captador-medidor de movimientos oculares rápidos (mor)

CAPTADOR-MEDIDOR DE MOVIMIENTOS
OCULARES RÁPIDOS (MOR)
Busoch Morlán, Carmen B.
Regueiro Gómez, Ángel
Resumen: El proceso de captación y procesamiento de Movimientos Oculares Rápidos
(MOR) para el estudio de una de las fases del sueno, es empleado por muchos
investigadores en la determinación de fenómenos siquicos y/o fisicos anormales. Este
trabajo expone la experiencia en la adquisición y almacenamiento de fases MOR como
apoyo a la investigación para el estudio y el diagnóstico de diversas patologfas reflejadas
en sujetos durante su comportamiento nocturno. Se propone la sustitución de la
equipologia médica clásica utilizada para este tipo de adquisición y procesamiento de
senales por un medidor de bajo costo, más sencillo y con mayores prestaciones.
Palabras Clave: Biosenalesl Captador-Medidor/ Fases del sueno/ Movimientos Oculares
Rápidos/ Sueno Paradójico.
CAPTOR-METER OF RAPID EYE MOVEMENTS (REM)
Abstract: The capturing and processing procedure of Rapid Eye Movements (REM) for
the study of one of the sleep phases, is employed by many researchers to determining
psychic and/or abnormal physical phenomena. This paper expounds the experience in
the acquisition and storing of REM phases as support to the research in the study and
diagnosis of different pathologies reflected in subjects during their nightly behaviour.
Substitution of the classical medica! equipping methodology used in this kind of
acquisition and signa! processing, by a simpler, low cost and more serviceable meter, is
proposed .
Key words: Bio-Signals/ Captor-Meter/ Paradoxical Sleep/ Rapid Eye Movement/ Sleep
Phases.
l. INTRODUCCIÓN.
Al agotarse o disminuir la forma transitoria del tono
cortical, se liberan metabolismos o se ponen en marcha
mecanismos neuroquímicos que estimulan los centros
neurogénicosdel sueño (centros hipnógenos) y el sujeto
comienza a dormir, al principio de forma ligera y
posteriormente de manera más o menos profunda.
El sueño se define como un estado de pérdida de
conocimiento del cual puede despertar la persona con
estímulos sensoriales. En los últimos años se han
evidenciado grandes avances en el conocimiento del
sueño, con ayuda de las mejoras introducidas en los
equipos técnicos y la disponibilidad de polígrafos
seguros y sensibles, determinándose las diferencias
entre los pacientes producto de los ,cambios que se
observan cuando se pasa de la vigilia al sueño.
Con el registro encefalográfico se ha reconocido la
existencia de dos fases de sueño con características
fisiológicas distintas [1]:
a) Fase de sueño ortodoxo : producida por una
disminución de la actividad en el sistema activador
reticular, conocido como sueño de onda lenta. En
esta fase se aprecian varias etapas: vigilia alerta
(predominio de ondas beta sincrónicas), reposo
tranquilo (predominan las ondas alfa sincronizadas),
sueño ligero (existencia de ondas beta y delta con
espigas de sueño) y sueño profundo (donde
predominan las ondas delta de baja frecuencia).
b) Fase de sueño paradójico: debida a una canalización
anormal de las señales en el cerebro, aunque su
actividad puede no estar netamente deprimida. A esta
fase se le denomina sueño paradójico o
desincronizado
y
nunca
se
produce
espontáneamente, sino que se superpone a un sueño
de onda lenta con duraciones de 45 segundos a 40
minutos, a intervalos típicos de hora y media. Durante
este sueño se enfatizan algunas características tales
Manuscrito finalizado el Z91f/5/gj, recibido el 1810619B, en su forma final (aceptado) el 20,{)8/gj_ la lng. Carmen Busoch Morlán es
Profesor Auxiliar del Departamento de Automática y Computación de la Facultad de lngenierfa Eléctrica del Instituto Superior Politécnico
José Antonio Echeverrla (ISPJAE), 127 s/n Central Martínez Prieto, CP 19390, Marianao, Cuidad Habana, Cuba , e-mail [email protected]. El Dr. Angel Regueiro Gómez es Profesor del Centro de Bioingeniería (CEBIO) del mismo Instituto, e-mail
cebio@ infomed.sld .cu.
_____ ••ni!•..•••· CII!.CI.Á 7II!C•eae&I.Á. Volumen 2. Número 8. Diciembre 1998. pp.J3-16
como: ensueños activos, existencia de un tono
muscular muy deprimido, irregularidades de la
frecuencia cardíaca y respiratoria y existencia de
movimientos irregulares que incluyen en particular
movimientos rápidos de los ojos. En consecuencia,
estos últimos suelen denominarse sueño paradójico,
sueño REM o MOR (Movimientos Oculares Rápidos).
En esta fase, parte del cerebro se encuentra activa,
pero la actividad cerebral no está dirigida en una
dirección adecuada.
Con un estudio adecuado de esta última fase por
parte de los especialistas, se determinan diferentes
patologías que permiten diagnosticar si su origen es
síquico o físico , posibilitando su tratamiento de forma
controlada. Los equipos de registro de las señales
suelen ser caros y generalmente son de propósito
universal, lo que lleva a su subutilización.
11. DESARROLLO
1. Análisis encefalográfico durante los
movimientos oculares rápidos (MOR)
Las características de amplitud y frecuencia de la
señal adquirida son factores importantes para el diseño
del circuito eléctrico destinado al procesamiento de la
información. En este trabajo se describe un sistema
capaz de captar la señal que se genera en los extremos
de los ojos durante todo el sueño, discriminando la
existencia de fases MOR. Este sistema permite el
almacenamiento de la información en memoria para su
posterior estudio.
Del análisis de numerosos registros tomados con
ayuda de un polígrafo convencional (de costo elevado),
se determinó que en la fase de onda lenta la amplitud
de la señal es menor, aunque se presentan
componentes de interferencia de gran amplitud similares
a las señales MOR, que aparecen durante el período
de vigilia-alerta (»1 mV). Este análisis permite
discriminar temporalmente las señales MOR y las
interferencias del resto de las señales producidas en
otras etapas del sueño, dadas por sus características
de amplitud. En general, la frecuencia de ambas
señales (MOR e interferencias) se encuentra en el
intervalo de 0.5 Hz a 15Hz. Del análisis de las señales
se determinó que la duración de la interferencia (tr) no
va más allá de los 30 segundos, en el caso que un
paciente mueva los párpados y los ojos continuamente
en forma espontánea. Para las señales MOR, se
comprobó en 15 sujetos que la duración de cada una
de las fases registradas, durante una noche, se
extendían por encima de los 45 segundos de duración
(tm). A partir de la discriminación temporal por duración
de las señales y por el nivel de amplitud, se logra la
identificación del evento MOR como se muestra en la
Figura 1.
tm
tr
ruido
MOR
Figura 1. Ondas captadas durante un registro.
Los registradores clásicos de señal (polígrafos de
papel) suelen ofrecer como salida el registro de señal
con respecto a su amplitud sin discriminación de
interferencias u otras señales (ruido, etc.) . Los
especialistas determinan el número total de fases MOR,
así como el tiempo de duración de cada fase, a partir
de la evaluación visual de las señales adquiridas durante
una noche y que son almacenadas en un gran lote de
papel especial y caro.
El sistema desarrollado en este trabajo permite
adquirir la señal de interés, ofreciendo además la
duración de cada fase, el número de fases, así como la
cantidad de pulsos (eventos) dentro de cada fase en
formato digital (visualizador alfanumérico). Además,
permite su utilización de modo terapéutico para
tratamientos de pacientes en los cuales es importante
que durante la fase de sueño no aparezcan fases MOR.
Esto se logra a través de estimulación sonora y lumínica
en los instantes en los cuales se detectan las fases
MOR durante el sueño nocturno.
2. Arquitectura del Sistema Captador-Registrador
de Señales
El sistema desarrollado está compuesto por dos
bloques fundamentales: uno para el procesamiento
analógico y otro para el procesamiento digital como
muestra la Figura 2.
el
Ampl~
pnoopal
Sistema
de
filtros
CirCU~O
calibrador
Figura 2. Bloque de adquisición de la señal MOR
CII!.OA 7 II!C.elMÚ. Volumen 2. Número 8. Diciembre 1998.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - -Busocb, C., Regueiro, A., Captador de movimientos oculares rár•í thu----,
El primer bloque está formado por:
a) Preamplificador de bioseñal. Amplifica la señal
generada en los extremos laterales de los ojos que
es adquirida a partir de electrodos de superficie. El
amplificador de instrumentación está formado por un
amplificador diferencial con transistores FET (BIFET
de entrada) y un amplificador operacional de bajo
ruido, bajas tensiones y corrientes de 'offset' y bajas
derivas, así como diversas resistencias de
polarización y condensadores para la disminución
de las señales interferentes no deseadas [2].
b) Amplificador con ganancia variable. Permite el ajuste
del nivel de ganancia del bloque analógico.
e) Circuito calibrador. Posibilita que el equipo quede
ajustado para el nivel de señal del paciente bajo
estudio a través de un aumento o una disminución
de la ganancia .
d) Sistema de filtros. Limita el ancho de banda de la
señal, eliminando el resto de las señales
interferentes. Para lograr ésto se utilizan filtros activos
con frecuencias de corte que garantizan el intervalo
de 0.5 a 15Hz.
e) Circuito detector de señal. Discrimina la señal MOR
y las interferencias por comparación de amplitud en
el dominio temporal.
f) Interfaz con la etapa digital. Garantiza el aislamiento
galvánico de la sección conectada al paciente [3],
utilizando acoplamiento óptico entre la etapa
analógica y la etapa digital. La etapa conectada al
paciente, flotante respecto a la referencia del sistema
de procesamiento de señal , es alimentada a partir
de una fuente aislada obtenida desde un convertidor
CC-CC[4].
El segundo bloque está formado por el procesador
especializado, INTEL 8748 y sus periféricos. El
procesador se encarga de la discriminación del evento
MOR a partir del procesamiento digital de las señales
adquiridas. Realiza un autochequeo de los elementos
relacionados con la unidad central como son la memoria
interna de trabajo, los puertos de entrada y salida de
datos, el visualizador (formado por 5 lámparas 7
segmentos) , el teclado electromecánico (matriz 2x2
teclas) y los dispositivos de control de alarma lumínica
y sonora (Fig. 3).
Figura 3. Bloque de procesamiento digital
El procesador permite, a travésdel programa monitor
(Fig . 4), la selección de dos modos de trabajo :
terapéutico y diagnóstico. Estos modos se seleccionan
a través de las teclas de comandos. En ambos casos
siempre se determina la ocurrencia de los MORs, pero
en el modo terapéutico se acciona una alarma para
que el paciente no siga en esta fase. En caso de estar
en modo diagnóstico, se almacenan los pulsos MOR,
el tiempo de duración de la fase MOR y además el
número de fases que ocurren durante el tiempo de
registro (pueden llegar a almacenarse hasta 15 fases
con todos sus parámetros durante una noche de
registro) .
para el nuevo
mformac16n
para
diagnósbco
o alarma
evento
Figura 4. Diagrama simplificado del programa monitor
El sistema de adquisición y acondicionamiento de
señales empleado presenta buen rendimiento para esta
aplicación con más de 85 dB de CMRR, más de 1012
W de impedancia de entrada y bajas tensiones y
corrientes de 'offset'. El aislamiento galvánico con una
solución simple, sin empleo de técnicas de modulación
para la mejora de linealidad de los optoacopladores,
introduce en el diseño un ahorro importante de costo
cumpliendo las normas de seguridad establecidas para
el desarrollo de equipología médica. Pueden ser
obtenidos mejores rendimientos con la introducción de
amplificadores de instrumentación pero a un mayor
costo.
Con el sistema diseñado se realizaron medidas en
varios individuos, lográndose obtener la caracterización
de las fases MOR a partir de la adquisición y el
acondicionamiento de las señales. Los resultados con
bajo nivel de interferencias y con mayor información
que los métodos tradicionales permitieron la definición
y verificación de patologías en los sujetos estudiados.
Se obtuvo un importante ahorro en el registro de la
información (es posible realizar el registro de hasta 15
fases MOR durante una noche) superándose las
limitaciones materiales impuestas por los métodos de
registro tradicionales (polígrafos de aguja e impresión
de tinta sobre papel).
111. CONCLUSIONES.
IV. REFERENCIAS.
1. El diseño propuesto, de bajo costo, para la
adquisición y el procesamiento de las señales durante
la fase de sueño paradójico, permite identificar
temporalmente las fases MOR con una mínima
influencia de las señales interferentes.
2. Esta técnica de medida puede ser interesante en el
procesado de otras variables.
3. Además del ahorro introducido debido al
almacenamiento digital de la información, se logra
una representación más fácil y confiable para los
especialistas a través de la visualización de los
eventos en formato numérico (dígitos).
4. Se incorporan también diferentes alarmas según el
modo de trabajo seleccionado durante el estudio de
los pacientes.
5. La etapa de adquisición y acondicionamiento de
señales puede ser empleada para la adquisición de
otras variables fisiológicas con ligeras
modificaciones (ancho de banda, ganancia, etc.)
según la aplicación.
1) Denis E. R., Equipos Electromédicos, Editorial:
MES, Ciudad Habana, CUBA, Cap. 1-2, 1988.
2) Burr-Brown, lntegrated C1rcuits Data Book, Section
2-3,1989.
3) Regueiro Gómez, A., Denis, E. R. y García, E. R.,
"Seguridad Eléctrica en Equipos Médicos (11}", Rev.
Ingeniería
Electrónica,
Automática
y
Comunicaciones, Volumen XII , Número 2, 1991 ,
páginas 25-34,.
4) Regueiro Gómez, A, Busoch Mor1án, C., y Vázquez,
J. C., "Seguridad Eléctrica en Equipos Médicos (111)",
Rev. Ingeniería Electrónica, Automática y
Comunicaciones, Volumen XIV, Número 3, 1993,
páginas 13-17.
AGRADECIMIENTO.
Agradecemos la colaboración del Dr. J. Anias del
Opto. de Neurofisiología del Instituto Superior de
Ciencias Médicas Victoria de Girón, por sus
indicaciones en el análisis de la información.