SEÑALES Y SISTEMAS EN APLICACIONES MÉDICAS

1.- Introducción.

La Electroencefalografía es un procedimiento el que se registran las pequeñas señales eléctricas producidas por el cerebro. Estas señales son generadas por los potenciales pos-sinápticos inhibitorios y excitatorios de las células nerviosas corticales. Un electroencefalógrafo es un aparato que capta dichas señales. El potencial eléctrico medido por estas señales frente al tiempo se denomina un electroencefalograma (EEG), éste puede ser utilizado para diagnosticar condiciones tales como epilepsia y tumores cerebrales.

2.- Desarrollo.

La Electroneurofisiología se refiere al estudio de las señales eléctricas de los sistemas nerviosos central y periférico para el análisis funcional y el diagnóstico. Estas señales se graban utilizando instrumentos muy sensibles para recoger pequeñas señales eléctricas producen por el sistema.

La Electroencefalografía fue desarrollado por el psiquiatra alemán Hans Berger en la década de 1920, se utilizó en la década de 1930 para el uso clínico, y se expandió rápidamente en la década de 1940[1].

Figura 1. Principio básico del funcionamiento de un Electroencefalógrafo

Obtención de las Señales:

Para comenzar con el análisis de señales en el EEG se examinan los diferentes métodos y la técnica apropiada para obtener las señales cerebrales con la mayor exactitud posible.

Todo el análisis de un electroencefalograma (EEG) se basa en la parte más voluminosa del sistema nervioso del cuerpo humano, conocido como encéfalo. Este contiene alrededor 9 de los 12 billones de neuronas que tiene nuestro cerebro. Un EGG tiene como principio de funcionamiento la capacidad del tejido nervioso, que es generar un potencial eléctrico también conocido como “electro génesis cerebral”.

Existen distintas maneras de captar la actividad cerebral:

1. Sobre el cuero cabelludo.

2. En la base del cráneo.

3. En cerebro expuesto.

4. En localizaciones cerebrales profundas.

Lo electrodos usados para realizar los procedimientos mencionados, son:

1. Para captar la señal sobre el cuero cabelludo se usan electrodos superficiales.

2. La señal en la base de cráneo puede ser obtenida por electrodos basales, los cuales no necesitan algún procedimiento quirúrgico.

3. Los que se aplican con cirugía, son los electrodos quirúrgicos. [2]

Funcionamiento:

Luego de haber obtenido las señales, estás deben pasar por un debido procesamiento antes de su posterior visualización y análisis.

Las señales cerebrales son de una magnitud realmente pequeña siendo esta la razón por la que se contaminan de ruido e interferencias; para procesarlas mediante un bioamplificador¹se aumenta la amplitud de las ondas eléctricas cerebrales que son captadas tomando la señal de cada electrodo por separado, con 2 electrodos el de registro conocido como activo y con el cable de entrada de usa un electrodo llamado electrodo de referencia (con potencial teórico 0)². [3]

Figura 2. Esquema del sistema de registro del EEG

Posteriormente se realiza una limpieza a la señal mediante un filtro pasa banda cuyo ancho de banda posee un rango entre 1 a 25 Hertz que corresponde a la frecuencia obtenida en la señal del EEG.

Luego se aplica un algoritmo para eliminar de la señal ruidos no deseados que corresponden a la actividad muscular del usuario tal como el pestañeo, movimiento de extremidades etc.; existe un ruido proveniente de elementos externos al paciente provocado por el tráfico, vibraciones el cual se elimina mediante un filtro espacial Laplaciano cuyo principio de funcionamiento consiste en restar de la señal de cada electrodo la media de la señal de sus vecinos más próximos.

Por último en lo que corresponde a la limpieza en el procesamiento de la señal del EEG se utiliza un algoritmo de limitación para eliminar salidas erróneas producidas por los sensores.[4]

Figura 3. Diagrama de bloques del funcionamiento de un EEG.

Análisis de las Señales:

Las señales en la última etapa se consiguen mediante una banda de potencia espectral que consiste en la aplicación de 4 filtros pasa banda digitales cuyas bandas de paso están centrados en las ondas Delta (0-4 Hz), Theta (4-8 Hz), Alfa (8-13 Hz) y Beta (> 13 Hz); cada una de estas representan diferentes actividades cerebrales obteniendo como resultado de la señal 4 diferentes mediciones.[4]

Figura 4. Señales obtenidas en un EEG.

Para la fase final del procesamiento se produce una clasificación en la cual las entradas corresponden a las señales mencionadas y la salida representa el estado mental del paciente.

Un EEG normal por lo general consiste en una serie de posibles formas de onda de baja frecuencia, ondas casi periódicas con grandes componentes delta en sueño profundo, hasta ondas beta de alta frecuencia medidas en los canales del lóbulo frontal durante una actividad mental vigorosa. Bajo un estado de relajación, el EEG se caracteriza por las ondas alfa de los canales del lóbulo occipital. El abrir y cerrar los ojos da como resultados una respuesta evocada. [1]

Aplicaciones:

Entre las aplicaciones del EGG se le utiliza para detectar anomalías de la actividad eléctrica cerebral típicas de alteraciones que afectan al sistema nervioso cerebral como intoxicaciones, consumo de drogas, enfermedades inflamatorias, infecciosas, vasculares, tumorales o degenerativas, entre otras. También está ampliamente utilizado para el diagnóstico de problemas del sueño o de focos de epilepsia. [5]

Figura 5. Mapeo cerebral en 3D para el diagnóstico de enfermedades.

3.- Conclusiones.

Las funciones realizadas por el cuerpo humano son llevadas a cabo a través de impulsos eléctricos, en el presente ensayo se analizó las señales cerebrales obtenidas mediante un Electroencefalógrafo. El análisis de señales producidas por el cerebro es de gran importancia en el área de la Medicina ya que representa una herramienta muy útil en la prevención y diagnóstico de enfermedades como epilepsia, tumores cerebrales e incluso muerte cerebral que no pudiesen ser determinados por ningún otro medio y que poseen un alto porcentaje de veracidad debido a que por los diferentes procedimientos que se efectúan en su obtención existe un mínimo de ruido que interfieran con la señal. La obtención y procesamiento de dichas señales sigue un proceso estructurado que pasa desde la obtención de las señales cerebrales, su posterior amplificación y finalmente la visualización para poder analizar los resultados.

4.- Bibliografía.

[1] Chan, K. “Biomedical device technology principles and design”, Tercera edición. Editorial Charles C Thomas.

[2]Guyton, C.G. and Hall, J.E. Tratado de Fisiología Médica. 10ª Edición. McGraw-Hill, Interamericana, New York, 2000. ... GUYTON, C.G. and HALL, J.E. Tratado de Fisiología Médica. 10ª Edición. McGraw-Hill, Interamericana, New York, 2000.

[3]“Electrocargiograma”.www.bioingenieria.edu.ar/academica/catedras/bioi”genieria2/archivos/apuntes/tema%205%20-%20elwww.bioingenieria.edu.ar.Acceso: 16 de noviembre de 2013.

[4] Sabatini, Gustavo Alejandro. Metodología del proceso de la bioseñal. Interacción humano máquina”.Internet.www.interfacemindbraincomputer.wikifoundry.com/. Acceso: 15 de noviembre de 2013.

[5] Gardner Ernest, M.D, Donald J. Gray, M.S, Ronan O´rahilly, M.Sc. “Anatomia, estudio por regiones del cuerpo humano”.