Elaboración de Un Prototipo de Electroencefalograma (EEG)

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE INGENIERÍA

CIRC CI RCUI UITO TOS S ELECT ELECTR R NICO NICOS S Circuito EEG   Circuito

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 Proyecto  Proyec to Final

Alumno:

Jesús José Navarrete Baca B aca (301429)

Profesor:

PhD. Maria Cristina Maldonado Orozco

Grupo:

6HW1

Fecha de Entrega:

31/05/2018

  Chihuahua, Chihuahua, México

 

Circuitos Electrónicos

 Introducción  Los EEG (Electroencefalogramas) son una forma no invasiva de mirar dentro del cerebro humano. Si bien el cerebro es extremadamente complejo, las áreas del mismo pueden  bloquearse en patrones circulares de disparo, lo que da como resultado ondas cerebrales reveladoras que se pueden observar con el equipo adecuado. La intensidad de estas ondas cambia dependiendo de su estado interno. Las ondas que más fácilmente podremos distinguir son las ondas alfa  y beta: las ondas alfa se producen alrededor de 8-12 Hz y cuando se miden desde el lóbulo frontal proporcionan una estimación de qué tan relajada está una persona, mientras que las ondas beta están alrededor de 12- 30 Hz y corresponde a cuánto se concentra una persona o qué tan alerta están.

 Anexo: Partes del Encé alo 

 Anexo: Clasi icación de Ondas  

 

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La concentración de cada ola también puede contar cosas más específicas sobre sus  patrones de pensamiento dependiendo de dónde se midan. Por ejemplo, las concentraciones alfa en la corteza motora izquierda aumentan cuando piensas en mover tu mano derecha. Independientemente de dónde se realicen las mediciones, observar las concentraciones de ondas en tiempo real es un proceso llamado biorretroacción cuyo principal beneficio es que  puede brindar un control mucho mayor sobre esta ondas mesurables.

 Electrodos para Electroencefalografía Técnicamente la actividad bioeléctrica cerebral es captada a nivel del cuero cabelludo por los electrodos, luego es amplificada y, finalmente, registrada. Los electrodos deben ser diseñados y construidos de tal manera que permitan registrar la actividad eléctrica en forma eficiente y con el mínimo de distorsión. En fisiología, las características de lo que se va a registrar y su situación anatómica determinan el tipo de electrodos a utilizar y éstos, a su vez, el tipo de circuito amplificador que se necesita. Aunque los electrodos pueden ser de tamaño, forma y materiales distintos, y aplicados sobre el cuero cabelludo por diferentes medios, deben tenerse en cuenta algunos principios generales en su diseño y uso. Lo importante de resaltar es que de nada sirve tener dispositivos de amplificación avanzados y de gran potencia, si de todos modos ya la señal va a llegar con distorsión desde los electrodos, es decir antes de llegar a los amplificadores.

 Anexo: Electrodos ara EEG 

 

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 El amplificador operacional Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrónico que normalmente se presenta como circuito integrado, que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de ganancia, Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es muy elevada, la de salida  prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición.

 Anexo: OPAMP 

Ganancias en modo común y en modo diferencial en un amplificador operacional. La señal en modo común produce un error a la salida imposible de distinguir de la señal diferencial. El objetivo prioritario en el diseño de estos amplificadores será el de reducir lo máximo posible la ganancia en modo común y para ello ahora trataremos de hallar las ganancias en modo común y en modo diferencial estas ganancias nos servirán para hallar el factor de rechazo en modo común (CMRR).

Factor de rechazo en modo común (CMRR) Es la razón de rechazo al modo común (o CMRR, de las siglas en inglés Common Mode Rejection Ratio) es uno de los parámetros de un amplificador operacional. En un conjunto de amplificadores operacionales configurados como amplificador de instrumentación, cuando el V1 (V−) y el e l V2 (V+) son iguales, existe una pequeña señal de salida en el amplificador operacional, cuando lo ideal sería que esta fuera cero. La CMRR es una medida del rechazo que ofrece la configuración a la entrada de voltaje común.

 

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 El amplificador de instrumentación El amplificador de instrumentación se puede construir a base de componentes discretos con operacionales o también para reducir el hardware se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el AD620AN modo optimo reduce ruidos). La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este dispositivo se utiliza ya que sirve para trabajar con señales muy pequeñas, el objetivo  primordial de este amplificador es la minimización del error de medida de los electrodos, ya que en cada electrodo es portador de ruido y al restar ambas señales anulamos el efecto del ruido, además se amplifica esta diferencia de acuerdo a un factor en relación a las resistencias de la estructura del amplificador de instrumentación.

 Anexo: Amplificador de Instrumentación basado en 3 opamps 

 PIEZAS PARA LA CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO EEG -Chips. (1x) Amplificador de instrumentación - AD620AN –  AD620AN  –  (Esta  (Esta es la parte más cara e importante. Aunque técnicamente se puede hacer el amplificador de instrumentación a partir de 3 amplificadores operacionales, nunca pude obtener el mío para darme buenos resultados)

 

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(2x) Amplificador operacional cuádruple TL084CN - Cualquier Op-Amp funcionará. Se necesitan 5 amplificadores individuales, este chip incluye 4 internamente.

-Condensadores. 1x 10 nF, cerámico 1x 20 nF, cerámico 1x 100 nF, cerámico 5x 220 nF, cerámico 1x 1uF, electrolítico 2x 10uF, electrolítico

-Resistencias. 1x 1KΩ Potenciómetro 2x 12Ω 1x 220Ω 1x 560Ω 2x 22kΩ 1x 47kΩ 2x 100kΩ 2x 180kΩ 1x 220kΩ 2x 270kΩ 1x 1MΩ  1MΩ 

-Electrodos y Gel. 3x Electrodos para EEG de baño de plata u oro (punta slice o copa). 1x Gel electro-conductivo.

 

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 IMÁGENES DEL CIRCUITO ARMADO

 

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 DIAGRAMA ELECTRONICO

Nota: El circuito Origen se añade al momento de la entrega de este documento, dicho diseño lo realice en el software de simulacion Proteus VSM.

  Chihuahua, Chihuahua, México

 

CIRCUITO ARMADO   EXPLICACION DEL CIRCUITO    Etapa 1 - Amplificador de instrumentación

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Un amplificador de instrumentación toma como entradas 2 voltajes, y saca la diferencia entre los dos multiplicada por alguna ganancia, G. Los amplificadores de instrumentación, sin embargo, no son perfectos. En los amplificadores reales, la salida está ligeramente sesgada si ambos voltajes de entrada se compensan de la misma manera en cierta cantidad. Un amplificador perfecto tomaría como entradas 2.1V y 2.2V, y produciría 0.1V * G. Uno real está influenciado por este desplazamiento común, y cambiará la salida ligeramente. La relación de rechazo de modo común (CMRR) es un valor dado al amplificador que corresponde a qué tan bien ignora el desplazamiento común entre las entradas. Un CMRR más alto es mejor y producirá algo más cercano a lo que haría un amplificador perfecto. Es  posible hacer su propio amplificador de instrumentación (generalmente con 3 amplificadores operacionales), pero se obtiene un CMRR bajo y este tipo de proyectos requiere un CMRR demasiado elevado. Personalmente, no pude obtener una buena lectura con un amplificador de instrumentación hecho con tres op07. La ganancia se modifica alterando el valor de la resistencia entre el pin 1 y 8. La hoja de datos del AD620AN ; La fórmula de ganancia que utiliza este chip es G = 1 + 49.400 / Rg, lo que equivale a una ganancia de 89.2  con una resistencia de 560 ohm. Este es un buen número para obtener los datos en un rango no minúsculo; Es aquí donde se conectaran dos de los tres electrodos activos (todos menos el que va a tierra) se conectarán a los pines 2 y 3 (-IN y + IN) respectivamente.

  Chihuahua, Chihuahua, México

 

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   Etapa 2 - filtro “  Notch” de 60 Hz ~(filtro de rechazo de banda)

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La mayor fuente de ruido en el sistema se centrará en 60 Hz, debido a la interferencia de la línea de alimentación. Incluso si se usan baterías para alimentar el circuito, se experimentará este ruido. Por esta razón, tendremos 2 filtros "Notch", filtros que tienen una reducción severa de ganancia alrededor de 1 frecuencia particular. Se usara uno ahora, para cortar tanta interferencia como se pueda antes de aplicar más ganancia al circuito, y uno al final, para cortar cualquier interferencia que podamos haber recogido. 

   Etapa 3 - Filtro pasa altas de 7Hz

 

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A medida que se miden datos a través de la piel, los datos finales también contendrán el voltaje de la respuesta galvánica de la piel en nuestra cabeza. Esto oscurecerá los datos cerebrales que queremos, y como esta interferencia es principalmente de baja frecuencia,  puede filtrarse con bastante facilidad con un filtro de paso alto (HPF). El trade-off al hacer esto es que también filtramos una gran cantidad de datos de ondas gamma / delta (las ondas cerebrales que son de aproximadamente 8 Hz y menos), pero si nuestro enfoque principal es la monitorización de ondas alfa / beta, esto no es mucho problem. Este filtro es un pasa altas de 2 polos con una frecuencia de corte de 7.23Hz. Una frecuencia de corte de 7.23Hz significa que a esta frecuencia, el circuito produce datos que se reducen aproximadamente al 71% de su valor original. Como es un filtro de paso alto, las frecuencias por encima de este límite se acercarán a una ganancia de 1, mientras que las frecuencias inferiores se reducirán continuamente. El filtro que tiene 2 polos significa que en la región por debajo de la frecuencia de corte, la ganancia cae mucho más rápido que un circuito resistor / condensador más simple. Más específicamente, en este circuito, el diseño

de doble polo reduce los datos por un factor de aproximadamente 56 en el momento en que llega a 1Hz, mientras que un solo polo solo lo reduciría en un factor de aproximadamente 7,5.

   Etapa 4 - Filtro pasa bajas de 31Hz

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Ahora, se filtran los datos por encima de las frecuencias que nos interesan. Más específicamente, a medida que la información de la onda beta se detiene en 30Hz, queremos deshacernos de cualquier cosa por encima de eso, ya que combinada puede

 

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contribuir una buena cantidad de ruido a nuestros datos. El diseño del circuito es muy similar al filtro de paso alto de la etapa 3 - que tiene una ganancia de 0,71 a 31.23Hz, y disminuye a partir de ahí a una velocidad tal que por 300Hz se han atenuado los datos en un factor de 100.

   Etapa 5  –  Filtro  Filtro Pasa altas de 1 Hz y ganancia de 83-455  

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El comienzo de este circuito contiene un filtro pasa altas de frecuencia de corte de 1 Hz), solo para una atenuación extra de ruido no deseado. En el otro extremo, la resistencia y el condensador en paralelo proporcionan un filtrado adicional de altas frecuencias. 1  =

2∗   ∗ 10 10 ∗ 10 100 0

  = 160 

El propósito principal de esta sección, sin embargo, se encuentra debajo de esto, con la resistencia de 220Ω y el potenciómetro. potenciómetro . Este op-amp es un amplificador no inversor, y así tiene una ganancia de G = 1 + Ra / (Rb + Rc), (ignorando el condensador de 10nF, ya que es un valor pequeño y no contribuirá mucho a la ganancia). El potenciómetro se usa para

 

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variar la ganancia del opamp al gusto. Esta ganancia de 83-455 se suma a la ganancia de 89.2x del amplificador de instrumentación inicial. La amplitud de la onda alfa varía de persona a persona, de aproximadamente 10 a 30 uV. Usando un valor medio de 20 uV, esto significa que la lectura del voltaje final puede variar desde 83 * 89.2 * 20e-6 = .148V a 455 * 89.2 * 20e-6 = .81172V.

   Etapa 6  –  Segundo  Segundo filtro Notch de 60 Hz 

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Incluso con todas las etapas de filtrado previas, los datos aún en este punto contienen una  buena cantidad de ruido de 60 Hz. Para solucionar esto, lo procese a través de otro filtro “ Notch  Notch””  centrado a 60 Hz, idéntico al primero. Los datos finales seguirán teniendo una  pequeña cantidad de ruido, pero eso puede ignorarse a través de las configuraciones del osciloscopio. Es en este punto donde se coloca la punta positiva del osciloscopio, exactamente entre la R13 de 22Kilos y el Capacitor cerámico C10 de 220nF y lógicamente la punta de tierra se aterriza en la tierra de la fuente de corriente con la que se suministra voltaje al circuito.

 

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CONCLUSION PERSONAL Inicialmente me guie con un circuito que consulte en la web, sin embargo este no me dio resultados favorables, por lo cual consulte con varios profesores de la facultad que se especializan en este ramo y me hicieron ciertas recomendaciones para que pudiera cumplir el cometido, si bien, es cierto que los instrumentos con los que conté para realizar el  proyecto no fueron para nada los adecuados, se logró filtrar y amplificar la onda que se ingresaba en el circuito por medio de un generador de funciones, esto es, la etapa en si más difícil de cumplir es la de adquisición de la señal emitida por el encéfalo ya que estamos hablando de micro volts, los electrodos que conseguí son electrodos médicos desechables que para nada pueden servir al captar este tipo de micro señales, en el caso del ECG es fácil  poder detectar la onda cardiaca debido a su magnitud y presencia en el cuerpo humano, muy contrario a lo que produce el encéfalo, las limitantes fueron fueron los cables especiales especiales de  plata y los electrodos de copa baño de oro o plata que se requieren para el correcto funcionamiento del prototipo, también las fuentes de información información en las cuales cuales me base

recomiendan usar un osciloscopio ultra sensible para amplificar de manera nativa la señal captada, así también en las primeras pruebas que realice con el circuito coloque los dos electrodos que van en la entrada del amplificador de instrumentación en el lóbulo frontal de mi cráneo y el tercero lo aterrice en mi oreja izquierda, lo que se mostró en el osciloscopio fue absolutamente una línea horizontal con lo cual se corroboro que no se tenía lectura alguna, por lo tanto se le inyecto al circuito una señal de 10 millivolts en la cual se puede  presenciar de manera lineal la onda esperada en un rango de 8-14 Hertz; El costo del circuito varia dependiente de donde se consiguen los materiales pero sin lugar a duda lo más caro es el amplificador de instrumentación, los electrodos y el gel electro-conductivo, fue un buen proyecto que me dejo un muy buen margen de conocimiento. Es cuánto.

 Anexo: Configuración de electrodos en un EEG especializado de ultima generación.  

 

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LINK VIDEO EVIDENCIA DEL PROYECTO

https://drive.google.com/drive/folders/1YCmuwjXJAn Ye9BSF_Wp6mUjDWddEJIIA?usp=sharing   Ye9BSF_Wp6mUjDWddEJIIA?usp=sharing

Referencias Education, C. (29 de 05 de 2018). 2018 ). ECE.CORNELL. Obtenido de https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/s2012/cwm55/cwm5 5_mj294/