Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. Recibido: 01/07/2013 Aceptado: 16/12/2013

DETECCIÓN DE ACTIVIDAD CEREBRAL UTILIZANDO UNA DIADEMA DE SENSORES CON UN SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

Brain activity detection using a headset with virtual instrumentation

RESUMENSe presentan resultados preliminares obtenidos con un sistema de detección, análisis y descripción de las señales provenientes de la actividad eléctrica asociada a neuronas funcionales en nuestro cerebro, conocido como auricular EPOC de EMOTIV y su interacción con una interfaz gráfica en LabView de National Instruments. El auricular EPOC tiene dieciséis electrodos para detectar las señales eléctricas en el cerebro, los cuales están emparejados (ocho que detectan señales en el hemisferio derecho y ocho del lado derecho), para detectar movimientos faciales [3]. Se aprovecha la interfaz visual de LabView para desplegar los resultados.

PALABRAS CLAVE: EPOC, EEG, actividad cerebral.

ABSTRACTWe present a system for detection, analysis and description signals coming from the electrical activity associated with functional neurons in our brains, using the Emotiv EPOC headset and LabVIEW from National Instruments. EPOC handset has sixteen electrodes to detect electrical signals in the brain. Since there is no reference, these electrodes are actually paired (eight signals detected in the right hemisphere and eight right side), and the difference between the two is used as a measured signal [3]. LabVIEW is used to display results.

KEYWORDS: EPOC, EEG, cerebral activity.

JOSÉ JAIME ESQUEDA E.Maestro en Ciencias. Profesor Investigador de la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja Californiajjesqueda@uabc.edu.mx

NESTOR GONZÁLEZ ARMENTAEstudiante de la carrera de Bioingeniería en la Universidad Autónoma de Baja Californianess_fresh@hotmail.com

DAVID OCTAVIO ROA RICOIngeniero en Electrónica. Estudiante de Maestría en Ciencias en la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. Línea de investigación: Procesamiento Digital de Señales.droa.orico@gmail.com

PEDRO AYALA MUÑÓZ Ingeniero en Electrónica. Estudiante de Maestría en Ciencias. Línea de investigación: Procesamiento Digital de Señales.ayala.pedro@hotmail.com

1. INTRODUCCIÓN

La actividad eléctrica neuronal es la suma de los potenciales eléctricos ocurridos a nivel del soma, las dendritas neuronales y los potenciales de acción que ocurren a nivel axonal. Esta actividad eléctrica neuronal, está siempre presente, incluso durante el sueño [1].

La información sensorial periférica pasa normalmente por centros de relevo subcorticales antes de ser enviadas a su destino final en regiones somato sensoriales específicas de la corteza cerebral. Ya que la corteza cerebral está muy cerca de la superficie interna del cráneo, es posible la colocación de electrodos en el cuero cabelludo sobre diferentes regiones para poder detectar actividad eléctrica asociada a neuronas funcionales. El registro de la actividad cerebral usando electrodos se le denomina electro encefalograma (EEG; electro = eléctrica, encephelo = cerebro, gram = registro) [2].

Emotiv Systems es una empresa australiana del área electrónica que desarrolla interfaces cerebro-

computadora basadas en electroencefalografía (EEG). La plataforma Emotiv EPOC es un equipo de encefalografía inalámbrica multicanal de alta resolución que utiliza dieciséis sensores y dos más que operan como referencias (ocho que detectan señales en el hemisferio derecho y ocho del lado izquierdo) [3]. Estos electrodos están montados en una diadema o headset, en la figura 1 se muestra el sistema completo. Las señales eléctricas producidas por el cerebro son detectadas por el equipo y mediante una base de datos se logra comparar los pensamientos, los sentimientos y las expresiones de los usuarios en tiempo real. La EPOC se conecta de forma inalámbrica a sistemas de cómputo con Windows o Mac OS X.

Junto con la diadema, el fabricante incluye la herramienta computacional Emotiv, la cual le pide al usuario "entrenar" una determinada acción, como por ejemplo, "levantar el bloque" en la aplicación “COGNITIV SUITE” el programa compara cómo cambian los valores de los electrodos en la cabeza del usuario, guarda estos datos y finalmente los clasifica

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como la acción de “levantar el bloque” como se muestra en la figura 2. Cada vez que detecta cambios similares, reconoce que el usuario está tratando de levantar dicho bloque o ejecutar tal acción.

Figura 1. Diadema o headset Epoc

Hay un buen número de expresiones o acciones que la Epoc ya reconoce, tal como sonreír, debido a que las mediciones obtenidas son relativamente consistentes entre diferentes individuos. En este trabajo se presenta el proceso de adquisición de las señales de la diadema EPOC y la forma de crear un programa en LabView que permita interactuar con dicho headset, es decir que ejecute acciones con solo pensarlo. Esto puede ser muy útil para aplicaciones futuras del área biomédica, por ejemplo en el diseño de una silla de ruedas eléctrica que pueda moverse por medio del pensamiento o expresiones faciales.

Figura 2. Aplicación “COGNITIV SUITE”, muestra cuando el usuario entrena para “levantar el bloque”.

2. ALCANCE DEL TRABAJO

Para este trabajo, se plantea el registro de señales electroencefalográficas (EEG) mediante el Emotiv Epoc a un sujeto en diferentes estados de concentración. Asimismo, desarrollar una interfaz Emotiv epoc- Labview para la obtención de datos del software Emotiv

y con esto analizar las señales provenientes del EEG cuando el individuo está concentrado en diferentes estados, como movimiento de ojos (hacia lado izquierdo, hacia lado derecho, hacia arriba, hacia abajo), movimiento de cabeza (hacia arriba y hacia abajo), expresiones faciales (Sonrisa, Apretar mandíbula, Levantar ceja derecha, Levantar ceja izquierda, Levantar ambas cejas, Parpadear). Todo esto se describe en las secciones posteriores.

3. INTERFAZ EMOTIV EPOC – LABVIEW

Para el desarrollo de la interfaz de comunicación entre ambos, se utilizó una computadora con Windows 7 (64 bits) con Puerto USB y LabView versión 8.6, la diadema Emotiv con el programa para adquisición de señales EPOC Control Panel y la librería Epoc Package, ambos proporcionados por el fabricante.

Configuración del Emotiv

Después de la instalación del software de Emotiv Systems, se ejecuta el Panel de Control del Emotiv para interactuar con los datos del headset. Ya que el programa está en ejecución, el usuario se coloca la diadema, con los electrodos previamente hidratados con una solución salina y se verifica que todos los electrodos vistos en el panel de control tengan buen contacto con la superficie craneal. Una vez que los electrodos indican una conexión estable y una buena transferencia de señal, se pueden utilizar las aplicaciones incorporadas en el Panel de Control para ver el comportamiento dado los movimientos, emociones faciales o de la tarea cognitiva del usuario a manera de calibración.

Desarrollo del programa en Labview:

En el diagrama 1 se muestra el proceso que se sigue desde la conexión de la diadema hasta la adquisición de datos.

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Diagrama 1: Muestra los pasos que se deben seguir para la adquisición

de datos de la diadema.

Después de la obtención de datos por medio de Labview se puede emplear una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) para activar o desactivar dispositivos externos.

En la figura 3 se muestran los bloques del programa, llamados “objetos”, los cuales cuentan con diferentes funciones o tareas a desarrollar para la adquisición y procesamiento de las señales cerebrales. La descripción de los bloques se presenta en las secciones subsecuentes.

Figura 3: Programa para la detección de sonrisa en el usuario.

Este programa consta de varios bloques, los cuales son: "Emotiv Create Task.vi", el cual crea una referencia a un objeto Emotiv a través de la biblioteca dll para inicializar la estructura de programación. La biblioteca dll es la dirección en donde se encuentra el Panel de Control Epoc, "Emotiv Start Task.vi" inicializa una conexión remota con el panel de control, mientras que el bloque "Emotiv Read" espera y busca en una matriz previamente almacenada que contiene los parámetros numéricos patrón que describen las expresiones faciales, de esta forma se detectan al ser comparada la señal entrante con los patrones por el panel de control [4].

Lo anterior describe la existencia de una base de datos en el programa Emotiv Epoc, dicha base de datos contiene

una relación de señales que describen las diferentes expresiones faciales de una persona promedio y así cuando el usuario sonríe solo por mencionar un ejemplo la señal proveniente de la diadema en dicho momento es comparada con la base de datos existente, con esto el programa establecerá que la señal entrante es similar a la encontrada en la base de datos “etiquetada” como sonrisa.

El bloque "Emotiv stop task" permite concluir la comparación a los objetos de Emotiv task e informa si se presentaron errores. El programa muestra a un “avatar” el cual indica las expresiones faciales que son detectadas por la diadema en el usuario, en este caso particular se detectó en el usuario una sonrisa a partir de las señales captadas por los electrodos del Epoc. La expresión facial detectada se presenta en el avatar de la figura 4 y se despliega una sonrisa.

.Figura 4: Interfaz del emotiv. Detección de una sonrisa.

En la figura 5 se muestra la gráfica de la señal adquirida y procesada correspondiente a una sonrisa. Esta señal se procesa y compara en el programa de Labview con el patrón previamente almacenado de la sonrisa, para verificar su semejanza o diferencia.

Figura 5. Actividad cerebral detectada para el caso de la sonrisa.

Al observar resultados positivos se crearon diversas estrategias de programación para hacer más accesible la transferencia de datos y se extendió el programa para la adquisición de más señales las cuales fueron: movimiento de los ojos (izquierda y derecha), levantar las cejas, apretar la quijada, además de la detección de sonrisa. En la figura 6 se muestra la estructura de programación

Conexión de la diadema.

Acción del usuario.

Detección de la accion por el panel de control Epoc.

Adquisicion de datos por medio de labview.

Panel de control Labview.

Aplicación.

Usuario

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llevada a cabo para cubrir los casos descritos anteriormente.

Figura 6. Diagrama para la detección de sonrisa, apretar mandíbula, levantar cabeza, mover cejas, mirar hacia la izquierda, mirar hacia la

derecha, mirar hacia arriba y abajo.

Este diagrama consta de los bloques de programación: "Emotiv Create Task.vi", el cual crea una referencia a un objeto Emotiv a través de la librería dll para inicializar la estructura de programación.

La librería dll es la dirección en donde se encuentra el Panel de Control Epoc, es la misma estructura que la figura 3, sin embargo, se incluyeron bloques que ayuden a graficar la señal proveniente de la diadema (Graph indicators), así como los leds booleanos que indican cuándo la señal es detectada. En la figura 7 se muestra el panel desarrollado.

Figura 7. Panel de control del sistema de adquisición y despliegue de las diferentes señales detectadas: sonreír, apretar mandíbula, levantar

cejas etc.

4. PRUEBAS DESARROLLADAS Y VALIDACIÓN

La señal adquirida se encuentra en el rango de 0 y 1, son valores adimensionales debido a que el software del fabricante no permite adquirir datos crudos de la diadema Epoc, por lo que el toolkit de LabView asigna los valores automáticamente. A continuación se muestran los resultados de la adquisición de datos de los estados

faciales: Sonreír, Apretar mandíbula, Mirar a la derecha, Levantar ceja.

Sonreír

Para este y los demás experimentos, primero se verifica la conexión entre el usuario y la diadema, para asegurar que cada uno de los sensores estuviese detectando buena señal. Después, se comprueba que el “avatar” responda a las expresiones faciales realizadas por el usuario, posteriormente se abre el programa realizado en Labview para iniciar la adquisición de datos.

Finalmente se ejecuta el programa para observar las variaciones de las magnitudes en la ventana de control. En la figura 4 se muestra el avatar que indica que se detectó la expresión facial de sonrisa. En la figura 5 se muestra la señal adquirida en el dominio del tiempo.

Apretar mandíbula

En este experimento se realizaron pruebas cuando el usuario ejercía una fuerza en la mandíbula, los resultados se mostraron en la ventana de control de Labview. En la figura 8 se muestra al avatar representando la acción de apretar la mandíbula.

Figura 8. Detección de apretar la mandíbula.

En la figura 9 se muestra la señal adquirida correspondiente a la acción de apretar la mandíbula.

Figura 9: Señal correspondiente a la acción de apretar la mandíbula.

Levantar ceja

En la figura 10 se muestra al avatar una vez que la acción de levantar las cejas ha sido detectada. En la figura 11 se muestra la señal adquirida

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Figura 10. Detección de la acción levantar las cejas

Figura 11. Señal correspondiente a la acción de levantar las cejas.

Mirar a la derecha

En la figura 12 se muestra en el avatar la detección de la acción de mirar hacia la derecha, manteniendo la cabeza fija. Asimismo, también se presentan en la ventana de control de Labview por medio de LEDs virtuales y cuadros de texto que muestran la posición en X y Y de los glóbulos oculares.

Figura 12. Avatar representando la acción de mirar a la derecha.

5. RESULTADOS

Como se observó en las figuras anteriores, la adquisición de datos de la diadema se lleva a cabo de forma exitosa, sin embargo, la señal adquirida no son los datos crudos obtenidos mediante la diadema Epoc. Los datos procesados son valores representativos (de 0 a 1 en el caso de expresiones faciales) de las señales detectadas por el Panel de Control Emotiv, los cuales se procesan y visualizan mediante el programa desarrollado en Labview, donde se despliegan gráficamente los valores

variantes cuando se cambia de una expresión facial a otra. Por otro lado, los valores obtenidos son significativos, por lo que es factible diseñar un programa con la tarea de detectar diferentes expresiones faciales a partir de las señales EEG.

6. CONCLUSIONES

El EMOTIV EPOC es un sistema con una diadema para electroencefalografía inalámbrica, que es utilizado para medir las ondas cerebrales y que permite a los usuarios utilizar las señales de la actividad eléctrica cerebral para alguna aplicación específica. En base a lo anterior se desarrolló un sistema el cual adquiera los datos crudos de las señales provenientes de la diadema (interfaz diadema-computador), que podrán ser fácilmente manipulados para encender o apagar dispositivos.

7. REFERENCIASLibros:

[1]Lauralee sherwood, Fisiología humana, de las células a los sistemas, 7a ed. Virginia: CENEAGE learning, 2011, pp.104-112.

Manuales:[2]Biopack user manual, Systems inc, pp 12-13.

[3]Emotiv Software Development Kit, User Manual for Release 1.0.0.3, pp 7-8

Fuentes de internet:Comunicación Emotiv Epoc-Labview. [4]http://labviewhacker.com/doku.php?id=projects:lv_epoc_interface:lv_epoc_interface

Toolkit Emotiv Para Labview. [5]https://decibel.ni.com/content/docs/DOC-18059

Videos consultados:

Interfaces Labview para Emotiv.[6]http://www.youtube.com/watch?v=jv60IYvrFuU [7]http://vimeo.com/13047029 Interfaces Arduino para Emotiv.[8]http://www.mindmeister.com/es/214762396/emotiv-epoc-processing-arduino

[9]http://www.youtube.com/watch?v=jv60IYvrFuU

[10]http://www.youtube.com/watch?v=hn7xZFqmGeo

[11]http://www.youtube.com/watch?v=TfemwzKfKrc