المسح المفرط لتخطيط كهربية الدماغ في المنزل للتفاعلات الاجتماعية بين الرضع ومقدمي الرعاية

Summary

يصف هذا البروتوكول كيف تم التقاط تخطيط كهربية الدماغ المتزامن وتخطيط كهربية القلب والتسجيلات السلوكية من ثنائيات مقدمي الرعاية للرضع في بيئة منزلية.

Abstract

أجريت دراسات المسح المفرط السابقة التي تسجل أنشطة الدماغ لمقدمي الرعاية والأطفال في وقت واحد في المقام الأول داخل حدود المختبر ، مما يحد من تعميم النتائج على إعدادات الحياة الواقعية. هنا ، يقترح بروتوكول شامل لالتقاط تخطيط كهربية الدماغ المتزامن (EEG) ، وتخطيط كهربية القلب (ECG) ، والتسجيلات السلوكية من ثنائيات مقدمي الرعاية الرضع خلال المهام التفاعلية المختلفة في المنزل. يوضح هذا البروتوكول كيفية مزامنة تدفقات البيانات المختلفة والإبلاغ عن معدلات الاحتفاظ ببيانات EEG وفحوصات الجودة. بالإضافة إلى ذلك ، تتم مناقشة المشكلات الحرجة والحلول الممكنة فيما يتعلق بالإعداد التجريبي والمهام وجمع البيانات في الإعدادات المنزلية. لا يقتصر البروتوكول على ثنائيات مقدمي الرعاية للرضع ولكن يمكن تطبيقه على مجموعات ثنائية مختلفة. بشكل عام ، نظهر مرونة إعدادات المسح الفائق لتخطيط كهربية الدماغ ، والتي تسمح بإجراء التجارب خارج المختبر لالتقاط أنشطة دماغ المشاركين في بيئات بيئية أكثر صحة من الناحية البيئية. ومع ذلك ، لا تزال الحركة وأنواع أخرى من القطع الأثرية تقيد المهام التجريبية التي يمكن القيام بها في بيئة المنزل.

Introduction

مع التسجيل المتزامن لأنشطة الدماغ من شخصين متفاعلين أو أكثر ، والمعروف أيضا باسم hyperscanning ، أصبح من الممكن توضيح الأساس العصبي للتفاعلات الاجتماعية في ديناميكياتها المعقدة وثنائية الاتجاه وسريعة الخطى¹. حولت هذه التقنية التركيز من دراسة الأفراد في أماكن معزولة وخاضعة لرقابة مشددة إلى فحص تفاعلات أكثر طبيعية ، مثل التفاعلات بين الوالدين والطفل أثناء اللعب الحر ^2,3 ، وحل الألغاز⁴ ، وألعاب الكمبيوتر التعاونية ^5,6. تظهر هذه الدراسات أن أنشطة الدماغ تتزامن أثناء التفاعلات الاجتماعية ، أي تظهر أوجه تشابه زمنية ، وهي ظاهرة تسمى التزامن العصبي بين الأشخاص (INS). ومع ذلك ، فقد اقتصرت الغالبية العظمى من دراسات المسح المفرط على الإعدادات المختبرية. في حين أن هذا يسمح بتحكم تجريبي أفضل ، إلا أنه قد يأتي على حساب فقدان بعض الصلاحية البيئية. قد لا تكون السلوكيات التي لوحظت في المختبر ممثلة للسلوكيات التفاعلية اليومية النموذجية للمشاركين بسبب الإعداد غير المألوف والمصطنع وطبيعة المهام المفروضة⁷.

التطورات الحديثة في أجهزة التصوير العصبي المتنقلة ، مثل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) أو التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) ، تخفف من هذه المشكلات عن طريق إزالة شرط بقاء المشاركين على اتصال مادي بجهاز كمبيوتر التسجيل. وبالتالي ، فإنها تسمح لنا بقياس أنشطة دماغ المشاركين أثناء تفاعلهم بحرية في الفصل الدراسي أو في منازلهم ^8,9. تتمثل ميزة EEG مقارنة بتقنيات التصوير العصبي الأخرى ، مثل fNIRS ، في أنه يتمتع بدقة زمنية ممتازة ، مما يجعله مناسبا بشكل خاص للتحقيق في الديناميات الاجتماعية سريعة الخطى¹⁰. ومع ذلك ، فإنه يأتي مع التحذير من أن إشارة EEG معرضة بشدة للحركة وغيرها من القطع الأثرية الفسيولوجية وغير الفسيولوجية¹¹.

على الرغم من ذلك ، نجحت الدراسات الأولى في تنفيذ إعدادات المسح الفائق ل EEG في بيئات وظروف واقعية. على سبيل المثال ، قام Dikker et ^al.12 بقياس إشارة EEG لمجموعة من الطلاب أثناء مشاركتهم في أنشطة الفصل الدراسي المختلفة ، بما في ذلك حضور المحاضرات ومشاهدة مقاطع الفيديو والمشاركة في المناقشات الجماعية. استخدمت هذه الدراسة ، إلى جانب الدراسات^{الأخرى 8,9} ، في الغالب أقطاب EEG الجافة لتسهيل عملية إجراء القياسات في البيئات غير المختبرية. بالمقارنة مع الأقطاب الكهربائية الرطبة ، التي تتطلب تطبيق هلام أو معجون موصل ، توفر الأقطاب الكهربائية الجافة مزايا ملحوظة من حيث سهولة الاستخدام. وقد ثبت أنها تظهر أداء مماثلا للأقطاب الكهربائية الرطبة في السكان البالغين والظروف الثابتة. ومع ذلك ، قد ينخفض أدائها في السيناريوهات المتعلقة بالحركة بسبب زيادة مستويات المعاوقة¹³.

هنا ، نقدم بروتوكول عمل لالتقاط التسجيلات المتزامنة من نظام EEG للهلام السائل منخفض الكثافة المكون من سبع قنوات مع تخطيط كهربية القلب أحادي الرصاص (ECG) متصل بنفس مكبر الصوت اللاسلكي (معدل أخذ العينات: 500 هرتز) من ثنائيات مقدمي الرعاية للرضع في بيئة منزلية. بينما تم استخدام الأقطاب الكهربائية النشطة للبالغين ، تم استخدام الأقطاب الكهربائية السلبية بدلا من ذلك للرضع لأن الأخير يأتي عادة في شكل أقطاب كهربائية حلقية ، وبالتالي تسهيل عملية تطبيق الهلام. بالإضافة إلى ذلك ، تمت مزامنة تسجيلات EEG-ECG مع ثلاث كاميرات وميكروفونات لالتقاط سلوكيات المشاركين من زوايا مختلفة. في الدراسة ، شارك الأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 8 و 12 شهرا ومقدمو الرعاية لهم في مهمة القراءة واللعب أثناء تسجيل EEG و ECG والسلوكيات. لتقليل تأثير الحركة المفرطة على جودة إشارة EEG ، تم إجراء المهام في إعداد سطح الطاولة (على سبيل المثال ، استخدام طاولة المطبخ وكرسي مرتفع للرضع) ، مما يتطلب من المشاركين البقاء جالسين طوال مهمة التفاعل. تم تزويد مقدمي الرعاية بثلاثة كتب مناسبة للعمر وألعاب على الطاولة (مجهزة بأكواب شفط لمنعهم من السقوط). طلب منهم القراءة لطفلهم لمدة 5 دقائق تقريبا ، تليها جلسة لعب لمدة 10 دقائق مع الألعاب.

يوضح هذا البروتوكول تفاصيل طرق جمع بيانات EEG-ECG المتزامنة والفيديو والصوت أثناء مهام القراءة والتشغيل. ومع ذلك ، فإن الإجراء العام ليس خاصا بتصميم البحث هذا ولكنه مناسب لمجموعات سكانية مختلفة (على سبيل المثال ، ثنائيات الوالدين والطفل ، ثنائيات الأصدقاء) والمهام التجريبية. سيتم تقديم طريقة مزامنة تدفقات البيانات المختلفة. علاوة على ذلك ، سيتم تحديد خط أنابيب المعالجة المسبقة ل EEG الأساسي المستند إلى Dikker et ^al.12 ، وسيتم الإبلاغ عن معدلات الاحتفاظ ببيانات EEG ومقاييس مراقبة الجودة. نظرا لأن الخيارات التحليلية المحددة تعتمد على مجموعة متنوعة من العوامل (مثل تصميم المهام ، وأسئلة البحث ، ومونتاج EEG) ، فلن يتم تفصيل تحليل hyperscanning-EEG بشكل أكبر ، ولكن بدلا من ذلك ، سيتم إحالة القارئ إلى الإرشادات ومجموعات الأدوات الحالية (على سبيل المثال ، ¹⁴ للمبادئ التوجيهية ؛^15,16 لصناديق أدوات تحليل المسح التشعبي). أخيرا ، يناقش البروتوكول التحديات والحلول المحتملة للمسح المفرط EEG-ECG في المنزل وإعدادات العالم الحقيقي الأخرى.

Protocol

تمت الموافقة على البروتوكول الموصوف من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) التابع لجامعة نانيانغ التكنولوجية ، سنغافورة. تم الحصول على موافقة مستنيرة من جميع المشاركين البالغين ومن الآباء نيابة عن أطفالهم الرضع.

1. اعتبارات المعدات والمساحة في جلسات المنزل

1. استعد لظروف الرطوبة ودرجة الحرارة المختلفة حسب البلد والموسم. بالنسبة للبيئات ذات مستويات الحرارة والرطوبة المرتفعة ، تأكد من وجود تدفق هواء كاف وقم بتشغيل وحدة تكييف الهواء في المنزل إن أمكن.
2. حافظ على مسافة من أجهزة إرسال WiFi ومعدات Bluetooth (مثل الهواتف المحمولة ولوحة المفاتيح والماوس وما إلى ذلك) وأفران الميكروويف ، حيث يمكن أن تتسبب الآلات القريبة التي تعمل في نفس نطاق التردد في حدوث تداخل. بالإضافة إلى ذلك ، حاول إبقاء الإعداد التجريبي بعيدا عن شحن الأجهزة في المنزل ، حيث قد يتسبب ذلك في حدوث ضوضاء كبيرة في خط الطاقة في البيانات. لاحظ أن المراوح الدائمة القريبة أو مراوح السقف بسرعات عالية قد تتسبب في تأرجح كابلات EEG والمساهمة في القطع الأثرية الميكانيكية.
3. قم بإعداد مساحة مواتية للتجربة التي ستعقد داخل منزل المشارك. تأكد من أن منطقة الاختبار بها مساحة خالية كافية لاستيعاب مقدم رعاية واحد ورضيع واحد على كرسي مرتفع جالسين حول طاولة ، بالإضافة إلى ثلاث كاميرات على حوامل ثلاثية. امسح جميع العناصر من الجدول ، إن أمكن ، لتقليل أي انحرافات محتملة.
4. تأكد من وجود سطوع كاف في منطقة الاختبار لكاميرات الفيديو لالتقاط تعبيرات المشارك. إذا كانت الطاولات قريبة من النوافذ، فلا تضع كاميرات الفيديو في مواجهة النافذة لمنع وهج العدسة.

2. الأعمال التحضيرية قبل الدورة

1. أخبر المشاركين أنه لقياس تخطيط كهربية الدماغ ، يتعين على البالغين غسل شعرهم في اليوم السابق للجلسة دون استخدام منتجات الشعر. اسأل عما إذا كان بإمكانهم الامتناع عن وضع المكياج في يوم جلسة EEG.
2. تأكد من شحن جميع معدات التسجيل (الميكروفونات وكاميرات الفيديو) وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ومكبرات الصوت وبنك الطاقة الذي يستخدمه صندوق التشغيل في اليوم السابق للجلسة. تأكد من أن جميع المعدات مشحونة بالكامل قبل ساعات قليلة من الجلسة. احمل أجهزة الشحن أو يفضل بنوك الطاقة المحمولة للحالات غير المتوقعة لمستويات البطارية المنخفضة في الجهاز.
3. قم بتعبئة جميع النماذج اللازمة ومعدات التسجيل للجلسة.

3. إعداد التجربة في منزل المشارك

1. إعداد التبلور EEG
   1. ارتد زوجا من القفازات عند التعامل مع الجل. املأ أربع محاقن بالهلام ، وحقنتان بطرف حاد للأقطاب الكهربائية السلبية ، وحقنتان بطرف أدق للأقطاب الكهربائية النشطة.
   2. قم بإعداد قطعتين مربعتين من الشريط اللاصق لأقطاب تخطيط القلب للرضع والبالغين.
2. إعداد معدات التسجيل
   1. قم بإزالة القفازات عند التعامل مع المعدات الإلكترونية.
   2. قم بتشغيل جميع أجهزة الكمبيوتر المحمولة وإرفاق دونجل EEG بأجهزة الكمبيوتر المحمولة المعنية. تأكد من تشغيل برنامج تسجيل EEG.
   3. قم بتوصيل مكبرات الصوت للبالغين والرضع ببرنامج تسجيل EEG على أجهزة الكمبيوتر المحمولة المعنية عبر اتصال لاسلكي.
   4. تحقق وتأكد من أن كلا من مكبرات الصوت (للبالغين والرضع) لهما نفس إعدادات منفذ الزناد ، أي ما إذا كانت علامة الزناد يتم إنتاجها عند الحافة الصاعدة (عالية النشاط) أو الهابطة (منخفضة النشاط) لنبضة الإدخال.
   5. قم بتركيب كاميرات الفيديو الثلاثة على كل حامل ثلاثي القوائم. تأكد من أن كل كاميرا فيديو تلتقط مقدم الرعاية والرضيع وكل من مقدم الرعاية والرضيع (عرض مشترك) ، على التوالي (انظر الشكل 1). قبل بدء الجلسة ، تأكد من أن زوايا كاميرا الفيديو يمكنها التقاط وجوه المشاركين باستمرار ، مع الأخذ في الاعتبار أن مقدم الرعاية غالبا ما ينتقل إلى عين الرضيع أثناء التفاعلات.
3. ضع الكرسي المرتفع للرضيع وكرسي مقدم الرعاية على حافة طاولته بحيث يواجهان بعضهما البعض بزاوية يمكن لكاميرات الفيديو من خلالها التقاط تعابير وجههما (انظر الشكل 1). إذا لم تكن هناك مساحة كافية على الطاولة ، ضع كرسي الرضيع المرتفع وكرسي مقدم الرعاية بجانب بعضهما البعض بزاوية قائمة.

الشكل 1: عرض من أعلى لأسفل للإعداد. (1) كاميرا فيديو مواجهة للرضع. (2) عرض مشترك كاميرا الفيديو. (3) كاميرا الفيديو التي تواجه مقدم الرعاية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. تطبيق مستشعر EEG و ECG لمقدم الرعاية

1. توصيل مكبر الصوت بإحكام بغطاء مخطط كهربية الدماغ
   1. بالنسبة لمقدم الرعاية ، استخدم الجيب الخلفي لغطاء EEG لتخزين مكبر الصوت لتقليل حركة الكابل وضوضاء EEG. قبل تطبيق الغطاء على المشارك ، تأكد من تخزين مكبر الصوت بإحكام وتوصيله بالموصل.
   2. تأكد من عدم ملامسة الماء أثناء التعامل مع مكبر الصوت (أي قم بإزالة القفازات إذا كانت مبللة بالهلام).
2. اطلب من مقدم الرعاية إزالة النظارات أو القناع أو الأقراط. إذا كان شعرهم مربوطا ، فاطلب منهم إزالة رباط الشعر لإسقاط شعرهم.
3. أثناء ارتداء القفازات وبإذن من مقدم الرعاية ، قم بتنظيف الجبهة باستخدام مسحات الكحول (70٪ كحول الأيزوبروبيل (IPA)).
4. على جانبي رأس مقدم الرعاية ، قم بفصل الشعر في أعلى نقطة في الأذن للتأكد من أن الأذن مرئية بالكامل ، باتباع خطوط فصل الشعر الطبيعية.
5. قم بقياس محيط رأس مقدم الرعاية عن طريق وضع شريط القياس حول أربع نقاط مرجعية على الرأس: nasion (مستوى الحاجب) ، فوق قمة inion (أعلى نقطة في مؤخرة الرأس) ، وبين الزنمة اليسرى واليمنى (أطراف الأذنين).
6. قم بتمديد غطاء EEG من الداخل بإيماءة يد تشبه التاج وابدأ في وضع الغطاء من جبين مقدم الرعاية باتجاه مؤخرة رأسه. دون ترك الغطاء ، حرك يديك لأسفل لتثبيت الأشرطة ، واسحبها لأسفل نحو ذقنها ، واربط الخطاف ونهايات الحلقة. اضبط الأشرطة حسب راحة المشارك.
   1. تأكد من إزالة أي غرة أو خصلات شعر على وجه المشارك بعيدا عن الوجه لمنع الانزعاج أو إعاقة الرؤية.
   2. قم بتنعيم الغطاء برفق للتأكد من أن الأقطاب الكهربائية على اتصال وثيق بفروة الرأس. تأكد من عدم وجود تجاعيد على الغطاء.
7. ضع شريط القياس فوق الأقطاب الكهربائية عند خط الوسط وقم بقياس المسافة بين nasion و inion. تأكد من أن القطب Cz للنظام الدولي 10-20 في منتصف القياس. استخدم طريقة الضغط والتحرير لتغيير مواضع الغطاء ذهابا وإيابا إذا لزم الأمر.
8. قم بقياس المسافة بين الزنمة اليسرى واليمنى للتأكد من أن قطب Cz يتوافق مع نقطة منتصف القياس واضبطه إذا لزم الأمر.
9. تطبيق هلام EEG و ECG
   1. ابدأ بتطبيق الجل على الأقطاب المرجعية والأرضية. انتقل إلى هلام الأقطاب الكهربائية المتبقية. ابدأ بالأقطاب الكهربائية في الخلف لأنه قد يستغرق وقتا أطول حتى تنخفض المقاومة إلى نطاق مقبول (عادة < 25 كيلو أوم) نظرا لأن البالغين عادة ما يكون لديهم شعر أكثر في الخلف.
   2. عند وضع الجل على مقدم الرعاية ، استخدم حقنة ذات طرف أطول وأدق. أدخل طرف المحقنة في فتحة القطب وقسم الشعر باستخدام المنحنى السفلي للمحقنة. رش كميات صغيرة من الجل أثناء سحب المحقنة. إذا كانت هناك فجوة كبيرة بين فروة الرأس والقطب الكهربائي ، فاضغط بقوة على القطب لضمان الاتصال.
   3. استخدم الضوء كدليل مرجعي للمقاومة إذا كان إعداد القطب النشط المحدد يسمح بذلك. بدلا من ذلك ، راجع قراءات المعاوقة على برنامج تسجيل EEG لتحديد الأقطاب الكهربائية التي تتطلب تحسين الاتصال.
      ملاحظة: سيتم تلوين الأقطاب الكهربائية ذات المقاومة المنخفضة وجودة الإشارة الجيدة (التي يتم ضمانها عن طريق التحقق من القطع الأثرية قبل بدء الجلسة) باللون الأخضر على الغطاء و / أو على مونتاج EEG. إذا كانت مقاومة القطب عالية ، كرر الجهد لفصل الشعر وتحريك الجل في القطب جيدا إلى نقطة التلامس الواضح مع فروة الرأس.
   4. لاحظ أن الغطاء عادة لا يناسب كل رأس تماما ، وقد تتسبب المناطق المقعرة في الرأس في وجود فجوة طبيعية بين القطب وفروة الرأس. إذا ظلت المقاومة عالية ، ضع كومة صغيرة من الجل لضمان جسر هلام بين القطب وفروة الرأس. احرص على عدم تحريك الجل جانبا بعد ذلك لتجنب التجسير مع الأقطاب الكهربائية المجاورة أسفل الغطاء.
   5. ضع في اعتبارك عدم ملء الآبار بالهلام لمنع التجسير عبر الأقطاب الكهربائية المجاورة فوق الغطاء أيضا.
   6. بمجرد أن يكون لجميع أقطاب EEG مقاومة منخفضة ، قم بتنظيف المنطقة الناعمة أسفل عظمة الترقوة اليسرى للمشارك باستخدام مناديل الكحول وابدأ في توصيل قطب ECG.
      1. قم بتوصيل شريط دائري بأسفل قطب تخطيط القلب وضع ما يكفي من الجل لتغطية بئر القطب.
      2. قم بتوصيل القطب بالمنطقة الناعمة أسفل الترقوة اليسرى. ضع شريطا لاصقا أبيض أعلى المستشعر.

5. تطبيق مستشعر EEG و ECG للرضيع

1. اطلب من مقدم الرعاية مساعدة الرضيع في ارتداء سترة ، يتم توفيرها من قبل المجربين ، مع جيب خلفي ، والذي سيخزن مكبر الصوت لاحقا.
2. بإذن من مقدم الرعاية ، نظف الجبهة باستخدام مناديل الكحول. قم بقياس محيط رأس الرضيع عن طريق وضع شريط القياس حول النقاط المرجعية الأربع.
3. إذا كان الرضيع في مزاج جيد واضح ويلعب بسعادة بمفرده أو مع مقدم رعاية ، فاستمر في وضع غطاء EEG. استشر مقدم الرعاية فيما يتعلق بمزاج الرضيع واستعداده لأغطية الرأس. قم بإعداد الطعام الجاف أو الألعاب لشغل يدي الرضيع قبل السد ، إذا كان ذلك مقبولا مع الوالد. بالإضافة إلى ذلك ، ضع الرضيع في حضن مقدم الرعاية حتى يشعر بالراحة أثناء عملية التبلور.
4. ضع الغطاء على رأس الرضيع بنفس حركة التمدد التي تشبه التاج ، واربط الخطاف والحلقة تحت الذقن. اطلب من المجرب الثاني أو مقدم الرعاية مطالبة الرضيع بالنظر إلى الأعلى ، باستخدام حشرجة الموت ، بحيث يكون من الأسهل ربط الخطاف ونهايات الحلقة.
   1. تأكد من أن أي غرة أو شعر شارد على وجه الرضيع مدسوس بدقة تحت الغطاء لمنع الانزعاج أو إعاقة الرؤية.
   2. قم بتنعيم الغطاء برفق للتأكد من أن الأقطاب الكهربائية على اتصال وثيق بفروة الرأس. تأكد من عدم وجود تجاعيد على الغطاء.
5. استخدم شريط القياس للتأكد من وضع الغطاء بشكل صحيح ، مع وجود قطب Cz عند نقطة المنتصف أو أعلى الرأس واستخدم طريقة الضغط والتحرير للضبط إذا لزم الأمر (انظر الخطوة 4.7).
6. قم بتوصيل مكبر الصوت بإحكام بالغطاء. بمجرد الاتصال ، اعرض قراءات المعاوقة.
7. ضع مكبر الصوت المتصل في الجيب في الجزء الخلفي من سترة الرضيع.
8. تطبيق هلام EEG و ECG
   1. ابدأ بتطبيق الجل على الأقطاب المرجعية والأرضية. استمر في تبلور الأقطاب الكهربائية المتبقية بدءا من الخلف.
      ملاحظة: قد يكون الرضع صعب الإرضاء قليلا مع لمس المجربين لرؤوسهم أو من الإحساس ببرودة الجل. إذا كانت هذه هي الحالة ، فاترك بعض الوقت لمقدم الرعاية لتهدئة الرضيع قبل المتابعة. يمكن للمجرب الثاني أن يشتت انتباه الرضيع (على سبيل المثال ، عن طريق نفخ الفقاعات أو استخدام الألعاب أو إعطاء بعض الطعام).
   2. املأ جميع فتحات الأقطاب الكهربائية بالهلام ثم تابع استخدام أطراف القطن لتقسيم الشعر بحركة لطيفة من اليسار إلى اليمين في حالة استخدام أقطاب كهربائية سلبية (كما هو الحال هنا) ؛ ارجع إلى المونتاج على برنامج تسجيل EEG للتحقق من المعاوقة أثناء التبلور.
   3. تأكد من أن جميع الأقطاب الكهربائية تظهر مقاومة منخفضة على برنامج تسجيل EEG ، عادة < 50 كيلو أوم ، لأن الرضع أقل تحملا لعملية التبلور مقارنة بالبالغين.
   4. نظف المنطقة الناعمة أسفل عظمة الترقوة اليسرى للرضيع باستخدام مناديل مبللة للأطفال وقم بتوصيل مخطط كهربية القلب أسفل الترقوة اليسرى للرضيع باتباع نفس الإجراء مثل تخطيط كهربية القلب للبالغين.

6. إنشاء مربع تشغيل لمزامنة البيانات متعددة الوسائط

ملاحظة: نظرا لأن تدفقات بيانات المستشعر المختلفة (مثل EEG و ECG والفيديو والصوت) ستبدأ التسجيل في نقاط زمنية مختلفة أثناء الجلسة ، فيجب مزامنتها يدويا لإنشاء جدول زمني واحد للأحداث. وبالتالي ، هناك حاجة إلى حدث مشترك يمكن التقاطه بواسطة كل من كاميرا الفيديو (أي ضوء LED) ومكبر الصوت (أي الإشارة الرقمية أو التناظرية). لتحقيق ذلك ، يتم استخدام صندوق تشغيل مزامنة داخلي ، والذي يمكن بناؤه باستخدام برنامج وحدة تحكم بسيط ، كما هو مفصل أدناه.

1. لبناء صندوق الزناد ، استخدم لوحة تطوير متحكم دقيق ، وموصل LED ، وموصل BNC ، وبنك طاقة ، وجهاز إدخال رقمي (أي زر ضغط) ، وخرج نبضة / إشارة كهربائية (أي أسلاك الزناد) التي تتصل بمنفذ تشغيل مكبر الصوت (انظر الشكل 2B).
   1. قم بتوصيل موصل BNC الأنثوي بزر الضغط ، والذي يعمل كمدخل (على سبيل المثال ، دبوس الإدخال: 8) ، ويعمل ضوء LED وإشارة النبض الكهربائي كمخرج (على سبيل المثال ، دبوس الإخراج: 12 ؛ انظر الشكل 2A).
   2. قم بتوصيل موصل BNC بمضخمين عبر كبلات الأسلاك الكهربائية مقاس 2.5 مم ، مما ينتج عنه مشغلات بت واحدة تحدد العينات في تسجيل EEG-ECG عندما يقرأ إشارة TTL الرقمية من زر الضغط (انظر الشكل 2C).
2. قم بتكوين إعدادات منفذ التشغيل لمضخمات البالغين والرضع بطريقة متطابقة لضمان مزامنة EEG-EEG محكمة ودقيقة.
   1. صمم نظام الزناد بحيث يتم إنتاج علامات الزناد في كل من تسجيلات مكبر الصوت عند تحرير زر الضغط على الزناد (بعد الضغط عليه) بدلا من الضغط عليه.
   2. حدد الحالة الحالية لمنفذ الزناد في مكبرات الصوت. إذا كان هذا في البداية عند 0 أو LOW ، فاضبط المنفذ على منخفض النشاط لإنتاج علامة عند تحرير زر الضغط. بدلا من ذلك ، إذا كانت الحالة الأولية للمنفذ هي 1 أو HIGH ، فقم بتعيين المنفذ ليكون عالي النشاط لإنتاج علامة عند تحرير زر الضغط (انظر الشكل 3).

الشكل 2: بناء صندوق الزناد. (أ) مخطط دائرة المتحكم الدقيق لصندوق الزناد ؛ (ب) الأجزاء الداخلية لصندوق الزناد المدمج؛ (ج) صندوق الزناد متصل بمضخمات EEG-ECG للبالغين والرضع ، وزر الضغط على الزناد ، وبنك الطاقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: إعدادات منفذ الزناد النشط والنشط المنخفض. اعتمادا على الحالة الأولية لدبوس الزناد (0 أو 1) ، يتم اختيار إعداد منفذ الزناد (نشط عالي ، HA أو منخفض نشط ، LA) بحيث يتم إنتاج العلامة في نهاية النبضة (عند تحرير زر الضغط على الزناد). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

7. تزامن تيارات الاستشعار

1. لتسهيل المزامنة ، قم بتوصيل مستقبل الميكروفون بكاميرا الفيديو الخاصة به ، وبالتالي مزامنة الفيديو (كاميرا الفيديو) تلقائيا مع الصوت (الميكروفون).
   ملاحظة: نظرا لأن الميكروفونات متصلة بكاميرات الفيديو وتأتي أقطاب EEG وECG من مجموعة فرع قطب EEG المتصلة بنفس مكبر الصوت ، تتم مزامنة تدفقات البيانات هذه تلقائيا مسبقا.
2. قم بتوصيل جهاز إرسال الميكروفون المعني بياقة الجزء العلوي من مقدم الرعاية وسترة الرضيع.
3. ابدأ تسجيلات كاميرا الفيديو لجميع كاميرات الفيديو الثلاث بعد التأكد من أن تحديد مواقعها يمكنه التقاط إشارة ضوء LED من صندوق الزناد في الغرفة.
4. ابدأ تسجيل EEG على الكمبيوتر المحمول ومكبر الصوت (إصدار بطاقة SD) لكل من الرضيع ومقدم الرعاية. لتسهيل المزامنة بعد الجلسة ، ابدأ تشغيل الكاميرات أولا ، متبوعا بمستشعرات EEG بالترتيب بين البالغين والرضيع نظرا لأن مخطط كهربية الدماغ للرضيع هو المستشعر الرئيسي الذي تتم مزامنة كل مستشعر آخر معه (لتجنب إزاحة الفيديو EEG السلبية).
5. قم بتوصيل كلا المضخمين بإعداد صندوق الزناد باستخدام مقبس 2.5 مم بإحكام لتجنب العلامات الزائفة (الشكل 2C).
   ملاحظة: يجب رؤية علامة الزناد على الدفق المستمر لتخطيط كهربية الدماغ حيث يتم توصيل المقبس بمكبر الصوت.
6. مزامنة تدفقات البيانات باستخدام مربع المشغل.
   1. قم بإجراء ضغطات طويلة على الزر لأن الفرق في مظهر العلامة بين التكوينين (بدء الضغط على الزر مقابل نهايته) لا يمكن ملاحظته إلا عندما تكون الضغطات طويلة بشكل كبير (بطول 1-2 ثانية على الأقل).
   2. قم بإجراء ضغطات طويلة متعددة لإنتاج مشغلات متعددة لزيادة دقة وموثوقية الإزاحات المقدرة بين المستشعرات والمساعدة في المزامنة اللاحقة في المواقف التي لا يتم فيها تسجيل بعض المشغلات بواسطة بعض المستشعرات.
   3. تحقق من جميع الكاميرات للتحقق مما إذا كانت إشارة LED من صندوق الزناد مرئية في التسجيلات وتحقق مما إذا كانت هناك علامات متزامنة معروضة في تسجيلات EEG المستمرة على الكمبيوتر المحمول.
7. قم بإزالة مكبرات الصوت من إعداد صندوق التشغيل وتأكد من توصيل مكبرات الصوت بإحكام بأغطية EEG المعنية.
8. قم بإجراء المزامنة هذا في بداية الجلسة التجريبية وفي نهايتها ، خاصة إذا تم استخدام كاميرات الويب لمراقبة إطارات الفيديو المتساقطة ، مما يؤدي إلى انحراف المزامنة.

8. تجربة التفاعل بين الوالدين والرضيع

1. قبل البدء في مهمة التفاعل بين الوالدين والرضيع ، قم بإزالة جميع المعدات من الطاولة لإزالة عوامل التشتيت المحتملة لتجارب التفاعل بين مقدم الرعاية والرضيع.
2. إجراء المهام التجريبية.
   ملاحظة: تم اختيار المهام للتأكيد على التفاعلات الطبيعية بين الثنائي مع الحد الأدنى من التعليمات أو المشاركة من المجرب (على سبيل المثال ، اقرأ مع طفلك لمدة 5 دقائق كما تفعل عادة في المنزل). يعتمد طول المهمة على راحة المشاركين وقيود المعدات ، على سبيل المثال ، عمر بطارية مكبر الصوت.
3. إذا أمكن ، تأكد من إخفاء جميع المجربين عن رؤية الرضيع طوال التجربة لتجنب الانحرافات. أحد المجربين هو البقاء في مكان قريب مع أجهزة الكمبيوتر المحمولة المسجلة لتتمكن من التدخل في حالة ظهور أي مشكلات في تدفق المستشعر. تأكد من أن أجهزة الكمبيوتر المحمولة الخاصة بالتسجيل على مقربة من مكبرات الصوت (< 10 أمتار) لتجنب العينات المفقودة بسبب تدهور اللاسلكي (Wi-Fi و Bluetooth).

9. التطهير في نهاية التجربة

1. أوقف التسجيلات على كاميرات الفيديو وبرنامج تسجيل EEG على الكمبيوتر المحمول ومكبر الصوت. قم بإيقاف تشغيل مكبر الصوت وفصله عن الغطاء.
2. إزالة أغطية EEG
   1. قم بإزالة أشرطة تخطيط كهربية القلب والأقطاب الكهربائية برفق بدءا من مقدم الرعاية أو اطلب من مقدم الرعاية إزالة مخطط كهربية القلب للرضيع إذا لزم الأمر. نظرا لأن جلد الرضيع حساس ، استخدم مناديل الأطفال المبللة أو الماء الدافئ لتبليل الشريط لتسهيل إزالته.
   2. ابدأ بإزالة نهايات الخطاف والحلقة للغطاء ، ثم انزع الغطاء للخلف وقم بقلبه من الداخل للخارج. استخدم مناديل الأطفال المبللة لتنظيف بقايا الجل من رأس الرضيع واستمر في إزالة غطاء مقدم الرعاية.
   3. انصح مقدم الرعاية بأن الجل الزائد يغسل بسهولة في الحمام.
3. الاستعدادات للنقل
   1. ضع غطاء EEG مع أقطاب EEG و ECG في كيس بلاستيكي. تأكد من أن الجل الموجود على الغطاء لا يتلامس مع صندوق تقسيم الغطاء. احتفظ بالأسلاك وصندوق التقسيم في صندوق منظم أثناء النقل.
   2. لمنع التلف الميكانيكي أثناء النقل ، قم بتعبئة مكبر الصوت في صندوق مبطن لتقليل الاهتزاز.
4. تنظيف ما بعد الغطاء في المختبر
   1. ابدأ في تنظيف أغطية EEG في أسرع وقت ممكن.
   2. ضع أغطية EEG في حوض التنظيف وقم بشطيرة الأسلاك بقطعة قماش جافة بعيدا عن مصدر المياه. تأكد من أن صندوق التقسيم لا يتلامس مع الماء.
   3. صب حوالي 1 لتر من الماء في الحوض وإضافة 10 مل من المطهرات القائمة على الألدهيد. اترك الغطاء داخل المحلول لمدة 10 دقائق. لا تحتفظ بالغطاء في المحلول لفترة طويلة أو تضع الكثير من المطهرات ، لأنه سيسرع من تدهور الأغطية بمرور الوقت.
   4. بعد 10 دقائق ، استخدم فرشاة أسنان لتنظيف بقايا الجل من الأقطاب الكهربائية تحت الماء الجاري. كن حذرا بشكل خاص أثناء تنظيف الأقطاب الكهربائية النشطة لأنها تحتوي على دوائر إلكترونية صغيرة مدمجة في كل قطب كهربائي.
   5. شطف الغطاء جيدا بالماء لإزالة محلول مطهر.
   6. باستخدام قطعة قماش جافة ، جفف الغطاء وأدخل قطعة قماش جافة داخل الغطاء لامتصاص أي رطوبة متبقية. أغلق نهايات الخطاف والحلقة للحفاظ على قطعة القماش الجافة داخل الغطاء.
   7. الغطاء حتى يجف وتأكد من أن الأطراف الرطبة للغطاء لا تفي بالموصلات. لتحقيق ذلك ، ضع الغطاء في موضع أقل من صندوق التقسيم والموصلات أثناء التعليق.
5. توفير البيانات
   1. تأكد من تصدير البيانات من بطاقات SD الخاصة بكاميرات الفيديو ومكبرات الصوت والتسجيلات من الكمبيوتر المحمول ونسخها احتياطيا إلى موقع تخزين البيانات.

10. ضمان جودة البيانات

1. بيانات الفيديو والصوت
   1. تحقق من تشغيل الصوت ، وأنه لم يتم إعاقة أي عرض أثناء المهام ، وأنه تم التقاط العلامات.
2. بيانات EEG-ECG
   1. تأكد من وجود تسجيل بطاقة SD وعدم تلفه. تحقق مما إذا تم التقاط العلامات في كل من تسجيلات EEG.
   2. تحقق من وجود أعطال فنية ، أي فصل مكبر الصوت والتداخل الكهربائي أو الميكانيكي في إشارة EEG / ECG.

11. معالجة البيانات

1. مزامنة التسجيلات متعددة المستشعرات
   1. قم باستيراد مقاطع فيديو مقدم الرعاية والرضع وكاميرا الفيديو المدمجة إلى برنامج تحرير الفيديو.
   2. انتقل إلى الفيديو لتحديد الإطارات المحددة التي يظهر فيها كل ضوء تشغيل LED لأول مرة. استمر في تصفح الفيديو وأضف علامة أخرى في الإطار المحدد الذي يختفي فيه ضوء LED تماما لكل مشغل.
   3. أكمل هذه الخطوات لمقاطع الفيديو الثلاثة جميعها. بمجرد الانتهاء ، اكتب أرقام إطارات العلامات من جميع مقاطع الفيديو في جدول بيانات.
   4. افتح ملفات علامة EEG من بطاقة SD الخاصة بمكبر الصوت للرضيع والبالغ. اكتب معلومات عينة العلامة في جدول بيانات.
   5. نظرا لأن الفيديو يتم تسجيله بإطارات في الثانية (FPS ، على سبيل المثال ، 25 إطارا في الثانية) ويتم تسجيل EEG-ECG في عينات في الثانية (على سبيل المثال ، 500 هرتز) ، قم بتحويل أرقام الإطارات والعينات إلى وحدة قياس مشتركة ، مثل مللي ثانية (مللي ثانية) ، لتتمكن من إنشاء جدول زمني واحد.
   6. لكل مستشعر (مقاطع فيديو وتسجيلات فسيولوجية) ، احسب الأوقات بين المشغلات ، والتي يشار إليها هنا باسم فترات المشغلات البينية (ITI) ، عن طريق طرح الطابع الزمني ms لكل زوج من العلامات المتتالية.
      ملاحظة: على الرغم من اختلاف أوقات بدء مستشعرات التسجيل ، إلا أن ITIs بالمللي ثانية لنفس مجموعة المشغلات عبر المستشعرات المختلفة (مقاطع الفيديو و EEGs) يجب أن تظل متطابقة. لذلك ، للتحقق من صحة ذلك ، احسب الفرق في كل ITI (ITI Lag) بين كل مستشعر و EEG الرئيسي.
   7. تحقق من جودة الفيديو EEG ITI Lags. نظرا لأن معدل أخذ العينات / FPS يختلف بين المستشعرين ، فعادة ما يكون ل EEG معدل أخذ عينات أعلى بكثير من مقاطع الفيديو ، مما يسمح بحدوث خطأ في التسامح ± إطار فيديو 1 (هنا ، 40 مللي ثانية) لتأخر ITI المحسوب EEG-video.
   8. تحقق من جودة EEG للبالغين - تأخر ITI لتخطيط كهربية الدماغ للرضع. نظرا لأن لديهم نفس معدل أخذ العينات ، اسمح بالتسامح مع الخطأ ± 1 عينة EEG (هنا ، 2 مللي ثانية).
   9. بمجرد اكتمال هذه الفحوصات ، احسب الإزاحات بين كل مستشعر والجدول الزمني للمستشعر الرئيسي (في هذه الحالة ، تخطيط كهربية الدماغ للرضع).
   10. اطرح الطابع الزمني ms لكل علامة تشغيل ل Master EEG من العلامات المعنية لكل مستشعر (مقاطع الفيديو ، EEG للبالغين). ينتج عن ذلك إزاحات N [مستشعر - مخطط كهربية الدماغ الرئيسي] (N = عدد المشغلات) لكل مستشعر.
   11. لكل مستشعر ، احسب متوسط هذه الإزاحات وقم بتقريبها لأعلى لإنتاج رقم الإزاحة النهائي فيما يتعلق ب EEG الرئيسي. استخدم أرقام الإزاحة هذه لقص الفيديو وبيانات EEG للبدء في نفس الوقت مع EEG الرئيسي.
2. ترميز فيديو بسيط
   1. لتحديد المراحل المختلفة للتجربة داخل مقاطع الفيديو (على سبيل المثال ، بداية ونهاية المهام التجريبية أو الانقطاعات) ، قم بتدوين الطوابع الزمنية المحددة في الإطارات باستخدام برنامج تحرير الفيديو.
3. المعالجة المسبقة لمخطط كهربية الدماغ
   1. قص ملفات EEG للبالغين والرضع في بداية ونهاية المهمة.
   2. تحديد القنوات السيئة وإزالتها
      1. قم بتدوين أي قنوات تبدو صاخبة باستمرار أو لا تحتوي على إشارة طوال / غالبية تسجيل المهمة.
         ملاحظة: بالنسبة للتسجيلات منخفضة الكثافة ، فإن الهدف هو الاحتفاظ بأكبر عدد ممكن من القنوات. وبالتالي ، بالنسبة للقنوات السيئة لفترات زمنية قصيرة فقط ، يفضل إزالة شريحة البيانات التالفة في مرحلة لاحقة من التحليل بدلا من القناة نفسها.
      2. ارسم الكثافة الطيفية للطاقة (PSD) وافحصها بصريا لتحديد القنوات البعيدة.
   3. لإزالة الاتجاهات الخطية البطيئة (أكثر من 2 ثانية) ، قم بتصفية البيانات باستخدام مرشح الترددات العالية الأساسي ل FIR بتردد قطع يبلغ 0.5 هرتز.
   4. لإزالة الضوضاء عالية التردد من المصادر العضلية والخارجية ، قم بتصفية البيانات باستخدام مرشح الترددات المنخفضة الأساسي ل FIR بتردد انقطاع يبلغ 35 هرتز.
   5. قسم البيانات إلى حقب 1 s متتالية وغير متداخلة.
   6. رفض جميع الشرائح التي تقل قيمتها عن -100 ميكروفولت (للبالغين) و/أو -150 (للرضع) و/أو القيمة القصوى التي تزيد عن +100 ميكروفولت (للبالغين) و+150 (للرضع).
   7. افحص بصريا جميع الشرائح التي لم يتم استبعادها في 11.3.6. رفض جميع الشرائح التي تحتوي على عناصر يدويا. إذا كان مقطع 1s واحدا فقط مقبولا يقع بين الشرائح المرفوضة، فقم بإزالة الفترة بأكملها حتى لا يتم الاحتفاظ بشرائح 1s واحدة.
   8. لتحليل INS / dyadic ، قم بتحليل الأجزاء المقبولة فقط والمشتركة بين البالغين والرضع. من خلال إزالة جميع شرائح البالغين التي تم رفضها في الرضيع والعكس صحيح ، تأكد من أن السلسلة الزمنية لتخطيط كهربية الدماغ للبالغين والرضع تظل متوافقة تماما.

النتائج

كان المشاركون المشمولون في هذه الدراسة تتراوح أعمارهم بين 8 و 12 شهرا ، وعادة ما يتطورون الرضع وأمهم و / أو جدتهم الذين يتحدثون الإنجليزية أو الإنجليزية ولغة ثانية في المنزل. تم الحصول على 7 أقطاب كهربائية EEG وتخطيط كهربية القلب أحادي الرصاص للبالغين والرضع ، بالإضافة إلى تسجيلات الفيديو وال...

Discussion

في هذا البروتوكول ، نجري قياسات في منازل المشاركين حيث قد يشعر الرضع ومقدمو الرعاية براحة أكبر وقد تكون سلوكياتهم أكثر تمثيلا لتفاعلاتهم الواقعية بدلا من الإعداد المختبري ، وبالتالي زيادة الصلاحية البيئية⁷. وعلاوة على ذلك، فإن التسجيلات في البيئة المنزلية قد تخفف العبء على ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
10 cc Luer Lock Tip syringe without Needle	Terumo Corporation
actiCAP slim 8-channel electrode set (LiveAMP8)	Brain Products GmbH
Arduino Software (IDE)	Arduino	Arduino IDE 1.8.19	The software used to write the code for the Arduino microcontroller. Alternate programming software may be used to accompany the chosen microcontroller unit.
Arduino Uno board	Arduino		Used for building the circuit of the trigger box. Alternate microcontroller boards may be used.
BNC connectors			BNC connectors to connect the various parts of the trigger box setup.
BNC Push button	Brain Products GmbH	BP-345-9000	BNC trigger push button to send triggers.
BNC to 2.5 mm jack trigger cable (80 cm)	Brain Products GmbH	BP-245-1200	BNC cables connecting the 2 LiveAmps to the trigger box.
BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383	Brain Products GmbH		EEG analysis software.
BrainVision Recorder License with dongle	Brain Products GmbH	S-BP-170-3000
BrainVision Recorder Version 1.23.0003	Brain Products GmbH		EEG recording software.
Custom 8Ch LiveAmp Cap passive (infant EEG caps)	Brain Products GmbH	LC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48	For infant head sizes 44, 46, 48 . Alternate EEG caps may be used.
Dell Latitude 3520 Laptops	Dell		Two laptops, one for adult EEG recording and one for infant EEG recording. Alternate computers may be used.
Dental Irrigation Syringes
LiveAmp 8-CH wireless amplifier	BrainProducts GmbH	BP-200-3020	Two LiveAmps, one for adult EEG and one for infant EEG. Alternate amplifier may be used.
Manfrotto MT190X3 Tripod with 128RC Micro Fluid Video Head	Manfrotto	MT190X3	Alternate tripods may be used.
Matlab Software	The MathWorks, Inc.	R2023a	Alternate analysis and presentation software may be used.
Power bank (10000 mAh)	Philips	DLP6715NB/69	Alternate power banks may be used.
Raw EEG caps	EASYCAP GmbH		For Adult head sizes 52, 54, 56, 58. Alternate EEG caps may be used.
Rode Wireless Go II Single Set	Røde Microphones		Alternate microphones may be used.
Sony FDR-AX700 Camcorder	Sony	FDR-AX700	Alternate camcorders or webcams may be used.
SuperVisc High-Viscosity Gel	EASYCAP GmbH	NS-7907