Monitoreo y análisis de ondas cerebrales

Monitoreo y Análisis de las Ondas Cerebrales Alfa,

Beta, Gama, Delta y Theta Mediante una Interfaz

Matlab

Andrea Garzón1

Javier Villegas1

, Pablo Sosa1∗

and Stéfano Buitrón1

1Escuela de Mecatrónica, Universidad Internacional del Ecuador

∗Autor Principal/Corresponding author, e-mail: pabloricardososa09@hotmail.com

Abstract— The project performs a brainwave monitoring; alpha, beta, gamma, delta and theta, by interpreting the data generated by the

5-channel Emotiv Insight headset. Each of these waves is shown by a frequency range determined in a data record in a time of 60 seconds,

which is obtained from the execution of the PerformanceMetrics file in the Python program 2.7.14 of the Software Development Kit, of

Emotiv /Community.SDK, which generates an Excel spreadsheet of extension .cvs, called PerfomanceMetrics. Afterwards, the data columns

that represent the wave frequencies of the electroencephalogram (EEG) are identified. The column is read within the graphical interface

developed in the Matlab software to present the results obtained. Each test is performed by verifying a state of connectivity greater than or

equal to 80 % with the help of the Emotiv Xavier ControlPanel 3.5 software in a group of 3 individuals, which characteristics are indicated

in the test and results section.

Keywords—Emotiv Insight, Emotiv USB, Graphic interface, Matlab, Neural oscillation

Resumen— El proyecto realiza un monitoreo de las ondas cerebrales; alfa, beta, gamma, delta y theta, mediante la interpretación de los

datos que genera el auricular Emotiv Insight de 5 canales. Cada una de estas ondas se representa por un rango de frecuencia determinado en

un registro de datos en un tiempo de 60 segundos, que se obtiene a partir de la ejecución del archivo PerformanceMetrics en el compilador

Python 2.7.14 del Software Development Kit, del Emotiv/Community.SDK, el cual genera una hoja de datos Excel de extensión .cvs, llamado

PerfomanceMetrics. Posteriormente se identifica las columnas de datos que representan las frecuencias de las ondas del electroencefalograma

(EEG), se realiza la lectura de la columna correspondiente dentro de la interfaz gráfica desarrollada en el software Matlab para presentar

los resultados obtenidos. Cada prueba se realiza al comprobar un estado de conectividad mayor o igual al 80 % con la ayuda del software

Emotiv Xavier ControlPanel 3.5 en un grupo de 3 individuos, que cuyas características son indicadas en la sección de pruebas y resultados.

Palabras Clave—Emotiv Insight, Emotiv USB, Interfaz gráfica, Matlab, Oscilación neuronal.

I. INTRODUCCIÓN

En el presente proyecto se plantea el desarrollo de una

interfaz gráfica para visualizar la oscilación neuronal, que se

refiere a las fluctuaciones rítmicas de los potenciales postsinápticos

de un grupo neuronal [1], cuyos nombres son los

siguientes; alfa, beta, gamma, delta y theta, con la utilización

del auricular Emotiv Insight de 5 canales, con sistema de

electroencefalografía inalámbrico. En el proceso se registran

los datos mediante un script en el compilador Python 2.7.14

del Software Development Kit, del Emotiv/Community.SDK.

Finalmente la representación correspondiente a los datos obtenidos,

se lleva a cabo mediante una interfaz que se desarrolla

en el software Matlab, con la cual se procesan y se presentan

cada onda con su respectiva gráfica dentro de la interfaz.

Obteniendo así un panorama de la actividad cerebral del

individuo durante un periodo de tiempo.

II. ELECTROENCEFALOGRAFÍA Y ANATOMÍA CEREBRAL

A. Electroencefalograma EEG

La electroencefalografía consiste en obtener una señal eléctrica

del funcionamiento del cerebro [2] . Se divide en dos

grupos: 1) la invasiva, donde se implantan electrodos dentro

del cráneo del paciente, que a pesar de las complicaciones

naturales relacionadas, tiene a favor el hecho de que se

puede focalizar la señal, distinguiendo una zona específica del

cerebro; 2) las no invasivas, que graban potenciales eléctricos

desde el cuero cabelludo, a través de pares de electrodos

conductores de plata, que se utilizan para leer las señales eléctricas

[3]. Las pequeñas diferencias de voltaje entre electrodos

suelen registrar valores de entre 30 y 100 microV por lo que

normalmente deben ser amplificadas .

B. Sistema nervioso

El Sistema Nervioso es, junto con el Sistema Endocrino,

el rector y coordinador de todas las actividades, conscientes e

inconscientes del organismo, consta del sistema cerebroespinal

(encéfalo y médula espinal), los nervios y el sistema vegetativo

o autónomo. [4]

C. Encéfalo

Es el órgano que controla las funciones tales como el

raciocinio, las emociones y el movimiento corporal. [3] Se

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divide en un hemisferio izquierdo y uno derecho, con cuatro

lóbulos; frontal, pariental, occipital y temporal. [5] Cada uno

se encarga de una actividad determinada; el lóbulo parietal se

encarga de la sensibilidad, los parietales del oído, los frontales

de la lógica matemática y los occipitales de la visión. [3]

D. Neuronas

Se denominan como la unidad fundamental del sistema

nervioso de los vertebrados [6]. Son unidades que generan

actividad eléctrica dentro de una red [7] y [8].

1). Partes de una neurona [5]: Como se visualiza en la

Fig.1 Axón: tiene la forma alargada, es la sección encargada

de enviar el mensaje. Cuerpo celular: denominado soma, es la

parte de la célula que contiene el núcleo, ribosomas y retículo

endoplasmático. Dendrita: Es la parte encargada de realizar

las conexiones con otras neuronas para generar las red y de

esta manera provocar la sinapsis, que sse refiere al traspaso

de información de neurona a neurona mediante un proceso

químico eléctrico. [7] y [9]

Fig. 1. Partes de una neurona [10]

E. Transmisión eléctrica

La trasnmisión eléctrica ocurre cuando una neurona se polariza,

es decir cuando su carga es negativa. Esto se debe a una

circulación de iones de potasio [3]. Posteriomente se genera

una corriente que estimula y depolarizan cambiando la carga

a positiva propagando esta señal por el axón. Esta actividad se

produce por las interacciones de los sentidos con el ambiente,

que en cuyo caso permite la lectura electroencefalográfica [10]

y [11].

III. OSCILACIÓN NEURONAL

El sistema nervioso procesa las actividad eléctricas. La

mayor parte se genera por la actividad sináptica de las células.

El registro del cuero cabelludo es la suma del flujo extracelular

de corriente de las neuronas esto sucede por el flujo de

corriente producido por los potenciales eléctricos de neuronas

corticales. A pesar de ello la magnitud de la actividad eléctrica

percibida en el EEG es menos que la generación de una sola

neurona por los filtros y la atenuación por el paso de las capas

de tejidos que separan la superficie cortical del electrodo de

registro. Las ondas cerebrales se clasifican por su banda de

frecuencia, la actividad cerebral y estados mentales pronuncian

estas ondas existen 5 grupos de ondas. [12], [10], [13], [14] y

[15].

A. Onda Alfa

La onda alfa se identifica por tener una frecuencia de 8-

12 Hz con una amplitud 20 micro Voltios. Las ondas alfa

se las registra por la inactividad cerebral, desconcentración y

relajación están asociadas con relajación. La onda está ubicada

en el lóbulo occipital y frontal, con este con se pue reflejar

la ausencia de actividad mental más que pasividad. [10]. La

Fig.2 presenta la gráfica de la onda alfa

Fig. 2. Onda alfa [10]

B. Onda beta

La onda beta se identifica en una frecuencia de 12-30Hz

y su amplitud de voltaje es baja de 5 a 30 micro voltios,

este tipo de onda se asocia al pensamiento activo, estado de

alerta y resolución de problemas se produce cuando el cerebro

está despierto, hay actividades mentales y percepción a través

de cinco sentidos. Puede alcanzar hasta los 50Hz durante

actividades mentales intensas. Está ubicada en el lóbulo frontal

y parietal. [10] y [16]. La Fig. 4 se presenta la gráfica de la

onda beta

Fig. 3. Onda beta [10]

C. Onda gamma

La onda gamma se encuentra entre los 30Hz hacia arriba y

una menor amplitud, la onda gamma representa una diferente

población de neuronas entre sí, forman una red de determinada

función cognitiva o motora [8]. Están asociadas a la

comunicación y sincronización con las diferentes actividades

mentales, por lo que presenta una distribución muy amplia

y exige métodos de alta resolución y sincronización para su

medición. [10] y [17].

Fig. 4. Onda gamma [17]

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D. Onda delta

La onda delta se identifica con una frecuencia de 1-3Hz y

con una amplitud variable. Este tipo de onda se lo obtiene

durante sueño profundo o en estados de meditación. La mente

trabaja de forma totalmente integrada. Los estados psíquicos

son correspondientes con el dormir sin sueño como el trance

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