T079 - Cencomed

VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería
Habana 2007
SISTEMA PARA EL REGISTRO DE LA ACTIVIDAD
ELÉCTRICA EVOCADA
M. Borrego, L. Díaz-Comas
Centro de Neurociencias de Cuba
Ave. 25, Esq. 158, Cubanacán, Playa, C. Habana, [email protected]
RESUMEN
Una de las técnicas más utilizadas para el estudio de las
bases neurales de los procesos cognitivos son los
Potenciales Relacionados a Evento (PRE) endógenos. Para
su obtención es necesario registrar la actividad eléctrica
cerebral (EEG) del individuo mientras ejecuta una
determinada tarea mental, utilizando un protocolo de
comunicación que sincronice ambos procesos. En este
trabajo se ilustra el desarrollo de un programa de
computación para el registro de la actividad eléctrica
cerebral evocada, el módulo “Registro de Psicofisiología”
del sistema comercial EPWorkstation v1.4. El sistema
trabaja con los equipos de electroencefalografía digital
Medicid-Fenix, Medicid 5-32 y Medicid 5-64/128, los
cuales fueron desarrollados en el Centro de Neurociencias
de Cuba.
Palabras clave: Registro EEG, Potenciales Relacionados
a Eventos
1. INTRODUCCIÓN
Una de las técnicas más usadas para estudiar el sustrato
neural de las funciones cognitivas es el registro de los
Potenciales Relacionados a Evento (PRE). Ellos son
indicadores directos de la actividad cerebral y pueden ser
registrados en el tiempo en que transcurren los procesos
cognitivos, con gran resolución temporal. Esto es
especialmente ventajoso dada la gran rapidez con que
ocurre el procesamiento de la información [1].
Los PRE son cambios de voltaje que se registran sobre
el cuero cabelludo en respuesta a un evento, que puede ser
la presentación de un estímulo o la ejecución de una tarea
mental. Los estímulos pueden ser de diferentes
modalidades: auditivos, visuales y somatosensoriales y las
tareas pueden ser desde muy simples, como la detección de
un determinado estímulo, hasta muy complejas, como la
lectura de palabras u oraciones .
Los PRE se encuentran inmersos dentro de la actividad
eléctrica
cerebral
espontánea,
conocida
como
electroencefalograma (EEG). En la mayoría de los casos los
PRE son señales pequeñas (del orden de los microvolts)
con relación a la señal de EEG (del orden de decenas de
microvolts: -100 a 100). Por esta razón, para poder
visualizar los PRE, es necesario emplear técnicas de
procesamiento de la señal, para extraer la respuesta (PRE)
de la actividad eléctrica cerebral no sincronizada con el
estímulo (EEG), que en este caso se considera “ruido de
fondo” de la medición [7, 8].
La búsqueda de las bases cerebrales de los procesos
cognitivos a partir de los PRE endógenos requiere la
ejecución de una tarea mental y el registro simultáneo del
EEG. Para ello es necesario el diseño de un paradigma
experimental, que contenga la definición de los estímulos y
cómo se va a registrar la respuesta para cada uno de ellos.
Tanto el diseño y aplicación de los paradigmas
experimentales como el registro del EEG y su
almacenamiento para un posterior análisis, son tareas que
requieren ser automatizadas, debido a la rapidez y la
precisión con que deben ser llevadas a cabo, así como el
gran volumen de datos y operaciones que involucran.
Ambos sistemas deben establecer un protocolo de
comunicación mediante el cual el estimulador le envíe
marcas al sistema de registro sincronizadas con la
presentación de cada estímulo y las repuestas del sujeto
[11]. Aunque en sus inicios el trabajo con los PRE se
desarrolló a expensas de medios construidos en cada
laboratorio para la ejecución de experimentos particulares,
en este momento, lo más usual es el trabajo sobre sistemas
de cómputo profesionales, en general asociados a equipos
comerciales de electroencefalografía digital.
Un sistema de registro para la obtención de los PRE
endógenos debe realizar la adquisición continua de la señal
de EEG, a partir de la comunicación con un equipo de
electroencefalografía digital y recibir las marcas
provenientes del estimulador. El sistema debe además,
brindar otras facilidades tales como: presentar en pantalla la
señal de EEG así como las marcas recibidas, definir la
configuración del equipo de registro, medir el valor de la
impedancia de contacto de los electrodos y mostrar el
resultado al especialista, calibrar los amplificadores, definir
protocolos de registro, almacenar la señal de EEG y las
marcas de estimulación para la obtención fuera de línea de
los PRE endógenos, entre otras. Estas tareas son muy
costosas en tiempo y requieren de una interfaz para la
interacción con el usuario, por lo que no pueden ser
llevadas a cabo por el propio microprocesador del equipo
de EEG.
Es una práctica común entre los productores de equipos
médicos complejos, como es el caso de los
electroencefalógrafos digitales, resolver estos problemas
utilizando una computadora con un sistema de registro que
brinde una interfaz de trabajo al especialista y controle el
funcionamiento del equipo. De esta manera, se puede
aprovechar las posibilidades que brindan los sistemas
operativos modernos en cuanto al manejo de los datos, la
interfaz gráfica, así como de las herramientas de
programación existentes para ellos, muy superiores a las
que poseen los microprocesadores más avanzados que se
utilizan en el diseño de un equipo médico. El equipo se
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convierte, entonces, en un periférico más de la
computadora, conectado a la misma por alguna de las
3. RESULTADOS
interfaces de comunicación estándar [6, 9, 16].
En Cuba, los equipos disponibles para el trabajo con los
Descripción del sistema.
PRE endógenos en la Red Nacional de Neurofisiología son
los sistemas MEDICID desarrollados en el Centro de
El módulo Registro de Psicofisiología del sistema
Neurociencias de Cuba y comercializados por la compañía
EPWorkStation
1.4 realiza el registro continúo de la señal
Neuronic S.A. Sobre estos equipos se han desarrollado
varias aplicaciones para el trabajo con PRE endógenos de EEG y recibe las marcas relacionadas con la ejecución
como son: la Máquina de Psicofisiología en sus versiones del paradigma experimental por parte de un sistema de
1, 2 y 3 junto al sistema MindTracer 1.0 [10, 2, 3, 15]. A estimulación. El módulo sirve de interfase entre el
nivel internacional, existen diversos sistemas dedicados al especialista y el equipo de registro, tiene dos funciones
trabajo con los PRE endógenos de los cuales los más fundamentales: enviar comandos al equipo para controlar
conocidos son los de las compañías NeuroScan
y las operaciones que este realice y mostrar los resultados de
las mismas. Las operaciones fundamentales que realiza el
BrainVision .
En la última década el Centro de Neurociencias de Cuba equipo de registro, a las cuales llamaremos modos de
ha desarrollado nuevos equipos para el registro de EEG trabajo son: calibración de los amplificadores, medición de
tales como: Medicid Fénix, Medicid 5-32 canales y la impedancia de contacto de los electrodos y registro del
Medicid 5-64/128 canales (Muchi). El sistema de registro EEG. Estas operaciones fueron desarrolladas en el sistema
para la obtención de los PRE endógenos existente hasta el de registro y ofrece además una serie de opciones para
momento no soporta la comunicación con ninguno de estos facilitar la interacción del usuario con el equipo.
equipos, fue desarrollado en MS-DOS y se comunica sólo
Modos de trabajo.
con el equipo Medicid 4.
En este trabajo se describe el funcionamiento de un
Al establecer en el equipo el modo de registro del EEG,
programa de computación para el registro de la actividad
el
sistema
recibe periódicamente los valores de voltaje
eléctrica cerebral evocada, el módulo “Registro de
medidos
en
cada sitio de registro. Estos valores son
Psicofisiología” del sistema comercial EPWorkstation v1.4
graficados
en
la pantalla de la computadora. Por otra parte,
que
trabaja
sobre
los
nuevos
equipos
de
se
reciben
los
códigos de los estímulos, provenientes del
electroencefalografía digital desarrollados y permite la
sistema
de
estimulación.
Debajo del trazado
comunicación con el sistema de estimulación mediante un
electroencefalográfico
se
muestran
a través de pequeñas
protocolo por puerto serie o puerto paralelo.
barras de diferentes colores, un indicador de las marcas
recibidas en el instante de tiempo en que fueron registradas
2. METODOLOGÍA
(Figura 1).
Para el desarrollo del sistema se utilizó el lenguaje de
programación Pascal orientado a objetos (en inglés Object
Pascal) desde el medio ambiente de trabajo que brinda el
sistema Delphi v5.0. Es una aplicación para ejecutarse
sobre el sistema operativo Windows [4, 5, 12, 13, 14].
La comunicación entre el sistema y el equipo de registro
se diseñó siguiendo una arquitectura por capas, en este caso
tres. El controlador del equipo, constituye la capa más
interna de la arquitectura de comunicación utilizada. Es una
biblioteca de enlace dinámico (DLL de sus siglas en inglés)
que se comunica directamente con el microprocesador del
equipo Medicid. Se carga dinámicamente en la máquina al
ejecutarse la aplicación de registro [6, 9, 16].
Las unidades de programación visuales, forman la capa
intermedia en este esquema de comunicación. Estas
unidades de programación tienen propiedades que reflejan
los parámetros de configuración del equipo Medicid y
métodos que envían los comandos que se pueden ejecutar.
La capa mas externa del esquema es el módulo Registro
de Psicofisiología. En la aplicación de registro, las unidades
de programación relacionadas con la comunicación con los
equipos Medicid, fueron agrupadas en un TDataModule.
Un TDataModule, es una herramienta del sistema Delphi,
que permite manejar unidades de programación que no
tienen interfaz gráfica. Mediante el uso de directivas de
compilación condicionales en la aplicación de registro se
incluye el TDataModule correspondiente a un determinado
equipo de EEG.
Figura 1 Graficación de la señal de EEG y las marcas de estimulación. A la
izquierda se muestran los identificadores de cada sitio de registro. A la
derecha las señales de EEG y en la parte inferior los indicadores de las
macas recibidas del sistema MT.
En el proceso de calibración, se muestra en la pantalla
un conjunto de señales en forma de pulsos cuadrados
continuos (Figura 2), que resultan de establecer en el
equipo este modo de trabajo. Estas señales son
programadas por el equipo y tienen características
conocidas, se generan al establecer en el equipo este modo
de trabajo. El proceso de calibración se realiza sobre todos
los amplificadores y tiene como objetivo, conocer el valor
real de ganancia y el nivel de corrimiento de la línea base
que presenta cada amplificador del equipo. A partir de
estos datos, se rectifican las mediciones obtenidas por cada
amplificador.
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Figura 2 Graficación de la Calibración. A la izquierda se muestra el
identificador de cada amplificador. A la derecha se muestran las señales
generadas al establecer el modo de calibración.
Al establecer por el sistema el modo impedancia en el
equipo de EEG, este se configura para efectuar la medición
de la impedancia de contacto de los electrodos de registro.
Los valores de impedancia recibidos, se muestran sobre una
vista superior de la cabeza con la posición de los
electrodos. Cada valor se representa con un color en la
posición del electrodo y la escala de correspondencia
aparece a la derecha de la imagen (Figura 3).
Figura 3 Graficación de los valores de impedancia medidos. A la izquierda
se muestra en una vista superior de la cabeza donde mediante una escala
de colores se representa en cada sitio de registro el valor de impedancia
medido. A la derecha se muestra la correspondencia entre los colores y el
valor de impedancia.
Protocolo de registro
El modo de registro del EEG, requiere definir
previamente un conjunto de parámetros para configurar el
equipo en ese modo. Estos parámetros varían en
dependencia de los intereses de la investigación que se este
llevando a cabo. Para establecer estos valores el sistema
ofrece la opción de crear protocolos de registro, donde se
fijan los parámetros siguientes: periodo o frecuencia de
muestro, conjunto de sitios de registro, ganancias,
frecuencias de corte de los amplificadores y filtro de línea.
En este diálogo se definen también las diferentes
condiciones experimentales presentes en el paradigma de
estimulación, lo cual es necesario para relacionar las
marcas de los estímulos recibidas con su condición
experimental (Figura 4).
Figura 4 Diálogo para definir el protocolo de registro. Definición de
los sitios de registro y los parámetros de los amplificadores. Definición de
la frecuencia de muestro. Definición de las condiciones experimentales
Protocolo de comunicación
Para la comunicación con el sistema de estimulación se
han desarrollo dos protocolos de comunicación uno que
utiliza el puerto serie de la máquina y otro que utiliza el
puerto paralelo.
El protocolo de comunicación a través del puerto serie,
establece que el sistema de estimulación envíe al módulo
Registro de Psicofisiología, marcas sincronizadas con la
presentación de cada estímulo y con cada respuesta del
sujeto. Se envían códigos diferentes para cada tipo de
estímulo definido en el paradigma, como son: aviso de
inicio, contexto, estímulo diana o “target” y aviso para
responder. De manera especial se maneja el estímulo diana
o “target”, cada uno de ellos tiene asociado una condición
experimental. Cada condición experimental se identifica
por un código diferente que es la marca que se envía
cuando se presenta un estímulo diana que pertenecen a ella.
Además este protocolo incluye dos comandos que el
módulo Registro de Psicofisiología envía al sistema de
estimulación para detener y reanudar la ejecución del
paradigma. Estos comandos se utilizan para evitar que el
sistema de estimulación continúe presentando estímulos
cuando ha ocurrido algún fallo en el proceso de registro.
El protocolo de comunicación por puerto paralelo
incluye solamente códigos asociados a la presentación de
los estímulos diana y las respuestas del sujeto. Existen
códigos para identificar 6 condiciones experimentales y
para diferenciar las respuestas correctas y las incorrectas.
4. DISCUSIÓN
El módulo Registro de Psicofisiología del sistema
EPWorkStation, desarrollado para comunicarse con los
equipos de EEG, Medicid Fénix, Medicid 5-32 canales,
Medicid 5-64/128 canales ofrece desde el punto de vista de
la interfaz usuario una manera sencilla de hacer un registro
del EEG y de comunicarse con un sistema de estimulación
y recibir las marcas relacionadas con la ejecución de un
paradigma experimental. Esta enfocado al trabajo
experimental en psicofisiología. Los sistemas de registro
anteriores de la Compañía Neuronic S.A., así como los
sistemas más importantes de la competencia, incluyen
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opciones tanto para hacer un registro del EEG con fines
REFERENCIAS
clínicos como para un registro para obtener PRE
endógenos. La práctica ha demostrado que los sistemas con
este diseño general, son más incómodos de utilizar debido a 1. Andreassi J. Introduction to psychophysiology. En: J. Andreassi
(Ed.). Psychophysiology: Human Behavior and Physiological
la cantidad de funciones que ofrecen. El hecho de contar
Response. Third Edition. 1-11, 1995.
ahora con una aplicación que únicamente presente las
2.
Antelo J. M., Díaz-Comas L., Aubert E., Martín V., Soler J. y Pereira
opciones para el registro del EEG con fines de obtener PRE
A., TrackWalker, Manual del Usuario, Neuronic S.A, Cuba, 1993.
endógenos, facilita para el usuario el proceso de 3. Aubert E., Díaz-Comas L., TrackWalker Multichannels, Manual del
Usuario, Neuronic S.A, Cuba, 1998.
aprendizaje del sistema, ya que no tiene que vincularse con
4.
Borland Delphi 5, Developer's Guide, INPRISE Corporation Inc.,
opciones que nunca va a usar.
1999a.
Por otra parte, se realiza el registro continuo del EEG, 5. Borland Delphi 5, Object Pascal Language Guide, INPRISE
lo que brinda mayor flexibilidad para el análisis fuera de
Corporation Inc., 1999b.
línea debido a que se pueden hacer diferentes 6. Carballosa J., De Armas J., Leonard J., Software Development Kit
for eleectrophysiological Processing, MedInfo95 Vol. 8 Part 1 pp
manipulaciones con los datos obtenidos.
723 ISSN: 1569-6332, 1995.
Una característica importante es que a diferencia de los 7. Chiappa K., Principles of Evoked Potentials. En: K. Chiappa (Ed.).
sistemas de la competencia es recuperable el EEG
Evoked Potentials in Clinical Medicine. Third Edition. 1-30. 1997.
registrado cuando ocurre alguna interrupción inesperada. 8. Coles M., Rugg M., Event-realated brain potentials: An introduction.
En: M. Rugg and M. Coles (Ed.). Electrophysiology of Mind. EventEn este caso la estimulación también es detenida. Esto es de
Related Brain Potentials and Cognition. 1-26. 1995.
gran utilidad ya que se sabe que el registro y la 9. De Armas J.L., Aznielle T., Suárez A., NSTools3.0: Paquete de
estimulación, es un proceso engorroso, que consume un
componentes para el desarrollo de aplicaciones biomédicas con
Delphi y C++ Builder, Ingeniería Electrónica, Automática y
tiempo estimable. Además, de tener que volver a ejecutarse
Comunicaciones, Vol XX, No 2, 1999.
el paradigma experimental, el significado de los estímulos
10. Díaz-Comas L., Martín V., Valdés M., Bobes M.A. Sistema de
puede variar para el sujeto. Al salvarse el registro, no se
Psicofisiología para estudios de procesos cognitivos utilizando
pierde ese caso y se pudiera hacer un segundo registro que
potenciales evocados en Medicid 03M Revista CNIC Ciencias
Biológicas, Vol.19 N0. 3, 1988
continúe el proceso de estimulación. Igualmente, si durante
el registro, surge alguna dificultad con algún amplificador o 11. Díaz-Comas L., Borrego M., Bobes M. A., Galán L., Carbonell
F.Sistema para la obtención y análisis de Potenciales Evocados
electrodo,
se
puede
detener
la
estimulación
Endógenos de alta densidad.Memorias del I Congreso Internacional
momentáneamente, corregir el problema y continuar el
de BioInformática 2004. ISBN: 959 237 117 2, 2004.
12. García A., “Construcción de componentes en Delphi”. Revista
proceso.
Profesional para Programadores. 20, 57-62, 1996.
Desde el punto de vista programación, el uso de la
13. Nierstrasz O, Tsichritzis D, Object Oriented Software Composition,
arquitectura de comunicación a través de tres capas de
Prentie Hall, 1995
abstracción facilitó el desarrollo de la aplicación para los 14. Petzold C., Programming Windows, 5th Ed., Microsoft Press,
diferentes equipos Medicid. El uso de esta metodología
ISBN:1-5723-1995-X, 1998.
permite desarrollar el módulo de registro independiente del 15. Reyes O., Mindtracer 1.1, Manual del Usuario, Neuronic S.A, Cuba,
equipo Medicid, ya que las características del equipo son 16. 1993.
Suárez A., De Armas J.L., Aznielle T. y González M., Arquitectura
manejados por la capa intermedia de controles visuales y
de tres capas para desarrollar software de bioseñales, Ingeniería
más específicamente por el controlador. Sólo es necesario
Electrónica, Automática y Comunicaciones, Vol XXVI, No 2, 2005.
cambiar la herramienta TDataModule que contiene los
controles visuales relacionados con la comunicación con el
equipo. La casi totalidad del código fuente de la aplicación
es común para todos los equipos Medicid.
5. CONCLUSIONES
1. El módulo Registro de Psicofisiología del sistema
comercial EPWorkStation 1.4 desarrollado sobre el sistema
operativo Windows utilizando técnicas de programación
actuales se comunica con los nuevos equipos de EEG que
comercializa la compañía Neuronic S.A. y recibe las
marcas provenientes del estimulador MT, lo que permite la
obtención fuera de línea de los PRE endógenos.
2. La utilización de la arquitectura de comunicación a
través de capas permite la extensión del programa de
registro a los nuevos equipos con un mínimo de
modificaciones, logrando el desarrollo rápido de
aplicaciones.
3. El protocolo de comunicación desarrollado que
incluye códigos diferentes para todos los estímulos y los
tipos de respuesta aumenta las estrategias del análisis fuera
de línea de los registros, posibilitando mayor precisión en
el estudio de los procesos cognitivos.
ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T079