Registro de señales de EEG para aplicaciones de Interfaz Cerebro Computadora (ICC) basado en Potenciales Evocados Visuales de Estado Estacionario (PEVEE) F. Alarid-Escudero, T. Solís-Escalante, E. Melgar, R. Valdés-Cristerna and O. Yáñez-Suárez Universidad Autónoma Metropolitana/Departamento de Ingeniería Eléctrica, Ciudad de México, México Abstract— This paper presents an implementation of an effective synchronization between a registration and a stimulation module that form part of a steady state visual evoked potential (SSVEP)-based Brain Computer Interface (BCI). Each of the synchronized modules were created and designed in two different platforms as well as in two different workstations, so a particular objective of this work consisted in finding the best platforms to stimulate and register the EEG in order to create a communication channel and protocol between the two different modules. The resulting synchronization was tested with an existing SSVEP stimulation protocol in one subject. Even though the results were promising, a test on a bigger population is needed. Palabras clave— Sincronización, EEG, Interfaz Cerebro Computadora, BCI, PEVEE
I. INTRODUCCIÓN Una interfaz Cerebro-Computadora (ICC o BCI por sus siglas en inglés) es un sistema de comunicación que no depende de las salidas normales a través de los nervios periféricos y músculos. Para poder construir un sistema ICC, se requiere monitorear cambios en la actividad cerebral. Un sistema de retroalimentación y procesamiento de señales puede estar basado en distintos tipos de potenciales evocados, tales como los visuales de estado estacionario (PEVEE), los cuales generan una respuesta a la estimulación de la corteza visual a través de estímulos intermitentes. A. Potenciales Evocados Visuales de Estado Estacionario (PEVEE´s) Experimentos electrofisiológicos han mostrado que las neuronas de la corteza visual se sincronizan con la frecuencia de una luz intermitente, generando en el EEG respuestas con la misma frecuencia que la del estímulo luminoso, a lo que se le llama potenciales evocados visuales de estado estacionario PEVEE [2]. El término de estado estacionario está definido como la respuesta ideal de un PE cuyo contenido en frecuencia se
mantiene constante en amplitud y fase a lo largo de un periodo de tiempo finito [1]. Aunque es de mayor utilidad ver a este tipo de potencial en términos de sus componentes en frecuencia en vez de una forma de onda compleja repitiéndose infinitamente. Una particularidad de un PEVEE es que si este existe, su potencia debe estar concentrada necesariamente dentro de bandas discretas de frecuencia muy angostas; mientras que el ruido biológico es distribuido a lo largo del ancho de banda del EEG. Por consecuencia, la relación señal a ruido de dicho potencial podría ser mayor dentro de las bandas de frecuencia angostas que en frecuencias que se encuentren entre señales con altas concentraciones de potencia [1]. B. Interfaz Cerebro-Computadora A lo largo de las últimas dos décadas una variedad de estudios ha evaluado la posibilidad de que las señales registradas a través del cráneo provenientes de la actividad cerebral pueden crear una nueva tendencia tecnológica que no requiera control muscular, ya sea mandando mensajes o ejecutando comandos para poder establecer una interacción con el mundo externo [3]; a esta nueva interfaz se le denomina Interfaz Cerebro- Computadora (ICC) [4]. En determinados sistema ICC se adquiere la señal EEG, las cuales son procesadas para así poder extraérseles características específicas (como amplitudes de potenciales evocados o ritmos corticales senso-motores) que reflejan la intención del paciente. Un proceso de comunicación hombre-máquina en una ICC involucra las siguientes etapas [5]: • • • •
Estimulación del sujeto, provocando una distinción en el EEG en las áreas corticales sensoriales relacionadas Adquisición de la señal EEG Procesamiento de la señal para incrementar la relación señal a ruido y extraer características para identificar cada estímulo. Clasificación de la señal y traducción a un comando.
El objetivo de este trabajo fue realizar la sincronización entre los módulos de estimulación y registro para desarrollar una ICC basada en PEVEE.
Carmen Mueller-Karger, Sara Wong, Alexandra La Cruz (Eds.): CLAIB 2007, IFMBE Proceedings 18, pp. 87–90, 2007 www.springerlink.com © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
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II. MATERIAL Y MÉTODOS A. BCI2000 El programa BCI2000 es una plataforma de desarrollo e investigación sobre sistemas ICC de propósito general. Esta puede incorporar, tanto por si misma o en combinación de algún otro sistema, la adquisición del EEG, métodos de procesamiento de señales, dispositivos de salida y protocolos de operación. BCI2000 consiste de cuatro módulos que se encuentran en comunicación entre ellos. Estos módulos son Source, Signal Processing, Application, Operator (Fig.1). Donde a los tres primeros módulos se les llama core module [6].
Fig: 1. Módulos funcionales del BCI2000 con sus respectivas Interfaces
B. Presentation Es una plataforma generadora de estímulos y sistemas de software de control experimental para neurociencia. Presentation se ejecuta en Windows, usa un hardware de PC estándar y fue diseñado para experimentos conductuales y fisiológicos que requieren de la adquisición de datos electrofisiológicos. Al mismo tiempo, este es muy flexible y tiene muchas características que lo hacen útil en un diverso rango de aplicaciones. Dicha plataforma está diseñada para proveer la mejor sincronización y verificación de dicha sincronización sin hardware especial [7]. Presentation es una aplicación que permite la generación de estímulos y control experimental. La realización de un experimento en esta plataforma puede ser dividida en los siguientes pasos: 1. Producción de un estimulo almacenado en disco 2. Especificación de cómo se presentará el estímulo 3. Configuración de hardware y tiempos de ejecución C. g.USBamp
dientes de 24 bits cada uno, donde cada canal puede ser muestreado hasta una frecuencia de 38.4 KHz [8]. Los amplificadores g.USBamp poseen un módulo fuente compatible con BCI2000 llamado gUSBamp.exe el cual puede ser empleado en lugar de cualquier otro módulo fuente (Fig.1). D. Módulo de Registro La parte del software del módulo de registro del sistema BCI propuesto está basado en la plataforma BCI2000 empleando como módulo fuente a gUSBamp; como de procesamiento a DummySignalProcessing; y finalmente a oddball como módulo de aplicación. El hardware empleado para adquirir el EEG son los amplificadores g.USBamp, configurados a una frecuencia de muestreo de 256 Hz. Se emplearon tanto un filtro pasabanda de 0.1 a 60Hz como uno rechaza-banda de 50 a 70Hz, ambos de tipo Butterworth de orden 2. El EEG se registró con una gorra de electroencefalografía con el sistema de medición internacional 10-20 [9]. Se utilizaron dos electrodos con recubrimiento de oro (Au) colocados en las posiciones O1 y O2; tomando como referencia el lóbulo de la oreja derecha y tierra al mastoides derecho, estos últimos dos con recubrimiento de platacloruro de plata (Ag-AgCl). Para generar la señal de activación del módulo de estimulación montado en otra estación de trabajo (PC), se creó un archivo ejecutable en Borland C++ Builder el cual ge- nera un pulso a través del bit menos significativo del puerto de datos del puerto paralelo (D0). Dicho ejecutable se manda llamar por un script que se activa por medio de los comandos de start y/o resume del módulo operador del BCI2000. E. Estimulación Para la implementación de este módulo se empleó un estimulador de propósito general para PEVEE´s, creado sobre la plataforma Presentation, el cual se mostró al sujeto en un monitor de cristal líquido (LCD) de 17 pulgadas con una frecuencia de refresco a 75 Hz a una distancia de 75 a 90 cm. El protocolo consta de 2 estímulos distintos de patrones de tablero de ajedrez colocados uno en cada extremo lateral de la pantalla (fig.2), en donde cada uno oscila a distintas frecuencias, 25 y 38Hz, respectivamente. Dicho patrón de estimulación se programó para que se repitiera en 6 ocasiones.
Amplificador de señales electrofisiológicas que consta de de 16 convertidores analógico-digitales (A/D) indepen-
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Fig. 2: Imagen mostrando ambos patrones de ajedrez en los extremos laterales de la pantalla
F. Sincronización Para llevar a cabo dicha etapa, se propuso un esquema de comunicación entre los módulos de adquisición de señales y de estimulación. Presentation puede responder a entradas provenientes del puerto serial, puerto paralelo y/o teclado. Para la comunicación entre los módulos a sincronizar, elegimos como entrada al puerto paralelo, debido a su facilidad de implementación y confiabilidad de comunicación en distancias cortas. El protocolo de comunicación es el siguiente: • •
Se considera que el estado inicial de las líneas de datos del puerto paralelo posean un 0 Presentation comenzará la estimulación visual cuando se presente un 1 en el bit menos significativo del puerto de estado del puerto paralelo (S0), empleando el método de encuesta para la detección de dicho valor.
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Fig.3 Sincronización entre los módulos de registro de EEG y estimulación para propósitos BCI
El registro adquirido se almacenó y posteriormente se le aplicó un análisis espectral basado en la transformada rápida de Fourier (FFT) para verificar la presencia de los PEVEE. En las figuras 4 y 5 se muestra que tanto en ambos electrodos, O1 y O2 se presenta la frecuencia fundamental de estimulación, de 25 Hz, así como su primer armónico múltiplo, de 50 Hz. Y para la frecuencia fundamental de 38 Hz, se observa en ambos electrodos solamente el primer armónico múltiplo, de 76Hz. El análisis FFT muestra los componentes en frecuencia de la señal en un rango determinado de análisis. Debido a ello, en una aplicación ICC no es suficiente esta técnica de procesamiento para determinar cual es la frecuencia fundamental en el propio registro ya que puede confundirse con alguno de sus armónicos. La señal analizada corresponde a un solo sujeto , por lo que es necesario realizar un mayor número de registros para observar los distintos resultados entre varios sujetos de
En resumen, el programa monitorea al puerto paralelo esperando un cambio en S0, y cuando el sistema lo detecta, comienza la estimulación visual. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La colocación física de los módulos en los cuales se implementó la sincronización se muestra en la Fig. 3; los cuales se activan simultáneamente una vez que el BCI2000 haya incorporado sus submódulos y envíe un bit por el puerto paralelo al activar el comando de start perteneciente al módulo de operador de dicha plataforma. Dicho bit provoca el comienzo de la estimulación, la cual se encontraba esperando el valor lógico para su activación. El registro finaliza automáticamente una vez transcurrido un periodo de tiempo predeterminado.
Fig.4 FFT promedio de todas las épocas de la señal de EEG obtenida en el electrodo O1
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señal para poder detectar la frecuencia fundamental de dichos potenciales en tiempo real. Para esto se requiere de un mayor número de sujetos para poder contar con un número de registros más extenso empleando el estimulador y la sincronía hasta ahora propuestos e implementados.
AGRADECIMIENTOS
Fig.5
FFT promedio de todas las épocas de la señal de EEG obtenida en el electrodo O2
experimentación y con esto realizar una validación estadística. A lo largo de la elaboración de este proyecto se presentaron varios retos de diversa naturaleza. Tales como el determinar la plataforma óptima para implementar la estimulación y que fuera sencilla la sincronización con el BCI2000, utilizado para registrar y almacenar el EEG. Se de- terminó que el estimulador no iba a ser desarrollado en el BCI2000 debido a que este software no ofrecía los recursos necesarios para cumplir con los requerimientos específicos del protocolo de estimulación y con esto se buscó la mejor opción para desarrollarlo de la manera más eficiente; lo cual fue establecer los módulos tanto en dos plataformas de diseño distintas como en dos estaciones separadas. Empleando tanto el software como el hardware disponibles se lograron frecuencias de media a altas de estimula- ción, por lo que para poder determinar niveles máximos y óptimos de estimulación serán necesario realizar esfuerzos con valores de mayor magnitud.
El trabajo realizado en este ha sido parte de mi proyecto terminal y de servicio social, ambos necesarios para obtener el grado de Ing. Biomédica en la Universidad Autónoma Metropolitana. Agradezco el apoyo tanto físico, intelectual y con recursos por parte de los profesores pertenecientes al departamento de Ingeniería Eléctrica, a su vez integrantes del Laboratorio de Investigación en Neuro-Imagenología, así como compañeros de la maestría y licenciatura en Ing. Biomédica.
REFERENCIAS 1.
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4.
5. 6.
IV. CONCLUSIONES Se presentaron los resultados de la sincronización entre los módulos de estimulación y registro, etapas indispensables en el diseño de una ICC. La sincronización debe implementarse entre ambos módulos para tener una referencia certera del comienzo del registro con respecto al inicio de la estimulación puesto que no estaban incorporados en la misma plataforma y es necesaria para la promediación coherente a análisis de fase. Esto pertenece a una sección de cualquier diseño de ICC, quedando por incorporar un módulo de procesamiento de la
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