Artefactos

Al utilizar auriculares EEG, algunas señales pueden interferir con las mediciones de las ondas cerebrales. Estas señales no deseadas, llamadas “artefactos”, vienen en dos tipos principales:

Artefactos intrínsecos: Estos son causados por biosignales normales que provienen de tu cuerpo, como:

• Actividad de los músculos faciales, del cuello y de la mandíbula: Sonreír, apretar los dientes, fruncir el ceño, parpadear, guiñar un ojo, masticar, hablar, girar la cabeza (músculos del cuello). Cada grupo muscular está ubicado más cerca de algunos sensores EEG y mucho más lejos de otros, por lo que la señal detectada en cada ubicación es diferente, haciendo que los artefactos sean más difíciles de eliminar. De hecho, Emotiv utiliza métodos de procesamiento de señales y aprendizaje automático para desenredar la distribución de las señales musculares y deducir qué grupos se están activando, ¡y por lo tanto, identificar tus expresiones faciales!

• Actividad ocular: Cada uno de tus ojos tiene una alta concentración de nervios en la superficie posterior (retina, nervios ópticos) y casi sin nervios en la superficie frontal. De hecho, tu ojo actúa como un gran dipolo con un desequilibrio de carga eléctrica de adelante hacia atrás. Cuando tus ojos giran en sus órbitas, el campo dipolar cambia de dirección para apuntar hacia donde miras, y esto se detecta como un cambio en el biopotencial de fondo que tiene un ángulo diferente con respecto a cada sensor EEG, lo que significa que no es una señal común a través de los sensores. Se generan además artefactos de señal por los músculos que controlan la rotación de tus ojos.

• Señales cardíacas: Tu corazón es una fuente significativa de señales musculares crudas que a veces pueden ser detectadas directamente por algunos o todos los canales EEG, de la misma manera que se registra un electrocardiograma. Los complejos característicos P-Q-R-S-T pueden observarse directamente ocasionalmente en algunos canales EEG. Un segundo tipo de artefacto cardíaco surge de los grandes vasos sanguíneos que se expanden y contraen mientras el corazón bombea sangre a través de tus arterias. Las paredes arteriales son musculares y generan señales secundarias a medida que se expanden y contraen al ritmo de nuestro ritmo cardíaco. Finalmente, si colocas un sensor directamente adyacente a una arteria significativa, el sensor puede desplazarse mecánicamente por el cambio de forma y tamaño del vaso, lo que lleva a movimientos rítmicos del sensor en la superficie de la piel, lo que puede cambiar la impedancia de contacto e inducir voltajes espurios sobre un patrón cíclico.

Estas acciones crean señales musculares, oculares y otros biosignales que pueden mezclarse con datos de ondas cerebrales. Usualmente, estos biosignals son significativamente más grandes que las señales cerebrales, dificultando la detección de la actividad cerebral a menos que se apliquen algún tipo de filtrado y separación de fuentes.

Los artefactos intrínsecos caen en categorías específicas y predecibles y existen muchas herramientas de preprocesamiento que pueden aplicarse para eliminarlos selectivamente. El método más común es el Análisis de Componentes Independientes (ICA, disponible en muchas bibliotecas como EEGLab, NME y otros), y métodos de Reconstrucción del Subespacio de Artefactos (ASR, rASR, más eficientes computacionalmente que ICA). Estos modelos se basan en descomponer una señal temporal en diferentes componentes, para luego reensamblar la señal a partir de un subconjunto de estos componentes que no están asociados con diferentes tipos de artefactos.

Los datos de EEG de Emotiv se entregan a la PC anfitriona en la forma más limpia posible, pero sin eliminar los artefactos intrínsecos de biosignales que pueden ser de interés para diferentes usuarios, lo que también mejora la habilidad de los métodos ICA y rASR para eliminar clases conocidas de artefactos intrínsecos porque sus señales no están distorsionadas por filtrado en el dispositivo.

Artefactos extrínsecos: Estos provienen de fuentes externas, tales como:

• Desplazamiento de sensores, el auricular moviéndose en tu cabeza o siendo golpeado.

• Campos eléctricos radiados de electrodomésticos, computadoras y otros equipos, transformadores y cableado eléctrico, particularmente a la frecuencia de línea de potencia eléctrica (50/60 Hz) y múltiplos armónicos de estas frecuencias. El ruido de línea de energía es a menudo la fuente más fuerte de artefactos en señales EEG. 

• Todos los sistemas EEG modernos usan convertidores de señal de analógico a digital que operan a una frecuencia de muestreo fija. Un fenómeno bien conocido con el muestreo digital es el aliasing, que ocurre cuando el sistema de muestreo encuentra una señal que tiene componentes de frecuencia superiores al 50% de la frecuencia de muestreo (la frecuencia de Nyquist). Por ejemplo, al muestrear a 128 Hz, la frecuencia de Nyquist es de 64 Hz, justo superior a la frecuencia de línea de 60 Hz. Sin embargo, los armónicos de 60 Hz: [120 Hz,  180 Hz, 240 Hz, …] "se envuelven" alrededor de la frecuencia de Nyquist y aparecen como señales falsas o "alias" a 8 Hz, 24 Hz, 16 Hz y así sucesivamente, porque el sistema digital muestrea una parte de cada segundo, tercero, cuarto … ciclo de estas señales de alta frecuencia. Los armónicos altos de la radiación de línea eléctrica están presentes porque las corrientes y los campos radiados en los sistemas de energía rara vez son ondas sinusoidales perfectas. Normalmente hay una potencia radiada sustancial detectable hasta aproximadamente el décimo armónico. Estas señales de alta frecuencia alias son indistinguibles de las oscilaciones reales en frecuencias más bajas dentro del rango típico de señales cerebrales, por lo que deben eliminarse de la señal entrante antes de que se presente al sistema de muestreo.

• Campos eléctricos estáticos de objetos cargados y personas cercanas: La acumulación de carga electrostática puede resultar en diferencias de potencial de muchos miles de voltios entre tú y otras personas y objetos circundantes. Por ejemplo, un objeto cargado positivamente atraerá cargas negativas en tu cuerpo y cabeza hacia ese objeto, y las cargas negativas serán repelidas, lo que resulta en una distribución desigual del potencial corporal debajo de diferentes sensores EEG. Los dispositivos Emotiv usan detección acoplada AC (filtro de paso alto analógico), con un único punto de referencia, para desacoplar la distribución desigual de carga estática en un grado significativo. Sin embargo, si tú o cualquiera de estas fuentes cargadas se mueve, la carga se mueve por tu cuerpo causando un potencial cambiante, que puede ser suficientemente rápido para ser transmitido a través de los filtros.

• Tu potencial electrostático puede cambiar lenta o instantáneamente si tomas carga o te descargas rápidamente, como al caminar sobre una alfombra o tocar objetos metálicos, quizás generando una chispa. Tu potencial corporal puede cambiar por decenas de miles de voltios en un instante, unos pocos segundos o más. Estos cambios pueden abrumar temporalmente los circuitos de cancelación de potencial corporal en sistemas EEG portátiles, resultando en picos masivos y una recuperación más lenta en las señales EEG.
  Los sistemas EEG basados en laboratorio pueden protegerse contra muchos de estos artefactos, por ejemplo, restringiendo el movimiento del sujeto, blindando eléctricamente el laboratorio, adjuntando un cable de puesta a tierra al sujeto para evitar la acumulación de carga electrostática, frecuencia de muestreo muy alta y así sucesivamente.
  
  Los sistemas EEG portátiles, operados por batería y inalámbricos no pueden depender de estas medidas y por lo tanto deben utilizar una serie de estrategias de mitigación. La tasa de transmisión de datos debe equilibrarse con la vida útil de la batería, porque los transmisores inalámbricos son bastante energéticamente intensos.

Reduciendo la Interferencia

Los auriculares EEG están diseñados para minimizar el ruido no deseado. La mayoría de las fuentes de ruido externas, tales como electricidad estática e interferencia electromagnética (por ejemplo, ruido de 50/60 Hz y armónicos de líneas de energía), aparecen como Ruido de Modo Común, donde el potencial subyacente del cuerpo oscila aproximadamente de la misma manera en todos los sensores. 

Los dispositivos Emotiv utilizan un sensor de referencia de punto único (CMS) para medir el potencial del cuerpo, combinado con un sistema de cancelación activa en el dominio analógico (la señal CMS es invertida y retroalimentada al sensor DRL para cancelar las oscilaciones de Modo Común y derivar un nivel de referencia EEG de bajo ruido para los amplificadores de entrada diferencial. Filtros analógicos de paso alto (acoplamiento AC) y paso bajo (filtro anti-alias analógico), sobremuestreo significativo a 2048Hz, seguido por un filtrado digital sucesivo sub-Nyquist, filtrado de ranura dual de 50/60Hz y muestreo hasta la frecuencia de transmisión de datos (128 o 256Hz) en el dominio digital en el procesador DSP en el auricular antes de la transmisión. Estas medidas atenúan la mayoría de las fuentes de ruido extrínseco a niveles indetectables cuando el auricular está correctamente filtrado y las impedancias de contacto son bajas.

Los artefactos de movimiento se minimizan gracias a nuestro diseño mecánico que soporta independientemente cada sensor y se ajusta al tamaño y forma de cada usuario.

Cómo EmotivPRO Maneja los Datos

Los datos EEG en EmotivPRO se registran exactamente como se reciben del auricular. El software no elimina automáticamente los artefactos de los movimientos musculares o oculares porque las técnicas de limpieza de datos (como ICA) funcionan mejor sobre datos crudos y sin filtrar. Sin embargo, como se describe arriba, los auriculares Emotiv aplican un procesamiento de señales cuidadosamente elaborado, lo que ayuda a producir señales limpias cuando el auricular tiene buen contacto, haciendo que los datos de ondas cerebrales sean más fáciles de analizar.