Einflussfaktoren der EDA-Messung

Inhalt

 

Lügendetektoren (auch Polygraphen genannt) versuchen unter anderem durch Messung der elektrodermalen Aktivität eine Lüge zu entdecken. Weil lügen jedoch keine spezifische physiologische Reaktion hervorruft, liefern Polygraphen auch keine zuverlässigen Ergebnisse.

Faktoren, die eine EDA-Messung beeinflussen

1. Einführung

Im vorhergehenden Blogbeitrag „Elektrodermale Aktivität: Enthüllung der elektrischen Signale von Emotion und Physiologie“ habe ich grundlegende Eckpunkte zur EDA erläutert. Dabei bin ich unter anderem auf den Hintergrund und die Anwendungen der EDA-Messung mit den Signaleigenschaften und Messmethoden eingegangen. Falls du nochmal nachlesen möchtest oder den ersten Teil bisher gar nicht gesehen hast, kannst du hier den Blogbeitrag finden:

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Dieser zweite Teil der EDA-Blogserie bietet eine gründliche Analyse der zahlreichen Faktoren, die eine EDA-Messung beeinflussen. Wir haben bereits festgestellt, dass EDA ein physiologisches Maß ist, das die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit auf der Hautoberfläche bei einem externen emotionalen Reiz widerspiegelt [1]. Die EDA kann zur Messung der Aktivität des sympathischen Nervensystems und der emotionalen Erregung verwendet werden. Sie ist ein nützliches Instrument zur Erforschung von emotionalen Reaktionen und Stress in einer Vielzahl von akademischen und therapeutischen Bereichen.

Ein EDA-Messsystem besteht aus zwei großen Funktionseinheiten: einem Schaltkreis zur Erzeugung von Stimulationssignalen und einer Erfassungs- und Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale. Das System kann weiter in Unterblöcke wie Elektroden, Sensoren, Oszillator, ADC und eine Signalverarbeitungseinheit unterteilt werden. Es gibt mehrere Variablen, die eine EDA-Messung beeinflussen können; einige wichtige davon werden in diesem Artikel behandelt.

Neben der Auflistung dieser Faktoren werden auch Optionen in Bezug auf ihre Variation und ihre spezifischen Auswirkungen genannt. Ich schließe jeden Abschnitt dieses Beitrags mit einer Empfehlungen für die Variation dieser Faktoren. Im letzten Abschnitt dieses Blogbeitrags werden Einschränkungen und Quellen von Artefakten im Zusammenhang mit EDA-Messungen aufgeführt.

2. Erregungssignale

Exosomatische Aufzeichnungen des Hautleitwerts sind eine wichtige Methode zur Messung der EDA. Ein kontrolliertes elektrisches Signal ist die wichtigste Voraussetzung für diese Methodik [2]. Ein nicht nachweisbares elektrisches Signal muss auf kontrollierte Weise an die Epidermis der Testperson angelegt werden, um das Antwortsignal aufzuzeichnen. Die Art und Beschaffenheit dieser Erregungssignale (Stimulationssignale) kann die Qualität der Messung stark beeinflussen. In diesem Abschnitt werde ich verschiedene Effekte untersuchen, die durch Eigenschaften des Anregungssignals verursacht werden.

2.1. Art der Erregung

Sowohl kontrollierte Spannung (CV) als auch kontrollierter Strom (CC) können als externe Erregungsquelle für EDA-Messungen verwendet werden, deswegen werde ich einige Eigenschaften und die wichtigen Vor- und Nachteile hier nennen:

  • Spannung Anwendung
    Die Implementierung einer Konstantspannungsquelle ist viel einfacher, und es ist keine weitere Umwandlung des Ausgangs erforderlich, da die Hautleitfähigkeit des Ausgangs direkt ermittelt werden kann. Jeder moderne Mikrocontroller kann einen Spannungsstimulus mit der gewünschten Frequenz und Amplitude liefern. Wie bereits erwähnt, können die Schweißdrüsen in und unter der Epidermis als ein paralleles Netzwerk von Widerständen und Kapazitäten dargestellt werden, deren Widerstand (Reaktanz) je nach Hydratation des jeweiligen Kanals variieren kann. Wenn eine Spannung an ein solches paralleles Netzwerk angelegt wird, fällt die gleiche Spannung über das Netzwerk ab, während sich der Strom, der durch diese Kanäle fließt, gemäß dem Ohmschen Gesetz ändert. Andererseits kann eine sehr geringe Spannung eine große Strommenge in den Leitungen mit geringem Widerstand verursachen, was zu Änderungen der Hautleitfähigkeit führen kann, die nicht mit dem sympathischen Nervensystem in Verbindung gebracht werden. Dies kann bei der Analyse zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Die Verwendung von Spannung als Erregungssignal kann zu einer Polarisierung der Elektroden führen, die dem gemessenen Signal Artefakte hinzufügt. Ein zusätzlicher Transimpedanzverstärker (TIA) ist erforderlich, um die Stromausgangssignale für die Analyse in Spannung umzuwandeln.
  • Stromeinspeisung
    Durch die Injektion von Strom kann der Stromfluss durch die Elektroden gesteuert werden, was eine Polarisierung der Elektroden verhindert. Die Variation der Hautimpedanz in Abhängigkeit von der kontrollierten Stromdichte erhöht die Linearität der Messung. Alle modernen EDA-Sensoren liefern sowohl EDL- als auch EDR-Daten, so dass die Umwandlung von Impedanz in Admittanz recht einfach ist.
    Das einzige größere Problem bei der Verwendung des CC-Signals als externer Stimulus beginnt mit der Tatsache, dass einige der epidermalen Kanäle im Vergleich zu den gut gefüllten Kanälen einen hohen Widerstand (Trockner) aufweisen. In einem solchen Fall müssen die Kanäle mit geringem Widerstand eine unphysiologisch hohe Strommenge führen. Dieser hohe Strom kann biophysikalische Effekte auf der Haut verursachen (Elektroosmose). Dies führt zu einer hohen Nichtlinearität im Messprozess. Neben der Nichtlinearität kann ein solch hoher Strom die Schweißkanäle beschädigen und die Testperson schädigen.
    Mit der kontrollierten Stromquelle ist keine zusätzliche TIA erforderlich, allerdings wird ein AC-gekoppelter Verstärker benötigt, um solche schwachen Spannungssignale in höhere Signalpegel umzuwandeln. Außerdem können bei Verwendung einer CC-Anregungsquelle sowohl endogene als auch exogene EDA-Messungen in einem einzigen System durchgeführt werden [3]. Allerdings ist bei dieser Anordnung ein langsamer, zeitlich variierender Wechselstrom erforderlich, um Interferenzen zu vermeiden.
  • Bemerkungen
    In den meisten Fällen wird der EDA-Sensor in Verbindung mit anderen Vitalzeichensensoren verwendet. Daher hängt die Wahl des Erregungsmodus auch von der Gestaltung der peripheren Schaltungen ab. In der Literatur finden sich zahlreiche Analysen von Messungen mit beiden Erregungsarten. Eine detaillierte Studie wird in [4] vorgestellt, in der eine nahezu simultane Messung von EDA mit CV- und CC-Quellen durchgeführt wird. Für die DC-Messung wird der Korrelationskoeffizient mit 0,67 als niedrig angegeben. Wenn jedoch ein niederfrequentes (100 Hz) Signal als elektrische Stimulation verwendet wird, sind die Ergebnisse hochgradig kongruent und die Korrelation zwischen AC-CC und AC-CV nähert sich 1 (der Korrelationskoeffizient beträgt 0,96 bis 0,99).
    Die Studie kommt auch zu dem Schluss, dass die Art des Anregungssignals für die AC-Messung nahezu irrelevant ist.
  • Empfehlung
    Für die niederfrequente Wechselstromerregung kann jeder Modus verwendet werden, aber eine konstante Spannung wird jedoch aus Sicherheitsgründen für die Versuchsperson empfohlen. Bei der Spannung kann es zwar zu einer Nichtlinearität bei der Messung kommen, da die Stromdichte unter der Elektrode nicht kontrolliert werden kann. Mit modernen Sensoren und Datenverarbeitungstechniken ist dies jedoch kein Problem mehr.

 

2.2. Methode der Erregung

Neben der Art der Erregung ist auch die Methode der Erregungssignale wichtig. Soll ein unipolares konstantes elektrisches Signal oder ein Wechselstromsignal mit konstantem Spitze-Spitze-Wert gewählt werden? Diese Fragen möchte ich in diesem Abschnitt behandeln und beantworten.

  • DC-Methode
    Die DC-Methode ist seit jeher die am weitesten verbreitete Methode für EDA-Aufzeichnungen, weil sowohl das Systems und die dafür erforderliche Schaltung sehr einfach sind.Die konstante unipolare Spannung ist die Erregungsart, die von der Gesellschaft für die physiologische Forschung immer empfohlen wurde [2]. Die empfohlene Spannungsgröße für eine solche Messung beträgt 0,5 V, was einen vernünftigen Kompromiss zwischen dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Linearität der Messung darstellt. Diese Methode macht die Umrechnung von Widerstand in Leitwert (oder umgekehrt) recht einfach, da der Kehrwert der einen Größe die andere ergibt.Obwohl die Gleichstrommethode die am meisten standardisierte und weit verbreitete Technik ist, sind die mit dieser Methode verbundenen Probleme immens. Wie bereits erwähnt, hat die Epidermis komplexe elektrische Eigenschaften (sowohl R als auch C). Bei Gleichstromanregung können wir nur die Widerstandseigenschaften der Haut aufzeichnen.

    Der kapazitive Effekt der Haut bei der Aufzeichnung von EDR hat nur eine sehr geringe Variation und Bedeutung [4] und ein weiteres Problem bei der Gleichstromanregung ist die Überschneidung von endogenen und exogenen Signalen, da das Hautpotenzial und das Ergebnis der externen Anregung von Natur aus gleich sind. Bei höheren Gleichstrompegeln (0,5 V) kann dieser Effekt weitgehend minimiert werden. Das größte Problem bei der Gleichstromsignalanregung ist die Polarisierung von Elektrode und Haut.

    Um eine Polarisierung der Elektroden zu vermeiden, wird die Verwendung von nicht polarisierenden Ag/AgCl-Elektroden empfohlen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch diese Elektroden nach einer gewissen Zeit polarisiert werden [5]. Für tragbare Anwendungen sind Ag/AgCl-Elektroden nicht immer geeignet und andere Elektroden können zudem ein höheres Polarisierungspotenzial aufweisen, das ein SC-Signal verfälscht [6]. Die Anwendung einer Gleichspannung über einen längeren Zeitraum führt zu einer Polarisierung auf der Hautoberfläche, die bei den Probanden Juckreiz und Reizungen hervorrufen kann.

  • AC-Methode
    Die AC-Methode löst fast alle Probleme, die mit der DC-Erregung verbunden sind. Der Effekt der Skin-Kapazität ist nun Teil der Messung, und Skin-Admittanz und Impedanz sind komplex konjugiert und nicht reziprok.Wird ein langsam veränderndes Signal mit einem geringen Spitze-Spitze-Wert angelegt, so ist der resultierende Strom phasenverschoben. Diese Phase kann mit Lock-in-Verstärkern gemessen werden [7]. Nichtlinearität und Polarisationseffekte spielen bei der Wechselstromanregung keine Rolle. Endosomatische und exosomatische Messungen können unterschieden werden, da sie unterschiedlicher Natur sind.Die Messung der Hautsuszeptanz ist auch in diesem Fall möglich. Bei der AC-Methode kann ein schwächeres Signal (100 mV statt 0,5 V) angelegt werden, wodurch Nichtlinearitätseffekte aufgrund von Änderungen der Epidermiseigenschaften verringert werden.
  • Bemerkungen
    Die Überlegenheit der Wechselstromerregung gegenüber der Gleichstromerregung ist seit jeher anerkannt. Aber die Komplexität der erforderlichen Schaltungen und der Mangel an Forschung und empirischen Daten führten dazu, dass die Gleichstrommethode weiterhin relevant blieb. Aber mit der vorhandenen Auswahl an Sensoren ist die Komplexität kein Thema mehr. Studien mit Experimenten und Daten sind ebenfalls verfügbar, um die AC-Methode zu standardisieren. Es wird vermutet, dass es einen verschwindend geringen Unterschied zwischen dem gemessenen Gleichstromleitwert (GDC ) und dem Wechselstromleitwert (GAC ) gibt [7].
  • Empfehlung
    Für die Verwendung empfehle ich eine Wechselstromquelle mit einer sehr geringen Amplitude. Die gewählten Amplituden für die Anregungssignale können zwischen 30mV und 100mV liegen. Eine solche Erregung mit geringer Amplitude ermöglicht die EDA-Messung, ohne dass es zu einer Elektroosmose des Stratum-corneum kommt. Die Frequenz dieses Signals sollte insgesamt sehr niedrig gehalten werden, ich werde dazu noch eine detaillierte Übersicht zur Frequenz im nächsten Abschnitt geben.

 

2.3. Frequenzbereich für Anregungssignal

Wir haben bereits gesehen, dass die Verwendung von Wechselstromimpulsen anstelle von Gleichstromanregung die EDA-Messung erleichtert. Als nächstes stellt sich uns die Frage nach der optimalen Frequenz oder dem bestmöglichen Frequenzbereich.

Alle Biomaterialien gelten als vorwiegend kapazitiv. Bei niedrigen Frequenzen wird die durch die kapazitive Eigenschaft der Haut verursachte Suszeptanz von freien Ionen dominiert. Wenn die Anregungsfrequenz zu hoch ist, beginnen die dielektrischen Verluste die SC-Reaktion zu dominieren. Die Quelle dieser Verluste sind Ionen mit begrenzter Mobilität. Wenn die Anregungsfrequenz die Relaxationszeit dieser Ionen überschreitet, beginnen sie zu schwingen, was zu dielektrischen Verlusten führt. Wenn die Frequenz zu hoch ist, dominieren diese Verluste, und die Wirkung der SC wird verzerrt oder kann ganz verloren gehen.
Die Eindringtiefe eines Erregungssignals ist eine direkte Funktion der Frequenz [5]. Bei sehr hohen Frequenzen (im Bereich einiger kHz) werden die Messungen durch tiefer liegendes lebensfähiges Gewebe und nicht durch das Stratum corneum dominiert. Um die Dominanz des Stratum corneum während der Messung aufrechtzuerhalten, wird daher ein Signal mit niedriger Frequenz bevorzugt.

Der einzige Nachteil eines niederfrequenten Erregungssignals ist, dass die Abtastfrequenz dadurch begrenzt wird. In Anbetracht der Vorteile einer Wechselstrom-Erregungsquelle scheint dies jedoch ein vernünftiger Kompromiss zu sein.
Es gibt nur sehr wenig Literatur, die sich speziell mit den Auswirkungen der Frequenz auf die EDA-Messung beschäftigt, dennoch gibt es einige Arbeiten, die wie [5] und [7] über einen festen Frequenzbereich berichten, der verwendet werden kann.

Ein niederfrequentes Signal mit einem Bereich von 5-100 Hz wird berichtet in [5]. Während [7] Daten von EDA-Messungen für 3 diskrete Frequenzen 8 Hz, 20 Hz und 88 Hz berichtet. Obwohl all diese Arbeiten kein mathematisches Modell für die Beziehung zwischen der Frequenz und dem Grad der Tonabnahme für EDA-Signale präsentieren.

Ingenieure von Analog Devices Inc. präsentierten auf der COSMOL-Konferenz einen Beitrag, der ein Modell für die EDA-Aufnahme in Bezug auf die Frequenz vorschlägt [8]. In dieser Arbeit wird ein Parameter „k“ als der Grad des Pick-up definiert, d. h. die normalisierte Änderung des Stroms, die durch die Hautfeuchtigkeit verursacht wird. Dieser Parameter bestimmt die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen durch Schwitzen. Diese Studie wird an einem Unterarmmodell durchgeführt und bezieht sich auf trockene Elektroden, die bei tragbaren Geräten erforderlich sind.

Die Beziehung kann wie folgt angegeben werden:

Die Beziehung zwischen der EDA-Aufnahme in Bezug auf die Frequenz als Formel dargestellt

Nach der Durchführung eines Frequenzsweeps über einen weiten Bereich (100Hz-200kHz) wird in dieser Arbeit berichtet, dass die beste Aufnahme der EDA-Messung bei 100Hz erfolgt. Ein 99%iger Anstieg von „k“ wird berichtet, wenn die Frequenz abnimmt.

  • Empfehlung
    Hier ist eine Frequenz von 100 Hz für Wechselstromsignale mit geringer Amplitude zu empfehlen. Ein weiterer Vorschlag ist 88 Hz, so dass die 2nd Oberschwingungen des Stromnetzes (50 Hz) vermieden werden können.

 

3. Elektroden

Bei jedem Messverfahren ist die Signalerfassung der erste und wichtigste Schritt, bei Biosignalen ist die Signalerfassung zudem deutlich schwieriger aufgrund verschiedener Faktoren. Auch die EDA-Aufzeichnung bildet hier keine Ausnahme. EDA-Aufzeichnungen werden in der Regel mit einem bipolaren 2-Elektroden-System durchgeführt, was bedeutet, dass 2 Elektroden an aktiven Hautstellen angebracht werden.

Die allererste Stufe der Signalerfassung sind die Elektroden, daher spielen Faktoren wie Art und Größe der Elektroden sowie der Abstand zwischen den Elektroden eine entscheidende Rolle.

Die Auswirkungen all dieser Faktoren werden anhand der verfügbaren Studien kurz untersucht. Leider mangelt es in diesem Bereich an qualitativ hochwertigen Studien und mathematischen Modellen, die auf empirischen Daten beruhen. Daher werde ich auf der Grundlage der besten verfügbaren Ergebnisse Vorschläge zu den Elektroden für euch machen.

3.1. Größe der Elektroden

Die Größe der Elektroden ist ein direktes Maß für den Kontakt der Haut-Elektroden-Schnittstelle. Die Faustregel besagt also, dass je größer die Elektroden sind, desto besser ist die Messung. Aber leider stimmt das nicht ganz ohne gewisse Vorbehalte.

Laut der Studie von Mahon [6] deutet sie auf eine monoton lineare Beziehung zwischen der Größe der Elektrode und der SC-Signalstärke hin. Die Beziehung ist für die langsam variierende tonische Komponente (SCL) etwas deutlicher linear als für die SCR (phasische Komponente). Größere Elektroden tragen dazu bei, die Möglichkeit zu minimieren, dass Elektrolytpaste (oder Gel) unter die Elektroden sickert.

Bei der Verwendung von Gel- oder Nasselektroden tritt das Problem des Durchsickerns eher bei einer kleineren Elektroden-Haut-Grenzfläche auf. Selbst wenn das Sickern vorhanden ist, nimmt die Wirkung des Sickerns mit einer Verringerung der Fläche der Elektroden-Haut-Grenzfläche zu.

Der erste Nachteil, der mit zunehmender Größe der Elektroden auftritt, ist, dass der Gewöhnungseffekt mit fast derselben Geschwindigkeit zunimmt. Erhöhte Gewöhnung führt mit der Zeit zu ungenauen EDA-Messungen [6]. Ein weiteres Problem ist die Eingewöhnungszeit der Elektroden.

Jede Elektrode braucht einige Zeit, um einen besseren Kontakt mit der Haut und dem Elektrolytgehalt des Schweißes herzustellen. Vor Ablauf dieser Zeit sind die EDA-Messungen nicht zuverlässig. Je größer die Elektrodengröße ist, desto länger ist diese Einschwingzeit. Bei der Entscheidung über die Elektrodengröße sollten all diese Faktoren berücksichtigt werden.

  • Empfehlung
    Für eine bessere Schnittstelle zwischen Elektrode und Haut wird eine Fläche von 1 cm² vorgeschlagen [5]. Die Analyse unserer Daten zeigt uns, dass dies den Messfehler minimiert und eine minimale Einschwingzeit und einen Gewöhnungseffekt bewirkt.

 

3.2. Abstand zwischen den Elektroden

Dies ist ein weiterer strittiger Faktor bei der EDA-Messung. Wenn man die Elektrode nahe genug platziert, wird der Effekt des Hautpotentials eliminiert, aber das Risiko eines Kurzschlusses bei starker Transpiration kann steigen.
Wie die Frequenz des Anregungssignals wirkt sich auch der Abstand der Elektroden auf den Grad der Erfassung von SC aus. Glücklicherweise lässt sich mit demselben mathematischen Modell, das die Beziehung zwischen der Erregungsfrequenz und dem Grad der EDA-Aufnahme definiert, auch die Auswirkung des Elektrodenabstands beschreiben.

In dem oben genannten Dokument wurden empirische Daten für Elektrodenabstände von 0,5 bis 5 cm analysiert, und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die besten Ergebnisse bei einem Abstand von 0,5 cm (mit einer Frequenz von 100 Hz) erzielt werden. Bemerkenswert ist, dass der Einfluss des Elektrodenabstands nicht so dominant ist wie der der Erregungsfrequenz. Der in Gleichung (1) genannte Anstieg des Parameters „k“ ändert sich nur um 5 %, wenn der Elektrodenabstand verringert wird.

  • Empfehlung
    Der Abstand der Elektroden richtet sich zwar nach den Spezifikationen der Gesamtkonstruktion, dennoch empfiehlt sich ein Abstand von einigen Millimetern.

 

3.3. Art der Elektrode

Wie jedes andere Messverfahren hat sich auch das EDA-Aufzeichnungsverfahren im Laufe der Jahre weiterentwickelt, ebenso wie die Auswahl der Elektroden. Um die Auswirkungen der verschiedenen Elektroden besser zu verstehen, werden die Elektroden in zwei Kategorien eingeteilt. Eine grobe Einteilung der Elektrodenarten ist in folgender Abbildung dargestellt [5].

Modell für die Klassifizierung von Elektroden für die EDA-Messungen

Abbildung 1: Klassifizierung von Elektroden für EDA-Messungen [5].

  • Nass-Gel-Elektroden
    Ein feuchtes Gel oder eine Creme wird an der Elektroden-Haut-Grenzfläche verwendet, um den Kontakt und den Ladungstransfer zu verbessern. Es ist eine gute Maßnahme, um die Adhäsion zu erhöhen und die Impedanz der Schnittstelle zu verringern. Die elektrolytischen Eigenschaften dieser Materialien sind denen von Schweiß sehr ähnlich. Das Problem bei solchen Elektroden ist, dass sie für tragbare Anwendungen wie die unsere nicht geeignet sind. Außerdem sind feuchte Gele oder Cremes anfälliger für Druckartefakte. Die langfristige Verwendung dieser Elektroden kann zu Hautreizungen beim Probanden führen.
  • Festgel-Elektroden
    Wie der Name schon sagt, wird bei diesen Elektroden anstelle einer Paste oder eines nassen Gels ein festes Gel mit ähnlichen elektrolytischen Eigenschaften verwendet. Diese Elektroden sind mechanisch stabiler und liefern stabilere Messungen, haben jedoch eine längere Absetzzeit als nasse Elektroden. Elektrodengel (sowohl fest als auch feucht) kann die elektrischen Eigenschaften der Haut verändern, wenn sie lange Zeit in Kontakt sind. Diese Eigenschaft macht solche Elektroden weniger geeignet für tragbare Anwendungen und zusätzlich ist die Haltbarkeit ein weiteres Problem.
  • Trockene Elektroden
    Die Verwendung von Trockenelektroden bringt im Vergleich zu Gelelektroden eine Reihe neuer Herausforderungen mit sich. Mangelnde Haftung führt zur Bildung von Lufteinschlüssen zwischen der Elektrode und der Hautoberfläche, die zu einer höheren Impedanz in Reihe mit dem Hautwiderstand führen können. Diese Lufteinschlüsse sind auch die Hauptquelle für Druckartefakte.Eine weitere Herausforderung bei einer trockenen Elektrode ist, dass der Ladungstransfer kapazitiver ist, da keine Elektrolyte vorhanden sind, die den ionischen Ladungstransfer erleichtern. Diese Eigenschaft macht die SC-Messung zu einer stärkeren Funktion der Anregungsfrequenz, was bei der Verwendung von Gelelektroden nicht der Fall ist. Allerdings verlängert sich durch das Fehlen von Elektrolyten die Absetzzeit im Vergleich zu Gelelektroden.Trockenelektroden sind ideal für tragbare Geräte, da die Leistung dieser Elektroden gleichbleibend ist. Daher sind sie perfekt für die Langzeitaufzeichnung von EDA geeignet und darüber hinaus besteht ohne elektrolytisches Gel auch nicht die Gefahr von Reizungen oder Juckreiz.

    In der Tabelle sind die Ergebnisse einer kurzen Studie über verschiedene Trockenelektroden im Vergleich [5]:

Metallelektroden Polymer-Elektroden Kohlenstoff-Elektroden Textile Elektroden
  • Im Vergleich der Leistung von Edelstahl-, Messing-, Silber- und Goldelektroden, erweisen sich Silberelektroden am besten.
  • Die besten Ergebnisse werden mit Splitterelektroden in einem Abstand von 4 cm auf dem Handrücken (Dorsalfläche) erzielt.
  • Die Absetzzeit ist relativ hoch (27 Minuten).
  • Um die Steifigkeit zu verringern und einen effektiven Kontakt zwischen Elektrode und Haut zu erreichen, werden flexible Ag/AgCl-Elektroden bevorzugt.
  • Die nicht polarisierende Eigenschaft von Ag/AgCl-Elektroden ist ebenfalls hilfreich.
  • Elektroden aus leitfähigem Trockenschaum auf Polymerbasis fallen unter diese Kategorie.
  • Diese Elektroden leiten sowohl Ionen- als auch Elektronenstrom, was die Auswirkungen auf die SC-Messung verringert.
  • Mit einer leitfähigen Tinte und modern hergestellten Elektroden sind sie für EDA-Aufzeichnungen bestens geeignet.
  • Mit einem flexiblen Substrat können diese Elektroden auch die Hautkonformität erfüllen.
  • Auch das Substrat spielt eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung dieser Elektroden
  • Es werden insgesamt nur wenige Elektroden auf Kohlenstoffbasis vorgeschlagen.
  • Die Leistung der Kohlenstoff/Salz-Klebeelektrode ist im Vergleich zu Ag/AgCl-Hydrogelelektroden gleichwertig.
  • Das Vorhandensein von Klebematerial macht sie für tragbare Gesundheitsgeräte ungeeignet.
  • Die sehr niedrige Impedanz und die unbegrenzte Haltbarkeit sprechen jedoch für diese Elektroden.
  • Die Textilelektroden sind die flexibelsten, was sie perfekt für tragbare Anwendungen macht.
  • Ein zusätzlicher Vorteil dieser hautkonformen Elektroden ist, dass sie atmungsaktiv sind.
  • Aufgrund dieser Eigenschaft sind sie in der Lage, eine trägere Messung von SC vorzunehmen.
  • Ein multifrequenzsensibler Handschuh wird in [9] vorgeschlagen, der jedoch nicht für tragbare Anwendungen geeignet ist.
  • Dennoch kann ein solches Gerät für Messungen und Prüfungen im Haus verwendet werden.

 

4. Grenzen und Quellen von Artefakten und Fehlern von EDA-Messungen

Aufgezeichnete Signale, die nicht Teil einer psychophysiologischen Wirkung sind, können als Artefakte bezeichnet werden. Bei tragbaren Geräten sind das Vorhandensein und die Auswirkungen dieser Artefakte im Vergleich zur kontrollierten Laborumgebung stärker ausgeprägt. Im Folgenden werden einige der Ursachen für diese Artefakte und Fehler genannt:

4.1. Beschränkungen im Zusammenhang mit EDA

Die EDA ist zwar ein wertvolles Maß für die emotionale Erregung, aber es ist wichtig zu wissen, dass sie keine spezifischen Emotionen direkt misst. Ein hoher Hautleitwert kann sowohl positive Erregung als auch negativen Stress anzeigen. Die Entwicklung von Hardware für Bioschaltungen war schon immer mit verschiedenen Herausforderungen verbunden.

Darüber hinaus erschweren die Einbeziehung mehrerer Biosensoren in ein einziges Design und die einzigartigen Eigenschaften von SC das Schaltungsdesign. Was die Signal(daten)verarbeitung betrifft, so erfordert die Interpretation von EDA-Daten zwangsläufig eine sorgfältige Berücksichtigung des Messkontextes.

4.2. Quellen von Artefakten und Irrtümer

  • Physiologische Quellen
    Sprachaktivität, tiefes Einatmen, Anhalten des Atems und jede andere Veränderung des Atemmusters können EDA hervorrufen. In den meisten Fällen verursacht dies Veränderungen in der sich schnell ändernden EDR [5]. Die durch diese Aktivitäten verursachte EDR liegt im Ermessen des Untersuchers und kann während der Signalverarbeitungsphase der EDA-Daten behandelt werden.
  • Aufzeichnungsbasierte Artefakte
    Die Hauptquelle für solche Fehler ist die Schnittstelle zwischen Elektrode und Haut. Wie bereits festgestellt wurde, hängen diese Artefakte von der Wahl der Elektroden ab. Eine Ablösung der Elektrode, die zur Bildung von Lufttaschen führt, verursacht eine hohe Impedanz in Reihe mit der SR. Bewegungs- und Druckartefakte sind weitere Fehlerquellen. Die Ausübung von Druck auf die menschliche Haut führt zu einer Verringerung des Schwitzens und damit zu einer Erhöhung der SR. Darüber hinaus können auch die elektronischen Schaltungen des Messsystems Fehler verursachen. Zu diesen anderen Artefaktquellen gehören Rauschen, das von der Signalerzeugungs- und -erfassungsschaltung erzeugt wird, sowie Fehler im Zusammenhang mit der Analog-Digital-Wandler-Einheit (ADC) [2].
  • Umweltbezogene Quellen
    Temperaturschwankungen an der Aufzeichnungsstelle und die Übernahme des thermoregulatorischen Schwitzens können Fehler verursachen, die in diese Kategorie fallen. Das Schwitzen aufgrund der dominierenden thermoregulatorischen Reaktion wird durch Änderungen der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit verursacht.
  • Quellen von Lärm
    Rauschen an der Elektroden-Haut-Schnittstelle, Körpergeräusche und elektrische Umgebungsgeräusche sind Lärmquellen. Wie in jedem anderen Fall ist natürlich das Rauschen an der Elektroden-Haut-Schnittstelle die dominierende Quelle. Körpergeräusche wie EKG und EMG können ebenfalls einen Einfluss haben. Eine 50-Hz-Netzstromversorgung kann ebenfalls zur EDA beitragen [8].

 

5. Schlussfolgerung

Ich habe mit diesem Blogbeitrag weitestgehend alle Variablen untersucht die zum Entwerfen eines EDA-Messsystems berücksichtigt werden müssen, da sie sich auf die Entwurfsentscheidungen auswirken könnten. Andere Faktoren, wie die Platzierung der Elektroden, Nebenwirkungen von Medikamenten, ethnische Zugehörigkeit, Geschlecht und Alter, wurden hier nicht behandelt.

Auch wenn alle diese Variablen nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtbewertung der EDA haben, so haben sie doch einen Einfluss. Die meisten der ausgelassenen Variablen sind subjektspezifisch und haben keinen Einfluss auf die Designauswahl. Die Platzierung der Elektroden ist zwar ein wichtiger Faktor, aber mit dem Aufkommen von tragbaren medizinischen Geräten wurde die Wahl der Elektrodenplatzierung auf den Bereich um das Handgelenk beschränkt.

Dieser Blogbeitrag befasst sich ausschließlich mit der „Exosomatic“-Methode der EDA-Messung. Er ist ein Schritt in Richtung der Entwicklung eines EDA-Messsystems mit minimalen Fehlern und Artefakten. Der effiziente Umgang mit Artefakten und Fehlern ist das Ergebnis der Auswahl verbesserter Signalverarbeitungstechniken und Vorkehrungen auf Hardwareebene.

Die Schaltungstopologie wird durch den Modus und die Art der Erregungssignale bestimmt. Diese Faktoren bestimmen, welche Kombination von AC/DC-Spannung oder Strom als externer elektrischer Stimulus verwendet wird. Die optimale Erregungssignalstärke minimiert die Auswirkungen von Körpergeräuschen wie EMG und EKG. Rauschen von externen Quellen kann durch eine sorgfältige Auswahl der Erregungsfrequenz reduziert werden. Die überlegte und sachkundige Wahl der Elektroden ist ein weiterer Faktor, der zu genauen EDA-Messungen beiträgt.

Referenzen

[1] Boucsein, Wolfram. Electrodermal activity. Springer Science & Business Media, 2012.

[2] Society for Psychophysiological Research Ad Hoc Committee on Electrodermal Measures, et al. „Publication recommendations for electrodermal measurements“. Psychophysiology 49.8 (2012): 1017-1034.

[3] Grimnes, Sverre, et al. „Electrodermal activity by DC potential and AC conductance measured simultaneously at the same skin site.“ Skin Research and Technology 17.1 (2011): 26-34.

[4] Schaefer, Florian, und Wolfram Boucsein. „Vergleich von elektrodermalen Konstantspannungs- und Konstantstromaufzeichnungstechniken unter Verwendung des Phasenwinkels zwischen Wechselspannung und -strom“. Psychophysiology 37.1 (2000): 85-91.

[5] Tronstad, Christian, et al. „Aktuelle Trends und Möglichkeiten in der Methodik der elektrodermalen Aktivitätsmessung“. Physiologische Messung 43.2 (2022): 02TR01 .

[6] Mahon, Mary L. The effect of electrode size on electrodermal measurement. Diss. Universität von British Columbia, 1986

[7] Pabst, Oliver. „Elektrische Eigenschaften der menschlichen Haut: From linear recordings of exogenous electrodermal activity to non-linear memristor measurements.“ (2018).

[8] Frequenz- und Elektrodenabstandsempfehlungen für EDA-Messungen (comsol.com)

[9] Greco, Alberto, et al. „Skin admittance measurement for emotion recognition: A study over frequency sweep.“ Electronics 5.3 (2016): 46.

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Autor

  • Maheep Dwivedi

    Maheep ist Elektroingenieur mit mehreren Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Medizintechnikgeräten. Er hat einen Bachelor im Elektrotechnik-Ingenieurwesen, einen Master in VLSI-Design (Very-Large-Scale-Integration-Design) in Indien und einen zweiten Masterabschluss in Elektro- und Informationstechnik in Deggendorf abgeschlossen. Seit November 2022 ist er Teil des MEDtech Ingenieur Teams und ist in der Hardwareabteilung an der Entwicklung der neusten medizinischen Geräten beteiligt.

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