Interfaz mente computadora

INSTITUTO POLITCNICO NACIONALUNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERA Y TECNOLOGAS AVANZADAS

PROTOCOLOINGENIERA MECATRNICA

DTA-PPT-01TTULO DEL PROTOCOLO

Interfaz cerebro computadora para aplicaciones en sistemas mecatrnicos

DATOS DEL PROTOCOLO

Nmero de Revisin(Primera, segunda, tercera o Protocolo para Registro)-1Semestre2015 (1)

Nmero Proyecto Asignado(Nmero asignado por el profesor de Especialidad)----Fecha(Fecha programada)24-09-2014

Confidencialidad(Pblico o confidencial, incluir documento que lo avale)Nmero de Hojas(Cantidad de Hojas del Protocolo)18

Patrocinador(En caso de existir, incluir el nombre en caso contrario dejar en blanco)-------

Nmero Convenio o Registro(Incluir nmero de convenio patrocinio o nmero de proyecto de investigacin que patrocina)-----------

ALUMNO 1

DATOS ALUMNO 1FIRMA

Nombre del AlumnoAriel Arturo Goubiah Gamboa Vzquez

Nmero de boleta2012640059

Telfono57-96-84-98

Correo electrnico [email protected]

ALUMNO 2

DATOS ALUMNO 2FIRMA

Nombre del Alumno

Nmero de boleta

Telfono

Correo electrnico

ALUMNO 3

DATOS ALUMNO 3FIRMA

Nombre del Alumno

Nmero de boleta

Telfono

Correo electrnico

DATOS ASESOR 1VISTO BUENO ASESOR 1

Nombre Asesor (Grado Acadmico)Ph. D. Blanca Tovar Corona

Academia InternoxExterno[footnoteRef:1] [1: En caso de Asesores Externos, deber incluirse copia de su Cdula Profesional y Curriculum Vitae resumido en un archivo anexo al Protocolo.]

Cdula Profesional (Obligatorio)

Correo [email protected]


Nombre Asesor (Grado Acadmico)

Academia InternoExterno


Correo electrnico


Nombre Asesor (Grado Acadmico)

Academia InternoExterno


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Contenido

Descripcin del proyecto3Problemtica a atacar3Justificacin del problema4Formulacin del problema4Objetivo general4Objetivos particulares4Divisin en grupos funcionales5Alcances del proyecto5Marco terico6Neurociencia cognitiva.6Interfaz cerebro computadora6Plasticidad mental7Clasificacin de las ICC.8Clasificacin de acuerdo a la obtencin de los potenciales:8Clasificacin de acuerdo al evento cognitivo estudiado.9Electroencefalografa.10Norma internacional 10-20.11Procesamiento digital de seales:12Anlisis en dominio del tiempo.12Anlisis en el dominio de la frecuencia.12Sistemas neurodifusos13Estado del arte14Una conferencia de BCIs.14ICC con electrodos invasivos:15ICCs comerciales con electrodos superficiales:15EMOTIV-EPOC15EMOTIV-Insight16NEUROSKY-Thinkgear17Mattel-MindFlex18Propuesta de solucin18Electroencefalografa18Premium Reusable Gold Cup EEG Electrodes182290976 EEG Gold Cup Electrodes 1.0ml 12 Per Pack19Acondicionamiento de seales20AD62020AD62020Procesamiento digital de seales21C/C++21MATLAB22LabVIEW22Actuador final23Carro a control remoto 1:24 1967 Ford Mustang24Brazo electro-mecnico Steren:24Bibliografa25

Descripcin del proyecto

Problemtica a atacar

Analizando nuestro microentorno mexicano y el macroentorno de los negocios se puede afirmar que actualmente nuestro pas se encuentra en un rezago tecnolgico respecto a otras naciones. A pesar de que en empresas mexicanas se posee tecnologa de punta, en raras ocasiones stas tecnologas son mexicanas. El rezago tecnolgico en el mbito de negocios es una contradiccin tomando en cuenta la cantidad de trabajos e investigaciones que se tienen en las diversas instituciones educativas del pas.

La falta de implementacin de la tecnologa mexicana dentro de las empresas sucede porque la mayora de las veces no se cuenta con el apoyo suficiente para poder hacer factible la introduccin de nuevas tecnologas que realmente generen un beneficio. Lo anterior se traduce como una fuga de cerebros cuando las personas con proyectos innovadores emigran a otros pases para explotar sus ideas, beneficindose en primera instancia a ellos mismos por el desarrollo de su idea y la remuneracin que esto implica e indirectamente a intereses extranjeros.

Existen alumnos del Instituto Politcnico Nacional que a pesar de muchas dificultades han marcado hitos en la tecnologa a nivel mundial, tal es el caso de Guillermo Gonzales Camarena, quin ide una manera sencilla de dar el salto de la televisin en blanco y negro a la televisin a color y logr su patente en 1942 (Enrique Krauze, 1999). De igual manera se puede hacer una referencia ms reciente y mucho ms relacionada a la UPIITA tomando como ejemplo al alumno del Instituto Politcnico Nacional que para el ao de 2008 y hasta la fecha ya se encontraba implementando prtesis binicas que compiten contra productos que cuestan hasta dos millones de dlares con prtesis que son ms eficientes, tienen mejor calidad y que cuestan una dcima parte del producto de la competencia extranjera: Luis Armando Bravo Castillo, ex alumno de la UPIITA, egresado de la Licenciatura en Ingeniera Binica y fundador de la empresa Probionics (Meza, 2014).

Tomando como base el declogo del politcnico y el contexto en el que fue fundado nuestro instituto, todos los alumnos de la UPIITA, como integrantes de la comunidad politcnica tenemos una responsabilidad para con la patria que se debe pagar mediante la lucha por el desarrollo cientfico y tecnolgico de la nacin.

Justificacin del problema

La manera en la que se busca atacar el problema del rezago tecnolgico en Mxico es creando una interfaz de un sistema mecatrnico capaz de interactuar con la mente humana. Estas interfaces entran en la sombrilla de la interfaz cerebro computadora, concepto que se comenz a popularizar en la dcada de los setentas y que hoy en da se encuentra en boga para muchos investigadores e incluso para la industria del sector privado. Para que el problema sea atacado de una manera significativa sta interfaz tendr que ser capaz de competir en calidad, precio y diseo con los productos que ya estn desarrollados utilizando como ventaja decisiva la metodologa del diseo mecatrnico.

Formulacin del problema

Desarrollo de una interfaz cerebro computadora capaz de interpretar comandos de tareas motrices a partir de registros de potenciales electroenceflicos.

Objetivo general

Disear de una interfaz cerebro computadora capaz de controlar un sistema electromecnico.

Objetivos particulares

Identificacin de potenciales pericraneales relacionados con comandos de movimiento en dos dimensiones. Identificacin de zonas con mayor actividad de potenciales discernibles. Diseo de un sistema de obtencin de seales pericraneales. Desarrollar de una interfaz computacional auto-adaptativa al usuario. Obtencin de un actuador electromecnico capaz de recibir comandos desde la interfaz cerebro-computadora.

Divisin en grupos funcionales

Dentro de una interfaz cerebro-computadora se tienen tres funciones primordiales (Wolpaw, 2000). Las funciones que se definen a continuacin sern tomadas como la divisin de grupos funcionales en nuestra metodologa:1. Adquisicin de las seales: Es la parte que se encargar de convertir las seales perienceflicas en datos discretos que puedan ser procesados mediante tcnicas de procesamiento digital de seales (PDS).2. Traduccin de las seales: Una vez obtenidas las seales perienceflicas en formato digital, se tienen que procesar mediante alguna de las variadas tcnicas existentes para pbtener comandos finitos y coherentes de acuerdo a la entrada de seales obtenida y a la accin requerida por el usuario.3. Control de sistema: La ltima parte de la interfaz es accionar el comando obtenido previamente, el cul puede ser desde elegir entre dos posibles opciones en un men hasta el control de un actuador complejo de varios grados de libertad

Alcances del proyecto

Como ya se ha especificado anteriormente, el proyecto consiste en el diseo y la implementacin de una interfaz cerebro-computadora. A continuacin se establecen los alcances que tendrn los sistemas formulados anteriormente:

1. Electroencefalgrafo: Cumple con la funcin de adquisicin de seales. Ser un electroencefalgrafo de electrodos superficiales. Tanto el nmero de electrodos a utilizar, tcnicas de filtrado, mtodo de conversin analgico-digital y la disposicin de electrodos sern definidos mediante la caracterizacin de seales implcita en el proyecto, tomando en cuenta que se busca tener un sistema compacto y eficiente.2. Traduccin de las seales: Tenemos la oportunidad de utilizar varios lenguajes de programacin, dentro de los cules se utilizarn los que ms nos convengan de acuerdo al mtodo de muestreo, esto sin perder de vista la creacin de una interfaz computacional eficaz, amigable y adaptativa a cada usuario en particular, de tal manera que cada usuario pueda dar al menos cuatro comandos distintos.3. Control de sistema: sta parte tiene como objetivo hacer la interfaz llamativa para los usuarios. En primera instancia se planea controlar un sistema electromecnico de dos grados de libertad (mvil a control remoto) el cul ser acondicionado para ser capaz de ejecutar los comandos disponibles de acuerdo a la caracterizacin del electroencefalograma.

Marco terico

Neurociencia cognitiva.

La mayora de los autores relacionados con la disciplina de la neurociencia cognitiva atribuyen sus orgenes a la conferencia donde George A. Miller presenta la conclusin de que un ser humano promedio puede retener en promedio siete elementos en la memoria de corto plazo, con una varianza de dos elementos debido a la relacin que encontr que la relacin de las frecuencias de las oscilaciones de las ondas gamma (que se encuentran usualmente en la banda de los 40 Hz) y las ondas theta (cuya frecuencia caracterstica es de 5.5 Hz) en la mayora de las personas que intentan memorizar una serie de caracteres es de aproximadamente 7, nmero que concuerda con la media del nmero de elementos que puede memorizar una persona (Ward, 2003). Algunos otros autores consideran que lo que dio pauta al desarrollo de la neurociencia cognitiva fue el trabajo del alemn Hans Berger, quin en el ao de 1924 logra hacer satisfactoriamente la primer representacin de los potenciales pericraneales de un ser humano vivo (Haas, 2003) tomando como base el trabajo realizado por el britnico Richard Caton en el ao de 1875 (Braizer, 1961).

Hoy en da podemos presumir de un avance significativo en el campo de la neurociencia, gracias al desarrollo de nuevas tecnologas y su implementacin en diversas aplicaciones como la deteccin de desrdenes neuronales (autismo, esquizofrenia, epilepsia), neuroprtesis, deteccin de estados de nimo, rehabilitacin de funciones motoras del sistema nervioso, interfaces de comunicacin cerebral, entre otras. La aplicacin propuesta como trabajo terminal es una interfaz que permite una comunicacin entre el cerebro y un sistema mecatrnico, dicha aplicacin ser detallada en captulos subsecuentes.

Interfaz cerebro computadora

Los precursores de las interfaces cerebro computadora fueron las neuroprtesis, que son literalmente prtesis que buscan compensar la disfuncionalidad o no existencia de alguna funcin motora, neuronal o sensorial mediante el estmulo elctrico de reas miognicas[footnoteRef:2], y estructuras neuronales en el sistema nervioso para complementar, remplazar o regular funciones neurolgicas (Kramme, 2011). Por otro lado las neuroprtesis tambin pueden ser usadas para adquirir y analizar actividad bioelctrica de las estructuras antes sealadas (idem). Las neuroprtesis surgen como necesidad de devolver funcionalidad a las personas que sufren de daos neuronales, pero como consecuencias surgen las interfaces cerebro computadora cuando se le delimita el contexto de comunicar una computadora con el cerebro. Las interfaces cerebro-computadora y las neuroprtesis son conceptos sumamente similares y no es posible establecer un criterio que las diferencie con exactitud a diferencia del contexto en el que se est hablando de ellas. [2: Las reas en dnde se efectan los procesos electroqumicos mediante los cuales se excitan los msculos.]

En ste proyecto se har el uso del trmino de Interfaz cerebro computadora (ICC) para hacer referencia a un sistema dedicado a ejercer el control de uno o varios dispositivos mecatrnicos mediante seales electrofisiolgicas provenientes del cerebro utilizando un algoritmo de traduccin. La clave para lograr el xito de una ICC son dos sistemas adaptativos de diferentes naturalezas sin los cuales el hacer una comunicacin de un cerebro a una computadora es imposible:1. Cerebro: Siendo el sistema de informacin ms complejo conocido por la humanidad, el cerebro cuenta con la habilidad de aprender nuevas habilidades mediante la creacin de nuevos enlaces y su posterior entrenamiento. A la habilidad de desarrollar nuevas redes neuronales funcionales se le conoce como plasticidad mental. Se ha demostrado que el cerebro tiene la capacidad de cambiar a voluntad sus parmetros y sta haabilidad en especfico es la que aprovechan las ICCs (Birbraumer, 2006).2. Computadora: Interfaces adaptativas de usuario con mtodos auto regresivos y otros algoritmos adaptativos.Como se ha dejado implcito anteriormente, las ICC funcionan mediante el anlisis de potenciales del sistema nervioso y posterior a ste anlisis se puede realizar una determinada accin. Las funciones ms genricas de una ICC segn (Wolpaw, 2000) son:1. Obtencin de potenciales electroencefalogrficos: El proceso ms simple que puede realizar el cerebro y que es la base para la mayora de las actividades cerebrales es la comunicacin entre dos neuronas. El proceso de comunicacin entre dos neuronas implica un flujo de corriente y a su vez la creacin de un pequeo dipolo. Cuando se tiene una distribucin de dipolos, stos tienden a alinearse hacia una sola direccin, creando un momento dipolar que genera un potencial lo suficientemente grande que puede ser medido usando diversos mtodos. Mediante la obtencin de los momentos dipolares se puede tener una estimacin de actividad neuronal que puede caracterizar ciertos procesos mentales (Birbraumer, 2006). El mtodo por excelencia para la obtencin de los potenciales es el electroencefalograma por su fcil implementacin y por el manejo de lecturas en tiempo real. Tambin existen mtodos alternativos de obtencin como la resonancia magntica funcional (fMRI), pero debido a su menor resolucin y tiempo de muestreo no son viables para las ICC que requieren un ndice de transferencia de informacin mayor a 3 decisiones por minuto.2. Algoritmo de traduccin: Dadas las seales obtenidas de los potenciales electroencefalogrficos se procede a implementar un algoritmo que interprete la seal de entrada a algo coherente, regularmente a una instruccin de movimiento o alguna orden, como el movimiento de un cursor. ste algoritmo de traduccin debe utilizar forzosamente parmetros autoajustables debido a la variedad en los procesos cerebrales y las sinapsis correspondientes (Wolpaw, 2000).3. Actuador final: Ya obtenida la traduccin de la funcin que el usuario estaba buscando se procede a realizar la misma, teniendo en cuenta que la realizacin de sta funcin tendr una repercusin en los procesos neuronales por la retroalimentacin sensorial que tendr el cerebro (dem).

Plasticidad mental

La plasticidad es la habilidad remarcable de los cerebros en desarrollo, maduros, o en envejecimiento, para adaptarse a un mundo cambiante. ste potencial es revelado cada vez que un organismo necesita adaptarse a un nuevo entorno o se recupera de un dao en el sistema nervioso. La plasticidad ocurre en los sistemas motores y sensoriales mediante la privacin de una seal o sobre estimulacin, incremento o decremento del uso o aprendiendo nuevas habilidades. Estos cambios dependientes de la experiencia pueden ser tan sutiles como los cambios en la excitabilidad neuronal o tan dramticos como la re escritura de la corteza auditiva para procesar informacin visual (Moucha, 2006). La plasticidad mental es el recurso que nos permitir ejercer un control cerebral sobre un elemento real mediante la creacin de nuevas funciones en el cerebro que sean especficas para el la interaccin con la ICC.

Clasificacin de las ICC.

De acuerdo a las caractersticas de las ICC se pueden hacer varias clasificaciones, estas clasificaciones pueden variar entre autores. Se mencionan las clasificaciones para ICCs electroencefalogrficos ms significativas de acuerdo a la funcionalidad:1. Clasificacin de acuerdo al mtodo de obtencin de los potenciales.2. Clasificacin de acuerdo al tipo de actividad cognitiva desarrollada.

Clasificacin de acuerdo a la obtencin de los potenciales:

Se tienen en cuenta el posicionamiento de los electrodos que funcionan como transductores de momentos dipolares a un nivel de voltaje correspondiente a una seal caracterstica de un proceso mental. Las clasificaciones son las siguientes: Intraenceflicas: Tambin conocidas como neuroprtesis, proceden de electrodos que son introducidos directamente dentro en la corteza cerebral (stos electrodos deben estar al menos un centmetro adentro de la superficie del crnceo), en ocasiones stos son derivados de la forzosa insercin de una neuroprtesis sensorial y stos son utilizados tambin para la interfaz Ventajas relativas:1. Al obtener la seal directamente de la corteza cerebral no existen ruidos derivados de la interaccin de la seal elctrica con material blando pericraneal.2. Alta resolucin.

Desventajas relativas:1. Mtodo invasivo.2. Posibilidad de rechazo de los electrodos.3. Obsolescencia de los electrodos despus de cierto lapso de tiempo dependiente de la persona en la que est aplicada.4. Su insercin requiere personal altamente especializado.

Electrodo invasivo: Tambin se encuentran dentro de la corteza cerebral con la diferencia de que los electrodos deben estar posicionados a una distancia menor de un centmetro de la superficie craneal. Ventajas relativas:1. No existe ruido por interferencia interna.2. Alta resolucin.

Desventajas relativas:1. Mtodo invasivo.2. Posibilidad de rechazo de los electrodos.

Superficiales: Son los ms comunes e incluso algunas ICC funcionando bajo muestreo de electrodos superficiales estn disponibles comercialmente. Aqu todos los electrodos son posicionados en la superficie craneal. Ventajas relativas:1. No requiere especializacin.2. Precio bajo3. Mtodo no invasivo

Desventajas relativas:1. Ruido elevado

Clasificacin de acuerdo al evento cognitivo estudiado.

Las ICCs trabajan con base a eventos cognitivos, ya que el usuario al momento de interactuar con la interfaz debe tener la consciencia de lo que puede hacer y con base a una decisin a consciencia de lo que quiere hacer va a mandar conscientemente una seal muy especfica, de acuerdo al proceso cognitivo que afecta al paciente se tienen dos grupos de ICCs: Endrgenas: El usuario genera sus propias seales de acuerdo a un pensamiento abstracto que no tiene que ver con su entorno. Ventajas:1. Su funcionamiento es independiente del entorno. Desventajas:1. Requiere un entrenamiento extensivo. Aplicacin caracterstica:1. Movimiento de un cursor en un espacio bidimensional. Exgenas: El usuario est en un entorno controlado con estmulos sensoriales especficos. Ventajas:1. No requiere un entrenamiento extensivo. Desventajas:1. Requiere un entorno controlado. Aplicacin caracterstica:1. Diferir entre dos alternativas presentadas en una pantalla.

Electroencefalografa.

La electroencefalografa (EEG) es una representacin de la actividad elctrica que se registra alrededor del encfalo. Las fluctuaciones de voltaje del EEG se dan gracias a las corrientes inicas dentro de las neuronas del cerebro (Niedermeyer, 2004). La primera electroencefalografa realizada en un ser humano se hizo en el ao de 1924 por el alemn Hans Berger y se ha ido perfeccionando a lo largo del tiempo al grado que ahora cualquier persona con poca experiencia en instrumentacin mdica puede hacer un electroencefalograma (EMOTIV, 2014).Los sistemas utilizados para la electroencefalografa pueden ser analgicos o digitales, ambas toman las mediciones de la misma manera, con la diferencia de que una vez adquirida la seal (originalmente analgica), los electroencefalgrafos digitales necesitan hacer una conversin para almacenar los datos correspondientes a la seal de inters. Las BCI por lo general utilizan electroencefalogramas digitales para posteriormente hacer un anlisis mediante mtodos de procesamiento digital de seales (Telpan, 2002). Las partes bsicas de un electroencefalgrafo digital son las que siguen: Electrodos: Obtienen la seal de la superficie del crneo, o bien de la superficie cerebral. Amplificadores con filtros: Se encargan de eliminar ruidos y amplificar las seales a un rango en el que su conversin analgico-digital tenga un mejor resultado. Conversor analgico-digital: Presenta la informacin en un formato que puede ser interpretado por sistemas digitales. Dispositivo de almacenamiento: Una computadora personal o dispositivo afn capaz de almacenar la informacin del EEG

Norma internacional 10-20.

Desde el ao de 1958 la Feredacin Nacional de Electroencefalografa y Neurociruga Clnica adopta la norma 10-20 para disposicin y designacin de electrodos para uso en electroencefalografa. sta norma estandariza la disposicin fsica y la designacin de los electrodos en el crneo. La norma designa distancias proporcionales a la distancia que hay entre las orejas a la nariz de una persona. La designacin de los electrodos est designada de acuerdo a las zonas cerebrales adyacentes: Se designa F para frontal, T para temporal, O para occipital, P para posterior, y C para central. La utilizacin de la norma no es obligatoria para realizar un electroencefalograma pero su uso es muy comn en aplicaciones de investigacin con el objetivo de que las experiencias evocadas en los experimentos tengan repetitividad entre individuos (Jasper, 1958).En la Figura se muestra la disposicin de los electrodos segn la norma, se puede apreciar que la disposicin no toma en cuenta medidas concretas de posicionamiento de los electrodos, lo que se toma en cuenta es la proporcin de las dimensiones del crneo de una persona. Tngase en cuenta que la letra designa al lbulo cerebral que se medir mientras que el carcter de al lado designa con una z a los electrodos ubicados en la lnea media del encfalo, mientras que los nmeros pares hacen referencia a electrodos en el hemisferio derecho del encfalo mientras que los impares hacen referencia al izquierdo.

Figura 1 Disposicin de electrodos y nomenclatura segn la norma 10-20.

Procesamiento digital de seales:

Todas las seales contienen informacin, y esa informacin puede ser extrada aplicando diversos mtodos. El mtodo de extraccin de informacin depende de la naturaleza y comportamiento de la seal que se est estudiando. Hablando de manera rudimentaria, el procesamiento de seales est relacionado con la representacin matemtica de la seal y la operacin algortmica que se lleva a cabo para extraer la informacin presente (Sanjit, 2006). Dado que se est buscando buscando extraer informacin especfica de una seal sumamente compleja que contiene una cantidad inmensa de informacin, es necesario un dominio extenso en el rea del procesamiento de seales, especficamente de las seales digitales debido a que las computadoras son nuestro objetivo de comunicacin y a la vez son sistemas digitales, sin mencionar cual difcil, robusta y obsoleta sera una aplicacin de procesamiento de seales analgica. Mediante el procesamiento digital de seales (PDS) se busca obtener parmetros cuantificables que nos hablen de la seal del EEG, en general, para obtencin de parmetros cuantificables mediante el PDS se pueden tener dos grandes tipos de anlisis, de los cuales se hablar a continuacin:

Anlisis en dominio del tiempo.

En un principio, todas las seales reales son adquiridas mediante sensores que proporcionan informacin a un computador en un periodo de tiempo, sta serie de datos son los que conforman una seal per se y a ste formato de la seal en especfico se le denomina seal en el dominio del tiempo, porque para cada punto en el tiempo se tiene un valor de la seal. Los parmetros obtenidos en ste dominio son slo significativos para seales relativamente sencillas. Algunos parmetros que se pueden obtener en ste dominio son: Media: El valor medio o promedio de los valores de la seal. Desviacin estndar: La esperanza de la desviacin de un conjunto respecto de su media. Varianza: Es el cuadrado de la esperanza de la desviacin de un conjunto respecto de su media.

Anlisis en el dominio de la frecuencia.

En el procesamiento de seales son bien conocidas las series de Furier, que demuestran que cualquier funcin peridica en el tiempo puede ser expresada en funcin de otras funciones peridicas con diferentes frecuencias como se observa en la figura 2. Con base en lo anterior se asume que es posible representar una seal que se encuentre en el dominio del tiempo mediante una funcin que est en el dominio de la frecuencia.Figura 2 Descomposicin de una funcin peridica en dems funciones peridicas

Figura 3: Funcin en el dominio del tiempo (izquierda), series de Fourier (atrs) y funcin en el dominio de la frecuencia (derecha)

Por lo general la representacin de una seal en el dominio de la frecuencia nos arroja mucha mayor informacin, especialmente cuando estamos trabajando con seales biolgicas, esto se debe a que todos los procesos de inters en los sistemas vivos se repiten con una determinada frecuencia, y son fcilmente apreciables en el dominio de la frecuencia. Y son caractersticos especialmente de los procesos cognitivos en el cerebro (Timpofeev, 2005).

Sistemas neurodifusos

Los sistemas de lgica difusa y las redes neuronales artificiales son conceptos relativamente nuevos que se han desarrollado mayormente a lo largo del ltimo siglo por cientficos que en su mayora son de origen japons, formando un nuevo campo de estudios conocido como cmputo suave. El objetivo del cmputo suave es el desarrollo de algoritmos que ayuden a resolver problemas robustos con simplicidad. El desarrollo de las teoras y la implementacin del cmputo suave han tenido repercusiones tanto positivas como negativas por parte de la comunidad cientfica, ya que su sencillez de aplicacin los hacen susceptibles a crticas por parte de disciplinas ms convencionales, como por ejemplo la teora de control (Martin, 1996).Las redes neuronales artificiales se crearon inspirndose en las redes neuronales naturales, y su desarrollo nos ha llevado a un punto en el que existen redes neuronales que son capaces de detectar patrones complejos mediante algoritmos que son relativamente sencillos al compararlos con tcnicas clsicas (idem). Aunado a esto tenemos la lgica difusa, que nos permite hacer un control de cualquier tipo de sistemas mediante la definicin de reglas lingstica que son fcilmente traducibles y aplicables dentro de un sistema de inferencia difusa (Ross, 2004). La principal controversia de los sistemas neurodifusos es que en conjunto pueden sustituir fcilmente a cualquier otro sistema que involucre un proceso de informacin y un control de actuadores utilizando cmputos mucho menos robustos.

Estado del arte

Una conferencia de BCIs.

Uno de los eventos con mayor trascendencia en la historia de las interfaces cerebro computadora (en adelante referidas como ICCs) fue la Primer reunin internacional de tecnologas de cerebro computadora, que se llev a cabo en Junio de 1999 en Albania, Nueva York y a la que asistieron 50 cientficos e ingenieros pertenecientes a 22 grupos de investigacin de pases como Esados Unidos, Canad, Grn Bretaa, Alemania, Austria e Italia (Wolpaw, 2000). En sta cumbre se vieron varios puntos de vista de los diferentes desarrolladores para tener un panorama del estado actual de los ICC, dentro de sta reunin se consultaron los siguientes temas:1. Revisin del estado actual de la investigacin de las ICC.2. Definir los objetivos de las investigaciones de las ICC.3. Identificar y enumerar las dificultades tcnicas.4. Considerar el desarrollo de un standard de procedimientos de investigacin y mtodos de decisin.Adems de la estandarizacin y difusin de las tcnicas de censado, anlisis, y entrenamiento en el contexto de las BCI, en ste reunin se difundieron cuatro principios bio-tecnolgico-ticos que se deben seguir al momento de la implementacin de los BCI, surgidos a raz de la amenaza de bioretroalimentacin (fenmeno que ocurre dentro de los BCI en el que una persona puede presentar cambios en su estado de nimo a travs de los diferentes tipos de interaccin con la mquina desde el cerebro). Dichos principios se enunciaron a finales de la dcada de los setentas y se conocen como Reporte de Belmont, stos enuncian lo siguiente (---, 1979):

ICC con electrodos invasivos:

En el ao de 2004 un grupo de especialistas logr una ICC con electrodos invasivos implantados en pacientes que se iban a someter a ciruga cerebral y que aprovechando la intervencin decidieron entrar al programa de ICC. sta ICC es la que ms ndice de xito ha reportado hasta el momento ya que lograron tener un ndice de xito de hasta 100% en los comandos pensados por el usuario en tiempo real (Leuhartdt, 2004). Ya se habl anteriormente de la ventaja abismal que tienen las ICCs que utilizan electrodos invasivos con respecto a los electrodos superficiales, debido principalmente a la resolucin que presentan. A pesar de que se tienen resultados sorprendentes sin un entrenamiento extensivo o un procesamiento de seal muy robusto, stas ICC no son factibles para desarrollar debido al peligro que involucra el implantar un electrodo en la corteza cerebral

ICCs comerciales con electrodos superficiales:

En la presente seccin se harn comparativos entre las ICCs comerciales para dar una idea de las caractersticas con las que se pretende competir y mejorar. Algunos precios vienen dados en dlares con el fin de que no se tenga que hacer un balance nuevo en pesos cada que cambie el tipo de cambio pesos-dlar. Los precios mostrados no incluyen envo.

EMOTIV-EPOC

Figura 4: EPOC de la empresa EMOTIVDescripcin: La empresa australiana EMOTIV lanza al mercado su ICC con fines de investigacin: EPOC, la cual define como una interfaz diseada para investigaciones prcticas de aplicaciones contextualizadas.

Caractersticas:

14 canales conforme a la norma 10-20. 2 referencias. Comunicacin wi-fi a 2.4 GHz Provee acceso a EEG de alta calidad (comprando software que se vende aparte del EPOC) Contiene un kit de desarrollo de software. Provee libreras para deteccin de expresiones faciales, comandos mentales, funciones cerebrales y estado de nimo 16 electrodos requieren solucin salina.

Observaciones: No se puede hacer un anlisis distinto a los que incluye el kit de desarrollo de software ya que las libreras (dll) que controlan a EPOC son cdigo cerrado y no se da una interfaz para acceder.

Costo: 399 USD. + Software para desarrollador (no especificado)

Pgina web: http://emotiv.com/

EMOTIV-Insight

Figura 5: Insight de la empresa EMOTIVDescripcin: La empresa australiana EMOTIV lanza al mercado su ICC, sta vez orientado a aplicaciones concretas: Insight. Se puede apreciar a simple vista que el objetivo de sta ICC no es la investigacin sino la implementacin en la vida cotidiana, ya que sta

Caractersticas:

5 canales conforme a la norma 10-20. (incluye referencia) Filtros noise cancel (filtra para obtener nicamente la seal de EEG ms significativa de acuerdo a resultados previos). Deteccin de expresiones faciales y estados de nimo.

Observaciones: No indica con qu tipo de dispositivos es posible comunicarse, no se encuentra a la venta todava.

Costo: 299 USD.

Pgina web: http://emotiv.com/

NEUROSKY-Thinkgear

Descripcin: NEUROSKY lanza una plataforma que da la seal en crudo de EEG de bajo costo. No se puede encontrar mucha informacin porque al parecer est descontinuada, se puede pensar que el verdadero negocio de las ICC es vender las aplicaciones posibles para el producto por separado.

Caractersticas:

Coneccin directa a un electrodo seco. Tres canales (seal, referencia y tierra). Deteccin de seales extremadamente pequeas. Seal de EEG cruda.

Observaciones: No se encuentra disponible en la tienda en lnea ni en ningn otro sitio, lo que da a pensar que est descontinuada

Costo: No disponible

Pgina web: http://neurosky.com/products-markets/eeg-biosensors/hardware/

Mattel-MindFlex

Figura 6: Mindflex de Mattel

Descripcin: Mattel apostando por el negocio de las ICCs lanza mind flex, que se compone de dos dispositivos de sensado involucrando a dos personas en un juego en el que gana la ms concentrada.

Caractersticas:

Deteccin de ondas RAM (mayores a 32 Hz). Tres canales (seal, referencia y tierra).

Observaciones: Intil para aplicaciones distintas a la que se propone.

Costo: No disponible

Pgina web: http://mindflexgames.com/

Propuesta de solucin

En la presente seccin se presentarn tecnologas que podemos utilizar para la resolucin del problema que estamos combatiendo, dividido en tres grandes aspectos: Electroencefalografa, acondicionamiento de seales, procesamiento digital de seales y al actuador final.

Electroencefalografa

Premium Reusable Gold Cup EEG Electrodes

Descripcin: Paquete de 10 electrodos de oro para electroencefalografa

Caractersticas:

Resolucin de calidad para EEG. Cabla de 60.

Observaciones: Electrodos para EEG de calidad media.

Costo: 100 USD.

Pgina web: http://www.ebay.com/itm/Premium-Reusable-Gold-Cup-EEG-Electrodes-60-10-pkg-/350913692343?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item51b41602b7

2290976 EEG Gold Cup Electrodes 1.0ml 12 Per Pack

Descripcin: Paquete de 12 electrodos de oro para electroencefalografa

Caractersticas:

Alta resolucin en EEG superficiales

Observaciones: Electrodos para EEG de calidad premium.

Costo: 210.62 USD.

Pgina web: http://www.amazon.com/Electrodes-019-414400-Natus-Neurology-Inc/dp/B00IK4LC82/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1412705375&sr=8-1&keywords=eeg+electrodes

Acondicionamiento de seales

AD620

Descripcin: Amplificador de instrumentacin de calidad media.

Caractersticas:

Amplificador de instrumentacin de bajo costo y de baja resolucin. Offset mximo de 50 V. Tiempo de establecimiento de 15 s. Ganancia variable de 1 a 10,000 Bajo consumo de corriente

Observaciones: Confiable y robusto, se tiene experiencia trabajando con l.

Costo: $80.

Pgina web: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD620.pdf

AD620

Descripcin: Amplificador de instrumentacin de calidad alta.

Caractersticas:

Amplificador de instrumentacin de bajo costo y de baja resolucin. Offset mximo de 0.3 V/C. Tiempo de establecimiento de 5 s. Ganancia variable de 1 a 10,000 Consumo de 115mA.

Observaciones: Robusto y preciso..

Costo: 5 USD.

Pgina web: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8237.pdf

Procesamiento digital de seales

C/C++

Descripcin: Lenguaje de programacin.

Caractersticas:

Libraras de filtrado y procesamiento disponibles en internet. No tiene soporte. Tiempo de desarrollo de aplicaciones elevado. No se requiere una licencia.

MATLAB

Descripcin: Software de desarrollo con lenguaje de alto nivel.

Caractersticas:

Libreras intrnsecas de procesamiento digital de seales. Soporte tcnico. Lenguaje sencillo y de alto nivel. Cdigos de ejemplo. Referencia para la comunicad cientfica.

Observaciones: Experiencia de 3 aos en su uso.

Pgina web: http://www.mathworks.com/products/matlab/

LabVIEW

Descripcin: Herramienta para desarrollo de aplicaciones de ingeniera y ciencia.

Caractersticas:

Libreras intrnsecas de procesamiento digital de seales. Soporte tcnico y apoyo de desarrollador certificado. Lenguaje grfico centrado en el flujo de datos. Cdigos de ejemplo. Usado en el CERN.

Observaciones: Experiencia de 1 aos en su uso.

Pgina web: http://www.ni.com/labview/esa/

Actuador final

Carro a control remoto 1:24 1967 Ford Mustang

Descripcin: Carro elctrico a control remoto modelo Mustang 67.

Caractersticas:

Mltiples frecuencias para controlar. Movimiento adelante-atrs e izquierda-derecha. Requiere cuatro bateras AA.

Observaciones: Llamativo y funcional.

Costo: 12.97 USD.

Pgina web: http://www.amazon.com/Maisto-1967-Ford-Mustang-Colors/dp/B000HH6KFA/ref=zg_bs_166588011_1/192-1834720-1025145

Brazo electro-mecnico Steren:

Descripcin: Brazo mecnico de 5 grados de libertad con motoreductores.

Caractersticas:

5 Grados de libertad. Almbrico. Requiere 4 pilas tipo D.

Observaciones: Adaptable fcilmente gracias a su control almbrico.

Costo: $860.

Pgina web: http://www.steren.com.mx/catalogo/prod.asp?p=2090

Bibliografa

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