Generación de estímulos para potenciales evocados y sistema de adquisición, acondicionamiento y visualización de señales

EEG

Andrés Felipe Leñ a Guaiy Ronald Hernán Narváez TrujiUo"

Resumen

El cerebro humano, es el órgano más complejo y fascinante que existe en el universo, con mas de 30 billones de neuronas las cuales son como computadoresen miniatura, pero mucho más perfecto que cualquier PC construido hasta hoy, tienen cerca de 100 billones de conexiones entre ellas con Idéntica capacidad en bits, esto es mucho más que el número de estrellas que se estima hay en la Via Láctea. Además, es el encargado de controlar todo el funcionamiento del cuerpo humano, desde el rápido movimiento de la mano de un planista que interpreta una melodía, la realización de un complejo calculo matemático, la integración del estimulo visual en tres dimensiones, hasta ser capa2 de reflexionar sobre si mismo y todo lo que lo rodea, no quedando duda que su desarrollo en el ser humano, ha permitido que este se separe de los demás seres vivos, domine la tierra y cambie el curso de la evolución.

Debidoa la importancia del cerebro, allimltado conocimiento que se tiene sobre su funcionamiento y a la fascinación quecausa, elgrupodeinvestlgación Tratamiento de Señalesy Telecomunicaciones - GTST- del programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad Surcolomblana, generó la rama de potenciales evocados asociados a Electroencefalogramas - EEG-, que planteó construir un sistema de adquisición, acondicionamiento y visualización de señales EEG, con su respectivo generador de estímulos para potenciales evocados (electroencefalógrafo de 8 canales); con la ₌ finalidad de investigar y procesar dichas señales aprovechando que el EEG, es uno de los pocos *o dispositivos que permite evaluar la función del sistema nervioso central, registrando la actividad eléctrica cerebral espontánea (expresión de la actividad de grupos neuronales que trabajan de _u forma conjunta) de una manera no cruenta y a bajo costo. A diferencia, las modernas técnicas de OC neuroimágenes, como la tomograia y resonancia, son métodos estructurales, que permiten ver la <£j lesión, pero no informan acerca del proceso patoflsiológico que se sucede en la misma, como si ™ lo tace el EEG.    e_

Palabras claves; EEG, Instrumentación biomédica, biopotenciales, hlperpolarlzaclón, ® patoflsiológico, neuroflsidogia.    o

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Universidad Surwbmbiana Facultad de Ingenieríi

Mimas rfe EEG

Al realizar un EEG en un ser humano, se pueden observar diferentes señales sobre la superficie craneal, las cuales van desde 0.1 Hz hasta los 100 Hz, con amplitudes desde IOjjV a 100pV.

Táblá 1, Ritmos EEG más importantes.

Potenciales evocados (PE)

Los PE, son señales eléctricas cerebrales de baja amplitud (0.5-2uV) que se producen como respuesta a un estimulosensorlal se encuentran Inmersos en las señales de EEG las cuales deben ser procesadas para su obtención.

Tabla 2. Potenciales evocados exógenos más conocidos

Figura 2, Examen de EEG

Hardware del sistema

Para eldesarrollodel hardware, setuvoen cuenta las principales características de las señales de EEG, como son su amplitud y ancho de banda, las cuales fueron claves para la determinación de las ganancias de los amplificadores y la construcción de los filtros que eliminaron los diferentes ruidos.

Se realizó una primera amplificación en donde se buscó dar la mayor ganancia a dichas señales, evitando saturar el amplificador por la inherente amplificación del ruido, el cual tiene una amplitud mucho mayor que la señal bioeléctrica. Para elb, se empleóel amplificador de instrumentación INA128, especial para este tipo de aplicación. Teniendo en cuenta el parámetro anterior, se determinó que la ganancia idónea seria aproximadamente 100.

G=]₊—=>(M+—=>G:=L+1W=1Q1 RG Am

Posteriormente se implemento la referencia activa, garantizando la estabilidad en continua de la etapa de entrada del amplificador de instrumentación, permitiendo reducir la señal de modo común a la que está sometido el paciente y con esto se logra capturar la señal de EEG mucho mis limpia. Todo ello además sin disminuir la seguridad del paciente.

Para incrementar la protección del paciente se utilizó el amplificador de aislamiento AD210. Pues este ofrece un aislamiento galvanico de tres puertos (entrada, salida y fuente de poder), hasta con 250Wrms y i35QWp de airamiento de voltaje en modo común entre la entrada y la salida. Todo esto al mejor precio del mercado.

Figura 4. Rito Wlz PROV3.2.

j ingBnieria&Región 5» C³⁷Z)

Para mejorar la calidad de la serial, se programaron una serie de filtros digitales de topología Bessel y de la familia de filtros IIR. Primero se aplica un filtro Notch a 60 Hz, luego actúa sobre la serial un filtro pasa alto y por último se aplica un filtro pasa bajo. Las frecuencias de corte de dichos filtros, se pueden variar en uno de los apartes del software.

El sistema además, permite llevar un completo registrode los pacientes y de todos los exámenes realizados. Desde fotograta, datos personales, horade realización, medico, operarlo, estímulos y tiempo de aplicación etc.

Figura 7, Ventana "datas dd paciente"

Las seriales de EEG, son muestreadas a 2 KHz, lo cual asegura un muestreo óptimo que garantiza un procesamiento fidedigno para esta adquisición, ya que la máxima frecuencia delrtetésestk 100 Hz.

En cuanto a la visuali2adón, se desarrolló una ventana que permite además de ver las seriales capturadas, maximlzarlas, minimizarlas, almacenarlas, aplicar los filtros, los estímulos, efe.

El examen, se guarda en la ruta establecida en la opción configuración, como archivo binario nombrado de la siguiente manera: numero.de_ identiflcadón_fecha_ del_ examen_ hor a_ del_ examen. Cada 500 mSeg, se envían los datos al disco duro y paralelamente se completa el archivo binario que contiene la información del examen. Esta Información se guarda sin aplicar los filtros digitales (serial pura) para que el médico pueda observar el examen empleando cada una de las frecuencias de corte de los filtros. Igualmente se genera un archivo XML, el cual contiene información de bs canales seleccionados, montajes, estímulos y eventos que se listaron en la tabla. El anterior archivo leva como nombre: numero de identificación _ fecha del examen _hora del examen.eeg y se almacena en la misma ruta.

Rpra 8. Ventana de visualizarán

Sistema generador de estímulos

Para esta fase, se implemento un sistema encargado de producir estímulos visuales y auditivos solamente, debido a que dichos potenciales evocados están claramente definidos, tienen desarrollada una metodología y se garantiza su obtención en condiciones dfalcas.

Se decidió aplicar un estimulo a todo el campo visual del tipo on-off, para ello se desarrollaron dos dispositivos: una luz estroboscoplca y unas gafas, donde su frecuencia y tiempos de activación estarían controlados por el software.

En cuanto a los estímulos auditivos, se pueden generartonosde frecuencia, volumen yduradón ajustable; y dicks (serial cuadrada bipolar de frecuencia 10Hz con ddo de trabajo de 50%) de duración ajustable.

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VISUALES AUDITIVOS EVENTOS

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Figura 9. Ventana de aplicación de estímulos.

•    El electroencefalógrafo presentado cumple con los requisitos técnicos mínimos exigidos para equipos de esta clase, con lo cual se puede garantizar la conflabiltdad en los resultados obtenidos en los electroencefalogramas, la completa seguridad del paciente y del operarlo.

•    Los costos de fabricación del dispositivo resultan bajos, comparados con equipos de esta dase. Permitiendo ahorrar una gran cantidad de dinero al grupo de investigación.

•    Lautill2acióndelaDAQNIUSB-6009como medio de comunicación entre el hardware y el software permite un intercambio de datos bastante tápido y seguro (no tiene problemas de ruido).

•    El hardware del equipo, se diseñó de forma modular, permitiendo el fcctl reemplazo o reparación de sus canales de adquisición, sin necesidad de sacar el dispositivo de operación por el daño de alguno de ellos.

•    El componente de software implementado en el electroencefalógrafo, permite que se realicen modificaciones en el equipo (por ejemplo, se pueden variar las frecuencias de corte de los filtros) sin tener que modificar el hardware si se toma en cuenta que permite realizar los electroencefalogramas, presentar resultados detallados de los mismos y a la vez llevar un historial de los pacientes y sus respectivos exámenes.

•    El software de National Instruments, LabVIEW 8 0, es una muy buena opción a la hora de desarrollar este tipo de aplicaciones. Pues es poderoso, flexible y especializado en tareas de adquisición y procesamiento de señales.

•    Los filtros digitales, no se deben aplicar en cada periodo de muestreo de la señal, ya que los coeficientes de dichos filtros se reinician para cada muestra, observándose periódicamente el efecto de estabilización de los filtros sobre la señal de EEG.

•    Visualización de los principales ritmos y grafoelemtos de un electroencefalograma normal y fueron comparados con los expuestos por el doctor José Tejetro Martínez en su obra. Obteniendo resultados positivos, validando el buen funcionamiento del dispositivo desarrollado “EEG Explorer IjQT

Bibliografía

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