2. RESUMEN

La aplicación de la tecnología es una de las arma más efectiva en el campo investigativo de medicina, logrando interpretar por medio de esta cada uno de los fenómenos que ocurren dentro del organismo dinámico con que cuentan todas las personas. Procesar las señales para un diagnostico efectivo y veraz. Se ha convertido todo un reto para la electrónica, aplicando hasta de todos sus principios descubiertos para poder acercarse a la perfección y traducir todo lo que el cuerpo nos dice.

En el siguiente trabajo, se presentan las bases y fundamentos necesarios para el desarrollo de un módulo instrumental para la adquisición y posterior visualización de señales celébrales, obteniendo como resultado final el comportamiento de este, tanto en función del tiempo y en frecuencia en la pantalla de un computador.

El proyecto consta de electrodos colocados según indica el sistema internacional sobre el cuero cabelludo, donde pasan por una serie de circuitos e integrados para un acondicionamiento previo a la interfaz con él con el computador, donde se utilizara el software LabVIEW para su posterior procesamientos y visualización en diferentes formatos establecido para una comprensión optima de los resultados.

Vale destacar que se extraerán un total de 16 señales ubicadas en torno a la cabeza y para la entrada al computador será multiplexada, seguido de la demultiplexacion para recrear la señal original. Una vez ya registrada en el computador se reacondicionara con filtros y amplificadores digitales propias del LabVIEW para una lectura libre del mayor ruido posible.

El desarrollo de este trabajo de investigación, es la dotación para el laboratorio de la Universidad del Magdalena, de un prototipo instrumental para el complemento de sus estudios de señales electrofisiológicas, para despertar la motivación de adentrarse en este campo de la electrónica…

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente en Colombia y en el mundo entero se han desarrollado una gran cantidad de enfermedades que afectan en gran medida el sistema nervioso humano y por ende uno de los órganos de mayor importancia en el ser humano: el cerebro. El cerebro es el órgano encargado de dirigir, coordinar y orientar los movimientos y habilidades, las emociones, pensamientos y comportamientos. Con la ayuda de grandes investigaciones y experimentos se ha determinado que las enfermedades cardiovasculares (ECV) se deben, en parte, a factores ambientales potencialmente modificables y algunos ensayos clínicos han demostrado que el controlar algunos de esos factores modificables reduce el riesgo de tener y morir

por una ECV.1

El consumo de cigarrillos es el factor de riesgo modificable más poderoso que contribuye a la enfermedad cerebrovascular, independiente de otros factores de riesgo.2 Otros factores demostrados, son la hipertensión arterial y la diabetes mellitus. La enfermedad cerebrovasculartrae como consecuencia procesos isquémicos (de falta de sangre) o hemorrágicos (derrames), causando o no la subsecuentemente la aparición de sintomatología o secuelas neurológicas. 3,4

La mortalidad por enfermedades cerebrovasculares es cuatro veces más grande en Latinoamérica y el Caribe que en Norteamérica, y una gran proporción de muertes por enfermedad cerebrovascular (90.000 de 400.000 muertes) ocurren prematuramente en personas menores de 65 años. El 30% de las muertes prematuras por enfermedad cerebrovascular se dieron en el 20% de la población más pobre de las Américas, mientras que solamente el 13% de estas muertes se

concentraron en el 20% más rico de la población.4, 5

En Colombia, la mortalidad por enfermedades cerebrovasculares se encuentra dentro de las principales causas de mortalidad, presentando en el año 2011 una tasa de 29,13 muertes por 100.000 habitantes. A nivel departamental, los departamentos que presentan mayores tasas de mortalidad por enfermedades cerebrovasculares son Valle del Cauca, Santander y Boyacá, presentando tasas por encima de 35 muertes por 100.000 habitantes. Por otra parte departamentos como Vichada, La Guajira y Vaupés presentan tasas por debajo de 10 muertes por 100.000 habitantes.

En los últimos años, han tenido gran importancia los trabajos de investigación enfocados en la observación del comportamiento de las actividades cerebrales, extracción de información, señales y su posterior análisis, especialmente con el propósito para la ayuda a personas con discapacidad; siendo el cerebro un órgano que tiende a degenerarse según los estudios mencionados anteriormente, y de igual manera también en busca de entender lo más posible todo lo que ocurre y

encierra todo lo relacionado alrededor de él y que se desea explotar al máximo para el beneficio incluso a personas sanas para despertar alertas tempranas, individuos que son afectadas con degeneración neurocerebral, pierden desde control consciente de sus movimientos, hasta su cordura, memoria y cognitividad, otros que logran tener su capacidad intelectual intacta, por lo que se vuelven prisionero de su propio cuerpo por no tener control de él, que no les permiten interactuar con su entorno. Poder encontrar una cura o alguna alternativa para todos estos problemas, es la motivación de muchos investigadores.

Contar con el equipo adecuado, que otorgue una garantía de la veracidad de la información, y a costo razonablemente bajos, que estén al alcance de cualquier persona con curiosidad y motivación en el tema, podrá ayudar a dar un empujón a la medicina en la detección temprana, tratamientos y control a las enfermedades cerebrales, creando bases incluso para su prevención. Planteando todo esto y sabiendo la importancia de un instrumento que muestre el comportamiento continuo de las señales EEG se desprende la siguiente pregunta:

¿Cómo sería el diseño y la implementación de un sistema instrumental que sea capaz extraer y visualizar las señales EEG para su posterior estudio?

1. Piédrola Gil, Gonzalo (2000) (en inglés). Medicina preventiva y salud pública. ElsevierEspaña. pp. 681-682. ISBN 8445810243.

2. Jump up to:a b National Institute of Neurological Disorders and Stroke. Accidente Cerebro vascular: Esperanza en la Investigación. 2001 Jul Último acceso 22 Dic 2006.

3. Jump up↑ Pacheco Rodríguez, Andrés (2001) (en español). Manual de emergencia médica prehospitalaria. Arán Ediciones. pp. 243. ISBN 8486725941.

4. Editorial. Health and Wealth in the Americas. The Lancet. 2009 October; 374.

5. Organización Panamericana de la Salud. Indicadores Básicos de Situación de Salud en las Américas. ; 2009.

JUSTIFICACIÓN

La tecnología con la que se cuenta actualmente, nos proporciona un sin número de herramientas, por medio del cual podemos procesar casi que cualquier tipo de señal, de una manera rápida, precisa y efectiva que solo parecían tener lugar en ciencia ficción. La electrónica en función de su objetivo de mejorar y facilitar el trabajo y la calidad de vida a las personas, es incluida en el campo investigativo de la medicina, proporcionándole a pasos agigantados grande avances en via de tratamiento, curas y prevención de muchas enfermedades, devolviendo a las persona la posibilidad de adquirir un estilo de vida sana y plena.

El cerebro es un sorprendente maquina autónoma y poderosa, en el cual se generan cientos de procesos de todo tipo regulando cada acción y proceso efectuado por los diferentes sistema que integran el ser humano. Creando un flujo de datos en forma eléctricas para la comunicación e interacción de los tejidos y órganos con el cerebro, convirtiendo en este en una fuente de generación de señales, las cuales se dejan observar y gracias a los conocimientos técnicos suficientes, se pueden extraer de forma muy sencilla y ser procesada, para aprovechar al máximo.

Cada año se presentan alrededor del mundo cantidades de accidentes y aparecen víctimas de enfermedades degenerativas del cerebro, dejando al cuerpo humano casi que inmóvil, frustrando a la persona a una vida de vegetal, siendo totalmente dependiente para realizar acciones que antes veía muy básicas. Estas personas encapsulan en su cuerpo vegetal un cerebro totalmente intacto, con las mismas o mayores capacidades mentales de una persona sana.

Este proyecto se realiza con el propósito de dotar a los laboratorios de la Universidad del Magdalena, con un prototipo de un modulo instrumental, para la extracción de señales electroencefalografía (EEG), para facilitar el estudio y que los estudiantes de la rama de investigación de electromedicina, quienes son el usuario final de este prototipo, logren obtener una comprensión mayor del comportamiento de las señales eléctricas que genera el cerebro bajo diferentes condiciones y poder obtener muchas respuestas para encontrar un diagnostico o una conclusión frente alguna situación especifica que se estudie en su momento.

Se espera a futuro con la realización de este prototipo, que despierte la curiosidad de sus usuario y se cree la motivación de ir mas alla que obtener las señales biométricas de la mente, y se adentre a un profundo análisis de esta, en búsqueda de señales especificas para encontrar patrones para adentrarse en la creación de interfaz del cerebro con el computador (BCI)

DISEÑO METODOLÓGICO

Este proyecto desarrollo un prototipo instrumental para la adquisición y visualización de señales EEG, con el objetivo de poder visualizarla y poder realizar algún tipo de análisis que se pueda abarcar a partir de esta. Fue importante definir patrones y estándares que ayudaron y facilitaron a la conclusión de este trabajo investigativo, y que permitieron comprender el tipo de señal EEG que se presentaron en el cerebro durante las pruebas realizadas, que fueron de vital importancia al momento de validar esta señales para confirmar su veracidad. El proyecto tuvo un desarrollo pleno gracias a que se respetaron las fases que se plantean a continuación:

Fase 1: Estudios de investigación

En esta fase se realizará una investigación exploratoria para analizar los diferentes avances de tecnologías existentes actualmente, hasta donde han llegado y como lo han logrado, pero también se abarca una investigación del funcionamiento del cerebro para saber cómo y dónde ubicar las zonas que nos brinden información que enriquezcan el objetivo del proyecto. Todo esto con el fin de definir cuál es el punto donde se debe empezar a trabajar para el diseño y la implementación de tal dispositivo.

Fase 2: Diseño del prototipo

Una vez realizados los estudios de investigación se procede al planteamiento de los pasos o procedimientos que se deben seguir para lograr un diseño óptimo del dispositivo, tomando en cuenta cuales son las características de las señales EEG que son de interés a la hora de la extracción de dichas características.

Fase 3: Implementación del prototipo

Al culminar la fase de diseño del dispositivo, se procederá a la fase de construcción e implementación del prototipo, haciendo uso de los elementos y dispositivos que se detallarán en el presupuesto del proyecto.

Fase 4: Pruebas del prototipo

Esta fase es de vital importancia porque en todo tipo de proyecto se hace necesaria la realización de pruebas para lograr garantizar el buen funcionamiento, calidad, comodidad y confiabilidad del prototipo ya finalizado.

CRONOGRAMA

Las fases que se realizarán para el cumplimiento de cada uno de los objetivos planteados fueron descritas en el diseño metodológico y se mostrará a continuación la duración de cada una de las fases antes mencionadas.

Cuadro de autoría de los tesista.

ALCANCES Y LIMITACIONES

Alcances

Este proyecto tiene como alcance la realización de una investigación exploratoria, la cual permita abarcar todos los pilares que fundamenten el desarrollo de un prototipo instrumental que permita extracción, acondicionamiento y posterior visualización de los tres diferentes montaje existente para el análisis de las señales EEG (longitudinal, transversal y referencial)

Dotar al laboratorio de Ingeniería Electrónica, con una herramienta que le permita a los estudiantes de materias relacionadas con la electromedecina, de una útil herramienta que le permita llevar el seguimiento del comportamiento de las señales cerebrales en tiempo real.

Limitaciones

Durante el desarrollo del proyecto, se presentaron limitaciones puntuales, que dificultaron el pleno desarrollo de la investigación, las cuales fueron reemplazadas por soluciones alternativas, que emulan las piezas que mostraron traspiés

La dificultad de encontrar piezas e integrados de uso especifico para acondicionar señales pequeñas y débiles como lo son las EEG

La adquisición de software especializado para el procesamiento de señales de forma eficaz.

Construcción de una gorra o mascara con electrodos que faciliten y mejoren la obtención de las señales EEG mediante el sistema 10-20.

PRESUPUESTO

Se presenta a continuación los costos que se presentaron durante el desarrollo del proyecto, unos fueron planeados, mientras que otros aparecieron frente a limitaciones anteriormente mencionadas. Cabe decir que algunos de los gastos fueron cubiertos por la Universidad de Magdalena, los gastos institucionales.

Recursos Humanos

La ingeniera Aura Polo Llanos, docente especializada en los temas relacionados con esta investigación; como lo son el procesamiento de señales y la electromedicina, estuvo a servicio de forma incondicional a los tesistas durante todo el proceso, estando siempre presta a nuestras dudas y dándonos asesorías para lograr un optimo resultados. El costo de sus servicios fue cubierto por su totalidad por la Universidad del Magdalena, los cuales tuvieron un valor de $.Los tesistas aspirante al título de Ingeniero Electrónico, Keiner Hernandez Guerra y Leonardo Mendez Sierra, autores de este proyecto investigativo se le atribuyen a su trabajo un costo de $.

Recursos Humanos ValorDirectora $Tesista 1 $Tesista 2 $

Total $

Recursos institucionales

Dentro de los recursos institucionales, se incluye todo aquello relacionado con el hardware e infraestructura que se van a necesitar para el desarrollo de este proyecto. Se hará uso de toda la infraestructura y logística que la Universidad del Magdalena tiene para el ejercicio de la investigación: Laboratorios, Salas de Cómputos, Software Licenciado, Biblioteca, etc.

RECURSOS VALORLabview $

computadores $Laboratorios y elementos de

laboratorios$

$

Recursos de Materiales

Se etienden como recursos de materiales, a los elementos utilizados para la creación del prototipo instrumental, excluyendo los que son mencionados en dentro de los recursos institucionales, estos costo fueron dados en su totalidad por los tesistas.

Materiales Cantidad Valor unitario Total Gorro con electrodos

ubicado según el sistema universal 10/20

$ $

INAN110 $ $$ $

Recursos Adicionales

Se detallan a continuación gastos adicionales cubieto por los integrantes del proyecto, y que son necesarios para lograr alcanzar el éxito en el proyecto.

Recurso ValorValor papeleríaValor internet

Valor transporteValor otros

Costo total del proyecto

En total se estima que el proyecto tendría el siguiente costo:

Recursos Humanos 2.500.000Recursos Institucionales 4.800.000

Recursos Adicionales 1.750.000TOTAL DEL PROYECTO 9.050.000

Estado de Desarrollo o Antecedentes

En miras de comprender y buscar respuestas sobre los muchos misterios que tiene el funcionamiento de cerebro por medio de las señales que este genera, se han desarrollado muchos trabajos donde la base fundamental es la extracción de señales EEG, se conoce que el EEG fue hecho en 1924 por Hans Berger [1], y desde entonces no han dejado de aparecer mejoras que muestran cada vez una mejores respuesta y más dudas al encontrar con cada avance un misterio nuevo que resolver.

A continuación un breve resumen de algunos de los trabajos más significativos de trabajos donde las señales EEG, son fundamentales para su funcionamiento y desarrollo. Se mencionaran investigaciones realizadas a nivel internacional, llegando hasta el ámbito nacional, mostrando una perspectiva de los avances realizados en el país.

En la tesis “Interfaz Cerebro – Computadora para el Control de un Cursor

Basada en Ondas Cerebrales” [2], se propone el desarrollo de una interface cerebro computador (BCI) para el control de un cursor por medio de las señales electroenccefalográficas (EEG) que se producen en las diferentes zonas del cerebro. El enfoque y desarrollo de esta investigación se basa en la extracción de características de señales relacionadas con evento (ERP) como lo es el potencial evocado P300; aquí lo que se plantea es identificar el movimiento imaginario que el usuario desea realizar con el puntero del ratón. La búsqueda de características se centra en 3 parámetros, uno en el dominio del tiempo (P300) y 2 en el dominio de la frecuencia (Beta y Mu).

Los análisis realizados para la búsqueda de características que se llevaron a cabo en este trabajo fueron Análisis de Fourier, Transformada Wavelet, Transformada Wigner-Ville, análisis de cambio de fase y análisis de amplitud.

El trabajo “Extracción y Selección de Características Discriminantes para laDetección de TDAH en Registros de Potenciales Evocados Cognitivos”

[3], está enfocado a la detección del trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH) con ayuda de registros de potenciales evocados cognitivos y en realizar un estudio comparativo de las diferentes técnicas existentes para la extracción de características de las señales EEG y observar cual es la que tiene un mejor comportamiento para así lograr una buena clasificación de las características que permitan evaluar la calidad de los atributos representativos de las señales relacionadas con eventos (ERPs), con el fin de definir patrones que conlleve a la identificación de sujetos sanos y enfermos.

También se propone en este trabajo la implementación de un algoritmo para la localización temporal del componente P300 basado en criterios médicos reales, y la definición de una medida de desempeño no supervisada que estima la distancia

relativa que separa los agrupamientos generados por un algoritmo de clustering.

La tesis “Diseño e implementación de un equipo para la adquisición y visualización en PC de señales electroencefalográficas” [4], se enfoco a la adquisición y la posterior visualización de las señales EEG, como parte introductoria de un sistema Neurofeedback, para un optimo diagnostico de desordenes sicológicos. Está conformado por la parte adquisición y acondicionamiento de potenciales de del cerebro, seguido de la etapa de interfaz para lograr una comunicación con el computador y desde esta se analiza la señal para su posterior visualización, todo basado en el lenguaje de programación grafica en el entorno de LabView. Se consiguió una señal EEG confiable, la cual es visualizada de forma adecuada por el modula de visualización.

El trabajo investigativo “Detección de crisis epilépticas a partir de señales EEG mediante el método de extracción de crestas” [5], muestra los resultados de una novedosa técnica donde se analiza en tiempo-frecuencia para la detección de crisis epilépticas. Tecnica con el nombre de ‘extraccion de cresta (Ridges method)’ aplicado a la distribución pseudo Wingner-Ville (PWV) es previamente utilizado para la extracción de cresta. Los registros de los episodios de la epilepsia son obtenidos por medio de las señales EEG. Se registran es focal de lóbulo temporal, obtenido por medio de electrodos superficiales ubicado en el cuero cabelludo. Donde como resultado se observo un tramo continuo que apareció durante la crisis, donde exceptuaron algunos pacientes. Con excelente resolución, resulta ser de gran utilidad reduciendo artefacto o términos cruzados.

En la tesis de magister “Desarrollo de una herramienta de arquitectura abierta para la visualización y análisis de señales EEG” [6] con el objetivo de crear una aplicación para visualizar las señales EEG en un estándar de comunicación con rutinas desarrolladas en el entorno de Matlab, con un sistema de lenguaje abierto, para permitir la incorporación de nuevas rutinas para el análisis con módulos independientes. Con una visualización topográfica que accede con video a los exámenes de EEG, donde logran acceder a los registro EEG de los electroencefalogramas comerciales.

El trabajo de grado de estudiantes de la Universidad Antonio Nariño “DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE EEG PORTATIL PEP8”[7] donde crean un dispositivo portátil para obtener de forma digital una lectura de un examen electro encefálico, y asi tener informacio para un análisis clínico más completo donde priorizan a los pacientes con epilepsia. Tiene tres etapas principales: unidad de adquisición, unidad de procesamiento y trasmisión y unidad de visualización y procesamiento de señales. El proceso que comienza con la extracción de la señal por medio de electrodos y un conector especifico, donde se realiza la interfaz con la unidad de procesamiento, donde las señal se amplifica,

digitaliza y es transferida a un computador convencional para si posterior visualización. Todo bajo el entorno programático de LabView.

[1] Breve historia de la electroencefalografía, Leonardo Palacios: Jefe de Educación Médica, Profesor Asociado de Neurología, Facultad de Medicina Universidad del Rosario. Jefe de servicio de Neurología, Clínica Reina Sofía. Bogotá.

[2] Interfaz Cerebro – Computadora para el Control de un Cursor Basada en Ondas Cerebrales. Job Ramón de la O Chávez.

[3]Extracción y Selección de Características Discriminantes para la Detección de TDAH en Registros de Potenciales Evocados Cognitivos. Paola Alexandra Castro Cabrera.

[4] Diseño e implementación de un equipo para la adquisición y visualización en pc de señales electroencefalograficas. Gisella Borja, Tatiana Ortega y Alejandro Romero. Ingeniería Electrónica y telecomunicaciones. Universidad Autónoma del Caribe. 2010.

[5] Detección de crisis epilépticas a partir de señales EEG mediante el método de extracción de crestas. Carlos Guerrero Mosquera, Armando Malanda Trigueros y Jorge Iriarte Franco. Universidad De Pamplona Colombia. Universidad Pública de Navarra. Campus de Arrosadía s/n. 31006 Pamplona.

[6] DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA DE ARQUITECTURA ABIERTA PARA LA VISUALIZACION Y ANALISIS DE SEÑALES EEG. Ramiro Arango, John Jairo Naranjo. Universidad Tecnológica de Pereira. Maestrías en Instrumentación Física. 2010.

[7] DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE EEG PORTATIL PEP8. Z Huertas, E Mardones, P Niño. Memorias II. Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana Cuba.