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Module 1: Biofisica Neuronale

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Quindi, comprendiamo quello che si richiede per un sistema di misurazione EEG, sarebbero elettrodi, saranno amplificatori, sarà filtrato e poi finalmente o si può avere la propria GUI che è un'interfaccia grafica utente oppure si può utilizzare un oscilloscopio, quindi può essere oscilloscopio digitale che si può utilizzare per l'analisi dei segnali.
Quindi, se si vede lo scivolo la misurazione EEG come già noto ora è costituita da quanto segue. Uno, elettrodi e quando si parla di elettrodi si può asciugare elettrodi o può essere elettrodi bagnati. Poi vi mostrerò come una classe separata come l'elettrodo sembra e altre cose, per ora basta lasciarci vedere dal punto di vista teorico. La seconda parte del sistema sarebbe amplificatore con filtri. Bisogna amplificare il segnale e i segnali generalmente sono nella gamma di microvolt, dove se si parla di ECG o EMG i segnali sarebbero in millivolt.
 
Così, dato che i segnali sono estremamente piccoli dobbiamo essere molto bravi con i nostri amplificatori e sistema di filtri. Quindi, gli amplificatori ci aiuterebbero ad amplificare il segnale come il nome suggerito e i filtri ci aiuteranno a rimuovere qualsiasi artefatto. Infine per analizzare il segnale possiamo utilizzare l'oscilloscopio digitale. Quindi, qual è l'uso di un elettrodo di registrazione? Sappiate già che l'uso degli elettrodi di registrazione è da registrare è così semplice, ma ancora vediamo che tipo di elettrodi ci sono. Quindi, per acquisire, registrare segnali EEG di alta qualità esistono diversi tipi di elettrodi che seguono sono diversi gli elettrodi per la verifica. Numero uno, tipo di elettrodi usa e getta. Cosa sono gli elettrodi usa e getta? Si tratta di tipi gel - less e pre - gel. Quindi, una volta che lo si usa, non è possibile riutilizzarlo. Il secondo è l'elettrodo disco riutilizzabile, oro, argento, acciaio inossidabile o stagno, abbiamo visto questi elettrodi se ricordate in una delle slide. Vediamo se riesco a scoprire quella slide particolare, credo che sia in qualche altro PPT.
 
Quindi, comunque credo che ti ricordi quelle slide dove ti stavo mostrando diversi tipi di elettrodi disponibili, dove si sta avendo un tappo di tappo oro o un tappo in acciaio inossidabile o ci sono elettrodi secchi con spiedini, abbiamo visto in uno dei moduli comunque come ho detto ve lo mostrerò in una delle lezioni in modo da vedere come appare l'elettrodo. Il prossimo sarebbero i cuffie e i cappelli degli elettrodi, quindi se vedete lo scivolo, il prossimo sono i cuffie e i cappellini elettrodi lì potete indossare direttamente il tappo per registrare il segnale. Poi ci sono elettrodi a base di salina e infine ci sono elettrodi di ago. Ora, su questo i più utilizzati sono gli elettrodi di cuoio capellato che sono dischi Ag-AgCl, argento, dischi di cloruro d'argento da 1 a 3 millimetri di diametro. Mentre gli elettrodi dell'ago sono utilizzati per registrazioni lunghe e sono inseriti invasivamente, quelli sono inseriti invasivamente.
 
Ora devi capire il termine invasivo, minimamente invasivo, non invasivo. Invasivo. Cosa è invasivo? Invasivo è come lasciarci dire chirurgia del cuore, l'intervento al cuore è invasivo quando si apre il cuore e si esegue l'intervento chirurgico è invasivo. Minimamente invasivo, minimamente invasivo, questo termine viene usato ad esempio se usiamo i cateteri, i cateteri o usiamo un glucometro per capire la concentrazione di glucosio nel sangue, poi quello che si usa un piccolo ago la pinza sul dito e non va in profondità dentro è solo per pinzare così è minimamente invasivo, che si chiama minimamente invasivo. Infine, il terzo termine è non invasivo, non invasivo è quando non si deve inserire uno strumento o un dispositivo o un ago all'interno del corpo, non invasivo. Quindi, elettrodi monouso non invasivi, riutilizzabili non invasivi, proiettori non invasivi, non invasivi a base salina, gli elettrodi di ago sono minimamente invasivi, gli elettrodi di ago sono minimamente invasivi. Quindi, se vuoi registrare per molto tempo poi gli elettrodi di ago sono migliori altrimenti si può andare per altri elettrodi, più comunemente sono Ag-AgCl.
 
Quindi, se si desidera progettare il circuito si richiedono amplificatori e filtri e come già si conoscono i circuiti di condizionamento del segnale sono necessari per amplificare e rendere la compatibilità con il dispositivo di registrazione come display, record, registratori ADM, analogico ai convertitori digitali e altri circuiti elettronici. Quindi, il segnale acquisito in questo particolare caso che è EEG è estremamente basso o si può dire che è molto basso di grandezza molto bassa. E inoltre, contiene reperti. Quindi, sarà difficile se non filtrate questi manufatti per capire quali sono i segnali e sono questi segnali dall'EEG o i segnali sono danneggiati dal rumore, da artefatti. Quindi, dobbiamo amplificare e rimuovere, amplificare il segnale, rimuovere il rumore indesiderato per migliorare il segnale complessivo di segnale acustico è chiamato anche SNR e nella definizione molto semplice, può essere AD da AC, la differenza di guadagno differenziale o rapporto di guadagno differenziale mediante il guadagno in modalità comune AD da AC. Quindi, quali sono i requisiti fondamentali che sono potenziali amplificatori per soddisfare? Il primo requisito, il processo fisiologico da monitorare non deve essere influenzato in alcun modo dall'amplificatore. Quindi, devi capire che tipo di processo fisiologico stai monitorando. La seconda parte è, il segnale misurato non deve essere distorto. La terza parte è, l'amplificatore dovrebbe fornire la migliore separazione possibile di segnali e interferenze che è il motivo per cui generalmente si utilizza un amplificatore di strumentazione, un amplificatore differenziale. La quarta è, l'amplificatore deve offrire protezione del paziente da qualsiasi shock elettrico pericoloso, il paziente non deve avvertire alcun tipo di shock elettrico ogni qualvolta si allega qualsiasi tipo di modulo elettronico o il proprio modulo elettronico di progettazione collegato o interfaccia con gli elettrodi di registrazione.
 
Infine, che è il quinto punto, l'amplificatore stesso deve essere protetto contro i danni che potrebbero derivare da tensioni di ingresso elevate mentre si verificano durante l'applicazione di defibrillatori o strumenti elettrochirurgici, gli strumenti elettrochirurgici, così come i defibrillatori, richiedono alta tensione e questa alta tensione non dovrebbe causare alcun tipo di problema, non dovrebbe distruggere il vostro amplificatore, non dovrebbe influenzare l'amplificatore. Quindi, l'amplificatore stesso deve essere protetto. Uno è l'amplificatore deve offrire protezione al paziente, secondo è l'amplificatore stesso deve essere protetto.
 
Così, l'amplificatore dovrebbe avere le seguenti caratteristiche, quando si parla di condizionamento del segnale EEG. La prima caratteristica è l'amplificazione differenziale con gli input dello scudo guidato, input shield driven input molto importante che lo rende praticabile anche in ambienti elettricamente non pianificati che aumenta il rapporto segnale - rumore. Il secondo punto sull'amplificatore dovrebbe essere che dovrebbe offrire un'elevata impedenza di ingresso e bassa corrente di bias in modo da poter registrare piccoli segnali. Il punto successivo è il dual bandpass a frequenza fissa e i controller di guadagno indipendenti per consentire la registrazione di segnali diversi dalla stessa sorgente con la gamma consentita dalla fase successiva, questo è richiesto ed è per questo che possiamo avere la frequenza quando superato i controller di guadagno fino a 107.000. Infine, il rapporto di rifiuto moderato in modalità comune è un rapporto di guadagno della modalità differenziale rispetto al guadagno di modalità comune. Richiediamo un rapporto di rifiuto in modalità comune già noto che è una modalità differenziale a rapporto modalità comune.
 
Ora, per gli artefatti e il filtraggio, la distorsione del segnale dovuta a manufatti contaminano il segnale EEG originale che già conosciamo artefatti può essere rumore e risultati nel cambiamento, e quali sono gli effetti di questi artefatti? Questi artefatti influenzano il segnale complessivo e si traduce in una modifica della sequenza sia con ampiezza maggiore o modificando la forma del segnale sia non sono corrette, non vogliamo che gli artefatti modificino il segnale che abbiamo ottenuto o che acquisiamo usando gli elettrodi. Quindi, la causa di artefatti nel segnale EEG registrato è dovuta al paziente - correlato o può essere a causa delle problematiche tecniche. Quindi, quali sono gli artefatti del paziente come quando si allega l'elettrodo EEG o ECG o EMG come si allega l'elettrodo EMG sul muscolo o elettrodi EEG sullo scalo o elettrodo ECG sul cuore e sull'altra superficie così come la mano e le gambe. Quali sono gli artefatti che possono verificarsi a causa del soggetto?
 
Così, uno è il movimento del corpo, ora quando si respira, quando ci si muove, questi sono gli artefatti che provocherà il rumore nei o manufatti influenzerà il segnale complessivo. Secondo è il tuo polso, il produttore di impulsi poi causerà l'effetto cause-effetto in ECG, i momenti oculari anche questo occhio è muscolo quindi se ho degli elettrodi scalp se mi muovo occhio, mi basta sbattere gli occhi poi anche i segnali sarebbero colpiti. Se mi muovo gli occhi a sinistra, a destra, in alto, giù anche ci sono i segnali EMG se allego elettrodi EMG qui, qui e qui poi sarò in grado di misurare questa variazione di voltaggio millivolt durante i miei momenti di lampeggiamento o d'occhio, quindi questo provoca anche artefatti perché non siamo interessati al segnale EMG, siamo interessati al segnale EEG, quindi questo è un artefatto. Finalmente seduto, quindi se ti siedi allora il modo in cui ti siedi colpisce anche i segnali complessivi. Mentre i reperti tecnici correlati includono 50 a 60 - interferenze di linea di alimentazione hertz che sono estremamente comuni, la fluttuazione dell'impedenza se c'è un momento di cavo e infine se ci sono fili rotti o il contesto del filo rotto.
 
Così, il rumore della linea di alimentazione CA o CA può diminuire diminuendo l'impedenza di elettroni e dai fili di elettrodo più brevi, se vediamo lo slide ciò che si può vedere sono le cause degli artefatti in base al segnale come abbiamo discusso per gli artefatti del paziente e i manufatti tecnicismi e possiamo ridurre il rumore della linea di potenza diminuendo l'impedenza per fili di elettrodi più brevi.
 
Così, vediamo il requisito di filtraggio, il requisito di filtraggio è quello di progettare un filtro in grado di rimuovere quegli artefatti, quindi è necessario un filtro di passaggio alto per ridurre le frequenze basse provenienti da potenzialità bioelettriche che respirano, etcetera. Quindi, la sua frequenza di taglio di solito si trova nella gamma da 0,1 a 0,7 hertz. Inoltre per garantire il segnale è banda - limitata un filtro passa basso con una frequenza di taglio pari alla frequenza più alta del nostro interesse è utilizzato nella gamma di 40 hertz o fino a meno della metà della frequenza di campionamento. Così, vedremo cosa significa.
 
Si vede qui il design del circuito e se si può vedere la prima fase o prima anche la prima fase ci sono cavi coassiali molto importanti in modo che possa essere, filtrerà il rumore. E anche se si vede il ruolo di cavo coassiale o di input del segnale è che la capacitanza tra gli elettrodi e lo scudo può essere annullata. Quindi, l'aiuto di questo cavo coassiale è significativo. Potete vedere qui quando gli elettrodi possono essere collegati alla prima fase che è il vostro amplificatore di fase di ingresso e poi c'è un'amplificazione a banda larga che amplificherà ulteriormente il segnale, è possibile controllare il guadagno utilizzando questo o questo circuito a seconda di quale tipo di segnale si sta elaborando e infine c'è un'amplificazione del filtro di banda che si può vedere è una quattro - stage. Quindi, se in un altro modo si può sempre dire che il circuito di condizionamento del segnale EEG è composto da 4 tappe, la fase iniziale che è la fase di input iniziale, poi la fase a banda larga, la fase del controller di guadagno e la fase di amplificazione del bandpass finale. Immagina nell'esame se ti viene chiesto questa domanda, puoi facilmente rispondere.
 
Quindi, qual è la prima fase del circuito? Potete vedere la prima tappa, qual è questa tappa? Quindi, la fase di input utilizza INA116 perché è una fase critica e la performance complessiva dell'amplificatore è decisa da questa fase, potete vedere qui l'amplificatore di fase di input utilizza INA116. Perché? Perché si tratta di una fase estremamente critica e la caratteristica di questo IC, in particolare, sono gli input dello scudo e qual è l'importanza di schermare gli input è ridurre la capacitanza tra l'elettrodo o l'influenza che si verifica sul segnale a causa della capacitanza tra l'elettrodo nello scudo considerato come rumore. Questa capacitanza o l'effetto della capacitanza possono essere annullati con la connessione del cavo coassiale in ingresso attraverso i pin dell'unità di protezione tamponata.
 
Così, prevenendo l'interferenza elettrostatica, quindi l'interferenza elettrostatica si verifica a causa dell'accoppiamento capacitivo tra loro che può essere ridotto anche per questo motivo INA116 dovrebbe essere la tua fase di input quando si parla di amplificazione EEG. Inoltre se si vede lo scivolo ulteriormente si tratta di impedenza di ingresso eccezionalmente elevata. Quindi, INA116 ha dividendi di ingresso estremamente elevati, corrente di bias a basso input che lo rende una scelta adatta a registrare segnali di scarsa ampiezza. E infine, ha solo una velocità di slitte limitata di 0,8 volt per microsecondo, quindi se il guadagno è troppo alto, la sua produzione può essere distorta per l'input in fast-changing, quindi la fase di guadagno è limitata a 19,5. Se si capisce questo allora il guadagno è limitato a 19,5. Vediamo la tappa successiva, quindi la fase successiva dei circuiti è l'amplificatore di bandpass controller a banda larga.
 
Così, la fase successiva è il filtro di bandpass che utilizza un filtro a due poli con un guadagno di circa 93,4. Di qui, può filtrare il segnale di rumore con amplificazione. Inoltre, la sua uscita recupera più velocemente quando l'amplificatore è saturo da cambiamenti improvvisi in offset DC, si può leggere questa slide, in seguito, il punto è che le tappe che vengono utilizzate in questo circuito vi mostreremo come una dimostrazione come progettare un tale circuito uno è Simulink e secondo è come parte dell'esperimento. Così, in questa fase, nella fase del controller di secondo guadagno, se si vede un condensatore viene utilizzato per tagliare lo scostamento della DC rispetto alla fase precedente, si vede questo uno stadio del controller di guadagno, il condensatore viene utilizzato per tagliare lo scostamento della DC perché la DC non può passare attraverso condensatore lo sappiamo. L'interruttore è collegato attraverso il registro fisso per un'ulteriore attenuazione alla fase successiva se richiesto. Si vede l'interruttore che c'è, c'è un interruttore, quindi se si richiede ulteriore attenuazione l'interruttore è presente in entrambi il circuito del controller di guadagno e la fase finale è un filtro di banda con amplificazione consente di separare i segnali di ingresso a due frequenze diverse, se si desidera vedere un segnale a bassa frequenza o si desidera vedere un segnale ad alta frequenza quindi è possibile selezionare la fase di bandpass di conseguenza.
 
Questo è per il segnale a bassa frequenza, questo per la banda ad alta frequenza. Così, questo è il circuito complessivo come ho detto che vi mostreremo questa performance di circuiteria usando Simulink vi mostrerà anche questo circuito insieme all'EEG come elettrodo e vi mostreremo come registrare i segnali come un esperimento. Quindi, vediamo due video che mostrano i biosegnali di sensing variabile e BMP. Quantum applied science and research o quasar è leader mondiale nella tecnologia non invasiva di biosensing, oltre un decennio di ricerca è culminato in quasar brevettato ultra high impedance sensor technology. Questo sensore EEG secco costituisce la base del DSI 10/20. Questa cuffie è progettata per riprodurre in modo riproducibile 21 sensori secondo il sistema internazionale 10 - 20. Le cuffie sono facili da utilizzare e possono essere messe in opera dall'utente in meno di 5 minutes minuti senza preparazione della pelle o l'uso di gel. La qualità dei dati EEG ha una fedeltà di segnale paragonabile a quella ottenuta con sistemi convenzionali di elettrodo umido ed è progettata per funzionare in un ambiente di laboratorio o ufficio. Qui vediamo segnali dovuti a lampeggianti, climi di mandibola e attività alfa EEG, tutti acquisiti in real-time da q stream.
 
Il software di acquisizione dati è stato progettato per l'utilizzo con il DSI 10/20. Quasar ha anche sviluppato sofisticati misurini per la classificazione cognitiva dello stato. Questi possono essere adattati per specifiche applicazioni di ricerca e monitoraggio e vengono implementati in tempo reale. Il DSI 10/20 è un sistema completamente ambulatoriale con capacità di trasmissione wireless e memoria di memoria di bordo. Svincolati da fili chi lo indossa può muoversi liberamente e le tecnologie brevettate riducono gli artefatti ambientali e di movimento. Accogliamo sempre nuove collaborazioni scientifiche innovative. Contattateci per discutere delle vostre applicazioni o per organizzare la collaborazione dove possiamo aiutarvi a soddisfare le vostre esigenze di ricerca. Quindi, potreste aver visto che sul mercato sono disponibili pochi dispositivi che pretendono di misurare le vostre onde cerebrali o la vostra EEG e di usare che per controllare i giochi o per pilotare un elicottero o c'è persino un dispositivo che è il mio particolare preferito che si chiama Nekomimi, che è un paio di orecchie da gatto e sostiene di usare il vostro brainpower per misurare le vostre emozioni e mostra se siete felici o se siete tristi. E se stai parlando con una persona se ti piacciono o se li odi.
 
Così, è gentile a mostrare al mondo quello che state pensando in modo che questi dispositivi siano tutti abbastanza interessanti, piuttosto entusiasmanti ma come abbiamo visto nei video precedenti è abbastanza difficile misurare un segnale EEG pulito senza misurare anche manufatti come il tuo occhio lampeggia solo i tuoi movimenti in generale o anche come la tua attività muscolare in faccia, tutto influenza il segnale. Così, come non si può vedere cosa questi dispositivi stanno misurando è un segnale grezzo e tutto quello che si può vedere è l'output così le orecchie che si muovono o il gioco reale siamo interessati a vedere cosa stanno misurando perché abbiamo trovato difficile farlo prima. Così, come esempio, oggi utilizziamo il dispositivo della mente flex. E questo è quello che la mente flex sembra e ha solo un semplice elettrodo secco che va sulla tua fronte e poi ha un elettrodo di terra che va al tuo orecchio e poi il tuo elettrodo negativo va verso l'altro tuo orecchio e il circuito interno che potenze controlla bene il dispositivo, controlla il gioco è questo e basta prendere i segnali da questi elettrodi ed è una trasformata di Fourier su di loro e quindi basta ricevere le diverse bande di frequenza e usa che per controllare il gioco.
 
Così, abbiamo rimosso questo e siamo solo interessati a vedere cosa viene misurato proprio da questi elettrodi. Così, abbiamo appena preso un cavo su cui metterò questo. Eccoci qua, ecco e poi potrai ricordare il nostro amplificatore bio dai nostri precedenti video, quindi e lo useremo di nuovo oggi. E stiamo solo per collegare il terreno a metà e poi il nostro elettrodo positivo e il nostro negativo lo metterò solo sul mio braccio. Ora, potreste ricordare nei video precedenti quando abbiamo misurato EEG abbiamo usato un elettrodo di gel, questo è il nostro elettrodo di gel qui che di solito servirebbe a misurare i biosegnali e di solito puliamo l'area dove connettiamo l'elettrodo e abruamo la pelle per rimuovere l'olio delle cellule della pelle morta che è sulla pelle o il trucco o qualsiasi altra cosa e che dà una connessione migliore e abbassa l'impedenza della pelle e ci permette di registrare un segnale più pulito. Ciò che è interessante della maggior parte di questi dispositivi disponibili sul mercato è che usano solo un elettrodo secco e non consigliano per voi di pulire la pelle o altro per cui sarebbe interessante vedere cosa registreremo oggi.
 
Così, diamo uno sguardo al nostro segnale e cioè il rumore di 50 hertz che stiamo vedendo solo in un minuto, quindi possiamo rimuovere quello con il nostro filtro notch e vedere cosa c'è sotto. Ora, c'è un segnale, possiamo guardare la trasformata di Fourier di quella per vedere quali frequenze stiamo misurando, e ora possiamo vedere se possiamo misurare qualsiasi artefatto così cercheremo ciechi d'occhio e che sta avendo un effetto sul segnale ma è ancora molto rumoroso ci potrebbe essere qualche EEG dentro ma solo usando l'elettrodo secco non stiamo ottenendo un contatto abbastanza buono con la pelle, quindi quello che possiamo fare è lasciare questo per 10 minutes minuti e vedere se riusciamo ad ottenere un segnale più pulito dopo aver ottenuto una connessione migliore. Quindi, si parla di 10 - 15 minutes e ora possiamo dare un'occhiata al nostro segnale e vedere se è più chiaro. E quindi riduviamo decisamente l'ampiezza del nostro segnale dopo 10 - 15 minutes e quello che potremmo vedere ora è EEG ma potremmo anche vedere anche altri manufatti.
 
Così, possiamo dimostrarvi questi a voi solo da me lampeggiando i miei occhi. Così, potete vedere il salto nel segnale è quello di fare con i miei movimenti oculari e questo è perché gli elettrodi accanto ai miei occhi e poi se faccio alcune espressioni facciali quindi sono davvero felice di usare il nekomimi sì, ehi, così eccitato e che è EMG che sta arrivando così che mi muovo muscoli diversi in faccia. E proprio anche io che parlare in questo momento sta creando artefatti proprio da me spostando di nuovo i miei muscoli facciali e lì ci sono anche manufatti di movimento. Quindi, se muovo la testa così è qualcosa che potrei fare mentre gioco il gioco perché non c'è nulla nelle istruzioni che dicono che si deve rimanere completamente fermi ma si vede che questo sta influenzando tutto il segnale.
 
Quindi, guardando al nostro spettro di frequenza che ci stiamo ottenendo dalla trasformata di Fourier, stiamo ottenendo frequenze nella banda EEG in modo che sia bene che ci sia EEG in là ma come abbiamo appena dimostrato ci sono tanti altri manufatti in corso è difficile vedere come questi dispositivi stiano solo misurando l'EEG e usando quello per controllare il dispositivo. Ti sta completamente a cuore se credi che questi dispositivi stiano funzionando nel modo in cui dicono di essere ma sembra abbastanza ovvio che sia molto difficile misurare le tue onde cerebrali o la tua EEG senza misurare anche altri manufatti e questo influenzerà tutti l'output di questi dispositivi. Ora, non sappiamo esattamente che tipo di filtri tutti questi dispositivi stiano usando e possono pretare di rimuovere artefatti diversi facendo cose diverse ma lo spettro EMG è all'interno dello spettro EEG quindi sarebbe impossibile rimuovere completamente l'EMG pur lasciando l'EEG.
 
Quindi, probabilmente è improbabile che lo stiano facendo così abbiamo creato una playlist di YouTube, quindi si può avere uno sguardo a lotti dei diversi dispositivi disponibili commercialmente e anche diverse applicazioni dello stesso tipo di dispositivo di testa, diversi elettrodi e si può mettere in mente ciò che si pensa e questi video stanno mostrando o cosa si pensa che il dispositivo stia misurando. Quindi, quello che avete visto in quelle cose è così in particolare che riassuma questo modulo. In questo modulo abbiamo visto quali sono i segnali EEG, come può, piuttosto che quali sono i segnali EEG abbiamo esaminato come i segnali EEG possono essere acquisiti e come può essere elaborato progettando un circuito di strumentazione elettronica. E poi finalmente abbiamo visto quali sono le tecnologie di telerilevamento variabili o l'ordinamento video e variabile e un breve video sui segnali BMP.
 
Così, ne parleremo di più nella parte sperimentale. Fino ad allora basta guardare questo modulo ancora una volta, capire che tante volte mentre guarda il video avrai più domande e potrai scoprire che esattamente come questo INA116 dovrebbe essere usato o perché dovremmo usare solo INA116, non altro. Che tipo di elettrodi dovremmo usare, perché generalmente si usano elettrodi Ag-AgCl, sono meglio, qual è l'importanza tra questo solo elettrodi di patch e gli elettrodi comb? Diverse domande possono sorgere quando si legge e ascolta i video due volte, il thrice avrà una lista di domande che si possono chiedere.