u729461

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PROYECTO DE GRADO
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el t́ıtulo de
INGENIERO ELECTRÓNICO
por
Camilo Ernesto Romero Meza
DESARROLLO DE UNA INTERFAZ CEREBRO-MÁQUINA PARA
ESTUDIAR E INCENTIVAR LA MEJORA DE CONCENTRACIÓN Y
ATENCIÓN, POR MEDIO DE POTENCIALES EVOCADOS
Sustentado el 14 de Diciembre de 2016 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Fredy Enrique Segura Quijano PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Mario Andrés Valderrama PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
- Jurados: Antonio Salazar Gomez PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
CERM
A mi padre, madre y hermano que siempre están para apoyarme y me permitieron
llegar hasta este punto ...
Agradecimientos
Principalmente agradezco a mis padres que han sido un ejemplo incréıble sobre la perseverancia, acti-
tud y trabajo duro que se debe llevar en la vida, además de ser mi fuente de apoyo incondicional para
todo momento, a mi hermano, fuente de apoyo, de aprendizaje y a su vez por ser un modelo de persona,
y también lo dedico a aquellas personas que ya no se encuentran con nosotros presencialmente, pero
que han dejado una gran marca en mı́, la cual ha ayudado a formarme hasta el d́ıa de hoy, las palabras
no creo que sean suficientes para el aprecio a todos ustedes.
Principalmente agradezco a la universidad de los Andes, por haberme permitido ser parte de ella,
brindarme la oportunidad de estudiar mi carrera, junto a una planta de docentes que me brindaron
gustosamente sus conocimientos y apoyo cada d́ıa.
Mis asesores, los cuales me brindaron la oportunidad y la confianza para recurrir a su conocimiento y
tiempo, además de tener la paciencia frente al desarrollo de la tesis y cuestiones académicas.
También quisiera agradecer a el estudiante Juan Sebastián Useche, el cual me aporto parte de su
tiempo y conocimiento respecto al manejo del dispositivo a utilizar en esta tesis.
Además, me gustaŕıa agradecer a las psicólogas Miladys Paola Redondo Marin de Colciencias y a Libia
Alvis Barranco de la Universidad Popular del Cesar, las cuales me apoyaron con fundamentos para
el desarrollo de esta tesis, y que a su vez me ofrecieron la posibilidad de trabajar más a fondo este
proyecto con ellas.
Y para finalizar, mi agradecimiento a mis compañeros de clases y de carrera, que no solo me ayudaron
al desarrollo de esta tesis, sino que además a través de estos años junto a su amistad, apoyo moral,
compañ́ıa y en ocasiones ganas de competencia, han aportado a mi gusto por mejorar y seguir adelante
en mi carrera profesional.
i
Tabla de contenido
1 Introducción 1
1.1 Descripción de la problemática y justificación del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Alcance y productos finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2 Objetivos Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Marco teórico, conceptual e histórico 5
2.1 Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Electroencefalograma EEG: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Potenciales Evocados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Potenciales Evocados Visuales en Estado Estable (SSVEP): . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Interfaz Cerebro-Maquina: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.5 Transformada de Fourier: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.6 Transformada Wavelet: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.7 Test de atención selectiva de Toulouse-Pieron: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Marco Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Efectos Negativos en Humanos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 IPC-2221A (Diseño PCB): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3 Norma Técnica Colombiana (NTC-61000): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.4 Psychtoolbox 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Marco Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 Antecedentes Externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 Antecedentes Locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Definición y especificación del trabajo 9
3.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Metodoloǵıa del trabajo 11
4.1 Plan de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.1 Investigación Teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.2 Diseño y pruebas de Interfaz Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1.3 Diseño y pruebas de Sistema de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1.4 Etapa de pruebas finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2 Búsqueda de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3 Alternativas de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 Trabajo realizado 15
5.1 Descripción del Resultado Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2 Trabajo Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6 Validación del trabajo 23
6.1 Metodoloǵıa de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.2 Validación de los resultados del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.3 Evaluación del plan de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7 Discusión 28
ii
TABLA DE CONTENIDO iii
8 Conclusiones y trabajos futuros 29
8.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
8.2 Trabajo Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Referencias 29
A Resumen Ejecutivo 31
B Materiales y proveedores 47
C Instrumentos 48
D Especificaciones adicionales 49
E Documentación adicional 50
Índice de figuras
5.1 Tarjeta de Adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2 Electrodos húmedos a utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.3 Diagrama de Conexión de electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.4 Caja Blanca Tarjeta de Adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.5 Caja Blanca Interfaz y Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.6 Est́ımulos a usar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.7 Caja Blanca Sistema Completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.8 Ventana de tratamiento de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.9 Menú Protocolo de Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.10 Test de Toulouse de 5x16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.11 Respuesta de Computadores 1 y 2 a est́ımulos generados de 22 Hz y 10 Hz respectivamente 21
5.12 Test de Números de 10 Números . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.1 Respuesta un Impulso 20 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.2 Respuesta Sincronización 30 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.3 Respuesta Test Toulouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.4 Respuesta test de Números . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
iv
Índice de tablas
1.1 Cumplimiento Primer Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Cumplimiento Segundo Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Cumplimiento Tercer Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Cumplimiento Cuarto Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Cumplimiento Quinto Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.1 Matriz de Evaluación de cumplimiento del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5.1 Comparación técnica entre la tarjeta desarrollada y productos comerciales.[9] . . . . . . 16
5.2 Tabla de Especificaciones de Computadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.1 Sujetos de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.2 Pruebas de un impulso a distintas frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.3 Pruebas de Sincronización a distintas frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.4 Resultados Test de Toulouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6.5 Resultados Test Números . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
C.1 Instrumentos usados en el proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
v
1. Introducción
1.1 Descripción de la problemática y justificación del trabajo
En Colombia no se ha desarrollado ni investigado mucho en el área de comunicación y control cerebral,
esta representa una innovadora e ilimitada ĺınea de investigación multidisciplinaria la cual ha atráıdo
la atención de diversas potencias a nivel mundial.
Esto se fundamenta en la funcionalidad del cerebro, el cual da instrucciones a través de los nervios
periféricos y los músculos en el cuerpo, aun aśı aunque estos no estén presentes la función del cere-
bro todav́ıa se desarrolla, este factor es uno de las principales motivos por lo que se busca avanzar
en este campo ya que las instrucciones realizadas por el cerebro, pueden verse reflejadas a través de
electroencefalograma (EEG), logrando que este último pueda ser un puente que conecta el cerebro
humano con cualquier dispositivo externo.[14]
Una de las fuentes que permite la visualización de estos cambios proviene del análisis de potenciales
evocados, al concentrarse en sistemas de medición de los mismos en estado estable, se obtiene una
gran velocidad de transferencia de información, esto con un tiempo de entrenamiento mı́nimo para el
usuario y con un requerimiento de menor cantidad canales de EEG.[1]
Actualmente se han desarrollado sistemas que permiten interfaz entre Cerebro y Maquina que constan
de procesamiento de señales e interfaz entre computador y dispositivos externos, estos sistemas se
caracterizan principalmente por innovar en términos de velocidad y de precio, ejemplos de estos son
los dispositivos Neurosky y Emotiv.
Uno de los muchos campos a los cuales en el presente se está aplicando el EEG consta de la psi-
coloǵıa y las pruebas médicas, en estos se busca lograr estudiar a través de patrones y/o est́ımulos
comportamientos, o condiciones de pacientes, más aun, principalmente se aplica para comprobar el
funcionamiento adecuado del sistema nervioso y alteraciones en el comportamiento neurológico del
paciente.
Para resumir, el uso de EEG ha permitido en estos años lograr una conexión de puente entre el cerebro
y cualquier medio tecnológico externo, el cual conduce a una adaptación del cerebro humano a este
sistema; el fin de este proyecto de grado será lograr mejorar e implementar un dispositivo portable de
EEG que analice a través de una estimulación visual potenciales evocados, esto con fines en este caso
de análisis de atención, concentración e investigación y que pueda ser facilitado a futuro a la rama de
entretenimiento y estudios o aplicaciones médicas.
Este trabajo busca a través de la combinación de herramienta existentes, lograr aplicar con resultados
exitosos la medición de EEG y potenciales evocados en estado estable, con el fin de lograr estimar,
apoyar y mejorar las capacidades de concentración y atención en las personas, siendo a su vez esta una
herramienta que pueda ser trabajada a futuro y ser mejorada dependiendo de los requerimientos y en
caso de ser necesario.
1.2 Alcance y productos finales
Desde la propuesta se han presentado diversos Alcances, los cuales sufrieron ligeros cambios en el
desarrollo del proyecto, los alcances finales presentados son los siguientes:
• Desarrollar un protocolo de pruebas acorde a la adquisición SSVEP.
• Lograr que el sistema sea más práctico y de fácil uso para cualquier usuario. [1] [9]
1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 2
• Desarrollar pruebas en por lo menos 3 grupos distintos de usuarios, con diferencias claras entre
estos como la edad y curso, cada uno de estos grupos formado mı́nimo de 2 usuarios.
• Obtener lectura de potenciales evocados a partir de la generación de est́ımulos visuales, que
proporcionen datos relevantes respecto a la concentración y la atención del usuario frente a un
Test.
• Desarrollar un sistema de bajo costo y a su vez que permita ser mejorado sin la necesidad de
volver a diseñarlo, esencialmente mejorar el software y la interfaz.
Los resultados finales de estos alcances fueron los siguientes:
Alcance Desarrollar un protocolo de pruebas acorde a la adquisición
SSVEP.
Final El protocolo de pruebas diseñado para el sistema, es acorde a
los test a desarrollar, permitiendo la generación y adquisición de
SSVEP. Teniendo en cuenta que en la pantalla se presentaron
imágenes que generan est́ımulos visuales a una frecuencia deter-
minada, la adquisición de los datos se desarrolló a través de la
tarjeta de adquisición y el procesamiento totalmente en computa-
dor.
Estado Deseado
Tabla 1.1: Cumplimiento Primer Alcance
Alcance Lograr que el sistema sea más práctico y de fácil uso para cualquier
usuario.
Final La interfaz desarrollada es amigable y de funcionamiento sencillo,
por lo que en el apartado de pruebas los usuarios pod́ıan selec-
cionar como se les indicaba en la interfaz, teniendo como única
desventaja el uso de Matlab (Software no libre), y problemas en
la conexión bluetooth, esto último debido al protocolo de conexión
de la tarjeta.
Estado Muy cercano a lo deseado
Tabla 1.2: Cumplimiento Segundo Alcance
Alcance Desarrollar pruebas en por lo menos 3 grupos distintos de usuarios,
con diferencias claras entre estos como la edad y curso, cada uno
de estos grupos formado mı́nimo de 2 usuarios.
Final El sistema fue probado en un total de 3 Grupos distintos, pero
uno de ellos contó tan solo con un usuario, siendo este el grupo
de menor edad.
Estado Aceptable
Tabla 1.3: Cumplimiento Tercer Alcance
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 3
Alcance Obtener lectura de potenciales evocados a partir de la generación
de est́ımulos visuales, que proporcionen datos relevantes respecto
a la concentración y la atención del usuario frente a un Test.
Final El sistema fue diseñado de forma correcta, lo cual permite re-
cepción y tratamiento de datos de la tarjeta de adquisición, pero
con las desventajas de que no se pod́ıa almacenar la señal ini-
cial recibida por la tarjeta (la señal después de ser tratada si era
guardada) debido a limitaciones computacionales.
Estado Aceptable
Tabla 1.4: Cumplimiento Cuarto Alcance
Alcance Desarrollar unsistema de bajo costo y a su vez que permita ser
mejorado sin la necesidad de volver a diseñarlo, esencialmente
mejorar el software y la interfaz.
Final El código e interfaz desarrollados en Matlab se pueden caracterizar
por la facilidad de cambios en el mismos y de constantes o variables
de las pruebas, por lo que dejando de lado que Matlab no es
software libre a diferencia de plataformas como Python y Android,
el resultado obtenido con este fue satisfactorio
Estado Deseado
Tabla 1.5: Cumplimiento Quinto Alcance
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo General
Desarrollo de una interfaz cerebro-máquina para estudiar e incentivar la mejora de concentración y
atención en estudiantes por medio de potenciales evocados en medio estable.
Este objetivo es distinto al de la propuesta entregada a finales del semestre pasado, esto debido a que
en un principio se buscaba aplicar la medición de potenciales evocados al aprendizaje, debido a que es
un tema muy extenso y en la cual por lo investigado requiere de dispositivos EEG de varios canales y
gran frecuencia de adquisición, se cambió el área objetivo para trabajar con los potenciales evocados.
1.3.2 Objetivos Espećıficos
• Generar est́ımulos visuales con el fin de observar patrones relacionados a la atención y concen-
tración por medio de potenciales evocados en estado estable.
• Implementar un sistema de tratamiento de datos integrado en la interfaz a desarrollar.
• Generar un protocolo de pruebas que permita verificar la funcionalidad del dispositivo.
• Lograr que el dispositivo sea portable y de bajo costo, con el fin de validar el prototipo final.
• Lograr reducir el tamaño de los dispositivos hardware desarrollados anteriormente en la uni-
versidad para medición de EEG, y a su vez lograr que estos sean más prácticos para cualquier
usuario.
• Desarrollar pruebas en por lo menos 3 grupos distintos de usuarios, con diferencias claras entre
estos como la edad y/o colegio, cada uno de estos grupos formado mı́nimo de 2 usuarios.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 4
• Obtener lectura de potenciales evocados a partir de la generación de est́ımulos visuales, que
proporcionen datos relevantes respecto a la concentración y atención de un usuario.
• Desarrollar un sistema de bajo costo y a su vez que permita ser mejorado sin la necesidad de
volver a diseñarlo.
2.Marco teórico, conceptual e histórico
2.1 Marco Teórico
2.1.1 Electroencefalograma EEG:
Este corresponde a la representación de la actividad eléctrica del cerebro. Se basa en la medición de
la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos (en este caso delimitado por dos electrodos), con
respecto a una referencia. Estas señales obtenidas corresponden a la suma de las señales producidas
por las neuronas al realizar alguna actividad o generar un est́ımulo, por lo cual se generan potenciales
con amplitudes en el rango de µV. [4]
2.1.2 Potenciales Evocados:
Son un tipo espećıfico de señal visualizada por medio de EEG y generada por un est́ımulo visual,
auditivo, o táctil y el registro de las respuestas cerebrales que estos provocan, estas pueden establecer
la v́ıa sensitiva que está siendo estimulada. En el campo medico el análisis de estos tiene como objetivo
restablecer enfoques de control comunicativos y ambientales con objetos tales como prótesis, y en el
campo no medico se aplica para juegos de entretenimiento, hogares inteligentes y demás.[1]
2.1.3 Potenciales Evocados Visuales en Estado Estable (SSVEP):
Son un tipo de potencial evocado con la caracteŕıstica de ser producida cuando los sentidos reciben
una excitación en frecuencias mayores a 2 Hz, y con una componente armónica cuando son mayores a
6 Hz, caracterizado principalmente por un aumento de la actividad eléctrica alrededor de la frecuencia
de estimulación.[1]
2.1.4 Interfaz Cerebro-Maquina:
Este nombre denota a los sistemas que buscan generar una conexión entre el cerebro y algún dispositivo
considerado como máquina (por ejemplo, en el proyecto se empleará un computador), a partir de las
señales producidas por el cerebro y por patrones considerados en la máquina conectada, se pueden
generar señales de control especificas a la señal producida; sin embargo, la señal producida por estas
señales debe ser adquirida por encefalograf́ıa en una frecuencia o intervalo de tiempo lo más cercano
posible a tiempo real. [10]
2.1.5 Transformada de Fourier:
Esta transformada tiene como principal aplicación representar una función no periódica para todos los
valores X a analizar, esto se logra teniendo en cuenta un intervalo que tiende a infinito de la siguiente
forma:
F (k) =
1√
2π
∫ +∞
−∞
f(x)e−ikxdx (2.1)
Este es utilizado para el procesamiento y análisis de señales en términos de frecuencia para señales no
periódicas, pero, esta no brinda más infomación aparte de la presencia de una frecuencia especifica en
una señal y un valor de enerǵıa de la componente en la señal, puede ser utilizada para identificar las
frecuencias a obtener en EEG.[3]
5
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 6
2.1.6 Transformada Wavelet:
Esta transformada es la descomposición de una función f(t) en el espacio de tiempo, en un conjunto
de funciones que forman una base y son denominadas ”Wavelets”, esta se define de la siguiente forma:
Wf (s, τ) =
∫
f(t)ψ∗s,τ (t)dt (2.2)
Las Wavelets son generadas a partir de la traslación y cambio de escala de una misma función wavelet
ψ(t), esta llamada ”Wavelete madre” definida de la siguiente forma:
ψ∗s,τ (t) =
1√
s
ψ(
r − τ
s
) (2.3)
Donde s es el factor de escala y τ es el factor de traslación, en otras palabras, estas generan una función
con respecto a la descomposición en términos de tiempo y que posee un rango como dependiente de
τ .[3] Esto es importante debido a que se puede representar un valor en términos de frecuencia con un
rango estipulado.
2.1.7 Test de atención selectiva de Toulouse-Pieron:
Este es un test desarrollado en papel y lápiz que requiere por medio de búsqueda visual, coordinación
viso-motora, rapidez en análisis e ignorar elementos distractores en la ejecución de una respuesta, es
una prueba útil que mediante errores en una cantidad limitada de tiempo en una búsqueda, permiten
determinar dependiendo del grado de complejidad de la prueba factores como el procesamiento au-
tomático y procesamiento controlado, hasta personas con condiciones de salud normales y personas
con un daño cerebral.[6]
2.2 Marco Conceptual
2.2.1 Efectos Negativos en Humanos:
Uno de los factores a tener en cuenta en este proyecto, son los efectos negativos para la salud que pueden
sufrir los usuarios debido a la radiación electromagnética generada por el dispositivo y la exposición
extensa a est́ımulos visuales, debido a estudios cĺınicos se saben que estos factores pueden afectar la
salud en una considerada medida, pero debido a que el dispositivo usara transmisión Bluetooth, la
radiación de esta no supera los 5mW, por lo que el principal factor a tener en cuenta en las pruebas
es si el usuario denota cansancio, mareo u otro efecto al observar los est́ımulos a generar.
2.2.2 IPC-2221A (Diseño PCB):
Este es un estándar internacional para el diseño de circuitos impresos, donde se especifica la relación
de las pistas de cobre respecto a la cantidad de corriente que circulara a través de estas. además de
exponer la separación mı́nima entre componentes electrónicos, bias y pistas para que el circuito im-
preso cumpla con las especificaciones internacionales, y por lo tanto se pueda garantizar que el circuito
impreso es de buena calidad. Estos estándares fueron utilizados al momento de desarrollar la tarjeta
de adquisición que se utilizara en el proyecto. [9]
2.2.3 Norma Técnica Colombiana (NTC-61000):
Esta norma contiene las bases y estándares requeridos en dispositivos electrónicos, para cumplir con
la compatibilidad electrónica en el páıs Esta norma es tenida en cuenta en el protocolo de conexiónCAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 7
del Bluetooth y en los electrodos a conectar al paciente.
2.2.4 Psychtoolbox 3:
Esta es una extensión toolbox para Matlab, el cual se enfoca en la generación de est́ımulos visuales
para estudios cerebrales, aunque a su vez puede utilizarse para las funcionalidades normales de una
pantalla y como una interfaz gráfica Este paquete es de gran utilidad debido a su alta precisión en
la frecuencia de generación de est́ımulos y cambio de pantalla (60 Hz), y se encuentra para su libre
descarga en el siguiente enlace: http://psychtoolbox.org/.
2.3 Marco Histórico
A continuación se resumen algunos trabajos importantes para el entendimiento y el desarrollo de este
proyecto siendo estos desarrollados en otros páıses y algunos en la Universidad de los Andes.
2.3.1 Antecedentes Externos
• Uno de los antecedentes externos a la universidad consta de un proyecto de maestŕıa desarrol-
lado por un estudiante de la Universidad de la Plata, en este se buscó desarrollar un análisis y
detección de señales de EEG, con el fin de ser codificadas y procesadas por técnicas de Fourier, la
transformada de Gabor y distintos métodos de entroṕıa espectral, para su posterior visualización
y análisis.[2] La relación frente al proyecto desarrollado consta en el análisis de datos de una
señal obtenida por EEG, aunque en este caso solamente se usaron las técnicas de FFT y una
variación de la transformada de Wavelet, a futuro se puede tener en cuenta este trabajo para
obtener mejores resultados.
• A su vez, “The American Epilepsy Society” desarrollo un dispositivo para medir por medio de
EEG y de forma discreta y portable un parche que analiza si el usuario y/o paciente llega a
sufrir ataques de epilepsia, ademas de poder obtener datos que permitan presentar una mejor
atención al paciente.[13] Este proyecto muestra a su vez un dispositivo no comercial desarrollado
con el propósito de medir por medio de EEG, un dispositivo igualmente portable, pero debido a
la descripción dada, este está limitado solo a la función de determinar ataques de epilepsia
2.3.2 Antecedentes Locales
En este caso se debe tomar en cuenta que el proyecto a realizar esta basado en los tres siguientes
proyectos, realizando mı́nimas adecuaciones a la tarjeta de adquisición de EEG, la implementación
desde cero de nuevos algoritmos de reconocimiento basados en los usados en ambos proyectos, y cam-
bios totales frente al tipo de est́ımulos a usar y la interfaz generada.
• Desarrollo de interfaz cerebro-máquina basada en el análisis de EEG y potenciales visuales evo-
cados en estado estable para el control de un objeto. En este proyecto se desarrolló un sistema
parecido al que se busca desarrollar, con la principal diferencia de que uno de los fines de este
era controlar un Pololú 3pi (Un pequeño dispositivo electrónico).[1]
• Desarrollo de un prototipo portátil para la adquisición y almacenamiento de señales EEG. En
este proyecto se desarrolló un prototipo portátil para medición y almacenamiento de señal EEG,
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 8
este mismo conectado por medio de Bluetooth a una aplicación Android para poder observar los
datos.[11]
• Por último, se desarrolló un proyecto con una tarjeta de adquisición diseñada en la universidad,
basada en el modelo utilizado por los proyectos anteriores, con el fin de poder aplicar el análisis
de EEG al estudio de respuesta de los usuarios por medio de pruebas de juegos. [9] Se debe tener
en cuenta que la tarjeta de adquisición a utilizar es la misma usada en este proyecto.
3.Definición y especificación del trabajo
3.1 Definición
El problema a atacar es la falta de herramientas para ayudar a mejorar la atención y concentración
de las personas, en principal medida destinado a niños y jóvenes, el proyecto busca ser aplicado
inicialmente a personas de distintas edades, con el fin de observar mejoras con el paso del tiempo y
la consecución de pruebas, se debe considerar que los est́ımulos generados en el mismo, deben poder
ser aplicados con toda seguridad, ya que se puede suponer que la respuesta a una larga prolongación
a est́ımulos visuales pueda afectar a algunas personas.
3.2 Especificaciones
Las restricciones que se pueden observar en general del proyecto son las siguientes:
• Una de las principales suposiciones sobre el proyecto y a su vez un factor expresado por estu-
diantes que previamente trabajaron en este campo, es que existe una diferencia notable en la
respuesta que se obtiene por EEG entre grupos distintos de personas, aunque puede existir en
algunos casos un comportamiento esperado se requerirá de un gran número de pruebas y a su
vez un grupo amplio y variado para poder obtener resultados concluyentes.
• Aunque se pueda suponer que el sujeto mejore su atención y concentración con las pruebas y el
tiempo, puede existir el caso contrario, en el cual la respuesta de los usuarios a el sistema empeore
con el tiempo, debido a que se buscara implementar las pruebas principalmente con jóvenes se
debe de suponer que puede existir algún factor externo si llega a suceder esta situación.
• En términos de restricciones se debe de tener en cuenta el desarrollo del dispositivo, como se
sostuvo anteriormente se busca que el dispositivo sea portable y posea comunicación con algún
medio igualmente portable, por lo que tanto el tamaño, el método de comunicación y los re-
querimientos de procesamiento y velocidad del dispositivo deben ser lo más simples posibles,
esto principalmente con el fin de poder mejorar a futuro el proyecto y a su vez reducir cualquier
exceso de costos.
• Teniendo en cuenta el anterior punto y que en proyectos anteriores la frecuencia de muestreo es
inferior a la esperada en un principio [9], es posible que los resultados no sean los más precisos
y por lo tanto se restringa el uso del sistema.
• Por último, se debe de tener en cuenta que el proyecto debe cumplir con estipulaciones y normas
sometiéndose a un comité ético, que permitan proteger a los sujetos de prueba, ya que existen
ĺımites de la interacción entre el dispositivo y las personas, y además no se puede ignorar casos
especiales que puedan llegar a afectar la salud de las personas con el mismo, siendo algunas de
estas alergias, epilepsia, daños en la retina y demás.
Teniendo en cuenta lo anterior se pueden esperar que el resultado final cumpla con las siguientes
especificaciones:
• La conexión de la tarjeta de adquisición con el sistema por Bluetooth debe ser eficiente.
9
CAPÍTULO 3. DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIÓN DEL TRABAJO 10
• La interfaz desarrollada en Matlab debe ser capaz de adquirir, procesar, interpretar y brindar
una retroalimentación al usuario respecto a las pruebas a desarrollar.
• El sistema desarrollado debe de enfocarse en el desarrollo de pruebas para determinar patrones
de aprendizaje y concentración.
• Debe de ser posible reducir el número de Maquinas operativas a una y que la funcionalidad de
esta sea apropiada.
• La interfaz debe poder ser modificada fácilmente para aplicar a otras funciones a futuro, o mejorar
estas mismas pruebas de forma sencilla.
A partir de las especificaciones planteadas anteriormente se muestra a continuación una matriz con los
parámetros más relevantes y la satisfacción esperada en cada caso:
Especificaciones Aceptable Deseado
Conexión por Bluetooth tarjeta
de adquisición
La conexión se realiza, pero ex-
iste perdida de datos o es in-
estable
La conexión se desarrolla
fácilmente y o posee ningún
inconveniente
Funcionalidad Completa de la in-
terfaz
Por lo menos la interfaz debe
cumplir con tres de las cuatro
funciones estipuladas en las es-
pecificaciones
La interfaz debe cumplir con to-
dos los parámetros estipulados
Teoŕıa respecto a las pruebas Se desarrollan pruebas que
apliquen el uso de potenciales
evocados y EEG, pero no es muy
aplicable a la interpretación de
concentracióny atención
Las pruebas están fundamen-
tadas en métodos de inter-
preación y análisis de atención y
concentración
Costos computacionales Se utiliza como máximo dos
equipos, los cuales funcionan de
forma adecuada
Se debeŕıa de utilizar solo una
máquina que pueda cumplir
con todas las funcionalidades
abriendo solo una interfaz.
Código e Interfaz Practica Se desarrolla todo el sistema de
forma que pueda ser modificado
posteriormente, pero requiera de
cambios drásticos
Se desarrolla todo el sistema
de forma que pueda ser modifi-
cado fácilmente o le puedan ser
añadidas nuevas funciones a la
interfaz
Tabla 3.1: Matriz de Evaluación de cumplimiento del proyecto
4.Metodoloǵıa del trabajo
El trabajo que se ha venido realizando consto en un inicio del cambio de énfasis en el proyecto, esto
debido a que en el mismo hubo inconvenientes en sobre cómo medir el aprendizaje siendo este un
elemento distinto en cada usuario y enfocado a capacidades espećıficas, por lo que la cantidad de
pruebas necesarias para haberlo distinguido pudo ser elevada, en esto con asesoŕıa de compañeros, el
asesor y psicólogas externas a la universidad se pudo enfocar a lo que seŕıa atención y concentración,
incluyendo varios test para poder determinar y mejorar estas cualidades en distintos usuarios, de estos
test finalmente se escogieron dos para trabajar.
Después de determinar el nuevo enfoque del proyecto se pasó una etapa de investigación, esto con el
fin de determinar las caracteŕısticas y el funcionamiento de los est́ımulos para potenciales evocados
visuales, llegando a determinar los tiempos de sincronización necesarios, el tipo de imagen que se
requiere para est́ımulos y factores en el protocolo de pruebas, los cuales se tendŕıan en cuenta más
adelante.
El trabajo posterior ha sido crear la interfaz para los test y el protocolo de pruebas, en este punto se
buscó dar un paso más al integrar la conexión de la tarjeta de adquisición por bluetooth y el tratamiento
de los datos adquiridos y de las pruebas en un solo computador y una sola interfaz, además el código
ha sido desarrollado con el fin de modificar las imágenes, la frecuencia, el número de est́ımulos en la
pantalla y demás factores que puedan alterar los resultados de las pruebas de forma sencilla.
El trabajo posterior se concentró en el desarrollo de las pruebas con la tarjeta a usuarios con el fin de
determinar en primera instancia cambios necesarios a la interfaz y a su vez, en total las pruebas se
aplicaron a 8 usuarios distintos, posteriormente se procederá a realizar los test finales que busca este
proyecto, siendo por último el tratamiento e interpretación de estas.
4.1 Plan de trabajo
Todo el desarrollo del proyecto se puede delimitar en 4 etapas principales, las cuales son las siguientes:
4.1.1 Investigación Teórica
Esta fue la etapa inicial del proyecto y en la cual con ayuda del estudiante Juan Sebastian Useche y el
asesor de este proyecto, por medio de reuniones semanales permitieron lograr lo siguiente:
• Decidir a qué área seŕıa implementada la funcionalidad el proyecto.
• Conocer de antemano el trabajo desarrollado anteriormente en la Universidad, esto con el fin de
tener más conocimientos a la hora de empezar las siguientes etapas del proyecto.
• Búsqueda de conceptos primordiales para el desarrollo de este proyecto.
4.1.2 Diseño y pruebas de Interfaz Software
Esta etapa consto la mayor parte del tiempo del proyecto, esto debido a que se busco integrar todas
las funcionalidades propuestas en una sola interfaz, sumado al tratamiento de datos por Bluetooth
de forma casi continua, además el sistema se sometió a varios cambios en el desarrollo, con el fin de
11
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA DEL TRABAJO 12
cumplir con las especificaciones y restricciones tenidas en cuenta. Las etapas seguidas son las siguientes:
• Documentación, estudio y pruebas con el Toolbox Psychtoolbox.
• Implementación ya con el Toolbox de un est́ımulo en pantalla, con un valor de frecuencia ingre-
sado por parámetro.
• Desarrollo de la base del sistema de control por medio de la lectura de potenciales evocados
(En este punto los Potenciales se ”simulaban por medio del teclado con el fin de corroborar la
funcionalidad de la interfaz).
• Elaboración del primer test en el toolbox, siendo este el Test de Toulouse.
• Debido a las restricciones frente al procesamiento en paralelo, se procedió a probar y calibrar la
conexión de dos ventanas de comando, esto por medio de puertos UDP.
• Aumentar la robustez de la interfaz a través del uso de la GUI de Matlab, y permitir crear un
apartado exclusivo para la conexión de la tarjeta de adquisición por Serial Bluetooth, y una
seccion exclusiva del tratamiento de los resultados.
• Implementación de test de números para medir concentración.
• Prueba conjunta de la interfaz con la tarjeta de adquisición.
• Hasta fechas finales corrección de errores y fallos en la interfaz.
4.1.3 Diseño y pruebas de Sistema de Control
Esta etapa se puede caracterizar por la multitud de pruebas que se debieron desarrollar para poder
detectar efectivamente los potenciales evocados, además de integrarlo correctamente al resto del sis-
tema. A continuación se encuentran los aspectos más relevantes en esta etapa
• Implementación de Algoritmos FFT, Transformada de Wavelet, Gabor con el fin de detectar los
potenciales evocados en forma más simple, para términos computacionales
• Trabajo con los anteriores algoritmos con señales adquiridas, esto último con el fin de obtener
un buen estimador de potenciales evocados.
4.1.4 Etapa de pruebas finales
Esta última etapa, después de varias correcciones en términos de los anteriores, consto del desarrollo
de pruebas a 8 sujetos, según un protocolo de pruebas de la siguiente forma:
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA DEL TRABAJO 13
• Adquisición de sistema con estimulación de solo una imagen en pantalla y repetida para los
valores de frecuencia 10Hz, 20 Hz y 30 Hz por usuario.
• Estimador de sincronización, el cual, por medio de una imagen en pantalla, analiza en tiempo
”real” los datos adquiridos debido al est́ımulo, logrando detener la prueba apenas el sistema de
control detecte el potencial evocado a la frecuencia esperada.
• Pruebas de Toulouse y Números con menos variables, esto con el fn de entrenar a el usuario a
utilizar el sistema sin ninguna repercusión en los datos de prueba finales, esto se repetirá de 2 a
3 veces siendo el caso distinto dependiendo del usuario.
• Desarrollo de pruebas, con variables respecto al ı́tem anterior, debido a que los potenciales o
imágenes podŕıan ser demasiadas pequeñas, se optó por poder modificar igualmente esta prueba
basado en los resultados anteriores. Esta se repite 2 veces por cada tipo y se separan los mejores
resultados obtenidos para analizar.
4.2 Búsqueda de información
Se ha desarrollado un proceso exclusivo de información al inicio del proyecto, y también este ha ido de
la mano en el desarrollo de cada una de las etapas, ya que se generaron dudas a lo largo del proyecto
con respecto a teoŕıas distintas y a su vez debido a consultar trabajos previos. Gran parte de la infor-
mación fue extráıda de la Bibliográfica de tesis anteriores principalmente de los antecedentes locales
[1] [11] [9], ademas de información propia de estas, también de la base de datos de la Universidad de
los Andes y documentación e investigación simple por medio de Google.
Ademas, se debe tener en cuenta que esta información no seŕıa de utilidad sin tener bases previas de la
teoŕıa adquiridas durante el pregrado, teniendo como principal relevancia los conocimientos adquiridos
en el manejo del software Matlab, el conocimiento de señales y aplicaciones de frecuencia, el proceso
de diseño de protocolos de pruebas, el manejo previo de Bluetooth y la organización de cualquier
sistema digital por medio de módulos Por otra parte, la participación con los asesores y un seminariode proyectos durante el transcurso del mismo fue de gran importancia para mejorar los resultados
finales.
4.3 Alternativas de desarrollo
Durante el desarrollo del proyecto se encontraron varias variables y alternativas que fueron tenidas en
cuenta, pero descartadas al realizar el trabajo, estas son las siguientes:
• Analizar y Desarrollar pruebas de Aprendizaje: En este caso y como se explicó ante-
riormente, el proyecto en un principio queŕıa ser enfocado con respecto a analizar potenciales
evocados y relacionar estos mismos a niveles de aprendizaje, debido a que el aprendizaje se puede
considerar un aspecto muy general, las pruebas planteadas para ese momento eran demasiado
ambiguas, y este dif́ıcilmente este explicable de forma cuantitativa a comparación de cualitativa,
se optó por enfocar el proyecto en otra área
• Manejo de una tarjeta comercial: En la mitad del proyecto, se contempló el uso de una tar-
jeta de adquisición comercial, o un sistema para desarrollar EEG, esto debido a varias dificultades
con la conectividad por Bluetooth, el tratamiento de datos y la dificultad en ese punto sobre el
manejo de la tarjeta de adquisición. Aunque, teniendo en cuenta lo anterior, ya se contemplaba
la idea como imposible, en primera instancia por el tiempo de trabajo invertido y además debido
a que el cambiar de dispositivo de EEG, perdeŕıa la portabilidad que lo caracteriza, la cual es
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA DEL TRABAJO 14
una de las especificaciones más importantes del proyecto.
• Desarrollo de interfaz en Python o Android: En etapas iniciales también se contempló usar
otra herramienta para crear la interfaz, siendo las más posibles Android o Python. Pero, usar
cualquiera de estas dos acarreaba problemas, aunque ambas permitieran un manejo de software
libre la principal restricción de usarlos se atribuye a la diferencia de conocimiento entre Matlab
y con respecto a las dos anteriores.
5.Trabajo realizado
A partir de la revisión bibliográfica de los proyectos desarrollados por los Ingenieros Juan Manuel
Lopez Lopez y Juan Sebastian Useche se ejecutó el protocolo de trabajo establecido anteriormente en
el documento, obteniendo los resultados que serán expuestos más adelante en el mismo. Además se
expondrá el trabajo realizado en el diseño de la interfaz gráfica de est́ımulos, la interfaz completa de
conexión, adquisición, pruebas y de procesamiento de resultados Las pruebas del sistema se aplicaron
a un grupo de 8 personas (6 Hombres y 2 Mujeres, 2 Adultos y 6 Jóvenes) de forma voluntaria y con
consentimiento de todo el proceso a realizarse.
5.1 Descripción del Resultado Final
El resultado final del proyecto fue el desarrollo de una interfaz cerebro-máquina que permite el análisis
de los test de psicoloǵıa para Atención y Concentración, siendo estos una variación del Test de Toulouse-
Pieron y un Test de búsqueda de números respectivamente.
El hardware utilizado se puede observar en las Figuras 5.1 y 5.2.
(a) Vista Frontal tarjeta de
Adquisición
(b) Vista Trasera tarjeta de
Adquisición
Figura 5.1: Tarjeta de Adquisición
Figura 5.2: Electrodos húmedos a utilizar
Basado en el trabajo realizado previamente en el proyecto realizado por Juan Sebastian Useche [9] con
la misma tarjeta de adquisición no era totalmente necesaria el análisis de las Ondas alfa del dispositivo,
15
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 16
ademas de compararlo con el micromed, ya que en el trabajo anterior se compararon las caracteŕısticas
de estos los de la 5.1.
Tabla 5.1: Comparación técnica entre la tarjeta desarrollada y productos comerciales.[9]
Caracteŕıstica Wireless NB Emotiv Epoc NeuroSky MindWave Micromed
Frecuencia de Muestreo 250 mps 128 mps 512 mps 2048 mps
Canales de adquisición 8 14 1 256
Conectividad BT V2.1 Bluetooth BT V2.1 Conexión Alámbrica
Duración Bateŕıa 6h 6h 8h 24h
Precio 238 USD 799 USD 99,99 USD 334 USD
Igualmente, basado en proyecto del ingeniero Useche se pudo determinar los puntos de conexión de los
electrodos correctos para est́ımulos visuales, siendo el diagrama de conexión el de la Figura 5.3.
Figura 5.3: Diagrama de Conexión de electrodos
Posteriormente con respecto a la parte funcional del proyecto realizado fue el siguiente:
• Primero se procedió a identificar el funcionamiento del hardware, con esto se determinó cómo
funcionaba la tarjeta de adquisición y los elementos de software usados anteriormente, para ello
se interpretó un diagrama de caja negra y de caja blanca de la tarjeta de adquisición existente
y de la interfaz que se queŕıa lograr, siendo estos los diagramas Figura 5.4 y 5.5
• Basados en los trabajos anteriores y queriendo lograr una variación de los mismos, se determinó
a usar est́ımulos de cambio de color entre blanco y negro cuadrados, siendo estos lo vistos en la
Figura 5.6
• Ademas para las pruebas de números, debido a la cercańıa de las imágenes en pantalla se opto
por generar est́ımulos circulares como se muestran en la Figura 5.12
• Al final del desarrollo el proyecto puede ser representado en la Caja Blanca de la Figura 5.7
5.2 Trabajo Computacional
Respecto a la interfaz gráfica desarrollada el trabajo realizado es el siguiente:
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 17
Figura 5.4: Caja Blanca Tarjeta de Adquisición
Figura 5.5: Caja Blanca Interfaz y Sistema
Figura 5.6: Est́ımulos a usar
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 18
Figura 5.7: Caja Blanca Sistema Completo
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 19
• Parte de la interfaz desarrollada, es la que permite conectar por Bluetooth la tarjeta a la interfaz,
además para ser usada en el mismo computador, abre una nueva ventana de procesamiento en
segundo plano, encargada únicamente en la adquisición de datos, también le fue implementada
una sección en la cual se puede especificar datos importantes de los Usuarios tales como su
nombre, edad, ocupación y observaciones pertinentes a la hora de analizar los resultados.
• Ademas, otra de las funciones de la interfaz es crear un archivo con el resumen de las pruebas
del usuario, teniendo en cuenta factores como el tiempo de prueba, el tiempo donde se detectan
potenciales, selecciones realizadas por el usuario, aciertos y fallos en la prueba, frecuencias de
est́ımulos y demás Esto con el principal propósito de complementar a la hora del análisis posterior
a la prueba del usuario.
Figura 5.8: Ventana de tratamiento de datos
• La interfaz de la Figura 5.8, es donde se cargan los datos obtenidos en las pruebas tanto de la
generación de est́ımulos como cuando se conecten los datos de la tarjeta, en esta se observará
un análisis de frecuencia de los datos, con el fin de observar si los est́ımulos efectivamente se
encuentran en la frecuencia esperada y si se obtienen los potenciales evocados esperados.
• La sección observada en la Figura 5.9, permite conectar con el protocolo de pruebas para observar
el potencial a solo un est́ımulo constante, el tiempo y en otro apartado la sincronización con el
sistema generado por el sistema y el tiempo de respuesta frente a los test a desarrollar, esto con
el fin de entrenar previamente al usuario para realizar posteriormente las pruebas.
• La Figura 5.10, es un ejemplo del test de Toulouse a usar, en este caso con el número de filas y
columnas determinadas es 5 y 16 respectivamente, como se observa el test requiere de seleccionar
las imágenes que correspondan a las 3 en la parte superior, mientras que se obtiene la respuesta
a los est́ımulos generados por el sistema, esto con el fin de observar si el sujeto de pruebas estuvo
concentrado en los puntos requeridos o qué tipo de falla tuvo en la prueba.
• Además, debido a restricciones computacionales o cualquier retraso en las pruebas se procedió a
observar la generación de est́ımulos en dos computadores distintos, esto con el fin de determinar si
esto tiene igual efecto en la prueba. Los resultados obtenidos para cada computador se observan
en la Figura 5.11; además sus principalescaracteŕısticas técnicas están en la Tabla 5.2.
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 20
Figura 5.9: Menú Protocolo de Pruebas
Figura 5.10: Test de Toulouse de 5x16
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 21
Figura 5.11: Respuesta de Computadores 1 y 2 a est́ımulos generados de 22 Hz y 10 Hz respectivamente
Tabla 5.2: Tabla de Especificaciones de Computadores
Computador 1 2
Numero Núcleos 2 Núcleos 4 Núcleos
Memoria Ram 4 GB 12 GB
Tarjeta de Video 256 mB 2 GB
• Como se puede ver en la Figura 5.11, la diferencia de los resultados es notable, por lo que el
computador 2 será el usado para las pruebas más adelante. Siendo que lo siguiente será del
trabajo sera el desarrollo de las mismas.
• Respecto al otro test desarrollado, este se puede observar en la Figura 5.12, este consiste en
observar en orden ascendente y posteriormente descendente los números que aparecen en pantalla,
esto se logra debido a que cada número crea un est́ımulo a frecuencia distinta, en el momento
en que el usuario se sincronice con el número en pantalla sonara un audio que indica proseguir
con el número siguiente, la principal caracteŕıstica de esta prueba es que se determina por medio
de picos en un análisis de frecuencia, y que se requiere de total concentración para realizar la
prueba correctamente.
• Por ult́ımo, se analizó la respuesta obtenida de la señal al ser tratada por medio de FFT y l
Trasnformada de Wavelet, observando cual de los dos casos representa una mayor facilidad en
el análisis del potencial evocado generado, en el caso de la FFT se aplicó una modificación del
código predeterminado en Matlab, el cual genera en valores discretos frecuencias de 0 a la mitad
de la frecuencia de adquisición (En este caso 125 Hz). En el caso de Wavelet se tomó un análisis
de frecuencia con una variación τ = 1 con el fin de evitar errores computacionales en la generación
del est́ımulo.
CAPÍTULO 5. TRABAJO REALIZADO 22
Figura 5.12: Test de Números de 10 Números
6.Validación del trabajo
6.1 Metodoloǵıa de prueba
El protocolo a seguir consto de en explicado en la Sección (4.1.4), con el cual se desarrollaron las
pruebas de la forma estipulada, cabe aclarar que se tuvo en cuenta en primera instancia obtener el
mejor método para detección de potenciales evocados, un ejemplo de esto se observa en la Figura
6.1, donde se observa claramente que el análisis por medio de FFT no es exacto y por sus mı́nimas
variaciones no favorece una detección de picos, o por rendimiento computacional una integral y/o suma
de la señal, en cambio en la misma figura se observa que la transformada de Wavelet genera una señal
suave y teniendo en cuenta las componentes cercanas a la frecuencia buscada.
(a) Respuesta en términos de FFT (b) Respuesta en términos de transformada de wavelet
(c) Señal Obtenida un Impulso a 20 Hz
Figura 6.1: Respuesta un Impulso 20 Hz
Respecto a las pruebas se aplicaron a los sujetos de la Tabla 6.1, los cuales presentaron en su gran
mayoŕıa un cansancio generado después de la prueba, algo comprensible teniendo en cuenta la ex-
posición al est́ımulo de imágenes continuo en una pantalla, tambien se buscó que los usuarios fueran
variados, ya que se busca comprender si las pruebas son replicables para todo usuario.
6.2 Validación de los resultados del trabajo
En primera instancia y según el protocolo de pruebas se generó un est́ımulo a un impulso unico en
pantalla, para 3 valores distintos de frecuencia, una de las señales obtenidas en este caso se puede
observar en la Figura 6.1, y los resultados obtenidos en la Tabla 6.2. Los resultados muestran una
variación grande frente a la amplitud de la frecuencia de la señal con respecto a todo el espectro de
frecuencias analizados, por lo que se debió de modificar los parámetros de detección para cada sujeto.
Como segundo paso del protocolo de pruebas se genero un est́ımulo a un impulso único en pantalla,
con la diferencia de que se analizaba el potencial recibido en tiempo ”real”, esto se ejecuto para 5
23
CAPÍTULO 6. VALIDACIÓN DEL TRABAJO 24
Datos Genero Edad Ocupación Observaciones
Sujeto 1 Masculino 19 Estudiante Ojo Perezoso
Sujeto 2 Masculino 47 Trabajador Uso de Gafas
Sujeto 3 Femenino 45 Trabajadora Uso de Gafas
Sujeto 4 Masculino 20 Estudiante Signos de Cansancio Previo
Sujeto 5 Masculino 20 Estudiante Astigmatismo
Sujeto 6 Masculino 20 Estudiante Gripa en medio de la Prueba
Sujeto 7 Masculino 21 Estudiante -
Sujeto 8 Femenino 20 Estudiante -
Tabla 6.1: Sujetos de Prueba
% Amplitud Prueba 10 Hz Amplitud Prueba 20 Hz Amplitud Prueba 30 Hz
Sujeto 1 20,1389 14,7205 14,3804
Sujeto 2 9,7697 11,3805 18,5432
Sujeto 3 9,7551 16,8377 21,4665
Sujeto 4 12,3701 14,5464 17,554
Sujeto 5 9,7464 14,5076 5,7515
Sujeto 6 11,661 11,4525 5,9954
Sujeto 7 15,8285 17,4421 14,9895
Sujeto 8 13,412 5,2395 19,184
Tabla 6.2: Pruebas de un impulso a distintas frecuencias
valores distintos de frecuencia, aunque debido a los resultados observados es pertinente mostrar solo
una sección de estos, una de las señales obtenidas en este caso se puede observar en la Figura 6.2, y
los resultados obtenidos en la Tabla 6.2. Los resultados muestran que a excepción de un sujeto de
pruebas, por lo menos una de las frecuencias de est́ımulo posee un valor de sincronización pequeño,
a su vez los valores de est́ımulo de 6 Hz y 30 Hz, denotaron tiempos de respuesta muy cortos y en
algunos casos casi hasta nulo, esto debido a que por lo observado la tarjeta de adquisición genera un
valor de amplitud mayor en valores altos y bajos de frecuencia (por lo menos menor a 6 Hz y Mayor
a 24 Hz).
(a) Respuesta en términos de frecuencia (b) Señal Obtenida en Sincronización a 30 Hz
Figura 6.2: Respuesta Sincronización 30 Hz
Se desarrollaron versiones de los test mas sencillos para poder observar los valores óptimos de detección
de potencial y de tiempo de ejecución de las pruebas.
Ya en el desarrollo de los test según el protocolo de pruebas se genero el test de Toulouse mostrado en
la Figura 5.10, el cual consta de 8 secuencias distintas distribuidas aleatoriamente en la pantalla, de la
CAPÍTULO 6. VALIDACIÓN DEL TRABAJO 25
Tiempo
(s)
Prueba
12 Hz
(%)
Tiempo
(s)
Prueba
18 Hz
(%)
Tiempo
(s)
Prueba
24 Hz
(%)
Desv
Tiempo
Desv
Ampli-
tud
Sujeto 1 30,56359 26,9268 18,396 18,3786 16,051 22,2621 7,7906 4,2800
Sujeto 2 16,723 15,1816 13,55 12,9205 6,1303 25,0501 5,4364 6,4502
Sujeto 3 - - 15,213 32,7968 14,372 36,2118 0,5947 2,4148
Sujeto 4 15,382 33,7412 18,381 26,6231 - - 2,1206 5,0333
Sujeto 5 14,381 34,123 46,6964 26,4584 - - 22,8504 5,4197
Sujeto 6 - - 10,2368 16,4392 44,272 20,4991 24,0665 2,8708
Sujeto 7 34,1416 12,238 40,2007 9,624 38,8501 13,8885 3,1808 2,1503
Sujeto 8 40,085 13,7362 40,4688 9,134 18,24 9,4884 12,7245 2,5609
Tabla 6.3: Pruebas de Sincronización a distintas frecuencias
cual se deben escoger con el Mouse 3 secuencias especificas, las cuales se muestran en un intervalo de 10
segundos para ser memorizadas, a su vez esta posee un limite de tiempo, la principal idea es observar
tanto los picos de frecuencia estimulados relacionándolos con las frecuencias correctas, para presenciar
si el usuario estuvo atento en buscar estas secuencias en especifico, además de una interpretación
adicional dada debido al número de aciertos que proporciona el test. Una de las señales obtenidas en
este caso se puede observar en la Figura 6.3, y los resultados obtenidos en la Tabla 6.2. Los resultados
muestran en todos los casos de buena atención valores de frecuencia iguales o cercanos a las frecuencias
correctas, por lo que efectivamente se puede evidenciar una relación entre los resultados del test y el
nivel de atención.
(a) Respuesta en términos de frecuencia (b) Muestra Resumen Prueba Toulouse
(c) Señal Obtenida en Prueba Toulouse
Figura 6.3: Respuesta Test Toulouse
Por ultimo, se desarrollo el test de Números mostrado en la Figura 5.12, el cual consta de 10 imágenes
CAPÍTULO 6. VALIDACIÓN DEL TRABAJO26
Sujeto Tiempo
Prueba (s)
Aciertos Fallos Omisiones Clasificado Frecuencias
Respuestas
(Hz)
Frecuencias
Detectadas
(Hz)
1 55 77 1 2 Buen Nivel 4 , 12 , 32 7 , 30
2 90 25 12 11 Bajo Nivel 12 , 20 , 32 7 , 12 , 16
3 49 61 1 18 Bajo Nivel 16 , 24 , 28 12 , 20 , 26
4 40 72 0 8 Buen Nivel 12 , 20 , 28 12 , 21 26
5 79 73 6 1 Buen Nivel 8 , 16 , 20 7 , 16 , 27
6 90 78 0 2 Buen Nivel 8 , 20 , 32 6 , 19 , 33
7 90 78 0 2 Buen Nivel 4 , 16 , 24 6 , 12 , 17
8 90 73 1 6 Buen Nivel 16 , 24 , 28 15 , 22 , 27
Tabla 6.4: Resultados Test de Toulouse
en pantalla con números aleatorios en un rango determinado por el usuario y distribuidos aleatoria-
mente en la pantalla, las cuales estimulan en distintas frecuencias cada una, el fin de la prueba es que el
usuario se sincronice por el orden de los números de tal forma que se concentre tan solo en un punto de
la pantalla, ya que los demás est́ımulos en la misma pueden desconcentrar y generar potenciales evoca-
dos en otros valores, para presenciar si el usuario se concentró en buscar estas secuencias en especifico,
además de una interpretación adicional dada debido al número de aciertos que proporciona el test.
Una de las señales obtenidas en este caso se puede observar en la Figura 6.4, y los resultados obtenidos
en la Tabla 6.5. Los resultados obtenidos muestran efectivamente una relación entre la concentración
del usuario y los resultados de la prueba, al observar las respuestas consecutivas se observa que el
usuario a mayor de número de estas estuvo menos concentrado, debido a que se generaron potenciales
evocados en varias frecuencias de forma continua.
(a) Respuesta en términos de frecuencia (b) Señal Obtenida Prueba de Numeros Adquisición
Figura 6.4: Respuesta test de Números
6.3 Evaluación del plan de trabajo
Para evaluar el plan de trabajo descrito desde la propuesta entregada el anterior semestre de proyecto
de grado, se debe tener en cuenta los cambios a la aplicación del proyecto, siendo este cambiar de
análisis de aprendizaje a análisis de atención y concentración, por lo que el tema inicial era muy am-
biguo.
Se observa que el resultado final corresponde a lo esperado, dado a que se logra obtener una interfaz
cerebro-máquina con las especificaciones contempladas y teniendo en cuenta que varias de las suposi-
ciones y restricciones se cumplieron de forma esperada, además aunque se contó con percances y los
CAPÍTULO 6. VALIDACIÓN DEL TRABAJO 27
Datos Tiempo
Prueba (s)
Aciertos Fallos ¿Sincronizacion? Estado Usuario Observaciones
Sujeto 1 171,55 19 4 Se Observa Concentrado du-
rante toda la
prueba
11 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 2 87,17 19 2 Se Observa en un
Principio
Concentrado du-
rante toda la
prueba
15 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 3 197,25 19 6 Se Observa Concentrado du-
rante toda la
prueba
7 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 4 152,95 19 1 Se Observa en un
Principio
Desconcentrado en
gran parte de la
Prueba
16 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 5 134,85 19 4 Se Observa Concentrado en
buena parte de la
prueba, descon-
centrado en un
punto
12 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 6 121,42 19 2 Se Observa en un
Principio
Concentrado en la
primera parte de la
prueba, desconcen-
trado el resto de
ella
13 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 7 144,79 19 6 Se Observa Concentrado du-
rante toda la
prueba
6 Respuestas Con-
secutivas
Sujeto 8 98,91 19 2 No se Observa Cor-
rectamente
Totalmente De-
sconcentrado
13 Respuestas Con-
secutivas
Tabla 6.5: Resultados Test Números
resultados pudieron ser mejores en el aspecto de sincronización con los est́ımulos, se pueden considerar
satisfactorios, además los resultados permiten a futuro seguir mejorando el proyecto.
7.Discusión
Se logró diseñar una interfaz cerebro-máquina completa con comunicación inalámbrica por medio de
Bluetooth a una tarjeta de adquisición institucional, aplicada a la adquisición, procesamiento de datos
y ejecución de pruebas de atención y concentración, teniendo en cuenta la aplicación del proyecto los
resultados de la tarjeta proporcionaron un buen rendimiento, por lo que efectivamente se puede utilizar
para mas aplicaciones de EEG.
El proyecto cumple con el objetivo general propuesto durante el desarrollo. En cuanto a los objetivos
espećıficos se pudo generar est́ımulos visuales en relación a pruebas para la atención y concentración,
est́ımulos con forma distinta a los normalmente utilizados y a su vez detectar potenciales evocados
en estado estable con respecto a estos, se logró implementar un sistema de tratamiento de datos en
la interfaz desarrollada, esto debido al procesamiento paralelo logrado por dos interfaces de Matlab,
efectivamente se planteó y ejecuto un protocolo de pruebas que permitieron observar la funcionalidad
del sistema, se logró desarrollar las pruebas a un total de 8 usuarios por lo que son resultados base
para poder desarrollar pruebas a futuro, se logró obtener la lectura de potenciales evocados y se diseño
un sistema que no requiere un rediseño mayor para cambiar su funcionalidad; en cambio, no se pudo
reducir el tamaño de Hardware y los costos del sistema, esto ultimo principalmente debido a cues-
tiones de tiempo, y por dar preferencia a conocer en mayor medida la funcionalidad de la tarjeta para
observar que detalles se pueden modificar, aunque esto fuera contemplado desde la propuesta entregada.
A pesar de los resultados obtenidos se pueden observar en algunos casos errores en los datos, esto de-
bido a interferencia con la tarjeta por radiación eléctrica, ruido por linea eléctrica, error de transmisión
de la tarjeta, y debido a que no se contaba con un elemento que permitiera conocer si la impedancia
en la conexión de los electrodos era la adecuada.
En cuanto a los resultados de las pruebas se presencio que es requerida una modificación de los
parámetros de detección, esto dependiendo del usuario, ya que como se observa en la Tabla 6.1 la
frecuencia y el sujeto difieren en su amplitud de detección, también que es posible tener mejores
resultados en términos de sincronización al tener en pantalla menos cantidad de est́ımulos en la prueba
de números y a frecuencias mas separadas entre si, por último como se explicó anteriormente los
resultados obtenidos están relacionados con la aplicación buscada, aunque seŕıa optimo desarrollar
una forma extra de analizar estos datos en la interfaz.
28
8.Conclusiones y trabajos futuros
8.1 Conclusiones
El desarrollo de este proyecto de grado, permitió diseñar una interfaz cerebro-máquina basada en la
medición y detección de potenciales evocados en estado estable, la cual se complementa con comuni-
cación inalámbrica por medio de Bluetooth en una interfaz gráfica GUI de Matlab, este es desarrollado
para analizar el comportamiento de un usuario frente a un par de variaciones de test de atención y
concentración utilizados en el campo de la psicoloǵıa para medir estas variables. A su vez se planteó
un protocolo de cuatro pruebas (Mas dos para modificar variables en dos de ellas) que permitió veri-
ficar la generación de potenciales evocados por est́ımulo y la sincronización en un intervalo de tiempo
a un est́ımulo, esto de forma correcta, esto ultimo empleando tratamiento de señales en espectro de
frecuencia.
Este trabajo aporto mas a las investigación y trabajos previos que se caracterizan por el uso de la
Wireless Neuro Board, e inclusive para la aplicación de pruebas de distintos campos al uso de poten-
ciales evocados.
Se pudo observar también la generación de potenciales evocados visuales, que no solamente depende
de la generación de un est́ımulo, sino que también requiere que los est́ımulos generados posean una ge-
ometŕıa particular, inclusive en este caso se utilizó una geometŕıa cuadrada no presentada en trabajos
anteriores pero que arrojo buenos resultados, inclusive se utilizaron hasta 10 frecuencias distintas y
multitud de est́ımulos en pantalla, permitiendo aportar respecto masfrente a trabajos anteriores que
usaban menos de cuatro est́ımulos simultáneos. También se vio que el procesamiento de un sistema
puede ser optimizado, reduciendo su carga computacional, pero aun aśı es necesario tener en cuenta
la predisposición de fallos debido a la velocidad de operación de la máquina.
Para concluir, el resultado del proyecto es satisfactorio, pero genero muchas incógnitas respecto a la
mejora del mismo, puesto que es el primer acercamiento a este tipo de dispositivos este factor no
es tan considerable, además a futuro se buscaŕıa tomar esta alternativa para poder producir mas
funcionalidades con la tarjeta e inclusive lograr que este proyecto se pueda convertir en una alternativa
comercial.
8.2 Trabajo Futuros
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, fallas, dificultades, los objetivos iniciales no cumplidos y
que este proyecto se busca que sea expandido a futuro se pueden tener en cuenta los siguientes trabajos
futuros:
• Mejorar el algoritmo de adquisición, ya que existe un intervalo en el que se tratan los datos, por
lo que existe perdidas de estos mismos.
• Realizar un sistema de aislamiento para la tarjeta de adquisición.
• Buscar que otras señales pueden ser medidas por la tarjeta.
• Lograr replicar el sistema en una plataforma móvil como Android, para lograr una total porta-
bilidad del sistema.
• Trabajar en el hardware de la tarjeta para mejorar la frecuencia de toma de datos y la facilidad
del tratamiento posterior de la señal.
• Lograr aplicar las pruebas a un grupo mayor de usuarios, posiblemente en un colegio o un centro
de estudio.
29
Referencias
[1] A. M. P. Alvarez. Desarrollo de interfaz cerebro-maquina basada en el analisis de eeg y potenciales
visuales evocados en estado estable para el control de un objeto. Master’s thesis, Universidad de
los Andes, 2015.
[2] A. N. B. Cicchino. Tecnicas de procesamiento de eeg para deteccion de eventos. Master’s thesis,
Universidad Nacional de la Plata, 2013.
[3] Curso. Introduccion a la transformada wavelet, descomposicion de senales. Technical report,
Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires,
2006.
[4] A. D. Kaye and S. F. Davis. Principles of Neurophysiological Assessment, Mapping, and Moni-
toring. Springer, 2014.
[5] J. Q. T. O. Millie Soria-Claros, Isabel Serrano-Marugan. Efecto de la estimulacion tactil pasiva
en la actividad cerebral de ninos con deficit de atencion. Neurol, 2016.
[6] P. Munoz. Atencion y concentracion (test de toulouse). Academia, s.f.
[7] G. M. T. M. A. H. Pablo A Garcia, Enrique M Spinelli. Interfaz cerebro computador basada
en potenciales evocados visuales de estado estacionario: ensayos preliminares. Technical report,
Universidad de la Plata, 2011.
[8] G. M. T. y. E. M. S. Pablo A. Garcia. Interfaz cerebro computadora embebida basada en po-
tenciales evocados visuales de estado estacionarioo. Technical report, Universidad nacional de la
Plata, 2013.
[9] J. S. U. Parra. Interfaz cerebro-maquina a partir de la medicion dessvep, con implementacion gra
ca en un dispositivo movil, para pruebas de juego. En publicacion Universidad.
[10] J. S. U. Parra. Interfaz cerebro-maquina a partir de la medicion dessvep, con implementacion
grafica en un dispositivo movil, para pruebas de juego. Master’s thesis, Universidad De Los Andes,
2016.
[11] F. G. Pinto. Desarrollo de un prototipo portatil para la adquisicion y almacenamiento de senales
eeg. Master’s thesis, Universidad de los Andes, 2013.
[12] F. Segura-Quijano, E. Unigarro, C. Mitrosbaras, and D. A. Sanz. Passive resonators for wireless
passive sensor readout enhancement. Applied Physics Letters, 103:133502–1 133502–6, 2013.
[13] A. E. Society. Development of a discrete, wearable, eeg device for counting seizures. WebPage.
[14] Y. Z. y. B. W. Xing-Yu WANG, Jing JIN. Brain control: Human-computer integration control
based on brain-computer interface approach. National Natural Science Foundation of China, 2013.
30
A.Resumen Ejecutivo
DESARROLLO DE UNA INTERFAZ
CEREBRO-MÁQUINA PARA ESTUDIAR E INCENTIVAR
LA MEJORA DE CONCENTRACIÓN Y ATENCIÓN, POR
MEDIO DE POTENCIALES EVOCADOS
Estudiante: Camilo Ernesto Romero Meza
Asesor: Fredy Enrique Segura Quijano PhD
Este proyecto de grado buscó desarrollar una interfaz cerebro-máquina para estudiar e incentivar la
mejora de concentración y atención en estudiantes por medio de potenciales evocados en medio estable
por EEG, a través del dispositivo de adquisición ”Wireless Neuro Board” diseñado en la Universidad
de los Andes y del tratamiento y deteccion de señales en el espectro de frecuencia. Este dispositivo
cuenta con comunicación Bluetooth y fue acoplado a una interfaz diseñada desde cero en Matlab, la
cual tiene el fin de generar los est́ımulos, recibir los datos de la tarjeta de adquisición y controlar el
sistema.
El proyecto busca cumplir con los siguientes objetivos:
• Generar est́ımulos visuales con el fin de observar patrones relacionados a la atención y concen-
tración por medio de potenciales evocados en estado estable: Este es uno de los objetivos básicos
para la realización del proyecto, ya que los resultados deben tener absoluta relación al estudio
de atención o concentración, o inclusive una interpretación valida.
• Implementar un sistema de tratamiento de datos integrado en la interfaz a desarrollar: Este
objetivo consta de un plus para el sistema, ya que se busca que este no requiera un exceso
de recursos por parte de la máquina o una gran cantidad de dispositivos como en proyectos
anteriores.
• Generar un protocolo de pruebas que permita verificar la funcionalidad del dispositivo: Dado que
se debe soportar la funcionalidad del sistema y que este sea replicable, al diseñar el protocolo se
permite que el trabajo este sustentado y que los resultados entre usuarios sean comparables.
• Desarrollar pruebas en por lo menos 3 grupos distintos de usuarios, con diferencias claras entre
estos como la edad y/o colegio, cada uno de estos grupos formado mı́nimo de 2 usuarios: Esto
debido a que se busca observar patrones entre grupos de personas, o inclusive si existe algún
factor o parámetro adicional que deba tenerse en cuenta.
• Obtener lectura de potenciales evocados a partir de la generación de est́ımulos visuales, que
proporcionen datos relevantes respecto a la concentración y atención de un usuario: Esto debido
a que se busca analizar si efectivamente las pruebas por medio de EEG y con la tarjeta de
adquisición usada pueden ser aplicadas a este tipo de análisis e inclusive en otros campos, aparte
de los comúnmente usados como juegos y medicina.
• Desarrollar un sistema de bajo costo y a su vez que permita ser mejorado sin la necesidad de
volver a diseñarlo: Este objetivo se basa principalmente en seguir explorando el proyecto a
futuro, o en caso de ser necesario otro estudiante pueda trabajar con este sistema de base.
El desarrollo del proyecto consto de una duración de un semestre académico de la Universidad de los
Andes (16 Semanas), aunque no fue dedicado a tiempo completo, en este tiempo se logró cumplir con
las siguientes metas y alcances:
31
APÉNDICE A. RESUMEN EJECUTIVO 32
• Desarrollar un protocolo de pruebas acorde a la adquisición SSVEP.
• Lograr que el sistema sea más práctico y de fácil uso para cualquier usuario.
• Desarrollar pruebas en por lo menos 2 grupos distintos de usuarios, con diferencias claras entre
estos como la edad y curso, cada uno de estos grupos formado mı́nimo de 2 usuarios.
• Obtener lectura de potenciales evocados a partir de la generación de est́ımulos visuales, que pro-
porcionen datos relevantes respecto a la concentración y la atención del usuario frente a un Test.
• Desarrollar un sistema que permita ser mejorado sin la necesidad de volver a diseñarlo, esencial-
mente mejorar el software y la interfaz.
• Se comprueba el funcionamiento del sistema debido ala análisis del resultado y al observar las
respuestasa las pruebas.
Finalmente, como cualquier proyecto y como primer acercamiento al uso de señales obtenidas por EEG,
se observaron dificultades durante todo el desarrollo, principalmente en la parte de procesamiento y
de detección de potenciales evocados, aunque en su gran mayoŕıa fueron superados y no afectaron la
finalidad del proyecto, pero pueden haber influido un poco en los datos obtenidos, estos problemas se
pod́ıan deber a ruido por fuentes externas a la tarjeta, errores en la transmisión, la incertidumbre de
la impedancia de conexión de los electrodos o el procesamiento de datos. También cabe resaltar, que
debido a la inexperiencia en el manejo de plataformas como Android no se pudo llevar el proyecto un
paso mas avanzado de lo desarrollado, aunque se presenta este factor como alternativa a trabajar a
futuro.
Los resultados mostraron un patrón entre a la atención y concentración de los sujetos de prueba y
los potenciales evocados en estado estable obtenidos, siendo que los picos de frecuencia estimulados
en mayor medida son efectivamente las frecuencias de las respuestas correctas, además de poder sin-
cronizarse con varios est́ımulos en pantalla efectivamente, logrando observar la interferencia de los
demás est́ımulos y de terminar si estaba concentrado o no.
Por todo lo anterior se puede afirmar que el proyecto cumplió en mas de un 90% de las expectativas
tenidas al principio de este, y que a su vez puede ser una buena base para trabajos futuros.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
PRESENTACIÓN DE PROPUESTA DE PROYECTO DE GRADO
SEMESTRE: 2016-02
FECHA: 2016-05-24
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE: Ingeniero Electrónico
ESTUDIANTE: Camilo Ernesto Romero Meza CODIGO: 201216430
TITULO DE LA TESIS O PROYECTO: DESARROLLO DE UNA INTERFAZ CEREBRO-
MÁQUINA PARA ESTUDIAR E INCENTIVAR LA MEJORA DE APRENDIZAJE POR MEDIO
DE POTENCIALES EVOCADOS
DECLARACION:
1 - Soy consciente que cualquier tipo de fraude en esta Tesis es considerado como una falta grave en
la Universidad. Al firmar, entregar y presentar esta propuesta de Tesis o Proyecto de Grado, doy
expreso testimonio de que esta propuesta fue desarrollada de acuerdo con las normas establecidas por
la Universidad. Del mismo modo, aseguro que no participé en ningún tipo de fraude y que en el trabajo
se expresan debidamente los conceptos o ideas que son tomadas de otras fuentes.
2- Soy consciente de que el trabajo que realizaré incluirá ideas y conceptos del autor y el Asesor y
podrá incluir material de cursos o trabajos anteriores realizados en la Universidad y por lo tanto,
daré el crédito correspondiente y utilizaré este material de acuerdo con las normas de derechos de
autor. Aśı mismo, no haré publicaciones, informes, art́ıculos o presentaciones en congresos, seminarios
o conferencias sin la revisión o autorización expresa del Asesor, quien representará en este caso a la
Universidad.
Firma (Estudiante)
Código: 201216430
CC: 1020807172
Vo.Bo. ASESOR (Firma) Vo.Bo. COASESOR (Firma)
Nombre: Fredy Enrique Segura-Quijano Nombre: Mario Andres Valderrama Manrique
Tabla de contenido
1 Caracterización del problema (Justificación) 1
2 Marco teórico 2
2.1 Antecedentes externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Antecedentes locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3 Caracterización del proyecto 3
3.1 Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.2 Objetivos espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.3 Antecedentes locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.4 Alcance (compromisos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4 Contexto del proyecto y tratamientos 4
4.1 Suposiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.2 Restricciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.3 Factores de riesgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5 Cronograma 5
5.1 Identificación y descripción de hitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
5.2 Cronograma (Gantt (tiempos, dependencias, recursos, entregables)) . . . . . . . . . . . . 5
5.3 Cronograma planteado por el asesor para entregas parciales y finales. NO MODIFICAR
ESTA SECCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
6 Recursos 7
Referencias 7
ii
1.Caracterización del problema (Justificación)
En Colombia no se ha desarrollado ni investigado mucho en el área de comunicación y control cerebral,
esta representa una innovadora e ilimitada ĺınea de investigación interdisciplinaria la cual ha atráıdo
la atención de diversas potencias a nivel mundial.
Esto se fundamenta en la funcionalidad del cerebro, el cual da instrucciones a través de los nervios
periféricos y los músculos en el cuerpo, aun aśı aunque estos no estén presentes la función del cerebro
todav́ıa se desarrolla, este factor es uno de las principales motivos por lo que se busca avanzar en
este campo ya que las instrucciones realizadas por el cerebro, pueden verse reflejadas a través de
electroencefalograma (EEG), logrando que este último pueda ser un puente que conecta el cerebro
humano con cualquier dispositivo externo.[2]
Una de las fuentes que permite la visualización de estos cambios proviene del análisis de potenciales
evocados, al concentrarse en sistemas de medición de los mismos en estado estable, se obtiene una
gran velocidad de transferencia de información, esto con un tiempo de entrenamiento mı́nimo para el
usuario y con un requerimiento de menor cantidad canales de EEG.[1]
Actualmente se han desarrollado sistemas que permiten interfaz entre Cerebro y Maquina que constan
de procesamiento de señales e interfaz entre computador y dispositivos externos, estos sistemas se
caracterizan principalmente por innovar en términos de velocidad y de precio, ejemplos de estos son
los dispositivos Neurosky [3] y Emotiv [4].
Para resumir, el uso de EEG ha permitido en estos años lograr una conexión de puente entre el cerebro
y cualquier medio tecnológico externo, el cual conduce a una adaptación del cerebro humano a este
sistema; el fin de este proyecto de grado será de lograr mejorar e implementar un dispositivo portable
de EEG que analice a través de una estimulación visual potenciales evocados, esto con fines en este
caso de análisis de aprendizaje e investigación y que pueda ser facilitado a futuro a entretenimiento y
estudios y aplicaciones médicas.
1
2.Marco teórico
• EEG – Electroencefalograma: Este es un tipo de potencial eléctrico oscilante generado por
activaciones neuronales en el cerebro, este posee una muy pequeña amplitud (rango de uV)
debido a la atenuación causada por el cráneo y el cuero cabelludo, estos son detectados por
medio de electrodos en áreas prefijadas en la cabeza. La importancia de este mecanismo es que
detecta modulaciones de la actividad cerebral correlacionadas con est́ımulos visuales presentados
en determinados casos, tales como las intenciones voluntarias y los estados cognitivos.[1]
• Potenciales Evocados: Son un tipo espećıfico de EEG generado por un est́ımulo visual, audi-
tivo, o táctil y el registro de las respuestas cerebrales que estos provocan, estas pueden establecer
la v́ıa sensitiva que está siendo estimulada. En el campo medico el análisis de estos tiene como
objetivo reestablecer enfoques de control comunicativos y ambientales con objetos tales como
prótesis, y en el campo no medico se aplica para juegos de entretenimiento, hogares inteligentes
y demás.[1]
2.1 Antecedentes externos
• Uno de los antecedentes externos a la universidad consta de un proyecto de maestŕıa desarrollado