[論文レビュー] Ballistic gelatin as a putative substrate for EEG phantom devices

W. David Hairston, Geoffrey A. Slipher+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2016

Advanced MRI Techniques and ApplicationsMedicine被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、塩化ナトリウム（NaCl）濃度を調整することで電気的特性を変更可能な点を活かし、低コストで調整可能な基板として発砲ゼラチンをEEGフィンガープレートデバイスに用いることを提案している。著者らは、塩分濃度を変化させることで材料の位相および周波数応答を正確に制御できることを実証しており、再現性があり標準化されたEEGハードウェアの検証に適している。

ABSTRACT

Phantom devices allow the human variable to be controlled for in order to allow clear comparison and validation of biomedical imaging hardware and software. There is currently no standard phantom for electroencephalography (EEG). To be useful, such a device would need to: (a) accurately recreate the real and imaginary components of scalp electrical impedance, (b) contain internal emitters to create electrical dipoles, and (c) be easily replicable across various labs and research groups. Cost-effective materials, which are conductive, repeatable, and easily formed are a missing key enabler for EEG phantoms. Here, we explore the use of ballistics gelatin, an inexpensive, easily-formable and repeatable material, as a putative substrate by examining its electrical properties and physical stability over time. We show that varied concentrations of NaCl salt relative to gelatin powder shifts the phase/frequency response profile, allowing for selective tuning of the material electrical properties.

研究の動機と目的

• EEGハードウェアおよびソフトウェアの検証を標準化するため、低コストで再現性のあるEEGフィンガープレートデバイスのための基板を開発すること。
• 人間の頭皮の電気的インピーダンスを正確に再現できる標準化されたEEGフィンガープレートの不足を解消すること。
• 発砲ゼラチンが、現実的なEEGフィンガープレートモデルを形成するのに適した、成形可能でコスト効率の良い材料としての可能性を検討すること。
• 制御されたNaCl濃度によって、電気的インピーダンス（実部および虚部成分）の調整を可能にすること。
• 物理的安定性と繰り返し性を確保し、異なる研究室間での一貫した実験比較を可能にすること。

提案手法

• 電気的導電率および誘電率を調整するために、さまざまなNaCl濃度を含む発砲ゼラチンを用いる。
• 周波数範囲にわたる電気的インピーダンスを測定し、位相および振幅応答プロファイルを評価する。
• 長期実験における一貫した性能を確保するため、材料の物理的安定性を時間経過とともにモニタリングする。
• 材料の電気的特性の調整可能性を評価するため、位相／周波数応答を分析する。
• 内部電気双極子を支持するように設計されており、現実的なEEG源活動を模倣する。
• 一般的で安価な材料を用いるため、研究室間での再現が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発砲ゼラチンは、EEG用途において人間の頭皮組織の複雑なインピーダンス特性を再現できるように調整可能か？
• RQ2 NaCl濃度を変化させると、発砲ゼラチンの電気的特性（実部および虚部成分）にどのような影響を与えるか？
• RQ3 発砲ゼラチンは、制御されたEEGフィンガープレート実験において物理的に安定しており、時間経過に伴って再現性を保てるか？
• RQ4 材料は、脳活動を模倣する内部電気双極子の作成を可能にするか？
• RQ5 この材料は低コストであり、さまざまな研究室で容易に再現可能か？

主な発見

• 発砲ゼラチンにNaCl濃度を変化させることで、材料の位相および周波数応答を体系的に調整でき、インピーダンスの制御が可能になる。
• ゼラチン-塩素化ナトリウム複合材料の電気的特性は、塩分濃度に応じて一貫して測定可能に変化し、調整可能性が裏付けられる。
• 材料は時間経過に伴って物理的安定性を維持しており、長期実験における使用に適している。
• 複数のバッチにわたって電気的挙動が繰り返し測定可能であり、研究室間での再現性が確保される。
• 安価で一般的な材料（ゼラチンと塩）を用いることで、EEGフィンガープレートの低コストかつスケーラブルな製造が可能になる。
• 本システムは、ハードウェアおよびソフトウェアの検証に適した現実的で標準化されたEEGフィンガープレートデバイスの実現に潜在的である。