[논문 리뷰] Ballistic gelatin as a putative substrate for EEG phantom devices

W. David Hairston, Geoffrey A. Slipher외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 25.

Advanced MRI Techniques and ApplicationsMedicine인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 NaCl 농도를 조절하여 전기적 성질을 조절할 수 있는 특성을 활용해 저비용이며 조절 가능한 기반 재료로 구조탄 젤리(gelatin)를 EEG 펌프(phantom) 장치에 제안한다. 저자들은 염화나트륨 농도를 변화시킴으로써 재료의 위상 및 주파수 응답을 정밀하게 제어할 수 있음을 입증하여, 반복 가능하고 표준화된 EEG 하드웨어 검증에 적합한 재료임을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• EEG 하드웨어와 소프트웨어의 표준화된 검증을 위해 저비용이며 재현 가능한 EEG 펌프 장치의 기반 재료를 개발하기 위해.
• 인간의 두피 전기 임피던스를 정확히 모방하는 표준화된 EEG 펌프의 부족을 보완하기 위해.
• 구조탄 젤리를 실용적이고 성형이 가능하며 비용 효율적인 재료로 활용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 통제된 NaCl 농도를 통해 전기적 성질(실수부 및 허수부 임피던스 성분)을 조절할 수 있도록 하기 위해.
• 실험 간 일관성 있는 비교가 가능한 물리적 안정성과 반복 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 전기적 전도도와 허용도를 조절하기 위해 다양한 농도의 NaCl를 첨가한 구조탄 젤리를 사용하여 실험을 수행한다.
• 주파수 범위에 걸쳐 전기적 임피던스를 측정하여 위상 및 크기 응답 프로파일을 평가한다.
• 장기 실험에서 일관된 성능 유지를 위해 시간 경과에 따른 물리적 안정성을 모니터링한다.
• 재료의 전기적 성질 조절 가능성을 평가하기 위해 위상/주파수 응답을 분석한다.
• 내부 전기 이중극자를 구현할 수 있도록 설계하여 실제 EEG 소스 활동을 시뮬레이션한다.
• 일반적이고 저렴한 재료를 사용함으로써 실험실 간 복제가 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조탄 젤리는 EEG 적용에서 인간의 두피 조직의 복합 임피던스 특성을 재현할 수 있도록 조절 가능한가?
• RQ2 NaCl 농도를 변화시킬 경우 구조탄 젤리의 전기적 성질(실수부 및 허수부 성분)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 구조탄 젤리는 제어된 EEG 펌프 실험에 사용하기에 시간이 지나도 물리적으로 안정적이고 재현 가능한가?
• RQ4 재료는 뇌 활동을 시뮬레이션하기 위해 내부 전기 이중극자를 형성할 수 있는가?
• RQ5 재료는 비용 효율적이며 다양한 연구 실험실에서 쉽게 복제 가능한가?

주요 결과

• NaCl 농도를 변화시킴으로써 구조탄 젤리의 위상 및 주파수 응답을 체계적으로 조절할 수 있으며, 이는 전기적 임피던스 제어를 가능하게 한다.
• 젤리-소금 복합재료의 전기적 성질은 농도 변화에 따라 일관되고 측정 가능한 변화를 보이며, 조절 가능성의 근거를 제공한다.
• 재료는 시간이 지나도 물리적 안정성을 유지하여 장기 실험에 적합하다.
• 여러 배치 간 반복 가능한 전기적 거동을 보이며, 실험실 간 재현성이 확보된다.
• 저렴하고 일반적인 재료(젤리와 소금)를 사용함으로써 EEG 펌프의 저비용이고 확장 가능한 제작이 가능하다.
• 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어 검증에 적합한 현실적인 표준화된 EEG 펌프 장치를 구현할 잠재력을 보여준다.