Analiza NeuroOna - źródła

Edycja 29.09.2016

Analiza wraz ze wszystkimi danymi dostępne są na moim Githubie.

NeuroOn dzisiaj

Dość długo nosiłem się z założeniem tego bloga, jednak czułem, że nie miałem nic wartościowego do powiedzenia. Zmieniło się to dopiero, gdy usłyszałem o polskim startupie NeuroOn¹. Mój pierwszy post² dotyczył właśnie nadziei jakie wiązałem z maską i sceptycyzmu wobec braku naukowego podejścia twórców. Zakończyłem go słowami:

Maska NeuroOn z pewnością nie działa tak, jak jest reklamowana - nie używa EEG. Może z bardzo niską dokładnością wykrywać fazę REM, jednak nie pozwoli na rzetelną analizę snu. Ogromna część populacji i tak nie osiągnie snu polifazowego, gdyż ich mózgi po prostu tak nie działają. Maska z pewnością też nie pozwoli na świadome śnienie. Będzie tylko mało przydatną zabaweczką do odłożenia na półkę po kilku nocach.

Nie był to jedyny głos krytyki - o masce sceptycznie wypowiadali się także @takingapartcats³, neurocritic⁴ czy dr Adam Wichniak⁵. Argumentację przeciw obietnicom NeuroOna podzielić można na dwie grupy: wątpiącą w możliwość maski do zebrania wiarygodnego sygnału EEG oraz stwierdzającą, iż sen polifazowy nie jest możliwy dla większości populacji.

Minęły jednak dwa lata, maska weszła na rynek pivotując i porzucając swoje obietnice o śnie polifazowym⁶. Zastąpione zostały one terapią światłem, pomocą w radzeniu sobie z jetlagiem i zbieraniu analityki snu⁷. Było to niewątpliwie rozsądne działanie, odbierające połowę argumentów sceptyków działania maski - jednak w oczach wielu klientów całkowicie zaprzepaszczające ideę NeuroOna⁸.

Nie chcę w tym miejscu wdawać się w dyskusje na temat możliwości wywołania głębokiego i satysfakcjonującego efektu świadomego snu⁹ u każdego użytkownika NeuroOna, szczególnie w świetle badań mówiących o osobniczym zróżnicowaniu predyspozycji do niego¹⁰. Moim głównym problemem z maską jest wciąż kontrowersyjna jakość sygnału EEG, jaka może być zebrana z:

• trzech
• suchych elektrod
• położonych bezpośrednio nad łukiem brwiowym
• w masce mogącej poruszać się w trakcie snu

O ile można by było dyskutować z jakością sygnału w każdym z tych podpunktów oddzielnie (co czynił NeuroOn na swoim blogu w odpowiedzi na moje poprzednie zarzuty¹¹), kombinacja wszystkich czterech czynników może skutkować jakością sygnału całkowicie nie nadającą się do analizy EEG. O ile NeuroOn do wykrycia fazy snu korzysta również z EOG - elektrookulogramu (jakość którego również może być wątpliwa), termometru, pulsoksymetru i akcelerometru - wielu użytkowników opisuje¹² jego działanie jako wyjątkowo niedokładne. W świetle wszystkich tych okoliczności wciąż pozostaję sceptyczny wobec tego, czy NeuroOn naprawdę działa w sposób, w jaki jest reklamowany.

Analiza NeuroOna

Na przestrzeni ostatnich dwóch lat wielokrotnie deklarowałem chęć przeprowadzenia solidnej analizy maski - i z wielkim entuzjazmem przyjąłem zaproszenie Kamila Adamczyka i zespołu Intelclinic, którzy w tym roku użyczyli mi modelu deweloperskiego NeuroOna na potrzeby testów. Jakkolwiek nie zgadzam się z nimi w wielku kwestiach, decyzja ta i otwartość na zewnętrzną analizę są niewątpliwie godne szacunku.

Model deweloperski maski jest tak naprawdę zwykłym egzemplarzem produkcyjnym - płytką PCB zanurzoną w silikonie - z dodatkowymi kabelkami pozwalającymi na przebicie się przez silikon do pinów danych na płytce.

Z przodu widzimy trzy elektrody (wg opisu produktu pokryte warstwą złota¹³ - nie sprawdzałem tego samodzielnie nie chcąc uszkodzić maski), pulsoksymetr i termometr w charakterystycznym wycięciu, LEDy w narożnikach oraz jedyny guzik znajdujący się w samym środku płytki. Elektrody razem dają jeden kanał różnicowy - środkowa jest masą.

Tylna część płytki NeuroOna nie zawiera elementów charakterystycznych. Z mojego rozumienia "test unit" oznacza po prostu model wyprodukowany na potrzeby Intelclinic przed produkcją masową, posiadający identyczne parametry.

Maska z gumką, którą NeuroOn przymocowany jest do twarzy użytkownika. Niestety, nie posiada regulacji i dla osób z dużą głową (jak ja) może być obcisła / powodować chęć zmiany pozycji urzadzenia w nocy, co bardzo źle wpłynie na sygnał. Edit: NeuroOn posiada regulację długości gumki - w tym calu należy rozebrać gąbkę, odrywając przypiętą na rzep przednią część i zmienić położenie uchwytu paska (również zamocowanego na rzep). Dzięki Karol!

Przód maski wykonany jest z gąbki. Płytka PCB wkładana jest w otwór widoczny na górze, gdzie leży dość dobrze, jednak nie jest przymocowana żadnym rzepami, magnesami czy gumkami. Poprawnie założona nie powinna wypaść w nocy - maska sprawia, że elektrody przylegają bardzo ściśle i zostawiają odciski na skórze (zdjęcia później).

Maska z włożoną płytką - LEDy wypadają dokładnie w miejscach wycięć gąbki.

Po włączeniu płytki zapalają się niebieskie LEDy. Bardzo subiektywnie nie lubię tego, jak działają w trybie wybudzania - kiedy włączają się na kilka minut przed planowanym wybudzeniem światło w ciemności wydaje się oślepiające,natomiast po zdarciu maski z twarzy okazuje się, że pokój z odsłoniętym oknem jest znacznie jasniejszy, przez co dostaję porannego bólu głowy.

Maski używałem w trybie deweloperskim - z graficznym menadżerem napisanym w Javie przez zespół Intelclinic, którego kodem - ani binarkami do analizy danych - nie mogę się jednak podzielić wedle naszej umowy. Oznacza to także, że nie korzystałem z aplikacji NeuroOna na telefon. Zastąpiły mi ją dedykowany moduł bluetooth na USB oraz dwa kabelki podpięte pod debugger.

Podłączenie masy pod port microUSB w NeuroOnie. Sam w sobie służy jedynie do ładowania i nie ma podpiętego data pina.

Pin danych znajduje się na płytce - jest to pierwszy od lewej pin pod silikonem, przez który należy się przebić (dedykowaną igłą w krokodylku), aby uzyskać dostęp do danych z maski.

Poprawnie założony krokodylek (tylko wygląda na krzywy),

NeuroOn gotowy do podpięcia do komputera i wejścia w tryb debugowania. Pozwala on na uruchomienie podstawowych trybów z aplikacji, oraz co najważniejsze - zapisywania i pobierania sygnału. Software niestety wymagał odpalenia go z uprawnieniami roota - czego nie robię dla żadnej graficznej aplikacji której kodu nie da się przejrzeć. W dalszych badaniach posługiwałem się więc dedykowanym pendrive z Ubuntu. Edit: Jak poinformował mnie Witold Granicki z Intelclinic, oprogramowaniu wystarczy dostęp do portów na linuksach, co dałoby się rozwiązać i bez roota.

Badanie

Po wykonaniu kilku testowych całonocnych nagrań NeuroOnem postanowiłem przeprowadzić rzetelny eksperyment, który pozwoliłby mi z dużą pewnością odpowiedzieć na pytanie: czy zbierany przez maskę sygnał jest wystarczająco dobrej jakości, by posiadając moc obliczeniową smartphone'a móc w czasie rzeczywistym wykrywać fazę snu na podstawie EEG, EOG, pulsoksymetru, termometru i akcelerometru? Kickstarterowe obietnice IntelClinic mówiły właśnie o masce będącej w stanie wybudzić nas w odpowiednim momencie - a więc muszącej wiedzieć, w jakiej fazie snu jesteśmy w danej chwili.

W tym celu postanowiłem zestawić NeuroOna z profesjonalnym polisomnografem w warszawskim Ośrodku Medycyny Snu Instytutu Psychiatrii i Neurologii¹⁴. Po kilku miesiącach oszczędzania udało mi się wynająć łóżko w Ośrodku na dwie noce - Podczas pierwszej z nich wykonane były:

• EEG
• EOG
• EKG
• badanie oddechu (flow)
• nasycenia tlenu w krwi
• ruchów klatki piersiowej
• ruchów nóg

Druga noc zawierała już tylko:

• EEG
• EOG
• EKG

Podczas obu zbierałem też równolegle sygnał z NeuroOna, którego umiejscowienie na twarzy nie sprawiało zbytniego problemu - żadne elektrody wykorzystywane w profesjonalnych badaniach nie znajdują się zaraz nad łukiem brwiowym.

NeuroOn na łóżku, gdzie wykonywane będą badania. Pomieszczenie nie było w żaden sposób ekranowane i nie znajdowało się pod klatką Faradaya, przez co pasmo 50Hz będzie wycięte z końcowego sygnału ze względu na rezonans z siecią elektryczną w ścianach.

Programowanie płytki przed pierwszą nocą, aby nie włączała trybu wybudzania przed ośmioma godzinami i zbierała cały sygnał. Przed każdym nagraniem dobrze jest też nadpisać cąłą wolną pamięć zerami (a przynajmniej tak rozumiem opcję CLEAR w oprogramowaniu).

Przez obie noce używany był wzmacniacz AURA PSG firmy GRASS¹⁵ zbierający sygnały z częstotliwością 200Hz. Wedle informacji udzielonych mi przez Ośrodek jest to standard we w pełni profesjonalnych badaniach lekowych.

Wszystkie sygnały zapisywane były bezpośrednio do komputera w Ośrodku z pominięciem pamięci wewnętrznej urzadzenia.

Elektrody użyte w EEG w obu badaniach: A1 i A2, F3 i F4, C3 i C4, O1 i O2, Fz i Cz jako uziemienie oraz referencyjna. Oprócz nich zostały użyte elektrody EOG1 i EOG2 (EOG), CHIN1, CHIN2 i CHIN3 (na brodzie, do wykrywania grymasów twarzy) oraz ECG na klatce piersiowej.

Noc pierwsza - umiejscowienie elektrod z frontu - widoczne są EOG1 i EOG2 przy oczach, Fz na czole, CHIN1, CHIN2 i CHIN3 pod brodą, F3 i F4 tuż nad linią włosów.

Widoczne elektrody CHIN1, EOG1, F3, C3 i O1. Kawałek kleju za uchem trzyma jedynie kable.

Widoczne O1 i O2 z tyłu głowy, Cz na szczycie czaszki.

Analogicznie z prawej strony głowy: CHIN3, EOG2, F4 i C4, O2.

Po przymierzeniu maski Fz należało przesunąć trochę do góry, by plastry przytrzymujące ją nie zasłaniały elektrod NeuroOna.

Zaraz przed założeniem maski - jestem w stanie powiedzieć, że pełna uprząż do badania ruchów klatki piersiowej jest wyjątkowo niewygodna. Brakuje mi zdjęć z NeuroOnem z pierwszej nocy, pojawiają się jednak następnej. Z uwagi na ilość sprzętu jaką miałem na sobie, jakość mojego snu była na początku bardzo niska, co będzie dobrze widoczne tak w opisie, jak i w sygnale.

Druga noc - i już tylko EEG, EOG i EKG. Wiedziałem, że pozbycie się zarostu z twarzy i skalpu pomoże, zapomniałem jednak o EKG - i straciłem trochę włosów z klatki piersiowej.

Po założeniu maski - dość dobrze widać, gdzie będą przylegały elektrody.

Jak widać, przylegają one do twarzy bardzo mocno.

Odciski widoczne są na twarzy kolejnego dnia - nawet do godziny po zdjęciu.

Sygnał z obu nocy został zgrany z polisomnografu za pomocą oprogramowania Grass Technologies PSG TWin 4.5.4 oraz 4.5.2 dla upewnienia się, że nie powstaną artefakty pochodzenia software'owego.

Mimo iż nowsza wersja software IntelClinic którą otrzymałem zapisuje w plikach z sygnałem timestampy z NeuroOna, streamy z maski i polisomnografu mogą zaczynać się w różnych momentach. By pomóc wyznaczyć wspólny punkt startu, przez pierwsze kilka minut badań co kilka sekund zamykałem oczy i zaciskałem zęby lub wysuwałem żuchwę, co powinno pojawić się jako bardzo wyraźne artefakty mięśniowe pomagające zsynchronizować oba sygnały.

Wszystkie pliki - zarówno skany opisu, sygnały z NeuroOna (.csv) i AURY (.edf), staging (.xcl, .csv) jak i zdjęcia można znaleźć na moim serwerze. Wszystkie wyżej wymienione materiały objęte są licencją Creative Commons BY 4.0¹⁶.

Podsumowanie

Ponieważ od dawna jestem zwolennikiem nauki Otwartego Dostępu, a w szczególności Open Notebook Science, starałem się udokumentować badanie w jak najlepszy sposób. Zachęcam wszystkich chętnych do porównania sygnałów z NeuroOna i AURY i publikacji własnych wyników. Jestem świadom, że znacznie lepiej byłoby zebrać 5, 7 czy 14 próbek - jednak nie stać mnie na wynajęcie Ośrodka na tak długo - a i jest to niesamowicie niewygodne (oprócz badań pracuję też osiem godzin dziennie).

Analiza sygnałów zajmie mi przynajmniej miesiąc, nie chcę więc w tej chwili przesądzać czegokolwiek. Staram się zachować odpowiednio naukowe podejście do tematu, posiadając falsyfikowalną hipotezę, nie uprzedzenia czy nieuzasadnione przekonania. Całość mojej pracy opublikuję na tym blogu, najprawdopodobniej w formie ipython notebooka - jupytera¹⁷, by każdy z Was miał możliwość prześledzenia moich działań krok po kroku i wytknięcia mi ewentualnych błędów.