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jueves, 8 de julio de 2010

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MONITOREO PARA SEÑALES NERVIOSAS A PARTIR DE ELECTRODOS ACTIVOS

Luis Ernesto Casallas Bello, lc_estud@hotmail.com ; Cristian David Dallos Bustos, crisdavidud@hotmail.com

Talentos TecnoParque nodo Bogotá - Cundinamarca, Colombia

Resumen - El sistema de monitoreo de las señales nerviosas se compone de los electrodos activos de registro, mediante los cuales se hace la captura para la entrada del amplificador de instrumentación, posterior a ello se pasa por un filtro análogo para luego ser entregada a una unidad de procesamiento digital (tarjeta de sonido), en la cual la señal se digitaliza, posterior a esto, la señal es entregada a la interfaz grafica de usuario donde los datos son filtrados y visualizados para su respectivo análisis.

Palabras Clave — Electroencephalography, actives Electrodes, Instrument amplifiers

ABSTRACT

The monitoring system of nervous signals is composed of the active recording electrode, which has made the catch for the instrumentation amplifier's input, after it is passed through an analog filter before being delivered to a processing unit digital (sound card), in which the signal is digitized, after this, the signal is delivered to the graphical user interface where data is filtered and displayed to their analysis.

I. INTRODUCCIÓN

El siguiente artículo presenta la justificación de las diferentes decisiones tomadas para la práctica y desarrollo de la toma de un EEG (Electroencefalograma) con digitalización de las señales por medio de la tarjeta de sonido del ordenador y el tratamiento y visualización en MATLAB®.

II. MARCO TEÓRICO

El cerebro actúa como unidad de control central y de proceso de datos del ser vivo. Para medir la actividad neuronal del cerebro, se hace uso de los potenciales de acción generados como subproductos de las reacciones químicas producidos por las neuronas, usando como transductor de estas los electrodos. [1]

Actividad Eléctrica cerebral:

El encéfalo, contenido en el cráneo, es la parte más voluminosa del sistema nervioso central, que continua en la medula espinal, contenida en la columna vertebral, y en los nervios sensitivos y motores que llevan respectivamente información sensorial al encéfalo y el control muscular del esqueleto. La electrogénesis cerebral es una de las funciones básicas del tejido nervioso, cuya función es generar potenciales eléctricos, que son la base de la excitabilidad del organismo. Para comprender la forma en que se generan estos potenciales es preciso un conocimiento de la estructura y las conexiones de aquellas partes del cerebro que los originan. En rigor, todo el sistema nervioso posee capacidad electrogénica. Sin embargo, para los propósitos de la electroencefalografía bastará con considerar la corteza cerebral y las regiones directamente relacionadas con ella.

Luego de conocer como se generan los potenciales que se miden en el EEG, encontramos que en la medicina se han desarrollado diferentes técnicas para la medición de los mismos. Las dos grandes categorías que encontramos son: Sistema Bipolar y el Sistema de referencia Común.

La diferencia fundamental entre estos dos sistemas consiste en que el primero registra la diferencia de potencial entre dos electrodos ubicados sobre el cuero cabelludo, mientras que el segundo registra la diferencia entre un electrodo ubicado en el cuero cabelludo y otro ubicado en una región considerada “inactiva” en lo que respecta a potenciales cerebrales.

Los montajes también han sido clasificados por la Federación Internacional de EEG y Neurofisiología en Longitudinales y Transversales.

En los Montajes Longitudinales se registra la actividad de pares de electrodos dispuestos en sentido antero-posterior de cada mitad del cráneo. En los Montajes Transversales se realizan registros de pares de electrodos dispuestos transversalmente según los planos sagitales anterior, medio o posterior (ver Figura 2).

Fig. 1 Sistemas de ubicación transversal y longitudinal

Las ondas capturadas por el EGG poseen amplitudes que van desde los 10 mV en registros sobre el córtex, a 100 mV en la superficie del cuero cabelludo. Las frecuencias de estas ondas se mueven entre 0,5 y 100 Hz y dependen mucho del grado de actividad del córtex cerebral. La mayoría de las veces estas ondas no poseen ninguna forma determinada, en algunas son ritmos normales que suelen clasificarse en ritmos a, b, q y d (ver figura 1.1). En otras poseen características muy especificas de patologías cerebrales como la epilepsia (ver figura 1.2).

Fig. 1.1 Ondas corticales


Fig. 1.2 apertura y cierre de los ojos

Las ondas Alpha poseen frecuencias entre 8 y 13 Hz. Se registran en sujetos normales despiertos, sin ninguna actividad y con los ojos cerrados, localizándose sobre todo en la zona occipital; su amplitud está comprendida entre 20 y 200 microV.

Las ondas Beta poseen frecuencias entre 14 y 30 Hz, aunque pueden llegar hasta los 50 Hz; se registran fundamentalmente en las regiones parietal y frontal. Se dividen en dos tipos fundamentales, de comportamiento muy distinto, Beta1 y Beta2.

Las ondas Beta1, tienen una frecuencia doble a las ondas Beta2 y se comportan de forma parecida a ellas. Las ondas Beta2, aparecen cuando se activa intensamente el SNC o cuando el sujeto está bajo tensión.

Las ondas Theta poseen frecuencias entre 4 y 7 Hz y se presentan en la infancia aunque también pueden presentarlas los adultos en períodos de stress emocional y frustración. Se localizan en las zonas parietal y temporal.

Las ondas Delta poseen frecuencias inferiores a 3,5 Hz y se presentan durante el sueño profundo, en la infancia y en enfermedades orgánicas cerebrales graves.

III. METODOLOGÍA

Para registrar los biopotenciales eléctricos, se implemento el método bipolar y para la ubicación de los electrodos se utilizo como referencia el sistema 10-20. Para el registro de las señales fue necesario hacer uso de un elemento que hiciese de interfase entre el cuerpo y el equipo de medida, un elemento que hiciese una transducción de la corriente de naturaleza iónica generada por el cuerpo a una señal eléctrica, este elemento fue el electrodo. Para el acople entre el electrodo y la piel se hizo uso de un gel conductor que facilita la conducción del biopotencial.

En la segunda etapa se encuentra la tarjeta de amplificación y filtrado análogo; esta etapa se divide en general en 4 fases, que son: acople de impedancias, amplificación, offset null, filtrado.

La tercera parte del sistema corresponde a la tarjeta de audio del computador. La tarjeta permite hacer la conversión análogo digital para el posterior tratamiento de la señal.

En la parte de tratamiento digital y visualización de la señal, se construye en MATLAB® la interfaz gráfica de usuario, en donde se puede discriminar los diferentes tipos de señales nerviosas (ECG y EEG).

Como aislamiento de paciente se implemento la tierra flotante, pero el óptimo seria con amplificadores de aislamiento como lo son el ISO101 e ISO102. Estos amplificadores se encuentran aislados en su parte interna de manera óptica. No se implementaron debido a costos y que no se consiguen en el mercado nacional.

A. Registro Biopotenciales:
En esta primera etapa, se usa el electrodo con disco en oro y cable blindado. El disco en oro permite un excelente flujo de corriente gracias a ser el mejor material conductor descubierto hasta el momento. El cable blindado, es un apantallamiento que evita que la señal eléctrica se contamine por el ruido existente en el ambiente.

Figura 2. Electrodos

B. Acople De Impedancias:
La señal proveniente de los electrodos entra al canal de amplificación através de un seguidor que permite hacer el ajuste de impedancias entre ambas etapas. El seguidor se implemento con el operacional lf353 y corresponde al siguiente esquema:

Figura 3. Esquema de seguidor para acople de impedancias

Y filtro pasa altos para eliminar nivel DC.

En la salida del circuito se encuentra un filtro pasa altos de 0.5 Hz para eliminar el offset producido en la captura de la señal o el desbalance de la tierra flotante.

C. Amplificador De Instrumentación:
El esquema de la parte del amplificador de instrumentación consta de dos partes de suma importancia para la captura de la señal.

La primera etapa es la parte de amplificación; en esta, con ayuda de la ecuación entregada por el datasheet y calibraciones hechas en laboratorios, se calcula la respectiva resistencia de ganancia. En la ecuación 1 se describe la ecuación de ganancia del amplificador de instrumentación AD620 (Analog Device®):

Ecuación 1

La segunda parte es la etapa del Offset compensation. El Offset compensation permite que el amplificador de instrumentación mueva su referencia de acuerdo al Offset producido en la amplificación, y permitir con esto que la señal se mantenga en un ideal sin nivel DC. El siguiente es el esquema de esta etapa:

Figura 4. Esquema del amplificador de instrumentación y el circuito del Offset compensation.


D. Tierra Flotante:
La etapa de la tierra flotante es basada en el esquema entregado por el datasheet del amplificador de instrumentación AD620; la importancia de esta tierra esta en que es la que permite cerrar el circuito; es la que nos da el nivel de referencia para la obtención y manipulación de la señal. La tierra flotante permite que el paciente se encuentre aislado, ya que el camino no se cierra de manera directa sobre la masa del circuito eléctrico. El siguiente es el circuito que describe la tierra flotante implementada:

Figura 5. Esquema implementado para obtener la tierra flotante.

E. Amplificación:
Luego de que la señal sale del amplificador de instrumentación, es necesario aplicar a esta una segunda amplificación. Para esto se implementa un lf353 en configuración de amplificador; para evitar niveles DC proveniente de la anterior etapa se implementa nuevamente el filtro pasa altos de 0.5 Hz, y para hacer el acople entre las dos etapas se hace uso de un seguidor. El siguiente es el esquema del circuito:

Figura 6. Filtro Pasa Altos, Seguidor, y circuito de amplificación.

F. Filtro Chebyshev Pasa bajos de 0.1 dB:

En esta etapa se implemento un filtro Chebyshev de orden 4 de 0.1 dB de rizo, con una caída mínima de 70 dB. El filtro esta diseñado para una frecuencia de corte de 30 Hz. La siguiente son las ecuaciones utilizadas para el diseño del filtro:

R1 = 1/ 4*PI()*fc*Alfa1*C
Ecuación 2.

R2 = Alfa1/ PI()*fc*C*(Beta1^2+Alfa1^2)
Ecuación 3.

R1 = 1/ 4*PI()*fc*Alfa2*C
Ecuación 3.

R2 = Alfa2/ PI()*fc*C*(Beta2^2+Alfa2^2)
Ecuación 4.

As = fs/fc
Ecuación 5.

El factor de paso As, se calcula utilizando la ecuación 5, donde fs es la frecuencia de rechazo de banda, y fc la de corte.

Las constantes de Alfa y Beta se obtienen de la tabla de filtros normalizados de Chebyshev. La siguiente tabla contiene los valores obtenidos para la implementación del circuito:

Tabla 1. Cálculos de los valores requeridos para la implementación del filtro

El valor del condensador es escogido de manera arbitraria.

Las siguientes figuras muestran el circuito y su respectiva respuesta en la frecuencia:

Figura 7. Filtro Chebyshev.

Figura 8.Respuesta en la frecuencia Filtro Chebyshev con frecuencia de corte 30Hz.

G. Tarjeta de sonido:
Para la parte de digitalización de la señal análoga se usó la tarjeta de sonido del computador.

La tarjeta de sonido del computador se implemento gracias a sus prestaciones (superior a un microcontrolador de 8 bits). La primera es la conversión análogo digital que utiliza 16 bits, permitiendo una excelente resolución. La tasa de muestreo que se ofrece es de 44100. La siguiente grafica es la representación del diagrama de bloques de la tarjeta de sonido:

Figura 9. Diagrama de Bloque de la tarjeta de audio.

H. Interfaz Grafica:
La interfaz grafica de usuario de diseño e implementó en MATLAB®. Se realiza el respectivo tratamiento de la señal, aplicando diferentes tipos filtros Chebychev digitales para obtener la señal deseada. En el software se puede visualizar la señal análoga capturada, la señal digitalizada y tratada, y su respectivo espectro de Fourier.


Figura 10. Interfaz grafica de usuario. Se visualizan señales EEG.

Figura 11. Interfaz grafica de usuario. Se visualizan señales cardiacas.

En el software se encuentra un panel de control donde el usuario puede escoger los diferentes tipos de señales nerviosas que puede visualiza en el sistema. Para el caso de este proyecto se pueden visualiza las señales cardiacas y electrocelebrales.

IV. RESULTADOS

Se logró implementar un sistema de monitoreo de señales nerviosas de un canal, utilizando como sistema de registro el método bipolar y como referencia el sistema 10-20 en la ubicación de los electrodos.

Se Diseñó una interfaz gráfica de usuario donde se pueden visualizar los diferentes tipos de señales cerebrales (Beta, Alfa, Theta, Delta) y señales cardiacas.

Se puede también apreciar el espectro de Fourier de la señal registrada.

V. ESTÁNDARES Y NORMAS RESPECTIVAS

Dentro de las normas consideradas en el diseño e implementación del proyecto se incluyeron:

Normas de grado de protección o encerramiento de los sensores NEMA IEC529 (DIN 40 050)
IEC 601-1 norma como Norma Nacional, para las descargas eléctricas en los equipos hospitalarios.


CONTACTO

Luis Ernesto Casallas Bello, Culminó el plan de estudios y es aspirante a tecnólogo en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas, sus temas de interés son los sistemas de comunicación, la programación en lenguaje C, VHDL, ha desempañado como monitor de laboratorio y ha recibido matricula de honor en V semestre.

Cristian David Dallos Bustos, Culminó el plan de estudios y es aspirante a tecnólogo en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas, sus temas de interés son los sistemas de comunicación, la programación en lenguaje C, Java, VHDL, y la robótica. Ha recibido matricula de honor en V semestre.

1 comentario:

  1. Hola, me gustaria saber mas acerca de la fabricacion de este dispositivo, pero me quedan unas dudas, como conecto las etapas?? en que tipo de ventas puedo conseguir los electrodos?? tienes imagenes o algun video??

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