BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA IDENTIFICACIÓN DIFERENCIADA DE LAS DESINCRONIZACIONES EEG EVOCADAS POR LA IMAGINACIÓN MOTORA DE AMBAS MANOS TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE LICENCIADO EN CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA PRESENTA: JORGE AIRY MERCADO GUTIÉRREZ ASESORES: DR. JOSÉ FRANCISCO JAVIER FLORES GRACIA M. C. LUIS ALBERTO MÉNDEZ BOGNANNI PUEBLA, PUE. ENERO DE 2010 ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………… 1 OBJETIVOS…………………………………………………………………………. 6 JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………. 7 CAPÍTULO 1. MARCO HISTÓRICO…………………………………………….. 9 1.1 Potenciales evocados visuales……………………………………………. 9 1.2 Potenciales corticales lentos……………………………………………... 11 1.3 Potenciales evocado P300………………………………………………... 13 1.4 Ritmos mu ( ) y beta ( ) y otros tipos de actividad de la corteza sensorial motora……………............................................................................. 15 1.4.1 El proyecto de BCI en Wadsworth…………………………… 15 1.4.2 El proyecto de BCI en Graz…………………………………...... 17 1.5 Otros sistemas que usan EEG sobre la corteza motora…………………… 21 1.6 Estudios fuera de línea…………………………………………………… 22 CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO………………………………………………. 23 2.1 El cerebro y su relación con el movimiento……………………………... 23 2.1.1 Lóbulos cerebrales y funciones de la corteza cerebral………..... 24 2.1.2 Homúnculo sensorial y homúnculo motor……………………… 24 2.1.3 Áreas de Brodmann…………………………………………….. 25 2.1.4 Vías corticoespinal y bulboespinal de la neurona motora superior………………………………………………………………. 26 2.1.5 Niveles de control en la integración del movimiento…………... 28 2.1.6 Relación del aprendizaje y la memoria con la corteza sensorial y motora………………………………………………………………… 28 2.2 Electroencefalograma (EEG)…………………………………………….. 2.2.1 Definiciones del EEG………………………………………… 29 31 2.2.2 Origen del EEG……………………………………………….... 31 2.2.3 Problema de localización de fuente en el EEG………………… 32 2.2.4 Potenciales postsinápticos……………………………………… 32 2.2.5 Corrientes celulares intrínsecas………………………………... 33 2.2.6 Sumación de potenciales en las células piramidales…………… 33 2.2.7 La generación del EEG por la corteza cerebral………………... 34 2.2.8 Principales eventos iónicos y eléctricos en neuronas individuales…………………………………………………………… 35 2.2.9 Generación de actividad rítmica en el EEG…………………… 37 2.2.10 Clasificación de las ondas en el EEG………………………… 39 2.2.11 Clasificación de actividad EEG por cambios de fase……….... 40 2.2.12 Bandas de frecuencia en el EEG……………………………… 40 2.2.13 Artefactos en el EEG………………………………………… 41 2.2.14 Resolución y muestreo espacial…...…….…………………… 46 2.2.15 Falta de información de libre referencia…………………… 2.2.16 Posicionamiento electrodos.………………………….. de 48 los 48 2.2.17 Derivaciones y montajes de electrodos en el EEG…………... 50 2.3 Definición y clasificación de los sistemas BCI ………………………. 2.4 Imaginación motora y desincronización en los ritmos sensorial – motores del electroencefalograma……………………….. 52 53 2.4.1 Desincronización/sincronización (ERD/ERS) relacionada a un evento...................................................................................................... 2.4.2 54 ERD y ERS en los ritmos sensorial-motores del EEG………………………………………………………………... 56 2.4.3 ERD y ERS en la imaginación motora………………………… 57 CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA………………………………............................ 62 3.1 Paradigma experimental…………………………………………………. 62 3.1.1 Descripción de un registro del experimento…………………… 65 3.1.2 Descripción de un registro del experimento…………………… 66 3.1.3 Descripción de un registro de movimiento imaginado………… 67 3.2 Interfaz de usuario……………………………………………………….. 68 3.3 Registro EEG…………………………………………………………….. 70 3.3.1 Sistema de registro…………………………………………… 70 3.4 Adquisición de datos…………………………………………… 76 3.4.1 Amplificación………………………………………………… 76 3.4.2 Digitalización…………………………………………………... 78 3.4.3 El sistema de adquisición de datos…………………………… 79 3.5 Procesamiento de señales……………………………………………… 81 3.5.1. Muestreo y filtrado antialiasing……………………………….. 81 3.5.2 Filtrado pasabanda…………………………………………… 83 3.5.3 División de intentos por lateralidad………………………… 89 3.5.4 Filtrado espacial……………………………………………… 89 3.6 Análisis estadístico y cuantificación del índice ERD/ERS……………... 93 3.6.1 Cálculo de la potencia mediante el método clásico y con la varianza entre intentos. Cálculo del índice ERD/ERS……… 93 CAPÍTULO 4. RESULTADOS………...………………………………………. … 97 4.1 Sujeto 4…………………………………………………………………... 97 4.1.1 Sujeto 4, sesión de registro 1…………………………………... 98 4.1.2 Sujeto 4, sesión de registro 2………………………………….. 101 4.1.3 Sujeto 4, sesión de registro 3………………………………….. 103 4.2 Sujeto 1………………………………………………………………… 105 4.2.1 Sujeto 1, sesión de registro 3…………………………………. 105 CAPÍTULO 5. DISCUSIÓN……………………………………………………… 108 CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES……………………………………………….. 111 CAPÍTULO 7. TRABAJO A FUTURO………………………………………… 113 BIBLIOGRAFÍA...…………………………....…………………………………… 115 ANEXO 1. CÓDIGO COMPLETO DE LOS PROGRAMAS EN MATLAB…. 120 ANEXO 2. DIAGRAMAS DE LA TARJETA NI 6036E…...……….................... 136 Anexo 2 INTRODUCCIÓN Las personas discapacitadas sufren discriminación y frustración constante al no poder llevar a cabo muchas tareas que para las personas sanas son normales y fáciles de realizar. Ello afecta su vida emocional y su interacción social, tal vez en mayor medida que la incapacidad misma. Estos problemas se ven multiplicados cuando la incapacidad física es una parálisis de todos los miembros del cuerpo lo que se conoce como tetraplejía, que se caracteriza por la imposibilidad de la persona de realizar cualquier movimiento en los miembros inferiores y superiores del cuerpo, falta o ausencia de sensibilidad en los mismos, e incapacidad de comunicación verbal y de cualquier otro tipo. Esta incapacidad se manifiesta debido a alguna lesión de los nervios de la columna vertebral, la cual puede tener origen en un accidente, por ejemplo automovilístico, una caída brusca o de una altura considerable, o a algunas enfermedades que afectan al sistema nervioso, como la esclerosis múltiple o el mal de Parkinson. Los afectados por esta incapacidad requieren mucha atención y cuidados de sus familiares o las personas que están a cargo ellos, lo cual resulta impráctico y con el tiempo, hasta molesto. Es pertinente preguntarnos entonces: ¿De qué manera podrían estas personas mejorar su calidad de vida? ¿Existe alguna opción tecnológica que pueda proporcionarles a estas personas un poco de independencia y al menos un grado mínimo de comunicación? ¿En qué grado mejoraría su interacción social, su equilibrio emocional y su autosuficiencia si contaran con una vía alterna de comunicación? Actualmente, la comunidad científica internacional se ha dado a la tarea de buscar una solución a este problema, y aunado al interés puro de investigar más a fondo la forma en que funciona el cerebro, se ha formado un prometedor y todavía inmaduro campo de investigación, cuyo objetivo común es la creación de interfaces de comunicación entre el cerebro humano y una computadora u otro dispositivo electrónico (Interfaces cerebro-computadora o BCI), y cuyas aplicaciones específicas van desde escoger una letra entre un conjunto de ellas, manipular el movimiento del cursor o de otro objeto en la pantalla de la computadora en una o dos dimensiones y hasta el control