BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

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