Resumen— Existe una gran cantidad de formas de medir la intensidad del dolor en los seres humanos, la mayoría se basan en métodos de apreciación, no existe un método para el estudio de las ondas electroencefalográficas con respecto al estímulo doloroso. Este artículo muestra el estudio del comportamiento de las ondas electroencefalográficas bajo diferentes estímulos: dolor, lectura, relajación y examen matemático para su comparación y análisis.

El análisis aplicado a las ondas de EEG se basa en un análisis frecuencial global de las señales obtenidas y además la interpolación lineal segmentada de los valores, asi también su visualización en imágenes 2D y 3D, esto hace posible correlacionar el dolor con el decremento de los valores de la las ondas de EEG en ciertas zonas del cerebro, en específico, en la zona del lóbulo temporal.

Índice de Términos— Ondas electroencefalográficas, electroencefalógrafo (EEG), medición de dolor, interpolación lineal segmentada.

I. EINTRODUCCIÓN

l dolor es una experiencia sensorial y emocional desagradable, asociada con un daño tisular, real o potencial. El dolor objetivo señala al sistema nervioso que una zona del organismo está expuesta a una situación que puede provocar una lesión. Esta señal de alarma desencadena una serie de reacciones cuyo objetivo es evitar o limitar los daños y hacer frente al estrés [1]. El hombre siempre se ha preocupado por mejorar su calidad de vida, y un factor muy importante para lograr esta mejora es el control o eliminación del dolor, lo cual genera la gran pregunta de cómo medir el dolor para después controlarlo, en la actualidad no existen métodos claros que estudien o midan

J. L. Salazar Martínez estudia la Maestría en Ingeniería Electrónica en el Instituto Tecnológico de Morelia, Avenida Tecnológico #1500, Col. Lomas de Santiaguito. Morelia, Mich. (e-mail: luis_electron@hotmail.com ).

A. C. Téllez Anguiano labora como profesora-investigadora de tiempo completo en el Instituto Tecnológico de Morelia, Avenida Tecnológico #1500, Col. Lomas de Santiaguito. Morelia, Mich. (e-mail: adrianat@itmorelia.edu.mx )

J. A. Gutierrez Gnecchi labora como profesor-investigador de tiempo completo en el Instituto Tecnológico de Morelia, Avenida Tecnológico #1500, Col. Lomas de Santiaguito. Morelia, Mich. (e-mail: agnecchi@itmorelia.edu.mx).

A. E. Villafuerte Nuñez estudia la Maestría en Ingeniería Electrónica en el Instituto Tecnológico de Morelia, Avenida Tecnológico #1500, Col. Lomas de Santiaguito. Morelia, Mich. (e-mail: angel.villafuerte@hotmail.com).

el comportamiento de las ondas electroencefalográfícas con respecto a estímulos dolorosos [2].

II. EL DOLOR Y SU ESTUDIO

El cerebro es el órgano encargado de percibir y procesar el dolor [3], pero sigue siendo objeto de estudio el cómo medir su intensidad.Los métodos existentes para medir el dolor se basan en cuestionarios en los cuales se pregunta al paciente cómo se siente, qué tipo de sensación percibe durante la estimulación dolorosa y cómo se siente emocionalmente bajo la prueba. Estas pruebas son parte del método The McGill Pain Questionnaire (MPQ), el cual fue desarrollado por la Universidad de McGill, por el psicólogo Ronald Melzack[4]. Sin embargo, este examen del dolor sólo puede ser aplicado en personas que tenga como primer idioma el inglés, los hispanoparlantes emplean el cuestionario del dolor en español (CDE) que es la traducción oficial de MPQ [5][6].

III. OBJETIVO

El objetivo de este trabajo es determinar por medio de la electroencefalografía (EEG) y del análisis en frecuencia de las ondas electroencefalográfícas, el comportamiento del cerebro bajo el estímulo del dolor en compración a otros tipos de estímulos, con la finalidad de relacionar el dolor con un patrón específico en el comportamiento del cerebro bajo estas pruebas. Los resultados se validan al comparalos con los resultados obtenidos con los métodos ya existentes para medir el dolor, en este caso con el MPQ-CDE. Ya existen varios resultados de investigaciones de la misma índole pero en ninguna son resultados tajantes y es necesario seguir buscando patrones en los EEG con respecto al dolor [7].

IV. CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOPOTENCIALES CEREBRALES

Los biopotenciales cerebrales u ondas de EEG a medir en esta investigación están en el rango de 1 a 100 Hz, de 0 a 500 µV y se pueden subdividir en las siguientes ondas:

Delta (1.6-3Hz) Teta (4.7-6.3) Alfa (7.8 – 12.5) Beta (14.1-25 Hz)

1.1 Estudio de ondas electroencefalográficas bajo el estímulo del dolor

J. L. Salazar Martínez, Student Member, IEEE, A.C. Téllez Anguiano, Member, IEEE, J. A. Gutiérrez Gnecchi Member, IEEE, A. E. Villafuerte Nuñez, Student Member.

1

Gama (26.6-40 Hz)

Las ondas de EEG se muestran en la Fig. 1.

Fig. 1 Ondas electroencefalográficas en un lapso de 1 segundo

Los ondas EEG están contaminadas por: Biopotenciales generados por los músculos

(biopotenciales electromiograficas EMG). Biopotenciales generados por los ojos (biopotenciales

electrooculograficos). Biopotenciales generados por el corazón (Biopotenciales

electrocardiográficos). Fuentes de ruido externo, ruido de la línea (60 Hz). Offset de la piel.

Por lo anterior es indispensable realizar un acondicionamiento, procesamiento y filtrado de las señales EEG adquiridas.

V. METODOLOGÍA

La adquisición de señales se hace en 12 pacientes con las características dadas en [6] donde se selecciona los pacientes que no están bajo ningún tratamiento médico, que no tengan dolor crónico o agudo antes de la prueba y que no tengan alguna discapacidad.

Los datos de los 12 pacientes se adquieren, en primera instancia mediante el hardware diseñado e implementado en el Instituto Tecnológico de Morelia (ITM), y esta compuesto por las siguientes etapas:

Adquisición de la señal: En sección es la realizada con los electrodos.

Acoplamiento y acondicionamiento de la señal: Esta parte se realiza a base de un amplificado de instrumentación (INA129) y su dos principales funciones es eliminar el offset que se genera entre la piel y el electrodo, además amplificar la señal cerebral con una ganancia de 1000.

Filtro pasabanda (1 a 50 Hz) y fitlro notch de 60 Hz: Esto se realiza con amplificadores operacionales esto para eliminar el ruido que contamina la señal.

Aislamiento: Esta parte tiene como objetivo aislar al paciente de voltaje y corriente de la línea, esto lo hace el ISO124 el cual acopla las señale via electromagnética y no eléctrica.

Conversión Analógica-Digital: Esto acción la realiza el microcontrolador MSP430149F y los trasmite vía serial a la computadora.

El diagrama a bloques del diseño se muestra en la Fig. 2

Fig. 2 Diagrama de bloques del hardware para un EEG.

El prototipo real en 3D queda como se muestra en la Figura 3, donde se puede observar todas las etapas.

Fig. 3. Prototipo final en 3D

Se obtienen los datos de EEG medidos con el prototipo mediante un osciloscopio digital, la gráfica generada se muestra en la Fig. 4.

2

Delta Teta

Alfa Beta

Adquisición de la señal

Amplificación Filtrado Aislamiento

Fig. 4. Datos obtenidos por el canal de EEG desarrollado en el ITM.

Los datos son almacenados y graficados en Brainbay para su posterior análisis, los resultados se muestran en Fig. 5.

Fig. 5 Representación de los datos del EEG en Brainbay

El análisis realizado permite determinar que los resultados obtenidos no son los más adecuados debido a las características propias del prototipo, el cual no permite realizar una medición de varias regiones del cerebro, debido a que el prototipo es alambrico y solo se cuenta con un electrodo.Como resultado de un análisis de la mejor herramienta de hardware para adquirir los datos de EEG, se decide trabajar con la diadema de Emotiv ® (Fig. 6), la cual tiene como características:

16 Electrodos

Una velocidad de muestreo de 200 Hz por

electrodo

Un filtro rechaza banda de 60 Hz

Comunicación por Bluetooth®.

Acceso a los datos crudos (sin filtrar)

Esta se muestra en la Fig. 6

Fig. 6 Diadema Emotiv®

El software para el análisis de los datos se desarrolla en la plataforma de OpenVibe ®, el cual se describe en el diagrama de flujo mostrado en la Fig. 7; el programa a bloques se presenta en la Fig. 8.

Fig. 7 Diagrama de flujo del programa desarrollado en OpenVibe®.

3

Fig. 8 Programa a bloques para el análisis de diferentes respuestas de los biopotenciales cerebrales bajo diferentes estímulos

Los resultados del programa se obtienen mediante la separación de las bandas de EEG, para lo cual se emplean filtro a las frecuencias específicas de cada onda: Delta (1.6-3Hz), Teta (4.7-6.3), Alfa (7.8 – 12.5), Beta (14.1-25 Hz) y Gama (26.6-40 Hz)Una vez obteniendo el filtrado por banda se interpolan los valores para cada una de ellas, la interpolación aplicada es segmentada lineal, donde el signo + es el valor más alto de los datos y el signo – es el dato con menor valor, esto sin importar el rango de los datos. Se le asigna un color a los valores obtenidos para obtener una representación gráfica de fácil interpretación para el usuario, donde al valor más alto se le asigna el color amarillo y al valor más bajo el color rojo (Fig. 9).

Fig. 9 Barra de asignación de color para el rango de valores de los biopotenciales.

El céfalo del paciente se representa mediante topografías 2D y 3D. Dichas topografías permiten señalar gráficamente la colocación de los electrodos y la interpolación segmentada lineal en tiempo real para cada respuesta de los diferentes estímulos (Fig. 10 y 11, respectivamente).

Fig.10 Topografía de la cabeza del paciente en 2D

Fig. 11. Topografia de la cabeza del paciente en 3D

Para que el desarrollo de la investigación tuviera como base parámetros de estudio reconocidos se utiliza el protocolo para pruebas descrito en [6], esto es, se adquieren los datos de EEG de 20 participantes durante lapsos de 5 minutos bajo 4 diferentes estímulos: lectura, relajación, dolor y examen matemático. Los diferentes estímulos se llevan a cabo mediante tareas específicas: para el bloque de lectura se hace leer al participante un fragmento del libro “Cien años de soledad”; para el bloque de relajación se le pide al participante que vea y escuche el video Weightless de Marconi Union; para la prueba del dolor se introduce la mano del participante en un recipiente con agua fría (de 2 a 4°C) y, por último, para la prueba de examen matemático se le indica al sujeto que resuelva ejercicios del examen Ceneval (México) para ingresar al nivel licenciatura.

VI. RESULTADOS

El sistema diseñado lleva a cabo el análisis de la respuesta de las ondas de EEG de diversos pacientes ante diferentes estímulos: relajación, dolor, lectura y examen matemático.Los datos topográficos obtenidos en 2D y 3D del céfalo, para los diferentes estímulos, se comparan entre sí para observar los parámetros que son constantes para la mayoría de los participantes sometidos a los diversos estímulos mencionados. Para cada uno los estímulos fue posible determinar un parámetro constante en los pacientes, el cual varía de modo directo con el diferente estímulo que se le aplica, permitiendo observar una correlación entre dichos estímulos y las ondas de EEG (Figs. 12, 13, 14 y 15).

Fig. 12 Biopotenciales cerebrales bajo el estimulo de lectura. Se observa que existe biopotenciales de mayor valor en el área del lóbulo temporal que en

otras áreas del cerebro.

Después de realizar el análisis de los datos adquiridos de todos los participantes en el estudio, es posible observar que el dolor es uno de los estímulos que provoca cambios más significativos en el comportamiento eléctrico del cerebro, siendo el lóbulo temporal la zona que se ve más afectada, en

4

especial la región izquierda la corresponde al electrodo T8 (sistema 10 20), como se muestra en la Fig. 12

Fig. 13 Biopotenciales cerebrales bajo el estimulo de resolución de ejercicios matemáticos. Se observa que existen biopotenciales de valor alto en

el área del temporal, similares al estímulo de lectura (Fig 12).

Fig. 14 Biopotenciales cerebrales bajo relajación. Al igual que en las Fig. 12 y 13 los valores de los biopotenciales en el lóbulo temporal tienen valor alto.

Fig. 15. Biopotenciales cerebrales bajo el estimulo del dolor. Se observa como en el lóbulo temporal que los biopotenciales son de menor valor que

para otro estímulos.

Se puede observar en la Figura 12, 13 y 14 que la actividad eléctrica del cerebro en la parte del lóbulo temporal es alta a diferencia del la actividad eléctrica bajo el estímulo del dolor

donde se observa que la actividad eléctrica disminuye.Este patrón de comportamiento se da en 11 de los 12

pacientes bajo prueba. En la Figura 16, 17 se puede observar el comportamiento de otro paciente bajo el estímulo del la lectura y bajo el estímulo del dolor.

.Fig. 16. Comportamiento eléctrico del cerebro del segundo paciente bajo el

estímulo de la lectura. Se puede observar que en la zona del lóbulo temporal izquierdo existe alta actividad eléctrica.

Fig. 17. Comportamiento eléctrico del cerebro del segundo paciente bajo el estímulo del dolor. Se puede observar que en la zona del lóbulo temporal izquierdo existe menor actividad eléctrica.

VII. CONCLUSIONES

En el estudio y medición del dolor no existe un método moderno que pueda ayudar al estudio de patrones en las ondas electroencefalográficas con respecto al dolor y otros estímulos, esta necesidad es la base de la presente investigación.De los resultados obtenidos del análisis de la respuesta de las ondas de EEG, ante diferentes estímulos, se llega a la conclusión de que el dolor es, de los estímulos empleados, el que provoca cambios más notorios en el comportamiento

5

Menor actividad en el lóbulo temporal izquierdo

Mayor actividad eléctrica en el lóbulo temporal izquierdo (izquierdo

Menor actividad en el lóbulo temporal izquierdo

eléctrico del lóbulo temporal izquierdo del cerebro, ya que genera una disminución en la magnitud de la señal de EEG con respecto al resto de los electrodos.Teniendo estos resultados es posible decir que mediante el desarrollo de un protocolo de pruebas con base en un EEG y en el análisis matemático, en específico, en la interpolación lineal segmentada, se pueda relacionar el dolor con el comportamiento cerebral de una forma más analítica que en los métodos anteriores.

VIII RECOMENDACIONES

Para desarrollar este tipo de pruebas es necesario apegarse a protocolos para aceptación del experimento en este caso se recomienda apegarse al articulo “Measurement Tools and Methods in Clinica Research in Palliative Care: Recommendations of an Expert Working Group of the European Association of Palliative Care”. Tambien es importante desarrollar las pruebas en un estudio o laboratorio sin ningún tipo de perturbación que distraiga a los pacientes participantes.

Se debe tomar en cuenta que toda actividad que desarrolle el paciente afectara el comportamiento eléctrico del cerebro por lo tanto evitar movimientos del paciente, también evitar platicar o molestar al paciente durante la prueba.

IX AGRADECIMIENTOS

Los autores de este artículo agradecemos el apoyo otorgado por el CONACyT y la DGEST ya q ue sin su apoyo esta investigación no hubiera sido posible.

X REFERENCIAS

[1] D, Rissacher, R, Dowman, S.A.C. Schuckers, “Identifying frequency-domain features for an EEG-based pain measurement system”, Bioengineering Conference, 2007. NEBC '07. IEEE 33rd Annual Northeast.

[2] B. Allan, I. D. Julius, “Molecular Mechanisms of nociception”, Nature, Vol. 413, pp. 203-210, Septiembre 2001.

[3] R. Melzack, The Mc Gill Pain questionnaire: major properties and scoring met-hods. Pain, 1: 277-299. 1975

[4] R. Ruiz López , Pagerols M, I. Ferrer. “El cuestionario del dolor en español”. Pain, 5: 110S.

[5] A. Caraceni, N. Chern, R. Fainsinger, S. Kaasa, P. Poulain, L. Radbruch, F. De Conno and the Steering Committee of the EAPC Research NetworkPain, “Measurement Tools and Methods in Clinica Research in Palliative Care: Recommendations of an Expert Working Group of the European Association of Palliative Care”, Journal of Pain and Symptom Management, Vol. 23 No. 3, pp. 239-255 March 2002..

[6] F. Brauer, D. Bruce Dick, G. Stroink, J. F. Connolly, P. J. McGrath, G.A. Finley, “KLT Analysis of Brain Potential Maps During Pain”, Annual EMBS International conference, 2002.

6