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RAE

1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar al título de INGENIERO ELECTRÓNICO 2. TÍTULO: PROTOTIPO PARA LA ADQUISICIÓN Y VISUALIZACIÓN DE SEÑALES DE EEG PARA LA ONDA P300. 3. AUTOR (ES): Alejandro Cortés Lizarazo y Leandro Portilla Cuarán 4. LUGAR: Bogotá D.C. 5. FECHA: agosto de 2014. 6. PALABRAS CLAVES: Electroencefalografía, EEG, Ondas cerebrales, P300, Electrodos, Instrumentación, notch, pasa altas, pasa bajas, MySql, base de datos, web. 7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO: El objetivo principal del proyecto es diseñar y construir un prototipo para medición y visualización de señales EEG para la onda P300, se incluye además una señal de ECG de un canal; se selecciona los sensores, se diseña los circuitos de adecuación de señal y transmisión serial, el entorno grafico para visualizar y adquirir las señales de manera local en PC, se incluyen las herramientas para el registro y almacenamiento de datos y transmisión a Internet, y se diseña un en entorno Web para la visualización remota de las señales almacenadas en una base de datos y se evalúan los resultados. 8. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: No aplica. 9. METODOLOGÍA: El proyecto se desarrolla de manera empírica-analítica debido a que se debe desarrollar etapas análogas y digitales, de acuerdo a los elementos de construcción disponibles, y ajustadas a niveles adecuados para ser procesados, se implementa combinando el uso de las herramientas disponibles para adquirir y transmitir las señales según los objetivos. 10. CONCLUSIONES: Con respecto al proyecto planteado se encontró que: No es posible medir repetibilidad, ya que el cerebro tiende a acostumbrarse a los estímulos por lo que las características de la señal obtenida cambian a medida que se hace repetición de las pruebas. Todos los canales del EEG no se pueden ajustar con las mismas ganancias ya que la intensidad de la señal varía según el punto del estándar 10-20, siendo las más intensas las ubicadas en los puntos Fz y Pz y las más débiles las de la zona Cz y Oz. La onda P300 no es periódica por lo que en la adquisición siempre será necesario someter a estímulos al paciente y conocer el momento en el que se realizó el estímulo, ya que la aparición de la señal también puede estar relacionada a estímulos externos no controlados.

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PROTOTIPO PARA LA ADQUISICIÓN Y VISUALIZACIÓN DE

SEÑALES DE EEG PARA LA ONDA P300.

ALEJANDRO CORTÉS LIZARAZO

LEANDRO PORTILLA CUARÁN

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C.

2014

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PROTOTIPO PARA LA ADQUISICIÓN Y VISUALIZACIÓN DE

SEÑALES DE EEG PARA LA ONDA P300.

Proyecto de grado para optar el título de Ingeniero Electrónico.

Autores:

ALEJANDRO CORTÉS LIZARAZO

LEANDRO PORTILLA CUARÁN

Asesor:

ING. LUIS EFRÉN BARRERO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C.

2014

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Nota de Aceptación

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Director: Ing. Luis Efrén Barrero.

_________________________________ Jurado

_________________________________ Jurado:

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Tabla de contenido

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................................7

GLOSARIO .......................................................................................................................................... 10

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 12

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................................................... 13

OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 14

Objetivo General ........................................................................................................................... 14

Objetivos Específicos .................................................................................................................... 14

CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 15

1.1. ENCÉFALO ......................................................................................................................... 15

1.1.1. Cerebro ..................................................................................................................... 15

1.1.2. Tronco del encéfalo................................................................................................... 15

1.1.3. Cerebelo .................................................................................................................... 16

1.2. POTENCIAL DE MEMBRANA (P.M.) ................................................................................... 16

1.3. POTENCIAL DE ACCIÓN ..................................................................................................... 16

1.4. SINAPSIS ............................................................................................................................ 18

1.4.1. Sinapsis eléctrica ....................................................................................................... 18

1.4.2. Sinapsis química ........................................................................................................ 18

1.5. ELECTROENCEFALOGRAFÍA ............................................................................................... 19

1.6. ONDAS CEREBRALES.......................................................................................................... 19

1.7. ONDA P300 ....................................................................................................................... 20

1.8. MECANISMO DE ACTIVACIÓN ........................................................................................... 22

1.9. ELECTRODOS PARA ELECTROENCEFALOGRAFÍA ............................................................... 23

1.10. SISTEMA DE UBICACIÓN DE ELECTRODOS .................................................................... 24

1.10.1. Sistema internacional 10 – 20 ................................................................................... 24

1.10.2. Electrocardiograma ................................................................................................... 27

1.10.3. Electrodos de ECG ..................................................................................................... 28

CAPÍTULO 2: DESARROLLO INGENIERIL HARDWARE ........................................................................ 29

2.1. FUENTE DE ALIMENTACIÓN ................................................................................................... 32

2.2. UBICACIÓN DE SENSORES ...................................................................................................... 34

2.3. AISLAMIENTO ......................................................................................................................... 34

2.4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES ...................................................................................... 35

6

2.5. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN ................................................................................ 36

2.6. FILTRO PASA ALTAS ................................................................................................................ 38

2.7. FILTRO RECHAZA BANDA NOTCH ........................................................................................... 40

2.8. FILTRO PASA BAJAS ................................................................................................................ 43

CAPÍTULO 3. DESARROLLO INGENIERIL SOFTWARE ......................................................................... 47

3.1. DIGITALIZACIÓN Y TRANSMISIÓN .......................................................................................... 48

3.1.1. Pruebas de adquisición ................................................................................................... 49

3.1.2. Diseño de Tarjeta de Adquisición. .................................................................................. 50

3.2. DESARROLLO DE INTERFAZ DE ADQUISICIÓN Y VISUALIZACIÓN LOCAL ................................ 51

3.3 BASE DE DATOS ....................................................................................................................... 54

3.3.1. Conexión a la Base de Datos ........................................................................................... 55

3.4. CLIENTE WEB .......................................................................................................................... 59

CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................................. 64

4.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO A SEGUIR ...................................................................... 64

4.2. PROCEDIMIENTO A SEGUIR ................................................................................................... 70

4.3. PRUEBAS DE CAPTURA DE SEÑAL .......................................................................................... 73

4.4. COSTOS DE MATERIALES DEL PROTOTIPO ............................................................................. 76

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES ............................................................................................................ 78

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 79

ANEXOS ............................................................................................................................................. 82

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Partes del cerebro (Ortiz González, 2010)......................................................................... 15

Figura 2: Potencial de acción. (Ortiz González, 2010) ..................................................................... 17

Figura 3: Señal neuronal típica ......................................................................................................... 19

Figura 4: Electrodos recubiertos de plata .......................................................................................... 24

Figura 5: Visión lateral y superior de las partes para aplicar el estándar 10-20. (Ortiz González,

2010) ................................................................................................................................................. 25

Figura 6: Ubicación de los puntos de contacto en el estándar 10-20. (Ortiz González, 2010) ......... 26

Figura 7: Principales puntos para captar la onda P300. (Ortiz González, 2010) .............................. 26

Figura 8: Estándar 10-20. (Ortiz González, 2010) ............................................................................ 27

Figura 9: Señal cardiaca. (Gutiérrez, 2001) ...................................................................................... 28

Figura 10: Diagrama de bloques del proyecto .................................................................................. 30

Figura 11: Diagrama de bloques de adquisición y filtrado en cascada. ........................................... 31

Figura 12: Diseño de fuente dual +/- 5V ........................................................................................... 33

Figura 13: Aislamiento diseñado por transistores. ............................................................................ 34

Figura 14: Diagrama esquemático INA 114 y referencia ................................................................. 37

Figura 15: Señal cardiaca en la salida del INA114 ........................................................................... 38

Figura 16: Esquemático de filtro RC pasa altas y respuesta en frecuencia ....................................... 39

Figura 17: Señal cardiaca en la salida del primer filtro RC pasa altas .............................................. 39

Figura 18: Topología del filtro Notch. (Reyes, 2012) ....................................................................... 40

Figura 19: Respuesta en frecuencia del filtro notch a 60 Hz ............................................................ 41

Figura 20: Señal cardiaca con filtro notch de 60 Hz ......................................................................... 42

Figura 21: Estructura Sallen-Key para un filtro pasa bajas. .............................................................. 44

Figura 22: Diagrama esquemático filtro bessel con fc= 45 Hz ......................................................... 46

Figura 23: Respuesta en frecuencia del filtro Bessel. ....................................................................... 46

Figura 24: Salida para una señal ECG .............................................................................................. 47

Figura 25: Etapas planteadas en el diseño de la solución software ................................................... 48

Figura 26: Algoritmo de digitalización y transmisión serial. ............................................................ 49

Figura 27: Diseño final tarjeta de adquisición .................................................................................. 50

Figura 28: Algoritmo general interfaz gráfica local .......................................................................... 52

Figura 29: Interfaz gráfica local ........................................................................................................ 53

Figura 30: Estructura de tabla en MySQL ........................................................................................ 54

Figura 31. Algoritmo de conexión. ................................................................................................... 55

Figura 32: Interfaz de acceso a la base de datos ............................................................................... 56

Figura 33: Formulario de ingreso a la base de datos, Interfaz de registro. ....................................... 56

Figura 34: Algoritmo ingreso de pacientes a la base de datos .......................................................... 57

Figura 35: Contenido de la clase Paciente ........................................................................................ 58

8

Figura 36: Tabla de datos MySQL con ingresos registrados. ............................................................ 59

Figura 37: Algoritmo cliente Web .................................................................................................... 60

Figura 38: Página Index, presentación inicial de la página web. ...................................................... 61

Figura 39: Pagina de ingreso el login y la tabla de registros después de autenticación .................... 61

Figura 40: Interfaz de presentación de señales. ................................................................................ 62

Figura 41: implementación de software ............................................................................................ 63

Figura 42: Prueba y resultados. ......................................................................................................... 66

Figura 43. Resultados en distintos pacientes. ................................................................................... 67

Figura 44: Señales en reposo para dos pacientes. ............................................................................. 68

Figura 45: Señales del primer paciente ante estímulos. .................................................................... 69

Figura 46: Señales del segundo paciente ante estímulos. ................................................................. 69

Figura 47: pruebas preliminares de inicialización. ........................................................................... 70

Figura 48: Proceso de validación inicial. .......................................................................................... 72

Figura 49: Etapas de la señal ECG .................................................................................................... 74

Figura 50: Actividad señales EEG ante estímulos ............................................................................ 75

Figura 51: Vista exterior e interior del prototipo .............................................................................. 76

9

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Señales neuronales según longitud de onda ........................................................................ 20

Tabla 2: Características de las Ondas cerebrales.1. (Borja, 2010) .................................................... 20

Tabla 3: Características de las Ondas cerebrales.2 (Borja, 2010) ..................................................... 20

Tabla 4: Tipos de electrodos ............................................................................................................. 29

Tabla 5: Materiales de construcción del prototipo ............................................................................ 77

10

GLOSARIO

QUIESCENTES: Cuando las células se arrestan en una de las etapas de división del ciclo

celular, se les llama "células quiescentes". Generalmente, las células quiescentes se arrestan

en la fase G1 y quedan en fase G0. Ejemplos de ello son las neuronas, las células del

epitelio intestinal, las hepáticas o las hematopoyéticas. Las células quiescentes cumplen

funciones altamente especializadas, pero están arrestadas en el ciclo celular, ergo, no se

multiplican, al menos que se encuentre una serie de factores que las hagan entrar otra vez al

ciclo celular. (clubensayo, 2014)

TDAH: (Trastorno por Déficit de Atención con Hiperactividad) es un trastorno de conducta

que aparece en la infancia, y que se suele empezar a diagnosticar en torno a los 7 años de

edad aunque en algunos casos este diagnóstico se puede realizar de una manera más precoz.

(Dr Tomas anto, 2001)

QRS: Conjunto de ondas del electrocardiograma que representan la despolarización de las

células musculares de los ventrículos. El término 'complejo QRS' describe tanto la

despolarización ventricular normal como la anormal. Las variaciones morfológicas del

complejo QRS se deben a la presencia de las ondas Q, R o S sobre la línea basal, por

encima o por debajo las mayúsculas o minúsculas se utilizan para describir la amplitud de

cada onda. (linea, 2006)

ANISOTROPÍA: (opuesta de isotropía) , es la propiedad general de la materia según la cual

determinadas propiedades físicas, tales como: elasticidad, temperatura, conductividad,

velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas.

Algo anisótropo podrá presentar diferentes características según la dirección. (Larousse

Editorial S. , 2009 )

AXÓN: Cilindroeje o neurita es una prolongación de las neuronas especializadas en

conducir el impulso nervioso desde el cuerpo celular o soma hacia otra célula. En

la neurona adulta se trata de una prolongación única. (Biología, 2005)

11

ION: Nuestro organismo genera pequeños impulsos nerviosos los cuales son creados con

tan solo mover un musculo, dichos impulsos son pequeños flujos de electrones que generan

una pequeña corriente eléctrica en el cuerpo. La importancia de los iones es que estos se

encargan de transportar dicha corriente, y también de generarla; cuando un átomo cede sus

electrones y otro los gana, provoca un flujo de corriente y la formación de dichos iones

(átomo que ha ganado o perdido electrones). Por lo que los iones son importantes en el

sistema nervioso, ya que se encargan de crear y transportar esos pequeños impulsos.

(wordreference, 2014 )

CÓRTEX: Capa externa y diferenciada de un órgano de un ser vivo: el córtex cerebral es la

capa más reciente en la evolución del cerebro de los mamíferos. (Larousse Editorial S. ,

2007 )

SINAPSIS: Es la relación funcional de contacto entre las terminaciones de las células

nerviosas. Se trata de un concepto que proviene de un vocablo griego que significa “unión”

o “enlace”. (Definicion.de, 2008)

VERTEX: En los seres humanos, el vertex craneal está formado por cuatro huesos

del cráneo: el hueso frontal, los dos huesos parietales y el hueso occipital. Estos huesos

están conectados por la sutura coronal entre los husos frontales y parietales, por la sutura

sagital entre los dos huesos parietales, y la sutura lambdoidea entre los huesos parietales y

occipital. (cabeza , 2002)

SUPRATENTORIAL: La región supratentorial es la región del cerebro situada sobre el

tentorio del cerebro (tienda del cerebro). La parte debajo de ella se conoce como la región

infratentorial. La región supratentorial contiene el cerebro y todas sus estructuras y la

infratentorial contiene el cerebro. (cubano, 2005)

ENDÓGENO O ENDÓGENA: Es utilizado por distintas disciplinas para hacer referencia a

algo que es originado dentro de una cosa, en contraposición a exógeno. Según la RAE,

endógeno hace referencia a algo que se origina o nace en el interior, o que se origina en

virtud de causas internas. El término es utilizado en las ciencias para describir ciertos

fenómenos. (lexicoon.org, 2002)

12

INTRODUCCIÓN

Las señales biomédicas tienen aplicaciones diversas en áreas que tienen que ver con el

comportamiento o padecimientos humanos, de esta forma, adquirir señales de un

electroencefalograma (EEG) permite entre otras cosas determinar las funciones cognitivas

de la persona, características que se relacionan con la onda P300 utilizada para test

psicológicos clínicos, son de gran importancia ya que permiten identificar problemas o

trastornos relacionados con la atención, la concentración y problemas de aprendizaje.

Un Electroencefalografo es un equipo que se utiliza para registrar la actividad bioeléctrica

cerebral y dentro de estos registros dependiendo de la posición de los sensores, se puede

determinar la onda P300 en puntos específicos del estándar de electroencefalografía con

electrodos, y de esta forma relacionar las reacciones cerebrales ante diferentes estímulos.

La principal característica de la onda es que no es una señal periódica, por lo que siempre

será necesario un estímulo definido para poder identificarla; el proyecto pretende la

construcción de un equipo que permita la captación de las señales y que además se

encuentren disponibles en red para su evaluación.

13

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Existen muchos estudios en distintas ramas del conocimiento sobre la salud humana para

las cuales es necesario adquirir diversos tipos de señales vitales entre las que se encuentran

las señales del sistema nervioso central siendo el estudio de la onda P300 uno de los más

importantes con aplicaciones en campos de la neurología, neuropsicología, electro

medicina, entre otros.

Los equipos de adquisición son una limitante en cuanto a los tipos de señales que se desea

estudiar, ya que son de difícil acceso debido al alto costo y los cuidados que se debe tener

en su manipulación.

Esto hace que exista la necesidad de apropiar tecnologías que permitan mayor acceso a la

manipulación de las señales del sistema nervioso central, tanto en municipios o

asentamientos pequeños o en la zona rural, donde se pueda realizar algunas pruebas y

además permita el envío de la información al especialista correspondiente.

Este problema conlleva a plantear una pregunta.

¿Cuáles son las características de hardware y software necesarias para el desarrollo de un

sistema de adquisición de señales de EEG?

14

OBJETIVOS

Objetivo General

Diseñar y construir un prototipo para la medición y visualización de señales EEG

para la onda P300.

Objetivos Específicos

Identificar las características de las señales biomédicas para el procesamiento digital

y determinar la forma más apropiada para adquirir y tratar las señales.

Adquirir y adecuar las señales biomédicas utilizadas en el registro de la onda P300.

Desarrollar la interfaz gráfica para visualización, registro y envío de las señales por

Internet.

Integrar el sistema de adquisición y adecuación con la interfaz gráfica de usuario.

15

CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO

1.1. ENCÉFALO

El sistema nervioso central está formado por el encéfalo y la médula espinal. El encéfalo

(comúnmente llamado cerebro) es un órgano muy importante, ya que controla el

pensamiento, la memoria, las emociones, el tacto, la capacidad para el movimiento, la vista,

la respiración, la temperatura, el apetito y todos los procesos que regulan nuestro cuerpo.

(Ortiz González, 2010)

Figura 1: Partes del cerebro (Ortiz González, 2010)

El encéfalo se puede dividir en cerebro, tronco del encéfalo y cerebelo:

1.1.1. Cerebro

El término "cerebro" (supratentorial o parte frontal) se suele utilizar incorrectamente para

referirse a la totalidad del contenido del cráneo, que en realidad se llama encéfalo; el

cerebro propiamente dicho se compone de dos hemisferios, el derecho y el izquierdo. Las

funciones del cerebro incluyen: iniciación de los movimientos, coordinación de los

movimientos, la temperatura, el tacto, la vista, el oído, el sentido común, el razonamiento,

la resolución de problemas, las emociones y el aprendizaje. (Ortiz González, 2010)

1.1.2. Tronco del encéfalo

El tronco del encéfalo (línea media o medio del cerebro) está formado por el cerebro medio,

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la protuberancia y el bulbo raquídeo. Las funciones de esta zona incluyen: el movimiento

de los ojos y de la boca, la transmisión de los mensajes sensoriales (calor, dolor, ruidos

estridentes, etc.), el hambre, la respiración, la consciencia, la función cardiaca, la

temperatura corporal, los movimientos musculares involuntarios, los estornudos, la tos, los

vómitos y la deglución. (Ortiz González, 2010)

1.1.3. Cerebelo

El cerebelo (infratentorial o la parte posterior del encéfalo) está situado en la parte posterior

de la cabeza. Tiene como función coordinar los movimientos musculares voluntarios y

mantener la postura, la estabilidad y el equilibrio. (Center, 2014)

1.2. POTENCIAL DE MEMBRANA (P.M.)

El funcionamiento de las neuronas está determinado por alteraciones electroquímicas que

ocurren en la membrana plasmática, las neuronas o las células musculares están protegidas

por una membrana semipermeable, es decir, que permite el paso de ciertas sustancias pero

no de otras, normalmente hay potenciales eléctricos a través de las membranas en todas las

células, de las cuales: las células nerviosas y musculares son autoextraíbles es decir son

capaces de autogenerar impulsos electroquímicos. El P.M son cambios de polaridad a

ambos lados de la membrana celular de menos de 1 milisegundo. Cuando se habla de

potenciales de membrana, se debería de hablar del (potencial de difusión), dicho potencial

esta generado por una diferencia de concentración iónica en ambos lados de la membrana

celular, los P.M son la base de la propagación del impuso nervioso. (Center, 2014)

1.3. POTENCIAL DE ACCIÓN

También llamado impulso eléctrico, es el potencial de membrana que conduce el impulso

nervioso cuando un estímulo adecuado provoca la apertura de canales de sodio, difunde

rápidamente dentro de la célula una onda de descarga eléctrica que viaja a lo largo de la

membrana celular. Los potenciales de acción se utilizan en el cuerpo para llevar

información entre unos tejidos y otros, lo que hace que sea una característica microscópica

esencial para la vida, puede generarse por diversos tipos de células corporales, pero las más

17

activas en su uso son las células del sistema nervioso para enviar mensajes entre células

nerviosas, o desde células nerviosas a otros tejidos corporales, como el músculo o las

glándulas.

Estado de Reposo: este corresponde al potencial de la membrana en reposo antes del

potencial de acción. En esta etapa se dice que la membrana esta polarizada por su elevado

potencial negativo de -70 mV.

Etapa de Despolarización: En este momento, la membrana incrementa su permeabilidad a

los iones de sodio de manera brusca y una enorme cantidad de estos fluye al exterior del

axón. La polaridad normal de -70 mV desaparece mientras el potencial se eleva con rapidez

hacia la dirección positiva. En una fibra nerviosa gruesa el potencial de membrana

sobrepasa el nivel cero y alcanza cierto valor positivo, también en gran parte de las

neuronas del sistema nervioso central el potencial solo se aproxima a nivel cero y no llega

al estado de positividad.

Etapa de Repolarización: Un diezmilésimo de segundo después del incremento de

permeabilidad a los iones de sodio, los canales de este ion comienzan a cerrarse y se abren

a los canales al potasio. A continuación los iones de potasio se difunden con rapidez al

exterior restableciendo el potencial de membrana normal negativo en reposo. Aquí se

inactivan los canales de sodio y activan los canales de potasio. Interior negativo /exterior

positivo. En este momento la neurona no puede recibir información. (Ortiz González, 2010)

Figura 2: Potencial de acción. (Ortiz González, 2010)

18

1.4. SINAPSIS

Es el proceso de comunicación entre neuronas, el proceso inicia con una descarga química

que origina una corriente eléctrica en la membrana de la célula presináptica (célula

emisora); una vez que este impulso nerviosos alcanza el extremo del axón, la propia

neurona segrega un tipo de proteína (neurotransmisores)que se depositan en el espacio

sináptico, espacio intermedio entre estas neuronas transmisoras y la neurona postsináptica

(receptora). Estos neurotransmisores son los encargados de excitar o inhibir la acción de la

otra neurona (Medina, 2011)

1.4.1. Sinapsis eléctrica

Es aquella en la que la transmisión entre la primera neurona se produce por el paso de iones

de una célula a otra a través de uniones gap, que son pequeños canales formados por el

acoplamiento de complejos proteicos basados en células estrechamente adheridas. (Ortiz

González, 2010)

1.4.2. Sinapsis química

La sinapsis química se establece entre células que están separadas entre sí por un espacio de

unos 20-30 nanómetros, la llamada hendidura sináptica. La liberación de neurotransmisores

es iniciada por la llegada de un impulso nervioso(o potencial de acción ), se produce

mediante un proceso muy rápido de secreción celular, en el terminal nervioso presináptico,

las vesículas que contienen los neurotransmisores permanecen ancladas y preparadas junto

a la membrana sináptica produciendo una cascada de reacciones que terminan haciendo que

las membranas vesiculares se fusionen con la membrana presináptica y liberando su

contenido a la hendidura sináptica. (Medina, 2011)

Los receptores del lado opuesto de la hendidura se unen a los neurotransmisores y fuerzan

la apertura de los canales iónicos cercanos de la membrana postsinaptica haciendo que los

iones fluyan hacia o desde el interior, cambiando el potencial de membrana local. (Medina,

2011)

19

1.5. ELECTROENCEFALOGRAFÍA

Usada para la detección de la actividad cerebral epiléptica y procesos del sueño y sus

problemas de aprendizaje. Los principales componentes de la actividad eléctrica del cerebro

son ondas alfa y beta quiescentes. La electroencefalografía es una representación gráfica en

tiempo real de la actividad cerebral fluctuante, esta señal se la recoge con los electrodos

apropiados y colocados en determinadas áreas del cuero cabelludo, y mediante el

electroencefalograma visualizar las ondas cerebrales. Mediante el EEG se realiza una

exploración neurofisiológica que se basa en el registro de la actividad bioeléctrica cerebral

en condiciones específicas.

La electroencefalografía mide la actividad eléctrica de la corteza cerebral, es decir la capa

superficial del cerebro llamada córtex. Este fenómeno no es debido a la simple adición de

los potenciales de acción de las 1011

neuronas que integran el cerebro, las variaciones

rítmicas en las ondas cerebrales registran en el EEG, se debe a una población grande de

neuronas que oscilan coherentemente.

En un cerebro sano, esta actividad es muy similar en las diferentes regiones del cerebro, por

lo que no existirán diferencias apreciables entre las zonas del córtex, llamados lóbulos.

(Korduell, 2000)

Figura 3: Señal neuronal típica

1.6. ONDAS CEREBRALES

La onda cerebral es la actividad eléctrica producida por el cerebro. Etas ondas pueden ser

detectadas mediante el electroencefalógrafo; debido a la complejidad de la forma de la

señal en el tiempo, normalmente los estudios de la señal EEG se centran a un estudio en el

20

espectro de potencias, mediante un análisis en su banda de frecuencia y las ondas cerebrales

se clasifican en : (Ortiz González, 2010)

Ondas Alfa

Ondas Betha

Ondas Theta

Ondas Delta

Tabla 1: Señales neuronales según longitud de onda

Ondas Frecuencia (Hz) Amplitud (µV) Región Cerebral Ocurrencia

Alfa 8-12 30 a 70 Occipital

normalmente

Relajación y

concentración mental

Beta 13-30 10 a 30 Frontales y

temporales

normalmente

Adultos en estado de

vigilia

Tabla 2: Características de las Ondas cerebrales.1. (Borja, 2010)

Ondas Frecuencia (Hz) Duración Región Cerebral Ocurrencia

Delta 0.5-3 250-1000ms Varias regiones Bebés, estados

profundos de sueño

theta 4-8 125-250 ms Regiones

temporales

Niños y adultos

dormidos

Tabla 3: Características de las Ondas cerebrales.2 (Borja, 2010)

1.7. ONDA P300

La onda P300 es uno de los potenciales más utilizado para estudiar las funciones cognitivas

y atencionales, ya que pone de manifiesto distintos procesos cognitivos como la capacidad

de análisis y la valoración y discriminación de estímulos. Esto permite medir la actividad

neuronal inducida por la tarea antes de que se vislumbre la respuesta final. Existe cierto

21

consenso en relacionar la amplitud de la onda P300 con la cantidad de información

transmitida por el estímulo y con los procesos cognitivos implicados en la comparación

entre el estímulo diana o infrecuente y la representación mental previamente adquirida del

estímulo. Esta amplitud disminuye conforme decrece la relevancia de la tarea y la

motivación y se incrementa conforme se reduce la probabilidad de aparición del estímulo.

La latencia de la onda P300 se ha relacionado con el procesamiento de la información,

concretamente con la velocidad de procesamiento y clasificación del estímulo. Numerosos

estudios han puesto de manifiesto la existencia de alteraciones en los potenciales evocados

cognitivos (PEC) en niños con TDAH, como una disminución de la amplitud y un

incremento de la latencia del componente P300. Sin embargo, no todos los niños con

TDAH muestran una homogeneidad sintomática. Podemos encontrar niños con una

afectación específica de la atención y con escasa afectación de los otros dos síntomas claves

del TDAH, la hiperactividad y la impulsividad. (Ortiz González, 2010)

En el caso de la P300, dando una definición estricta: un estímulo visual, auditivo o somato

sensorial, infrecuente o particularmente significativo, combinado con un estímulo frecuente

o rutinario, típicamente evocado en picos positivos cercanos a los 300 ms sobre la corteza

parietal en el EEG. De ahí su nombre de P300, un potencial positivo aproximadamente en

el milisegundo 300. (Ortiz González, 2010)

Por otro lado, se piensa que la misma onda p300 está compuesta por dos ondas secundarias

conocidas como “señales p3a y p3b”. Estos componentes responden individualmente a

diferentes estímulos y se ha sugerido que la onda p3a se origina en los mecanismos de

atención frontal dirigidos por estímulos durante el procesamiento de tares mientras que la

p3b se origina en la actividad parietal – temporal asociada con el consiguiente

procesamiento en la memoria. (Idiazábal, 2002)

Con respecto a la adquisición de la señal, se ha demostrado que el EEG se adquiere con

más fuerza entorno a los electrodos parietales. Sin embargo, se ha sugerido que existen

interacciones entre las regiones frontales y temporales, así como con algunos lugares del

encéfalo profundo. Lo anterior reafirma la teoría y da luces sobre donde realizar una mejor

adquisición del P300. (Idiazábal, 2002)

El P300 es un PRE (´potencial relacionado a eventos) endógenos y ocurre particularmente

durante la aplicación del paradigma. En este paradigma al sujeto se le presentan estímulos

22

que pueden ser categorizados en dos clases. Los eventos de una de las dos categorías

aparecen aleatoriamente como estímulos en una matriz de 6*6 que se presenta en un

monitor de tal forma que el sujeto no pueda predecirlo. Se presenta al sujeto una tarea que

está sujeta a esta clasificación dual cuando un evento de la categoría extraña es mostrado en

pantalla, se obtiene un componente P300 el cual es suma onda larga positiva que ocurre

unos 300 ms después del estímulo. Una de las grandes ventajas que tiene el uso de ese

potencial evocado es que el sujeto no requiere un entrenamiento previo, esto le brinda al

sistema una mayor flexibilidad en su uso y abre las puertas para que las personas que

requieran su uso no tengan que invertir tiempo para realizar extensas jornadas de

entrenamiento. (Idiazábal, 2002)

1.8. MECANISMO DE ACTIVACIÓN

- Estimulación luminosa intermitente (ELI):

Se estudia si el paciente es o no fotosensible. Son luces centellantes e intermitente y suele

ser útil en las epilepsias micológicas.

- Hiperventilación (HV):

Al paciente se le pide que respire de manera lenta y profunda durante varios minutos este

mecanismo tiende a influenciar las crisis de ausencia más típicas en niños que en adultos

- Privación del sueño:

El paciente debe de dormir poco (o no dormir) la noche antes del EEG y que duerma

durante el EEG. Hay epilepsias donde es necesario grabar para poder observar alteraciones

(epilepsias rolandicas, síndrome landau-kleffner).En ellos, bien sea por la privación del

sueño, porque se registre EEG de sueño, porque son estudios más prolongados que los EEG

convencionales.

- Por medio de sonidos :

23

Conseguir una mayor atención y concentración ante los sonidos que proceden del medio a

través de la estimulación de la audición y de las percepciones sensoriales asociadas.

- Por medio de imágenes:

Conseguir una mayor atención y concentración ante imágenes que generen que el sujeto de

prueba aumente su actividad sináptica. (Ortiz González, 2010)

1.9. ELECTRODOS PARA ELECTROENCEFALOGRAFÍA

Técnicamente la actividad bioeléctrica cerebral es captada a nivel del cuero cabelludo por

los electrodos luego es amplificada y finalmente registrada.

Los electrodos deben ser diseñados y construidos de tal manera que permitan registrar a

actividad eléctrica en forma eficiente y con el mínimo de distorsión. En fisiología, las

características de lo que se va a registrar y su situación anatómica determine el tipo de

electrodos a utilizar y estos a su vez, el tipo de circuito amplificador que se necesita.

De nada sirve tener dispositivos de amplificación avanzados y de gran potencia, si la señal

va a llegar con distorsión desde los electrodos es decir antes de llegar a los amplificadores.

(Ortiz González, 2010)

- Propiedades de los electrodos

Cuando se introduce un metal en una solución se produce una diferencia de potencial entre

el metal y la solución. En esta etapa se realizan dos procesos electroquímicos de descarga

de iones del metal hacia la solución cuando los iones que se separan del metal del electrodo

superan a los que retornan se produce un exceso de electrones en el metal. En este proceso

se alcanza un equilibrio y es entonces cuando el electrodo muestra su potencial, que puede

definirse como la diferencia de potencial entre el metal y el volumen de la solución por esto

estos electrodos recubiertos son perceptibles a ruidos externos. Cualquier tipo de electrodo,

tendrá su propio potencial que depende del metal con el que se halla construido. (Medina,

2011)

- Electrodos de superficie

24

En electroencefalografía se utilizan electrodos que además de las características

mencionadas, deben poseer las siguientes características: Fácil y rápida colocación y

remoción, indoloro y permanecer por un tiempo prolongado en la misma posición sin

dificultades. Para tales fines se han diseñado varios tipos de electrodos, que en términos

generales se pueden dividir en tres clases: adhesivos, de contacto y de aguja, la resistencia

de cualquiera de estos aplicado sobre el cuero cabelludo no debe ser mayor a 10 kΩ y no

debe de producir interferencia durante el registro. (Ortiz González, 2010)

Figura 4: Electrodos recubiertos de plata

1.10. SISTEMA DE UBICACIÓN DE ELECTRODOS

1.10.1. Sistema internacional 10 – 20

El sistema internacional 10-20, es un método internacionalmente aprobado para describir y

la ubicación de electrodos sobre el cuero cabelludo para el registro del EEG o el

experimento de modo que los estudios puedan ser entre uno y otro equipo. Este sistema está

basado en la relación entre la posición (ubicación) de un electrodo y el área subyacente de

corteza cerebral. (Medina, 2011)

25

El 10 se refiere al hecho que las distancias reales entre electrodos adyacentes son el 10% y

el 20 se refiere al 20% de la distancia total delantera trasera o derecha izquierda del cráneo.

Cada sitio tiene una letra para identificar el lóbulo y un número para identificar la posición

(ubicación) del hemisferio, Las letras: F, T, C, P, y la O significan: Frontal, Temporal,

Central, Parietal y Occipital respectivamente. Además la z se refiere a un electrodo

colocado sobre el mediano; los números (2, 4, 6, 8) se refieren a posición de electrodos

sobre el hemisferio derecho, mientras que el números impares (1, 3, 5, 7) se refieren a

aquellos sobre el hemisferio izquierdo. (Medina, 2011)

Dos señales anatómicas son usadas para la colocación esencial de los electrodos EEG:

primero, el nasion que es el punto entre la frente y la nariz; segundo, el inion que es el

punto más bajo del cráneo de la espalda de cabeza y normalmente es indicado por un hueso

prominente.

El procedimiento a seguir con este método es el siguiente:

A: Se mide la distancia entre el nasion y el inion pasando por el vertex. El 10% de esta

distancia sobre el nasion se ubica el punto fp (Frontal polar). El 10%de esta distancia sobre

el inion se ubica el punto O (occipital). (Ortiz González, 2010)

Figura 5: Visión lateral y superior de las partes para aplicar el estándar 10-20. (Ortiz

González, 2010)

26

B- Entre los puntos Fp y o se sitúan otros tres puntos espaciados a intervalos iguales (el

20% de la distancia nasion - inion). Estos tres puntos son, de adelante hacías atrás, el Fz

(frontal) el Cz(central o vortex)y el Pz (parietal). (Ortiz González, 2010)

Figura 6: Ubicación de los puntos de contacto en el estándar 10-20. (Ortiz González, 2010)

C- Se mide la distancia entre los puntos preauriculares (situados del pabellón de la oreja)

pasado por el vertex (Cz). El 10% de esta distancia marca la posición d los puntos

temporales mediales, T3 (izquierdo)y T4derecho (Ortiz González, 2010)

Figura 7: Principales puntos para captar la onda P300. (Ortiz González, 2010)

27

D- un 20% de la medida por encima de los puntos temporales medios se colocan los

electrodos C3 (izquierda) y C4 (derecha). El vertex es ahora el punto de intersección entre

la línea antero posterior y a la línea coronal lateral (Ortiz González, 2010)

Figura 8: Estándar 10-20. (Ortiz González, 2010)

1.10.2. Electrocardiograma

Se ha demostrado que una de las afecciones más comunes son las cardiacas

El electrocardiograma convencional es el registro desde la superficie corporal de la

actividad eléctrica que genera el corazón durante el ciclo cardíaco que se dispersa a través

de los líquidos corporales hasta la piel. La imagen obtenida resulta de la suma algebraica de

todos los potenciales de acción de las fibras miocárdicas que a través del tiempo, inscriben

el complejo QRS.

La velocidad de conducción de los impulsos eléctricos, o sea el tiempo que dura la

despolarización secuencial de las fibras en el miocardio, normalmente es uniforme, tanto en

sentido longitudinal como transversal. En presencia de una alteración anatómica o

funcional (por ejemplo, un área de necrosis o bien isquemia miocárdica, respectivamente),

las propiedades electrofisiológicas en esa porción de tejido varían, ocurriendo que la

velocidad de conducción, el período refractario y otras propiedades sean diferentes a las del

miocardio sano, diferencias que en conjunto se denominan anisotropía. Como consecuencia

de la anisotropía, el impulso eléctrico podría bloquearse o conducirse lentamente en estas

28

áreas afectadas, a diferencia de las de tejido normal, en que lo recorre a velocidad normal.

(Gutiérrez, 2001)

Este examen debe generar la siguiente onda.

Figura 9: Señal cardiaca. (Gutiérrez, 2001)

Los electrodos deben estar ubicados de la siguiente manera:

• Electrodo 1: en la parte derecha del pecho.

• Electrodo 2: en la parte izquierda el pecho.

• Electrodo 3: en la pierna

1.10.3. Electrodos de ECG

Los electrodos son elementos pasivos que tienen una muy buena conductividad y

sensibilidad, ya que tienen que ser capaces de detectar las pequeñas señales generadas por

el cuerpo humano. Los electrodos pueden ser de material desechable, los cuales son

óptimos para mediciones de corto tiempo. (Medina, 2011)

Los electrodos de ventosas y pinzas están limitados a que estos se utilizan para mediciones

electrocardiográficas, en donde el paciente tiene que estar en una posición estática.

(Medina, 2011)

29

No. Tipo de electrodo Características

1

Ventosas

Es un metal niquelado, el cual se pega a la piel por

medio de succión que se produce al oprimir la

ventosa.

2

Adhesivos

Generalmente son de papel, poseen un metal

conductor el cual está recubierto de un gel que ayuda

a la conductividad.

3

Pinzas

Es un metal niquelado, el cual se pega a la piel por

medio de presión que se produce al colocar la pinza

sobre el lugar de medición. No es necesario ningún

tipo de gel como medio conductivo.

4

Carbono siliconado

Están hechos de grafito una variedad de carbón la

conductividad de este se toma en toda el área de

tamaño del electrodo

Tabla 4: Tipos de electrodos

CAPÍTULO 2: DESARROLLO INGENIERIL HARDWARE

En este capítulo se documenta el proceso de desarrollo hardware del proyecto dividido en

las etapas que conforman los circuitos de adquisición, adecuación y digitalización de las

señales que al final formarán el prototipo completo con el desarrollo Software.

Se documenta el proceso de adecuación de la señal, las limitaciones de los circuitos tales

como la respuesta en frecuencia, ancho de banda y ganancias, para llevar las señales a los

niveles deseados de voltaje y calidad adecuada respecto a ruidos.

El diseño debe ajustarse a las características físicas de las señales como amplitud y

frecuencia. Se sabe que la amplitud es aleatoria, con un punto máximo de 100 µV, la

ganancia se debe adecuar teniendo en cuenta que en los conversores analógicos digitales a

utilizar, el nivel máximo de voltaje admitido es 5V; por lo tanto el circuito tendrá una

ganancia máxima de 50.000 a la salida, que para mejor diseño se distribuye en las

diferentes etapas de adecuación; además las señales tienen frecuencias bajas siendo la más

alta de 30 Hz, por lo que se define el rango del circuito con una frecuencia superior de corte

de 45 Hz.

30

Figura 10: Diagrama de bloques del proyecto

La primera etapa la componen los electrodos de EEG encargados de captar las señales

eléctricas cerebrales en posiciones determinadas de acuerdo a las recomendaciones del

estándar 10-20. Los electrodos de la señal cardiaca la componen tres electrodos adhesivos

para ECG.

En la segunda etapa se encuentra un circuito de aislamiento para proteger la integridad de la

persona, se construye por medio de cuatro transistores, dos npn y dos pnp en cada canal,

actúan como una red que impide que la corriente se devuelva.

La tercera etapa se encarga de recibir la señal desde los electrodos a través de

amplificadores de instrumentación (INA 114) haciendo uso de la configuración

recomendada en la hoja de datos del fabricante, amplifica la señal 16 veces y tiene una

referencia que actúa para mejorar la relación señal a ruido.

31

La cuarta etapa es la adecuación, la componen filtros, pasa altas, pasa bajas, un rechaza

bandas notch en cada canal y algunas etapas de amplificación con el fin de obtener una

señal en niveles adecuados para ingresar a los conversores ADC de la etapa de transmisión.

Figura 11: Diagrama de bloques de adquisición y filtrado en cascada.

La quinta etapa la compone un microcontrolador encargado de digitalizar las señales

provenientes de la etapa de adquisición para enviarla a un host por medio del puerto USB.

32

Antes de enviar los datos a los conversores se adiciona un divisor de tensión al cual le llega

la señal después del filtrado y está conectado a +5V y tierra, de esta manera se ajusta los

niveles de voltaje según la capacidad del conversor analógico digital y evita perdida de

datos.

La sexta etapa la compone la primera interfaz de visualización de las señales captadas de

los diferentes canales y las herramientas de transmisión hacia un servidor, esta etapa es

desarrollada en lenguaje java permitiendo la adquisición de las seis señales de EEG y una

de ECG.

La séptima etapa la compone un servidor; es el encargado de almacenar la información

enviada desde la interfaz en lenguaje java, y mantiene la disponibilidad para la etapa de

visualización Web y procesamiento.

La etapa final es una interfaz web desde donde se accede a la información almacenada en el

servidor y además permite visualizar las señales en conjunto o de manera individual para

cada paciente.

2.1. FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Debido a la utilización de los amplificadores operacionales e instrumentación se presenta la

necesidad de diseñar una fuente dual +5 /-5 voltios, para alimentar los amplificadores

operacionales y de instrumentación; aunque se pueden alimentar con 12 voltios, los

conversores analógico digital funcionan hasta los 5 voltios, quiere decir que si la señal es

más grande se genera perdida de datos en la entrada de los ADC ya que los valores

superiores a 5 V no serán muestreados.

La fuente se diseña con conexiones a la salida para alimentar la tarjeta de adecuación de

señales electroencefalográficas de 6 canales y la tarjeta de ECG de un canal; además tiene

una conexión para alimentar la tarjeta de transmisión de datos.

33

Se utiliza un transformador blindado con salida de 14 Vpp y tap central; el transformador es

conectado a un puente de diodos rectificador de 2A, desde donde se obtiene la salida

positiva y negativa que se conectan a reguladores de voltaje.

Los reguladores utilizados son los LM7805 y LM7905, se alimentan en la entrada con 7V

como recomienda el fabricante para obtener los 5V y -5V a la salida; el rectificador

LM7805 es el encargado de proporcionar el voltaje positivo, se utilizan condensadores de

2200 µF en la entrada y 0.33 µF en la salida, donde el lado negativo de los condensadores

se conecta a tierra. Para la salida negativa se utiliza el rectificador LM7905, con

condensadores del mismo valor que en la salida positiva, en este caso se deben conectar en

sentido inverso, el lado positivo de los condensadores se conecta a tierra, según las

recomendaciones y diseño sugerido en la hoja de datos del fabricante.

Las salidas de 5V y -5V se conectan a borneras por medio de un diodo 1N4004 para evitar

el flujo de corriente en sentido contrario, además se utilizan dos testigos luminosos leds

para indicar que está encendida la salida positiva y negativa.

La figura 12 muestra el diagrama en Isis Proteus de la fuente dual construida.

Figura 12: Diseño de fuente dual +/- 5V

34

2.2. UBICACIÓN DE SENSORES

La ubicación de los sensores se realiza teniendo en cuenta el estándar 10-20 para EEG, de

esta forma se obtiene la posición más aproximada para obtener las seis señales

normalmente utilizadas para la onda P300, se identifica los puntos Fz, Cz, Pz, Oz, C3 y C4

establecidos en el estándar 10-20; el sensor de entrada negativa se ubica en un lóbulo, y la

guarda o referencia en el lado derecho del abdomen.

2.3. AISLAMIENTO

Inicialmente se hacen pruebas con las conexiones de los electrodos directamente a las

entradas del amplificador operacional, lo que implica un riesgo en caso de presentarse

inconvenientes eléctricos.

El aislamiento se realiza utilizando una red de transistores que impide el paso de corriente

en sentido a la persona con los electrodos. Como se observa, funciona como un arreglo de

diodos en un sentido, se realizan pruebas con protección y sin protección para constatar que

la señal de entrada no se ve afectada.

Figura 13: Aislamiento diseñado por transistores.

35

2.4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

Dada la naturaleza de la señal a medir especificada en el capítulo 1, ítem 1.6. Se procede a

diseñar la etapa de adecuación de la señal teniendo en cuenta que debe tener niveles de

voltaje permitidos para un conversor análogo digital, para evitar la mayor cantidad de ruido

que se pueda presentar en el proceso, se determina usar filtros pasa bajas, pasa altas y

rechaza banda, de esta forma se tiene control del intervalo de frecuencias donde se

presentan las señales a tratar.

Para la realización de pruebas que confirmen la evolución de la señal en cada etapa en

primera instancia, se realizan pruebas con una señal cardiaca, ya que es una señal periódica

de forma definida, y no se hace necesario el uso de estímulos auditivos para demostrar la

presencia de la señal, como sucede con una onda P300.

En la salida de la etapa de adquisición se incorporó un filtro pasa altas; debido a que las

frecuencias que se obtienen son las que poseen valores superiores a los 0.20Hz, en el caso

del filtro pasa altas se diseña y se simula un filtro RC pasivo con varias frecuencias de corte

y después de probar cada uno de estos se concluyó que la frecuencia de corte que mejor

mostraba el comportamiento es de fc=0.16Hz, se prueba con una señal cardiaca

demostrando que funciona con ruido, se procede a incorporar a la salida de este, un filtro

notch con el fin de evitar la frecuencia de 60Hz presente en la red eléctrica y ruidos

inherentes presentes como los producidos por bombillos, interruptores u otros equipos

electrónicos, se diseñan varios filtros simulados con varias frecuencias de corte teniendo en

cuenta el ancho de banda, después de varios simulaciones se montan en protoboard los que

demuestran mejores resultados y se encuentra que parte del ruido que se muestra o se

obtiene a la salida del pasa altas ha disminuido con el filtro rechaza banda con la topología

de un Notch, el siguiente paso es quitar las frecuencias más altas con un filtro pasa bajas,

este filtro pasa bajas se diseña simulado con fc=45Hz ya que las señales a obtener están a

frecuencias inferiores. En este caso se simula un bessel, Butterworth y un Chebyshev, al

observar que el Chebyshev tiene un rizado en la banda de paso lo que afecta la señal y no

posee una zona lineal en la frecuencia de corte, y aunque hace el corte de frecuencia más

rápido se descarta por los sobrepasos que se generan, se tiene que la respuesta del bessel y

36

el Butterworth que aunque son muy parecidas el butterworth tiene un rizado en la banda de

paso que lo afecta. Por eso en este caso se utiliza un filtro bessel de segundo orden en

cascada con un RC que completa un 3er orden. El filtro pasa bajas de segundo orden es un

filtro bessel con estructura sallen-key, debido a las características tales como; que

únicamente tiene polos y una zona lineal en la banda pasante, lo que permite que la señal no

sea distorsionada. Para una y ganancia G=10 de esta forma se reparten las

ganancias en distintas etapas.

Al momento de hacer las pruebas con las señales cerebrales se obtiene que dichas señales al

ser tan pequeñas y débiles generan que la salida sea muy tenue por esto se implementa una

etapa de ganancia no inversora.

Finalizadas las etapas de adquisición análoga y filtrado, se procede a implementar la

protección esta se inicia con opto acopladores que demuestran servir pero incorporan a las

señales de entrada más ruido, por esto se descartan y se simula la protección con una red de

transistores pnp y npn estos dan buenos resultados y no incorporan ruido significativo, esto

se corrobora con pruebas en protoboard.

2.5. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

Se decide utilizar amplificadores de instrumentación INA debido a la disponibilidad y las

aplicaciones indicadas en la hoja de datos del fabricante, se realizan pruebas comparativas

entre un INA 114 y un INA 128 para determinar cuál amplificador de instrumentación

genera mejor comportamiento para el proyecto, con las configuraciones iniciales del

datasheet se encontró que el INA114 tiene mejores resultados, en cuanto al ruido y la

ganancia, se modifica las ganancias para tener un nivel de señal adecuado. Entre las

principales características están el alto CMRR y baja variación a la temperatura y voltaje de

offset, puede ser alimentado por +/- 5V.

37

Figura 14: Diagrama esquemático INA 114 y referencia

En la figura 14 se muestra el diagrama de la etapa de adquisición, donde la señal es captada

por un amplificador de instrumentación, la configuración utilizada es la sugerida por la hoja

de datos del INA114; la ganancia se configura por medio de las resistencias conectadas a

RG, y del punto común donde se unen estas se conecta a amplificadores operacionales

como forma de aumentar el rechazo en modo común y dejar una guarda que se conectará a

la pierna derecha o al lado derecho del abdomen.

La función principal de la referencia es disminuir las señales en modo común, reemplaza la

ubicación de polo a tierra. En el último amplificador se ubica un trimmer conectado a +5V

y GND, de esta forma es posible variar el nivel donde se ubica la señal, si se hace

necesario. (Instruments, 2000)

Ya que en la configuración utilizada la resistencia de ganancia se expresa como:

38

La ganancia de esta etapa se calcula con la función siguiente:

Figura 15: Señal cardiaca en la salida del INA114

En la figura 15 se observa la señal cardiaca en su primera etapa, la salida del amplificador

de Instrumentación, imperceptible a simple vista por la cantidad de ruido presente ya que

no posee aun ningún filtro.

2.6. FILTRO PASA ALTAS

Debido a que las frecuencias que más problema pueden presentar son las que poseen

frecuencias inferiores a los en este caso se diseña un filtro RC con fc=0.016Hz. El

mismo filtro será utilizado después de la primera etapa de ganancia para mejorar resultados.

39

Figura 16: Esquemático de filtro RC pasa altas y respuesta en frecuencia

Como se muestra en la respuesta en frecuencia el ancho de banda del filtro pasa altos es

desde la hasta ∞. (Winder, 2002), la respuesta es lenta debido a que es un filtro de primer

orden pero es suficiente ya que no se deben presentar mayores inconvenientes con

frecuencias menores.

La respuesta del filtro se observa en la figura 17

Figura 17: Señal cardiaca en la salida del primer filtro RC pasa altas

Se observa en la figura que la señal aún posee bastante ruido pero se distingue un poco

mejor la señal cardiaca presente.

40

2.7. FILTRO RECHAZA BANDA NOTCH

Con el fin de evitar la frecuencia de 60Hz presente en la red eléctrica y ruidos propios

presentes en la red como los producidos por bombillos, interruptores u otros equipos

electrónicos, se diseña un filtro rechaza banda con la topología de un Notch como se

muestra en la figura 18.

Se tiene en cuenta las siguientes consideraciones: (Reyes, 2012)

Se escoge un valor comercial para el condensador .

Figura 18: Topología del filtro Notch. (Reyes, 2012)

Se realiza el cálculo del filtro RC.

41

Reemplazando los valores calculados, la respuesta en frecuencia se muestra en la figura

siguiente:

Figura 19: Respuesta en frecuencia del filtro notch a 60 Hz

Para un filtro rechaza banda se hace necesario determinar las frecuencias de corte.

La función de transferencia del filtro notch se expresa como:

Se tiene además que:

La magnitud de la función resultante es:

| |

√

Los valores del rango de frecuencias donde la magnitud de la función de transferencia es

cercana a la magnitud máxima determina las frecuencias de corte del filtro, típicamente se

elige el valor como el nivel de corte.

42

Entonces

| | √

√

√

Para encontrar las frecuencias de corte y se reemplaza con la función de transferencia

| |

√

√

( √ )

( √

)

De aquí se obtienen las dos frecuencias de corte de la forma

√ √

( √ ) √

El factor de calidad se expresa como:

La señal resultante a la salida del filtro notch se observa en la figura 20.

Figura 20: Señal cardiaca con filtro notch de 60 Hz

43

La señal cardiaca es sometida a una ganancia no inversora y al filtro notch diseñado, la

señal mejora sustancialmente y se comprueba que el filtro se encuentra funcionando bien,

ya que se ha eliminado gran parte del ruido presente en la señal. La señal cardiaca ya se

observa definida.

2.8. FILTRO PASA BAJAS

El filtro pasa bajas se diseña con fc=45Hz ya que las señales a obtener están a frecuencias

inferiores. En este caso se utiliza la topología de un filtro bessel de segundo orden en

cascada con un RC que completa un 3er orden.

Para el filtro RC pasa bajas se calcula utilizando la fórmula:

El filtro pasa bajas de segundo orden que se decide implementar es un filtro bessel con

estructura sallen-key, debido a las características tales como; que únicamente tiene polos y

una zona lineal en la banda pasante, lo que permite que la señal no sea distorsionada.

(Avendaño, 2003).

Para una y ganancia G=10 de esta forma se reparten las ganancias en distintas

etapas.

La estructura del filtro es la que se muestra en la figura 21:

44

Figura 21: Estructura Sallen-Key para un filtro pasa bajas.

La función de transferencia del filtro pasa bajas se expresa como: (Escudero, 2006)

[ ]

De la ecuación se tiene que los coeficientes se pueden expresar como:

[ ]

Se tiene en cuenta que para un filtro bessel de segundo orden los coeficientes determinados

son:

Se asume valores y :

45

Según la función de transferencia y los coeficientes de Bessel para un filtro de segundo

orden se tiene:

( )

Se obtiene la solución para dos valores de :

Se utiliza el valor positivo de la resistencia.

Para encontrar el valor de se reemplaza en:

La ganancia se determina por

(32)

46

El diseño final del filtro bessel pasa bajos de segundo orden conectado en cascada el RC

pasa bajas, genera un filtro de tercer orden como se muestra en la figura 22.

Figura 22: Diagrama esquemático filtro bessel con fc= 45 Hz

Figura 23: Respuesta en frecuencia del filtro Bessel.

47

Figura 24: Salida para una señal ECG

En la figura 24 se observa la señal final entregada después de los filtros y una etapa de

amplificación final. Ya que las señales de EEG son más débiles se utiliza etapas de

amplificación para el momento de adquirir las señales.

CAPÍTULO 3. DESARROLLO INGENIERIL SOFTWARE

La solución en software comprende, desde la tarjeta de adquisición y digitalización, hasta la

etapa de visualización en browser. Se divide en etapas para abordar el desarrollo, se

comienza con el software implementado en el microcontrolador para digitalizar y enviar los

datos hasta el puerto USB, continua con la etapa de adquisición local donde se recibe los

datos, se visualizan y se transmiten a una etapa de almacenamiento, continua una etapa de

conexión a la base de datos que proporciona los permisos para conectar almacenar la

información, la etapa de almacenamiento se compone de una base y un servidor web donde

se aloja una página web, finalmente el desarrollo web consta de una página que permite

conectar a la base de datos y visualizar el contenido almacenado.

Las etapas que conforman la solución se muestran en la figura 25.

48

Figura 25: Etapas planteadas en el diseño de la solución software

3.1. DIGITALIZACIÓN Y TRANSMISIÓN

Para el diseño de la etapa de digitalización y transmisión de señales se tiene en cuenta que

se deben utilizar seis canales para la adquisición de las señales de EEG y un canal para una

señal ECG.

Se utiliza un PIC18f4550 que posee un conversor ADC de 10 bits con 13 canales

independientes, y la posibilidad de transmitir información utilizando periféricos integrados

como USB y una frecuencia de operación configurable hasta 48 MHz.

Teniendo en cuenta las tareas que debe cumplir la etapa se define el algoritmo que será

implementado en la tarjeta de adquisición como se muestra en la figura 26.

49

Figura 26: Algoritmo de digitalización y transmisión serial.

3.1.1. Pruebas de adquisición

Inicialmente se realizan pruebas de adquisición con una tarjeta Arduino, se genera un

código que adquiera los datos por un canal del ADC y los transmita al puerto USB.

Se prueba la comunicación con un script de Matlab, donde se configura los parámetros de

transmisión que deben ser iguales a los programados en la tarjeta de adquisición; en este

punto se observa que hay pérdida de datos debido a que el conversor ADC solamente

acepta valores positivos y la tarjeta de adecuación es energizada por voltaje dual de 5V, es

decir que la señal va a estar entre -5V y +5V, para solucionar esto se agrega un divisor de

voltaje antes de ingresar al conversor que consiste en un condensador en serie con la salida

de la tarjeta de adecuación, en el punto negativo del condensador se conecta a +5V por

50

medio de una resistencia y desde el mismo punto se conecta a tierra por medio de una

resistencia con el mismo valor.

3.1.2. Diseño de Tarjeta de Adquisición.

Se decide utilizar un microcontrolador PIC y se diseña la tarjeta considerando que se pueda

alimentar por puerto USB o por medio de un adaptador y cableado el puerto ICSP, se

programa por medio del programador Pickit3 y se obtienen los mismos resultados que con

el uso de la placa arduino.

El diseño se muestra en la figura 27:

Figura 27: Diseño final tarjeta de adquisición

La tarjeta de adquisición como se observa en la figura consta de un microcontrolador pic

18F4550 un switch ON/OFF, tres pines cercanos al switch que permiten seleccionar la

fuente de alimentación que puede ser desde el puerto USB o con un adaptador, se ubica

después de la entrada de alimentación, un regulador de 5V para evitar sobretensión, los

pines de acceso a los diferentes puertos son cableados a puntos donde se puedan conectar

de manera sencilla, particularmente está el puerto ADC donde se reúnen los canales del

conversor para conectar con las tarjetas de EEG y el canal de EEG.

51

3.2. DESARROLLO DE INTERFAZ DE ADQUISICIÓN Y VISUALIZACIÓN

LOCAL

La interfaz de adquisición y visualización es la primera interfaz donde se observan las

señales y proporciona las herramientas para enviar y almacenar los datos obtenidos, consta

de una aplicación desarrollada en Java que permite al usuario, visualizar las señales

transmitidas desde la etapa de adquisición, además se visualiza el registro del ritmo

cardiaco en una sección independiente y una tabla donde se almacenan las lecturas del

puerto serial, y el tiempo en que se adquieren, proporciona la herramienta para poder

transmitir y almacenar los datos en una base de datos. (Gilbert, 2008)

Se construye el algoritmo de funcionamiento de la interfaz con las características

principales mencionadas como se muestra en la Figura 28.

52

Figura 28: Algoritmo general interfaz gráfica local

53

De acuerdo al algoritmo se diseña la interfaz como se muestra en la figura 29, se hace uso

de la herramienta NetBeans.

Figura 29: Interfaz gráfica local

En la figura 29 se muestra la interfaz gráfica, en el panel GRAFICAR, se ubican los

botones que activan la captura y visualización de las señales, en el lado derecho se ubica

el panel ONDAS. En la parte inferior se ubica una tabla que muestra los datos que se

adquieren del puerto USB y la visualización de una señal ECG.

Las gráficas se realizan utilizando la librería jFreeChart que además permite hacer zoom

sobre las señales con el mouse, como se observa en a figura, en la sección de Señales P300

solamente se ve actividad en la señal del punto Fz, ya que se prueba con una sola entrada

conectada, las demás señales no muestran actividad. En la sección del ECG se observa una

señal cardiaca.

Finalmente se ubica el botón GUARDAR que permite realizar la conexión con una base de

datos desplegando una interfaz que corrobora la identidad y contraseña para acceder a la

base de datos, además ejecuta un método que transforma las señales capturadas en el jTable

54

que se observa en la interfaz, en una cadena de caracteres separados por comas “,” que se

guardan en distintas variables y que se puedan guardar en un campo de la tabla en MySQL.

3.3 BASE DE DATOS

Debido a que se desea la disponibilidad de la información en red, se opta por implementar

una base de datos sobre un servidor MySQL donde se alojará la información del paciente y

los datos obtenidos de las señales de EEG y ECG.

Para el desarrollo se hace uso del servidor XAMPP y particularmente del servidor web

Apache y la base de datos MySQL. La base de datos que se necesita constará de una tabla

de pacientes con campos como, nombre apellido, identificación, sexo y siete campos para

alojar los valores de las señales y una tabla donde se guardan el usuario y contraseña para

dar acceso desde la página Web a los usuarios que contenga la tabla.

Figura 30: Estructura de tabla en MySQL

En la figura 30 se observa la tabla que se crea por medio de la herramienta phpMyadmin

proporcionada por el servidor XAMPP. Con los campos principales como, nombre

apellido, y los campos ADC para guardar las cadenas de datos de las señales adquiridas.

55

Los tipo de datos que se guardan son según su utilización, id es un entero, los datos del

paciente se definen como tipo varchar y los datos de las señales nombradas como ADC son

datos tipo text debido a que guardarán una gran extensión de texto y un campo de tipo

longBlob donde se puede guardar diferentes tipos de anexos, en este caso una fotografía si

se requiere.

3.3.1. Conexión a la Base de Datos

Como se menciona en la interfaz de visualización el botón GUARDAR realiza la conexión

con la base de datos.

Figura 31. Algoritmo de conexión.

56

El algoritmo de conexión es el encargado de gestionar el envío y recepción de los datos

entre la interfaz de usuario y la base de datos MySQL, además de corroborar los datos de

conexión, posee métodos que se encargan de ingresar pacientes, actualizar, borrar como se

menciona en el algoritmo de la interfaz de registro. Es decir que se encarga de actualizar la

tabla de datos y retornar los valores correspondientes para visualizar en la tabla dentro de la

interfaz de registro.

Figura 32: Interfaz de acceso a la base de datos

Esta interfaz muestra los campos donde se ingresa el nombre de la base de datos, usuario y

contraseña. Al comprobar los datos realiza la conexión con la base de datos MySQL y

devuelve el formulario donde se ingresan los datos del paciente.

Figura 33: Formulario de ingreso a la base de datos, Interfaz de registro.

57

El formulario de ingreso permite visualizar la información que están en la tabla de la base

de datos, el modelo de tabla que se muestra en la interfaz es definido en la clase “modelo

tabla”, esta se encarga de definir la cantidad de filas y columnas dependiendo del contenido

en la base de datos, con el botón NUEVO se habilita el método para grabar un ingreso

nuevo, se ingresan los datos y al momento de presionar GRABAR, un método realiza la

adquisición de los String ingresados en los campos y también adquiere la información en

forma numerica de las señales guardadas anteriormente en distintas variables de la interfaz

local y las asigna a los campos respectivos de la base de datos por medio de la clase

“conexión”.

Figura 34: Algoritmo ingreso de pacientes a la base de datos

58

El algoritmo de ingreso posee las herramientas para gestionar los datos con las clases

“conexión” encargada de actualizar, borrar, o modificar la información en MySQL, la clase

“paciente” encargada de definir la asignación de variables a los campos correspondientes de

la base datos, la clase “modelo Tabla” encargado de definir la tabla que se presenta en la

interfaz de registro.

Figura 35: Contenido de la clase Paciente

La clase paciente, se encarga de asignar los valores correspondientes del formulario y las

variables con información de la lectura de señales y organizar la información, de tal manera

que la clase “Conexión” pueda interpretarlas y asignar a los campos correspondientes de la

tabla de datos.

En la tabla del formulario de ingreso se observa que hay tres usuarios registrados, es decir

que en la tabla de datos MySQL también deben aparecer los usuarios con los datos

completos incluyendo el registro de las señales de EEG representadas en los campos ADC,

en el momento de realizar la captura de información.

59

Figura 36: Tabla de datos MySQL con ingresos registrados.

Se observa que todos los campos están llenos, incluyendo los campos ADC y tiempo, que

es donde se guarda las señales en forma de datos separados por comas, se comprueba que la

conexión y gestión de transmisión están funcionando correctamente.

3.4. CLIENTE WEB

Se desea que la información esté disponible para revisar desde Internet, en este caso se

encuentra configurado como localhost, una página web se alojará en un servidor Apache,

desde la cual se debe hacer conexión a la base de datos MySql y recuperarlos para

finalmente mostrar la información personal y graficar las señales.

60

Figura 37: Algoritmo cliente Web

Se diseña el cliente web en lenguaje php ya que proporciona las herramientas para conectar

con bases de datos.

En este caso el cliente Web tiene acceso a la información almacenada en el servidor Web;

En la página principal se muestra pestañas con información del proyecto y una pestaña que

da la opción para acceder a la base de datos MySQL, en la pestaña de ingreso se realiza la

comprobación de usuario, clave, nombre de base de datos, nombre de tabla y disponibilidad

del servidor, y carga la información principal de la tabla.

61

Figura 38: Página Index, presentación inicial de la página web.

Figura 39: Pagina de ingreso el login y la tabla de registros después de autenticación

En la figura 39 se observa en la parte izquierda la interfaz de ingreso, donde se pide un

usuario y contraseña, al comprobar que la información es correcta se carga la tabla de

registros donde se observan los campos con los datos principales y una columna donde

posee un enlace que permite revisar las señales almacenadas para cada paciente.

62

Al hacer clic en el enlace Revisar, se obtiene el ID del paciente, se vuelve a comprobar

conexión y se hace la solicitud en la tabla de la base de datos desde donde retorna los datos

completos en una página diferente incluyendo los guardados en los campos de señales de la

tabla MySQL, se muestra la información del paciente y las señales se grafican haciendo uso

de la herramienta highcharts.

La librería HighCharts es una librería de gráficos para JavaScript que posee amplias

opciones en cuanto a graficas interactivas enfocadas a la creación de aplicaciones web en

lenguajes como php, ASP, .NET entre otros. (HighCharts, 2013)

Como se observa en la figura 40 en una sección se cargan los datos generales del paciente

y en otra se grafican los datos correspondientes a las señales.

Figura 40: Interfaz de presentación de señales.

63

Se observa la señal almacenada en un canal vs los datos de tiempo almacenados en el

campo “tiempo” por lo que los demás canales no muestran actividad; en la parte inferior

también se observa la señal cardiaca almacenada.

El procedimiento consiste en asignar a los campos de texto, los datos correspondientes al

paciente, se abre un espacio tipo script, se importa la librería de HighCharts y jQuery

encargada de las consultas, y se crea un función para graficar, se configura las

características de la gráfica, como títulos, nombres de ejes, tipo de gráfica y se asigna los

campos donde se cargarán las cadenas de caracteres que se adquirieron de la base de datos

y que corresponden a las señales capturadas de EEG y ECG en forma de texto separado por

comas, también se habilita la función del mouse que consiste en presentar los datos de la

gráfica en una cajita emergente al lado del puntero y que se actualiza a medida que el

mouse se desplaza sobre la gráfica, las señales también pueden ser deshabilitadas de forma

individual al hacer clic en el nombre ubicado en la parte inferior del eje horizontal.

Figura 41: implementación de software

Se hace uso de diferentes herramientas para el desarrollo del software que presenta la

estructura mostrada en la figura 41. Comienza con la etapa de digitalización y transmisión

de las señales por puerto USB, una interfaz en java que permite visualizar las señales

adquiridas y transmitirlas a un Servidor Apache donde se aloja una página web y a un

servidor MySQL donde se almacenan los datos del paciente y las señales que se obtienen.

Red local Servidor Web y Sql

Página Web

Internet

64

Por medio de una página desarrollada en php se realiza la conexión a la base de datos para

poder visualizar la información guardada en la tabla de datos y que pueda estar disponible

en Internet, la presentación gráfica de la información se realiza por medio de la librería

HighCharts.

CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO A SEGUIR

En este capítulo se describe, la forma como se obtienen las señales, los procedimientos

realizados a las personas objeto de análisis, los resultados obtenidos y las consideraciones

que se deben tener al momento de realizar una prueba de adquisición.

Para fines prácticos se verifican los canales con una señal cardiaca una vez hecho esto se

procede a hacer la configuración deseada del estándar 10-20, se busca generar que el

paciente se relaje por medio de sonidos relajantes y así ver el comportamiento de la las

ondas en estado de relajación, en las siguientes pruebas el ideal es buscar el gusto,

desagrado y gusto cómico del paciente y como se ven reflejados en las señales.

Los canales tienen distinta ganancia puesto que las señales tienen mayor y menor potencial

dependiendo de la ubicación, teniendo en cuenta esto se mejoran las escalas en el

osciloscopio que están por defecto para una mejor visualización, con esto se consigue que

al tener varias señales se aprecia la contundencia del estímulo realizado y ver que

afectación tuvo en las señales en reposo. En ocasiones estas señales están muy activas

desde el principio lo que hace pensar que los estímulos no son significativos pero hay que

esperar un tiempo prudencial a la estabilización y la relajación, este tiempo puede oscilar

dependiendo del estado del paciente tanto físico como emocional, esto va a hacer que el

sentir de los cambios en las señales sean más visibles y más fáciles de evaluar por tiempo

de reacción y percepción del mismo.

65

66

Figura 42: Prueba y resultados.

La digitalización es observada en primera instancia en la interfaz de usuario que permite

corroborar que efectivamente hay una señal y que los electrodos están bien o mal

conectados al circuito de adecuación, habiendo pasado esta prueba y con las señales

adquiridas se toma los datos del paciente como nombre apellido identificación y sexo (ver

figura 33), teniendo esta forma de identificación del paciente ya se le puede cargar las

señales obtenidas a la base de datos (ver Figura 36) dicha base de datos es accesible desde

un explorador web .

ECG

Como se muestra en la figura 42, la primera configuración del equipo es un ECG y se

realizan pruebas que validen el equipo.

En esta primera instancia se busca establecer la precisión y exactitud en el ECG. Se realizan

pruebas del mismo sujeto en diferentes momentos y se tiene en cuenta que el sujeto esté en

67

un estado de relajación parecido, se comprueba una diferencia de aproximadamente 0.5%

de error en las señales entre prueba y prueba. (Skoog, 2008)

Dado que esta señal es periódica la comprobación entre sujetos es más sencilla, la

frecuencia cardiaca se puede determinar realizando conteo manual de las pulsaciones en la

arteria carótida, se comprueba la cercanía de la frecuencia con las medidas que se toman

por medio de las herramientas del osciloscopio. Se realizan pruebas en tres sujetos y se

observa diferencias de la frecuencia, que se relacionan con el estado físico o la agitación de

la persona en el momento de tomar la señal.

Figura 43. Resultados en distintos pacientes.

Después de esto se hacen pruebas de validación en configuración EEG se ubican los

electrodos según el estándar 10-20 (ver ítem 1.10.), al ubicar dichas configuraciones se

confirma que todas las ubicaciones tiene distinto potencial y que este potencial es afectado

por la buena ubicación del electrodo, sabiendo esto lo primero por validar es la ubicación

puesto que esto hace que sean muy distinto de un paciente a otro, se concluye que la

validación de un paciente a otro es difícil ya que varía la ubicación, la percepción de los

68

estímulos y que en algunos pacientes pueden estar ausente algunas señales siendo algo

normal.

EEG

Para las pruebas del EEG se realiza adquisición de señales en diferentes pacientes y se

comprueba la existencia o ausencia de respuesta. En este caso no es posible medir precisión

o exactitud por la naturaleza de la señal ya que el cerebro tiende a acostumbrarse a los

estímulos y no se repite la misma reacción ante el mismo estimulo. Algunos resultados se

muestran en las figuras siguientes.

Figura 44: Señales en reposo para dos pacientes.

La figura 44 muestra las señales en reposo de dos pacientes, donde no se aprecia mayor

actividad en dos canales, ya que el paciente se encuentra con los ojos cerrados y en una

posición cómoda, y las señales presentes son de la actividad cerebral normal con mejor

intensidad que no corresponden a estímulos.

69

Figura 45: Señales del primer paciente ante estímulos.

La figura 45 muestra actividad en dos canales correspondientes a algunos estímulos

auditivos como ruidos molestos, permiten ver que ya se presenta cambio en las señales.

Figura 46: Señales del segundo paciente ante estímulos.

En la figura 46 se observa la actividad del segundo paciente ante dos estímulos, el primero

corresponde al canto de un gallo, y el segundo estimulo es un sonido corto metálico.

Como se observa en las figuras anteriores, se muestra las respuestas ante algunos estímulos

auditivos producidos y como se incrementa la presencia de señales y el paso de un estado

de reposo a uno de alteración o alerta.

De esta manera se puede comprobar que el equipo capta la actividad cerebral que se

desarrolla en el momento de recibir estímulos. En algunos casos la señal puede ser más

pronunciada que en otros, dependiendo del gusto o desagrado del sonido, o del grado de

impresión que provoque en el paciente.

70

4.2. PROCEDIMIENTO A SEGUIR

Figura 47: pruebas preliminares de inicialización.

71

Se realiza el procedimiento establecido de inicio para adquirir las señales y comprobar el

funcionamiento, en este punto se conectan todas las tarjetas para descartar variaciones en el

trabajo conjunto. Se ajusta la salida de los canales por medio de la primera ganancia

modificable con un trimmer, para obtener a la salida los niveles de voltaje adecuados

72

Figura 48: Proceso de validación inicial.

73

Los canales utilizados en el momento de realizar la prueba son cuatro canales del EEG para

los puntos del estándar 10-20 que se ubican en la cresta, es decir los puntos Fz, Pz, Oz y

Cz, los ajustes son diferentes para cada canal, ya que el punto Cz posee un señal débil

respecto a los otros puntos.

La entrada negativa se ubica en el lóbulo de la oreja derecha, y la referencia en el lado

derecho del abdomen.

Para la señal cardiaca se utiliza electrodos adhesivos ubicándose así:

- Entrada positiva, lado izquierdo del pecho.

- Entrada negativa, lado derecho del pecho.

- Referencia, lado derecho del abdomen.

4.3. PRUEBAS DE CAPTURA DE SEÑAL

Las pruebas realizadas para corroborar el funcionamiento del equipo consisten en la

aplicación de estímulos auditivos a una persona en reposo, con los ojos cerrados y en una

posición cómoda de tal manera que las señales no se vean afectadas por movimientos.

Los estímulos no se deben repetir ya que el paciente pierde progresivamente el punto de

mayor potencial lo que hace que no se visualice ningún cambio en la señal, teniendo eso en

cuenta se procede a identificar a que estímulos tiene mayor reacción una persona, ya que

según las pruebas no todas las personas reaccionan de la misma manera a los mismos

estímulos.

Los estímulos utilizados son sonidos cortos que pueden ser molestos relajantes o de gusto

para el paciente, estos sonidos contrastan unos con otros, el control de transición de los

estímulos se realiza por medio del software movie maker ya que permite ubicar espacios en

silencio o prolongar algún sonido, de esta manera se puede identificar en que momento

inicia un sonido o cuales son los que producen mayores cambios en las señales.

74

Figura 49: Etapas de la señal ECG

En la figura 49 se observar la evolución de la señal de ECG por lo que se constata el

funcionamiento adecuado de los filtros.

Para las señales de EEG se ubican los electrodos en la cresta z, se constata que el potencial

de esta forma de ubicación tiene unos puntos de más potencial que otras posiciones, se

75

procede a realizar estímulos auditivos y se busca determinar un estado de relajación para

comparar con un estado de actividad superior y ver el potencial evocado.

Figura 50: Actividad señales EEG ante estímulos

76

La figura 50 muestra las señales EEG captadas en osciloscopio ante diferentes estímulos, se

observa que ante algunos estímulos hay mayores cambios que en otros, y que en estado de

reposo la señal es estable, se corrobora que el equipo de adquisición funciona y los

electrodos captan las señales deseadas, debido a la configuración del osciloscopio la

pantalla muestra alrededor de 2 segundos de señal, suficiente tiempo para evaluar la

aparición de la señal ante estímulos.

4.4. COSTOS DE MATERIALES DEL PROTOTIPO

Los elementos que componen el prototipo están discriminados de acuerdo a la sección del

equipo que conforman, la construcción del equipo se realiza con integrados en presentación

DIP, resistencias de 1/4W, condensadores electrolíticos, cerámicos y poliéster, las tarjetas

impresas se construyen en fibra de vidrio doble capa, y la caja contenedora se construye en

material acrílico.

El equipo final se muestra en la figura 51.

Figura 51: Vista exterior e interior del prototipo

Se observa el equipo finalizado, en la parte izquierda la vista exterior con los conectores de

los electrodos de EEG y ECG, en la parte derecha, la ubicación interna de las tarjetas, el

transformador se ubica en una caja aparte.

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La tabla 5 muestra discriminado el costo de los materiales que constituyen el prototipo.

Cantida

d Descripción

Precio

unitario Precio

7 Amp de instrumentación INA (118, 114) 25000 175000

10 Amp operacional TL084 900 9000

Impresos

1 Impreso (Electroencefalógrafo de un canal ) 50000 50000

1 Impreso (Electroencefalógrafo de seis canales) 180000 180000

1 Impreso (Electrocardiógrafo de una derivada ) 80000 80000

1 Impreso (Fuente ) 40000 40000

1 Tarjeta de digitalización y transmisión 50000 50000

Fuente

1 Fuente (transformador 7 y 7v ac ) 20000 20000

1 Componentes menores de la fuente 15000 15000

prototipo

1 Acrílicos 100000 100000

1 soportes para tarjetas 15000 15000

1

Componentes menores (resistencias condensadores y

cables ) 150000 150000

Tarjeta de digitalización y transmisión

1 Microcontrolador 18f4550 16000 16000

1

Componentes menores de la tarjeta de digitalización y

transmisión 20000 20000

2 Cables usb 6000 12000

Electrodos y conectores

8 Electrodos bañados en plata 25000 200000

1 Cables de ECG 40000 40000

10 Electrodos adhesivos 1000 10000

8 Conectores 2500 20000

1 Gel para transmisión eléctrica ECGEL 35000 35000

COSTO TOTAL 1237000

Tabla 5: Materiales de construcción del prototipo

78

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES

No es posible medir repetibilidad, ya que el cerebro tiende a acostumbrarse a los

estímulos por lo que las características de la señal obtenida cambian a medida que

se hace repetición de las pruebas.

Todos los canales del EEG no se pueden ajustar con las mismas ganancias ya que la

intensidad de la señal varía según el punto del estándar 10-20, siendo las más

intensas las ubicadas en los puntos Fz y Pz y las más débiles las de la zona Cz y Oz.

La buena ubicación de los electrodos facilita un mayor potencial evocado, lo cual

hace que los cambios de las ondas sean más notables.

Los electrodos bañados en plata utilizados para EEG son más sensibles a la

recepción de señales, lo que también los hace propensos a detectar mayor cantidad

de ruido por lo que se debe tener consideraciones del lugar donde se toman las

pruebas para minimizar los efectos negativos en las señales, ya que los ruidos de la

red eléctrica o algún disturbio afecta la calidad de la señal o ingresa una señal que

no hace parte de las señales neuronales.

La onda P300 no es periódica por lo que en la adquisición siempre será necesario

someter a estímulos al paciente y conocer el momento en el que se realizó el

estímulo, ya que la aparición de la señal también puede estar relacionada a

estímulos externos no controlados.

Antes de realizar una prueba satisfactoria se debe realizar un cuestionario de audio

para establecer que sensaciones provoca en el sujeto y poder determinar que señales

lo relajan o lo estimulan, además es recomendable establecer un estado de reposo

conseguido con los ojos cerrados, un espacio libre de sonidos que le llamen la

atención para que no interfieran señales externas o diferentes a las causadas por los

sonidos.

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BIBLIOGRAFÍA

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82

ANEXOS

ANEXO 1. Esquemático del circuito para ECG

83

ANEXO 2. Diseño de la tarjeta de ECG

ANEXO 3. Esquemático fuente dual.

84

ANEXO 4. Esquemático EEG de 6 canales

85

ANEXO 5. Diseño de tarjeta EEG

86

ANEXO 6. Instalación de prototipo final