nếu kết nối không dây bị ngắt.

Tham chiếu: Việc đặt tham chiếu là một phần trong thiết kế của mỗi hệ thống, điều này giúp quyết định ở giai đoạn thiết lập này trở nên dễ dàng để ghi lại. Epoc X đặt các tham chiếu CMS/DRL tại P3/P4, với các xương chũm là phương án thay thế. EPOC X PRO cố định CMS ở xương chũm bên trái và DRL ở bên phải, giúp giải phóng P3 và P4 để ghi tín hiệu EEG.

Insight lấy tham chiếu ở xương chũm bên trái, MN8 sử dụng các cảm biến CMS/DRL tách biệt ở phía sau tai, và Flex 2 cho phép các nhà nghiên cứu đặt CMS/DRL ở bất kỳ vị trí 10-20 nào hoặc trên tai.

Kiểm tra đường cơ sở: Epoc X, Insight, Flex 2 và MN8 bao gồm một bộ theo dõi chất lượng tiếp xúc theo thời gian thực. EPOC X PRO tích hợp đèn báo chất lượng tiếp xúc vào từng vỏ cảm biến, để người vận hành có thể kiểm tra độ vừa vặn ngay tại chính cảm biến, ngay cả khi không kết nối thiết bị chủ.

Trong EmotivPRO, các điểm đánh dấu sự kiện có thể gắn nhãn cho các phân đoạn đường cơ sở khi mở mắt và nhắm mắt, và Lab Streaming Layer (có trong các gói Standard Team và Performance) sẽ đồng bộ hóa EEG với phần mềm kích thích như PsychoPy.

Điều chỉnh hệ thống phù hợp với quy trình

Đối với các nghiên cứu mật độ cao cần vị trí đặt điện cực linh hoạt, Flex 2 Gel hoặc Flex 2 Saline mang đến tới 32 kênh trong một chiếc mũ không dây. Epoc X phù hợp với nghiên cứu học thuật, phát triển BCI và công việc trong lớp học nơi 14 kênh là đủ và các phiên ghi đủ ngắn để việc chuẩn bị nước muối không phải là một gánh nặng.

EPOC X PRO được chế tạo cho các phiên ghi dài, các nghiên cứu thực địa và nghiên cứu nhạy cảm về thời gian, với các dấu thời gian được đồng bộ hóa trong khoảng 1 mili giây. Insight hỗ trợ phát triển và trình diễn BCI di động, và MN8 đưa EEG vào tai nghe nhét tai để sử dụng hàng ngày với Brainwear App.

Vì Epoc X và EPOC X PRO chia sẻ 14 vị trí ghi cốt lõi cùng phần mềm EmotivPRO và Cortex, các nhóm cũng có thể kết hợp chúng, ví dụ như thử nghiệm và đào tạo trên Epoc X trong khi thực hiện các bản ghi cốt lõi trên EPOC X PRO. Phần so sánh phần cứng đặt các thông số kỹ thuật cạnh nhau để dễ đối chiếu.

Tại sao việc chuẩn bị EEG cẩn thận lại quyết định giá trị của mỗi bản ghi EEG

Bài học trọng tâm từ toàn bộ quy trình làm việc trước khi ghi là chất lượng của tín hiệu thần kinh được quyết định trước khi bắt đầu thu thập dữ liệu, chứ không thể cứu vãn sau đó bằng các phân tích thông minh. Mỗi giai đoạn—từ phổ biến thông tin cho người tham gia đến làm sạch da đầu, che chắn căn phòng, chọn tham chiếu và kiểm tra đường cơ sở—tạo thành một chuỗi mà trong đó một mắt xích yếu sẽ truyền nhiễu vào mọi phép đo tiếp theo.

Sự đánh đổi này đồng nghĩa với việc thiết lập ngắn hơn sẽ tiết kiệm thời gian nhưng làm tăng mức nhiễu nền, như đã được chứng minh qua phép so sánh trực tiếp giữa điện cực khô nhanh và điện cực ướt chậm hơn. Không có bộ lọc hậu xử lý nào có thể tách biệt hoàn toàn hoạt động điện thực sự của não khỏi các nhiễu do chuyển động, nhiễu môi trường hoặc giao diện cảm biến chuẩn bị kém gây ra.

Xét thấy bằng chứng định lượng trực tiếp cho nhiều bước riêng lẻ vẫn còn hạn chế, quy trình làm việc này được coi là một khuôn khổ có kỷ luật hơn là một tập hợp các quy định bắt buộc đã được chứng minh. Dữ liệu mạnh nhất hiện có chỉ ra thời gian chuẩn bị là một yếu tố có thể đo lường được trong độ trung thực của tín hiệu, trong khi các khuyến nghị khác dựa trên sự đồng thuận của lĩnh vực và logic kỹ thuật.

Điều không thể bàn cãi là việc chủ động dừng lại có hệ thống trước khi ghi sẽ ngăn ngừa việc lãng phí các phiên ghi và các bản đồ vỏ não sai lệch. Tóm lại, hệ thống EEG đắt tiền và mạnh mẽ nhất cũng chỉ đáng tin cậy như sự hiệu chuẩn cẩn thận trước đó.

Tài liệu tham khảo

1. Boudewyn, M. A., Erickson, M. A., Winsler, K., Ragland, J. D., Yonelinas, A., Frank, M., ... & Luck, S. J. (2023). Managing EEG studies: How to prepare and what to do once data collection has begun. Psychophysiology, 60(11), e14365. https\://doi.org/10.1111/psyp.14365

2. Li, X., Wang, J., Cao, X., Huang, Y., Huang, W., Wan, F., ... & Xie, S. Q. (2024). Evaluation of an online SSVEP-BCI with fast system setup. Journal of Neurorestoratology, 12(2), 100122. https\://doi.org/10.1016/j.jnrt.2024.100122

3. Coelli, S., Calcagno, A., Cassani, C. M., Temporiti, F., Reali, P., Gatti, R., ... & Bianchi, A. M. (2024). Selecting methods for a modular EEG pre-processing pipeline: An objective comparison. Biomedical Signal Processing and Control, 90, 105830. https\://doi.org/10.1016/j.bspc.2023.105830

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc phổ biến thông tin cho người tham gia được coi là bước đầu tiên để đảm bảo chất lượng tín hiệu EEG tốt?

Việc phổ biến thông tin giúp giảm phương sai quy trình bằng cách hướng dẫn người tham gia giảm thiểu căng cơ mặt, nuốt và chớp mắt, vốn là những nguồn gây nhiễu cơ lớn. Nó cũng thiết lập sự đồng thuận và hợp tác, ngăn ngừa các chuyển động bất ngờ trong quá trình chuẩn bị da đầu. Việc chuẩn hóa hành vi này đóng vai trò như bộ lọc nhiễu sinh học đầu tiên trước khi bất kỳ quá trình thiết lập vật lý nào bắt đầu.

Thời gian chuẩn bị da đầu ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng bản ghi EEG?

Chuẩn bị da đầu kỹ lưỡng và lâu hơn sẽ tạo ra một kết nối trở kháng thấp, ổn định giữa da và các điện cực, giúp giảm mức nhiễu nền. Bằng chứng từ một nghiên cứu về giao diện não-máy tính cho thấy thiết lập điện cực ướt chậm hơn tạo ra tín hiệu sạch hơn so với thiết lập điện cực khô nhanh hơn. Sự đầu tư vào thời gian chuẩn bị quyết định trực tiếp đến chất lượng dữ liệu thô.

Các biện pháp kiểm soát môi trường chính cần thiết trước khi ghi EEG là gì?

Người tham gia nên được bố trí tránh xa các nguồn điện không có vỏ bọc chống nhiễu, các thiết bị điện không cần thiết nên được tắt và nên sử dụng các buồng được nối đất hoặc che chắn khi có thể. Nhiệt độ xung quanh và ánh sáng cũng phải được kiểm soát vì sự biến động có thể gây ra nhiễu mồ hôi hoặc làm thay đổi nhịp não. Môi trường chuẩn hóa giúp giảm nhiễu điện bên ngoài vốn có thể bị nhầm lẫn với hoạt động thần kinh.

Tại sao việc lựa chọn sơ đồ tham chiếu lại là một phần quan trọng của thiết lập EEG?

Mỗi phép đo điện áp EEG là sự chênh lệch giữa hai điểm, do đó điện cực tham chiếu sẽ xác định điểm nào được coi là "không" cho tất cả các kênh khác. Các chiến lược tham chiếu khác nhau, chẳng hạn như Tham chiếu Trung bình Chung hoặc REST, có thể tạo ra các kết quả địa hình và quang phổ khác nhau. Việc lựa chọn tham chiếu tùy tiện hoặc không cân nhắc kỹ có thể tạo ra các bản đồ vỏ não sai lệch sau này, khiến đây trở thành một quyết định quan trọng trong giai đoạn thiết lập.

Mục đích của giai đoạn hiệu chuẩn đường cơ sở trước khi ghi là gì?

Hiệu chuẩn đường cơ sở cung cấp một đoạn nghỉ ngắn để xác minh rằng bộ khuếch đại hoạt động ổn định, các tiếp diện điện cực-da được cân bằng và tín hiệu không có các dị vật (nhiễu) rõ ràng. Nó đóng vai trò như một bức tranh chẩn đoán tức thời để phát hiện các điện cực lỏng, các vị trí da đầu tiếp xúc kém hoặc căng cơ trước khi bắt đầu thu thập dữ liệu. Việc sàng lọc thận trọng này ngăn ngừa việc lưu trữ các kỷ nguyên mà sau đó sẽ bị loại bỏ.

Yếu tố quan trọng nhất duy nhất để thu được các tín hiệu thần kinh sạch và có thể diễn giải được là gì?

Hiệu chuẩn cẩn thận trước khi ghi là yếu tố quan trọng nhất duy nhất, vì nó thiết lập một giao diện ổn định, độ nhiễu thấp giữa não và bộ khuếch đại. Chất lượng của bản ghi EEG phần lớn được xác định trước khi kỷ nguyên dữ liệu đầu tiên được lưu trữ, chứ không phải nhờ các thuật toán xử lý sau đó. Một bước suy yếu trong chuỗi chuẩn bị sẽ truyền nhiễu xuống các bước sau và làm suy giảm tín hiệu cuối cùng.