Anouk Antonissen
Tutorial Meeting 3: Visualizing the electric brain
Stern, R.M., Ray, W.J., & Quigley, K.S. (2001). Chapter 3. Equipment used in psychophysiological recording.
In Psychophysiological recording (pp 36-46). New York: Oxford University Press.
Het doel van dit hoofdstuk is om:
- Bio-elektrische signalen te volgen vanaf de huid, over de kruising met een electrode of omzetter (=
transducer), in een polygraaf of computer waar het wordt gefilterd en versterkt (= amplified). Tot slot
kijken we naar hoe deze informatie wordt weergegeven en geanalyseerd.
Electrodes and Transducers
Er bestaan verschillende soorten elektroden, maar in deze sectie wordt alleen de soort beschreven die
gemaakt is om direct op de huid te plaatsen, de cutaneous elektroden. In het tweede gedeelte wordt er
informatie gegeven over transducers die gebruikt worden om temperatuur te meten, ademhaling te meten en
bloedvolume te meten.
Electrodes
Elektrodes zijn meestal smalle metalen disks die bevestigd worden aan de huid van de proefpersoon. Dit
wordt gedaan om de onderliggende elektrische activiteit te meten.
- Twee elektroden moeten altijd gebruikt worden, en de locatie ervan hangt af van het specifieke
fysiologische signaal van interesse.
o Een allesoverheersende zorg is het selecteren van de elektrodes en elektroden pasta en in het
voorbereiden van de huid om te zorgen voor een lage impedantie een elektrochemisch pad voor
de bio-elektrische potentiaal vanaf de skin naar de input van de polygraaf.
Deze lage impedantie is nodig om te zorgen dat kleine bio-elektrische potentialen niet verzwakt
worden bij het oversteken van de huid, nog voordat ze het elektrode bereiken.
Chemische stabiliteit voorkomt de ontwikkeling van onstabiele potentialen in de elektrode,
welke invloed zouden hebben op het bio-potentiaal.
Elektrodes zijn echter meer dan simpele terminals, of contact punten van waar de voltages verkregen
kunnen worden van het lichaam:
- Elektroden helpen bij het omzetten van ionische potentialen, die gegenereerd worden door zenuwen,
spieren of kliercellen binnen het lichaam, naar een elektrisch potentiaal dat gemeten kan worden.
o Er kunnen problemen ontstaan wanneer metalen zoals degene gebruikt voor elektrodes in contact
komen met een elektrolytische substantie, zoals de elektroden pasta of de huid. Op het elektrode-
elektrolytische oppervlak wordt een elektrochemische reactie geproduceerd, dat zorgt voor
verschillen in voltage tussen het metaal en de elektrolytische oplossing.
Op deze manier kunnen voltages worden geproduceerd op de elektrode kant, onafhankelijk van
het bio-elektrische event in het lichaam.
DUS, het is mogelijk om ongewenste voltages op te nemen die geproduceerd zijn door
elektrodes, en die verstoren het gewenste psychofysiologische signaal.
Het potentiaal of voltage geproduceerd door de elektroden zelf (= bias potential) is een functie van vele
factoren, waaronder het soort metaal, het type elektrolytoplossing en de temperatuur.
- Uit onderzoek van Lykken (1959), waar zij verschillende soorten metalen met elkaar vergeleek, bleek dat
zilver-zilver chloride het beste metaal was om te gebruiken. Deze wordt vandaag de dag nog in de
meeste laboratoria gebruikt.
o Het voordeel van zilver-zilver chloride is dat (1) zij een relatief kleine eerste meetfout hebben, (2) zij
tonen een relatief kleine afwijking van de potentiaal bij gebruik, en (3) zij minimaliseren de
ontwikkeling van polarisatie potentialen.
Met langdurig gebruik, toont elke elektrode een beetje polarisatie, want dit is eigenlijk de opbouw van een
counter-elektromotieve kracht, die effect heeft als een schijnbare toename in proefpersoon weerstand.
- Polarisatie kan gezien worden als een ongelijke distributie van ionen op de twee elektrodes als een
functie van de doorstroming door de elektrolyt.
o DUS, één elektrode wordt positief in relatie tot een andere en de twee elektrodes produceren
daarom zelf een potentiaal of voltage.
1
, Anouk Antonissen
Polarisatie kan over het algemeen verminderd worden door de elektroden in een saline
oplossing te laten voor een paar uur.
Vandaag de dag worden vooral elektroden gebruikt die cup-vormig zijn. Bij dit type elektroden komt het
metalen gedeelte niet direct in contact met de huid, contact gebeurd door middel van de elektroden pasta.
- De elektrode wordt aan de huid vastgemaakt door middel van een ‘lijm kraagje’. Deze plakt aan beide
kanten, zodat de elektrode en de huid goed verbonden zijn.
o Dit soort elektrode is minder verstoord door kleine bewegingen dan elektrodes die direct aan de
huid zijn gekoppeld. Deze elektrodes zijn zelfs in staat om spierpotentialen van atleten te meten,
zonder significante artefacten.
De elektroden pasta wordt voor nog twee andere redenen gebruikt, (1) het verlaagt de
impedantie tussen de huid en de elektrode en (2) sommige elektroden pasta helpt zorgen dat
de elektrode aan de huid blijft plakken.
Hoewel de zilver-zilver chloride elektroden en de verbeterde elektroden pasta’s veel problemen van
opnemen hebben verminderd, is er nog 1 belangrijk punt. Er moet namelijk nog steeds een goede
voorbereiding van de huid zijn. Dit zorgt namelijk voor het best mogelijke signaal.
- De buitenste laag van de huid is vooral dode cellen, viezigheid en vet en deze moet verwijderd worden
voor de elektrodes worden aangebracht.
o Dit wordt bijvoorbeeld gedaan door een schurend doekje, of een elektroden pasta die een schurend
materiaal bevat. Vervolgens wordt de huid schoongemaakt met alcohol of water.
Deze is nu klaar voor gebruik.
Wanneer de elektroden zijn bevestigd, moet de resistance (= weerstand) gecontroleerd worden met een
impedantie meter. Voor een goede sessie, moet de impedantie ver onder 10.000 zijn.
Transducers
Wanneer energie van vorm veranderd, wordt het transduced (omgezet).
- Transducers worden gebruikt om fysiologische events om te zetten in elektrische potentialen, geschikt
voor elektronische versterking.
o Alle fysiologische responses moeten omgezet worden naar een voltage voor de computer, zelfs
wanneer de meting van interesse weerstand heeft.
Het is vaak handig om bepaalde zenuw of spieractie te meten, in plaats van het opnemen van
het actiepotentiaal zelf. Denk bijvoorbeeld aan het knipperen van het oog.
Onderzoekers kunnen elk resultaat van zenuw, spier of klieractie omzetten in een bepaalde vorm van
elektrische stroom, MAAR in de praktijk worden transducers voornamelijk gebruikt voor cardiovasculair,
ademhaling en wat somatische spierveranderingen.
Er zijn een aantal veelgebruikte transducers:
- Strain Gauge Transducers werkt op het principe dat spanning in een metalen conductor de
weerstand veranderd en daarom ook de flow van elektriciteit. Een veelgebruikte applicatie is het meten
van ademhaling.
- Photoconduction Cell werkt op het principe dat de weerstand varieert door de hoeveelheid licht dat
het raakt. Een veelgebruikte applicatie is het meten van bloedvolume.
- Thermoresistive Transducers werkt op het principe dat de weerstand veranderd in relatie tot de
temperatuur. Een veelgebruikte applicatie is het meten van temperatuur van de huid.
Polygraphs
Een polygraaf neemt een fysiologisch signaal op, op een continue analoge manier, in plaats van digitaal
verzamelen als discrete units. Veel labs hebben een multi-channel polygraaf zo’n apparaat kan een of
meer fysiologische gebeurtenissen weergeven op een papieren tabel.
Een polygraaf heeft over het algemeen drie gescheiden componenten, waar het signaal doorheen gaat,
voordat het wordt weergegeven op een display:
- Coupler/Signal Conditioner dit is gemaakt om elektrische karakteristieken van alle signalen
verenigbaar te maken, ongeacht het type transducer waar het signaal vandaan kwam
- Pre-amplifier deze zorgt voor een toename van de amplitude van het signaal, naar een niveau dat
geaccepteerd wordt door de power amplifier.
- Main Amplifier produceert een output van voldoende voltage om de pennen in werking te stellen, of
om het voltage te standaardiseren voor computeropslag en analyse
2
Tutorial Meeting 3: Visualizing the electric brain
Stern, R.M., Ray, W.J., & Quigley, K.S. (2001). Chapter 3. Equipment used in psychophysiological recording.
In Psychophysiological recording (pp 36-46). New York: Oxford University Press.
Het doel van dit hoofdstuk is om:
- Bio-elektrische signalen te volgen vanaf de huid, over de kruising met een electrode of omzetter (=
transducer), in een polygraaf of computer waar het wordt gefilterd en versterkt (= amplified). Tot slot
kijken we naar hoe deze informatie wordt weergegeven en geanalyseerd.
Electrodes and Transducers
Er bestaan verschillende soorten elektroden, maar in deze sectie wordt alleen de soort beschreven die
gemaakt is om direct op de huid te plaatsen, de cutaneous elektroden. In het tweede gedeelte wordt er
informatie gegeven over transducers die gebruikt worden om temperatuur te meten, ademhaling te meten en
bloedvolume te meten.
Electrodes
Elektrodes zijn meestal smalle metalen disks die bevestigd worden aan de huid van de proefpersoon. Dit
wordt gedaan om de onderliggende elektrische activiteit te meten.
- Twee elektroden moeten altijd gebruikt worden, en de locatie ervan hangt af van het specifieke
fysiologische signaal van interesse.
o Een allesoverheersende zorg is het selecteren van de elektrodes en elektroden pasta en in het
voorbereiden van de huid om te zorgen voor een lage impedantie een elektrochemisch pad voor
de bio-elektrische potentiaal vanaf de skin naar de input van de polygraaf.
Deze lage impedantie is nodig om te zorgen dat kleine bio-elektrische potentialen niet verzwakt
worden bij het oversteken van de huid, nog voordat ze het elektrode bereiken.
Chemische stabiliteit voorkomt de ontwikkeling van onstabiele potentialen in de elektrode,
welke invloed zouden hebben op het bio-potentiaal.
Elektrodes zijn echter meer dan simpele terminals, of contact punten van waar de voltages verkregen
kunnen worden van het lichaam:
- Elektroden helpen bij het omzetten van ionische potentialen, die gegenereerd worden door zenuwen,
spieren of kliercellen binnen het lichaam, naar een elektrisch potentiaal dat gemeten kan worden.
o Er kunnen problemen ontstaan wanneer metalen zoals degene gebruikt voor elektrodes in contact
komen met een elektrolytische substantie, zoals de elektroden pasta of de huid. Op het elektrode-
elektrolytische oppervlak wordt een elektrochemische reactie geproduceerd, dat zorgt voor
verschillen in voltage tussen het metaal en de elektrolytische oplossing.
Op deze manier kunnen voltages worden geproduceerd op de elektrode kant, onafhankelijk van
het bio-elektrische event in het lichaam.
DUS, het is mogelijk om ongewenste voltages op te nemen die geproduceerd zijn door
elektrodes, en die verstoren het gewenste psychofysiologische signaal.
Het potentiaal of voltage geproduceerd door de elektroden zelf (= bias potential) is een functie van vele
factoren, waaronder het soort metaal, het type elektrolytoplossing en de temperatuur.
- Uit onderzoek van Lykken (1959), waar zij verschillende soorten metalen met elkaar vergeleek, bleek dat
zilver-zilver chloride het beste metaal was om te gebruiken. Deze wordt vandaag de dag nog in de
meeste laboratoria gebruikt.
o Het voordeel van zilver-zilver chloride is dat (1) zij een relatief kleine eerste meetfout hebben, (2) zij
tonen een relatief kleine afwijking van de potentiaal bij gebruik, en (3) zij minimaliseren de
ontwikkeling van polarisatie potentialen.
Met langdurig gebruik, toont elke elektrode een beetje polarisatie, want dit is eigenlijk de opbouw van een
counter-elektromotieve kracht, die effect heeft als een schijnbare toename in proefpersoon weerstand.
- Polarisatie kan gezien worden als een ongelijke distributie van ionen op de twee elektrodes als een
functie van de doorstroming door de elektrolyt.
o DUS, één elektrode wordt positief in relatie tot een andere en de twee elektrodes produceren
daarom zelf een potentiaal of voltage.
1
, Anouk Antonissen
Polarisatie kan over het algemeen verminderd worden door de elektroden in een saline
oplossing te laten voor een paar uur.
Vandaag de dag worden vooral elektroden gebruikt die cup-vormig zijn. Bij dit type elektroden komt het
metalen gedeelte niet direct in contact met de huid, contact gebeurd door middel van de elektroden pasta.
- De elektrode wordt aan de huid vastgemaakt door middel van een ‘lijm kraagje’. Deze plakt aan beide
kanten, zodat de elektrode en de huid goed verbonden zijn.
o Dit soort elektrode is minder verstoord door kleine bewegingen dan elektrodes die direct aan de
huid zijn gekoppeld. Deze elektrodes zijn zelfs in staat om spierpotentialen van atleten te meten,
zonder significante artefacten.
De elektroden pasta wordt voor nog twee andere redenen gebruikt, (1) het verlaagt de
impedantie tussen de huid en de elektrode en (2) sommige elektroden pasta helpt zorgen dat
de elektrode aan de huid blijft plakken.
Hoewel de zilver-zilver chloride elektroden en de verbeterde elektroden pasta’s veel problemen van
opnemen hebben verminderd, is er nog 1 belangrijk punt. Er moet namelijk nog steeds een goede
voorbereiding van de huid zijn. Dit zorgt namelijk voor het best mogelijke signaal.
- De buitenste laag van de huid is vooral dode cellen, viezigheid en vet en deze moet verwijderd worden
voor de elektrodes worden aangebracht.
o Dit wordt bijvoorbeeld gedaan door een schurend doekje, of een elektroden pasta die een schurend
materiaal bevat. Vervolgens wordt de huid schoongemaakt met alcohol of water.
Deze is nu klaar voor gebruik.
Wanneer de elektroden zijn bevestigd, moet de resistance (= weerstand) gecontroleerd worden met een
impedantie meter. Voor een goede sessie, moet de impedantie ver onder 10.000 zijn.
Transducers
Wanneer energie van vorm veranderd, wordt het transduced (omgezet).
- Transducers worden gebruikt om fysiologische events om te zetten in elektrische potentialen, geschikt
voor elektronische versterking.
o Alle fysiologische responses moeten omgezet worden naar een voltage voor de computer, zelfs
wanneer de meting van interesse weerstand heeft.
Het is vaak handig om bepaalde zenuw of spieractie te meten, in plaats van het opnemen van
het actiepotentiaal zelf. Denk bijvoorbeeld aan het knipperen van het oog.
Onderzoekers kunnen elk resultaat van zenuw, spier of klieractie omzetten in een bepaalde vorm van
elektrische stroom, MAAR in de praktijk worden transducers voornamelijk gebruikt voor cardiovasculair,
ademhaling en wat somatische spierveranderingen.
Er zijn een aantal veelgebruikte transducers:
- Strain Gauge Transducers werkt op het principe dat spanning in een metalen conductor de
weerstand veranderd en daarom ook de flow van elektriciteit. Een veelgebruikte applicatie is het meten
van ademhaling.
- Photoconduction Cell werkt op het principe dat de weerstand varieert door de hoeveelheid licht dat
het raakt. Een veelgebruikte applicatie is het meten van bloedvolume.
- Thermoresistive Transducers werkt op het principe dat de weerstand veranderd in relatie tot de
temperatuur. Een veelgebruikte applicatie is het meten van temperatuur van de huid.
Polygraphs
Een polygraaf neemt een fysiologisch signaal op, op een continue analoge manier, in plaats van digitaal
verzamelen als discrete units. Veel labs hebben een multi-channel polygraaf zo’n apparaat kan een of
meer fysiologische gebeurtenissen weergeven op een papieren tabel.
Een polygraaf heeft over het algemeen drie gescheiden componenten, waar het signaal doorheen gaat,
voordat het wordt weergegeven op een display:
- Coupler/Signal Conditioner dit is gemaakt om elektrische karakteristieken van alle signalen
verenigbaar te maken, ongeacht het type transducer waar het signaal vandaan kwam
- Pre-amplifier deze zorgt voor een toename van de amplitude van het signaal, naar een niveau dat
geaccepteerd wordt door de power amplifier.
- Main Amplifier produceert een output van voldoende voltage om de pennen in werking te stellen, of
om het voltage te standaardiseren voor computeropslag en analyse
2
