transduccion de señales en el eeg

UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

Facultad de Ingeniería

Transducción y proceso de señales en el Electroencefalograma

Nombre del alumno: Carrera:

Bárbara González Arce Ingeniería de Ejecución Biomédica

Jornada: Docente:

Vespertina Eyleen Spencer

Fecha de entrega: Nota:

01 de Junio del 2011

Transducción y procesamiento de señales en el Electroencefalograma.

Índice.

- Introducción………………………………………………………………….…….pág. 3

- Reseña histórica………………………………………………………………....pág. 4 - 5

- Anatomía del encéfalo…………………………………………………………pág. 6 - 7

- Electrogenesis cerebral………………………………………………………..pág. 8

- Electrogenesis cortical...........................................................pág. 9

- Captación en una electroencefalografía……………………………….pág. 9 - 12

- Captación de la señal y procesamiento…………………………….….pág. 12 - 16

- Conclusión…………………………………………………………………………...pág. 17

- Bibliografía.........................................................................….pág. 18-

Mediciones Biomédicas 2011


Introducción.

La electroencefalografía es un examen en el cual se registra la actividad eléctrica neuronal del encéfalo. El registro de esta actividad varía mucho dependiendo de la localización de los electrodos durante el examen, como del individuo al cual se le realiza, debido al gran numero de interconexiones que presentan las neuronas y por la estructura no uniforme del encéfalo.



Reseña histórica.

Durante una guerra, se exploro el cerebro humano por primera vez. En 1870, durante la guerra franco-prusiana, los médicos militares Fritsch y Hitzig, del ejército prusiano, observaron que al estimular con corriente galvánica determinadas áreas descubiertas del cerebro, se producían movimientos en el lado opuesto del cuerpo. Dichas pruebas las realizaban en las bajas que quedaban tras las batallas. Más tarde, R. Caton confirmo que el cerebro es capaz de producir corrientes eléctricas. Ferrer, siguiendo la misma idea, experimento con la corriente farádica, por lo cual hacia finales de siglo se tenían pruebas de que el cerebro de los animales poseía propiedades eléctricas parecidas a las del nervio y del musculo.En 1913, Prawdwicz-Neminski registro el llamado “electrocerebrograma” en un perro, siendo un pionero en intentar clasificar estos registros. Sin embargo todos estos experimentos se realizaban en cerebros descubiertos, debido a que los cambios eléctricos eran muy pequeños y, sin un método de amplificación adecuada, era imposible captar estas señales en el exterior del cráneo.Finalmente, fue en 1928 cuando Hans Berger ideó un método para investigar la actividad eléctrica cerebral, descubriendo lo que se conoció como “ritmo de Berger” que, debido a la falta de conocimientos técnicos, años después se reconoció su importancia. Mientras que, en 1929, las posibilidades de una electroencefalografía se discutían en una reunión en el Laboratorio central de Patología del Hospital Maudsley de Londres, en ese tiempo aun no se tomaba en serio el estudio del cerebro ni los descubrimientos de Berger. En 1934 en una demostración pública ante la Sociedad de Fisiología, en Cambridge, Adrian y Mathews verificaron por primera vez el “ritmo de Berger”. Posteriormente el mismo Berger, utilizando las mejoras efectuadas por Adrian, siguió avanzando, observando por ejemplo que cuando el sujeto abría los ojos o resolvía problemas mentalmente se alteraba el ritmo amplio y regular. Dicha observación fue verificada posteriormente por Adrian y Mathews, quienes tenían más conocimiento científico y mejor técnica. Años más tarde se aprecio la importancia de tal descubrimiento, tanto que la electropatología del cerebro creció en importancia, y el estudio de enfermedades como la epilepsia y otras mentales, dejaron a la luz la complejidad del tema, siendo necesario el estudio del cerebro como un órgano total. Es gracias a este paso y mediante evaluaciones sucesivas, que se han llegado a conocer otros aspectos de la EEG tal como se conoce hoy en día.Del estudio realizado por Berger, se extrajeron numerosas conclusiones, como estas:

- Describió las ondas alfa y beta, generadas por el córtex cerebral de los sujetos sanos- Comprobó cómo las ondas alfa desaparecían con la apertura palpebral dando paso a las

ondas beta, y cómo este fenómeno se reproducía en respuesta a otros estímulos sensoriales. Así, concluyó que el ritmo alfa era la actividad fundamental del córtex cerebral.

- Describió las particularidades del EEG de los recién nacidos y de los ancianos.- Describió el EEG isoeléctrico “cuando toda actividad cerebral ha finalmente cesado”.- Describió los efectos de los narcóticos sobre el EEG.- Comprobó los cambios en el EEG en pacientes con hemorragias cerebrales, tumores,

contusiones.



- Describió los ritmos interictales, con su característica depresión del trazado, de pacientes con epilepsia del lóbulo temporal y también la respuesta a la hiperventilación, si bien nunca fue capaz de registrar una crisis de gran mal.

- Registró la actividad cerebral durante una crisis de ausencias (punta-onda a tres ciclos por segundo).

Dr. Hans Berger



Anatomía del encéfalo.

El encéfalo, que está contenido en el cráneo, es la parte más voluminosa del Sistema Nervioso Central, y se divide en: tallo cerebral, cerebelo y cerebro.

EL tallo cerebral controla los ritmos cardiaco y respiratorio, y es el centro de varios reflejos motores.El cerebelo coordina los movimientos voluntarios, mantiene el equilibrio y filtra de algún modo lo que serían los movimientos musculares “espasmódicos”.

El cerebro es la parte más evolucionada del encéfalo y en él se encuentran las funciones conscientes del Sistema Nervioso, posee dos hemisferios relacionadas con las partes opuestas del cuerpo. Cada uno de ellos tiene una superficie externa llamada córtex por donde se recibe la información sensorial, mientras las capas más profundas están formadas por axones y núcleos de células.

La corteza cerebral, situada en la periferia del cerebro, contiene unos 9 de los 12 billones de neuronas existentes en el cerebro humano. Esta capa que contiene fisuras y surcos, divide la corteza cerebral en lóbulos, como se muestra en el siguiente esquema.



Para describir la distribución de las funciones sensitivas y motoras en los diferentes lóbulos, en el siguiente esquema se grafican el homúnculo sensor y el homúnculo motor.



Electrogénesis cerebral.

Para efectos del EEG, se consideran solo la corteza cerebral y las regiones relacionadas directamente con ella.

La corteza cerebral está formada por seis capas celulares diferentes:1) Capa superficial plexiforme de pequeñas células.2) Capa externa de células granulares.3) Capa de células piramidales.4) Capa interna de células granulares.5) Capa de grandes células piramidales6) Capa profunda polimorfa.

Las células de las capas 3) y 5) son efectoras, y las de las capas 2) y 4) son receptoras.



Electrogénesis cortical.

Si se aislara un trozo del tejido cortical, este presentaría actividad eléctrica espontanea, caracterizada por salvas de ondas lentas y sobre estas ritmos rápidos. Entre estas aparecen periodos de silencio eléctrico. Estas señales son consecuencia de la actividad sináptica en el tejido: los PPSE (potenciales postsinapticos excitadores) y los PPSI (potenciales postsinapticos inhibidores) se suman entre si y dan origen a potenciales lentos que son las ondas que se registran.A raíz de esto se ponen en manifiesto tres generadores corticales:Generador A: se sitúa a unas 500 micras de la superficie cortical y su actividad produce ondas negativas en la superficie de la corteza. No se relaciona con el potencial de acción de las células.Generador B: se sitúa a 900 micras de profundidad y produce las ondas positivas en la superficie cortical. Su actividad coincide con el potencial de acción de las células.Generador C: se sitúa a 900 micras de profundidad, pero su actividad determina las ondas negativas en la superficie cortical. Su actividad coincide con la interrupción de la descarga de potencial de acción de las células piramidales.Resumiendo, una tensión positiva en la superficie produce despolarización en las capas más profundas de la corteza. Y una tensión negativa puede resultad de una despolarización superficial, o de una hiperpolarización profunda.

Captación en una electroencefalografía.

Esta se puede captar a través de diversos procedimientos:

a) Sobre el cuero cabelludob) En la base del cráneoc) En el cerebro expuestod) En localizaciones cerebrales profundas

Para ello se utilizan diferentes tipos de electrodos:1) Superficiales: se subdividen en:- Adheridos: pequeños discos metálicos de 5mm de diámetro. Se adhieren con pasta

conductora y se fijan con colodión como aislante. Dan resistencias de contacto muy bajas (1 – 2 kOhm).

- De contacto: pequeños tubos de plata clorurada enroscados a soportes de plástico. Se colocan en contacto con almohadillas humedecidas con solución conductora, se sujetan al cráneo con bandas elásticas y se conectan con pinzas de “cocodrilo”. Por ser estas muy incomodas para el paciente, no permiten registros de larga duración.



Electrodos de plata Pasta conductora

- En casco de malla: estos existen de diferentes tamaños, dependiendo de la talla del paciente. Se sujetan con cintas a una banda torácica. Al ser más cómodos para su colocación, permiten un registro de larga duración, pero precisa una técnica más depurada.


http://www.ferato.com/wiki/index.php/Imagen:20080811_mgb_Electroencefalograma_.jpg


- De aguja: solo se emplean en las UCIs y en recién nacidos. Pueden ser de un solo uso o de uso múltiple; en este último caso, su esterilización y manipulación se debe hacer con cuidado.

2) Quirúrgicos: se utilizan durante la cirugía y son manipulados exclusivamente por el neurocirujano. Pueden ser subdurales, corticales o intracerebrales.

Según la forma de captación, el registro de la actividad cerebral recibe nombres distintos:- Electroencefalograma (EEG): con electrodos de superficie o basales.- Electrocorticograma (ECoG): con electrodos quirúrgicos en la superficie de la corteza.- Estéreo Electroencefalograma (E-EEG): con electrodos quirúrgicos de aplicación profunda.



Sistemas de posicionamiento de los electrodos superficiales.

Aunque existen varios, es el “diez-veinte” el mas utilizado actualmente. Para ello se procede de tal manera como muestra el esquema.

Sistema de colocación de electrodos según versión europea.A. Vista de perfil. B. Vista superior.

Captación de la señal y procesamiento.

La propagación de la sinapsis a través de las neuronas, provocan corrientes eléctricas iónicas en el medio extracelular. Son estas corrientes las que son captadas por los electrodos en el EEG. Los electrodos se ubican sobre el cuero cabelludo como se mostró en el esquema anterior. Cada electrodo es un punto de registro, sin embargo, para que este registro se realice debe disponer de dos terminales, por lo que se debe seleccionar los electrodos que serán la fuente de señal registrada en el EEG, y ello dependerá de la cantidad de canales disponibles y del propósito del registro, por lo que la primera decisión será seleccionar entre registros monopolares y registros bipolares.En el registro monopolar se toma la señal de cada electrodo independiente mente de los demás. Este electrodo debe estar situado a potencial cero, por lo que es ubicado preferentemente en el lóbulo de la oreja, en el mentón o en el mastoides.En el registro bipolar se toman parejas de electrodos, y se registran las diferencias de tensión entre cada par de puntos. Sin embargo, debido al número enorme de combinaciones posibles el examen no rendiría información interesante, por lo que es más efectivo, realizar combinaciones o montajes.



Los montajes clasificados por la Federación Internacional de EEG y Neurofisiología son los Longitudinales y los Transversales. Su disposición se muestra en el esquema siguiente:

Esquema de un montaje A. longitudinal bipolar, B. transversal bipolar. Cada segmento situado entre dos puntos representa un canal de registro.

Procesado de la señal.

Las señales del EEG sin procesar son de una magnitud muy pequeña, y son contaminadas por ruido e interferencias. Por ello deben pasar por varias etapas para ser limpiadas.Los bioamplificadores aumentan la amplitud de las ondas eléctricas cerebrales, ya que estas van en el orden de 10uV a 100uV y que son captadas por 4 electrodos ubicados en diferentes zonas de la corteza cerebral: frontal, central y occipital.La señal pasa por un filtro pasabajo de tercer orden en cada canal. El rango de información de la señal tiene una frecuencia de 1 a 25 Hertzios, por lo que los primeros filtros tendrán ese ancho, lo que permite eliminar cualquier interferencia de la red eléctrica que supere los 50 Hertzios.

Amplificador Diferencial.



Después se aplica un algoritmo para eliminar de la señal los ruidos no deseados provocados por movimientos del paciente, como el parpadear, el movimiento de los ojos, el tragar, y el movimiento de las extremidades.Para eliminar el ruido provocado por elementos externos al paciente, como el provocado por maquinas, trafico, vibraciones, etc. se emplea un filtro espacial Laplaciano, que detecta las diferencias entre los canales individuales por encima de eventos mayores.El filtro espacial Laplaciano aplica una operación que le resta a la señal de cada electrodo la media de la señal de sus vecinos más próximos.Es frecuente que uno o más electrodos produzcan una salida errónea, ya sea por el mal contacto del electrodo con el cuero cabelludo del paciente, a pesar del gel que se utiliza para el examen. Para eliminar esto se utiliza un algoritmo de limitación que elimina aquellos canales que producen señales erróneas para que estas no sean procesadas.Algunas veces se suelen ocupar hasta 16 canales en el EEG. Sin embargo, cabe señalar que mientras más sensores se utilicen, el procesado de la señal tardará más tiempo.

Extracción de características.

Aquí se crea una representación más manejable y significativa de la señal original del EEG. Además se comprimen los datos sin pérdida de información relevante.Un método de extracción de características es el de “banda de potencial espectral”, en el que cada canal es aplicado a un banco de 4 filtros pasabanda digitales. Estos filtros tienen bandas de paso centradas en las ondas Alfa (8-13 Hz), Beta (>13 Hz), Delta (0-4 Hz) y Theta (4-8 Hz), las que son las cuatro bandas de frecuencia mas estudiadas en el EEG, ya que representan diferentes formas de actividad cerebral. Al otro extremo de estos filtros pasabajo se mide la potencia instantánea usando un filtro de medias móviles. Así, cada canal de señal bruta se transforma en un conjunto de cuatro medidas de potencia.

Ritmos normales en electroencefalografía.



Acondicionamiento de señal.

La última etapa análoga de los canales convierte las señales de entre +12V y -12V a unas que van entre 0 y 5V para que el microcontrolador las lea sin problemas.

Acondicionador de señal

Mediante un microcontrolador se hace la conversión analógica/digital, para transmitir los datos al computador. El microcontrolador realiza la conversión alternando un canal a la vez, así sucesivamente en tiempo continuo.Esta conversión ocurre gracias a la acción de las configuraciones de condensadores electrolíticos que convierten los voltajes para comunicar el Hardware del EEG y el computador que procesa los datos.

En el computador mediante un software desarrollado, se reciben los datos, reconstruyendo las señales originales del EEG de cada lóbulo cerebral, ya que estas llegan alteradas al computador. Aquí son pasadas por los algoritmos pertinentes para el filtrado digital, eliminación de ruidos, análisis espectral y de coherencia para poder visualizar las ondas del EEG en estado original en la pantalla del computador.



Imagen del EEG en la pantalla del computador, donde se ve la actividad cerebral en cada canal.

Fuente de alimentación de voltaje continuo

El circuito del Electroencefalógrafo es alimentado con un voltaje continuo. Esta fuente de energía continua opera mediante una rectificación de la señal eléctrica alterna por un transformador que toma la alimentación de la red. Después el voltaje pasa por los condensadores necesarios para ser purificado, ingresando después por unos reguladores de tensión, en donde existen otros condensadores que estabilizan la tensión de alimentación.

Fuente de polarización del electroencefalógrafo



Conclusión.

El Electroencefalograma es un examen muy útil para detectar alguna anomalía en la sinapsis a nivel cerebral, ya le que permite al médico observar las alteraciones que se pueden presentar durante la actividad eléctrica en el encéfalo. En la actualidad los equipos médicos con los que se efectúan estos estudios permiten manejarlos con más confianza y comodidad tanto para el operador como para el paciente, ya que estas características se traducen a un examen más confiable y fidedigno del estado actual del paciente, con el mínimo de molestias que pudieran transformarse en ruidos que interferirían durante la captación de señales.



Bibliografía.

- Metodología de procesamiento de la bioseñal, de Alejandro Gustavo Sabatini- Enciclopedia Medica, Ferato.com- Apuntes del Departamento de Electrónica, Universidad de Alcalá


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