Brain Computer Interface

Brain Computer InterfaceBCI1Presentacin, La parte que menos me gustaCarlos Toxtli Hernndez13 aos de experiencia en el desarrollo de sistemas en mltiples tecnologas.7 aos en mandos de responsabilidad.2Algunos proyectos Y TECNOLOGAS

3Algunos logros

4ObjetivoAcercar a la gente al uso y desarrollo de interfaces BCI.Explicar los conceptos bsicos del estudio de seales del cerebro.Desmitificar las creencias acerca de los alcances de los BCI empleando tcnicas convencionales.Avances y que falta por recorrer.Se pretende esta sea una gua bsica para el comienzo de estudios en BCI.5Tcnicas para obtencin de seales (OUTPUT)Tcnicas invasivas: Un implante cerebral, a menudo denominado implante neural, es un dispositivo tecnolgico que se conectan directamente al cerebro de un sujeto biolgico - por lo general se coloca en la superficie del cerebro, o conectado a la corteza cerebral. Un objetivo comn de los implantes cerebrales modernos y de la investigacin actual es desarrollar una prtesis biomdica que permita remplazar zonas del cerebro que se han vuelto disfuncionales a causa de lesiones en la cabeza o accidentes cerebrovasculares. (Ejemplo BrainGate)

6Tcnicas PARA INSERCIN DE SEALES (input)Deep brain stimulation (DBS) Enviar seales directamente al cerebroLa FDA (Food and Drug Administration9 solo ha aprobado su uso para el tratamiento de las siguientes enfermedades:ParkinsonPnico crnicoDepresin severa.Sndrome de Tourette

7Tcnicas de exploracin NO INVASIVAS FMRI (imgenes por resonancia magntica funcional) es el uso de MRI para medir la respuesta de los flujos sanguneos durante la actividad neuronal en el cerebro o en la mdula espinal en humanos o animales. Es uno de los ms recientes avances en la formacin de neuroimgenes.

8MEG (Magnetoencefalografa) es una tcnica usada para medir los campos magnticos generados por la actividad elctrica en el cerebro mediante sensores extremadamente sensibles tales como superconductores de interferencia cuntica (SQUIDs).

9PET (Tomografa de emisin de positrones) Permite observar el flujo sanguneo o el metabolismo en una parte del cerebro. Al sujeto se le inyecta glucosa radioactiva que seguidamente es detectada en las reas ms activas del cerebro.

10MRS ( Resonancia magntica espectroscpica) basada en procesos de valoracin de la funciones del cerebro vivo. MRS toma las ventajas de la apreciacin de los protones (tomos de hidrgeno) que residen como diferencia del entorno qumico dependiendo bajo qu molcula est hospedada (H2O vs. proteinas, por ejemplo)

112D-Ultrasound Imaging (imagen por ultrasonidos 2D) Nuevo tipo de generacin de imgenes en dos dimensiones por ultrasonidos en tiempo real capaz de medir y visualizar el metabolismo por anlisis y seguimiento de amplitud de cambios localizados

12EMIT (Tomografa cerebral por computacin activa de microondas) es una nueva tecnologa que permite medir las propiedades fisiolgicas de los tejidos y rganos en tiempo real, basado en las diferenciacin de las propiedades dielctricas de los tejidos.

13NIRS, Optical Topography (topografa ptica) utiliza los principios del espectro de la luz infrarroja para analizar los cambios en el neuro-metabolismo durante la actividad cerebral.

14EEG (Electroencefalograma) es un medidor neurofisiolgico de la actividad elctrica del cerebro por medio de electrodos colocados en la superficie de la cabeza, o en casos especiales, sobre la superficie del cortex cerebral. Tambin conocido como brainwaves o impulsos elctricos cerebrales.

15Mindwave MobileElectrodos: 12 mental states (based on 4 brainwaves), eyeblinks21 March 2011Neurosky.NET,Android,iPhone,Arduino

16NecomimiElectrodos: 11 mental stateJuly 2012Neuroware

17MindsetElectrodos: 12 mental states (based on 4 brainwaves), eyeblinks1 December 2011Neurosky

18MindballElectrodos: 11 mental state21 December 2009Mattel (Neurosky partner)

19Star wars force trainerElectrodos: 11 mental state21 June 2009Uncle Milton (Neurosky partner)

20Electrodos:18 EEG bands5 January 2011XWave

21MyndPlayElectrodos:18 EEG bands1 December 2011MyndPlay

22Neural Impulse ActuatorElectrodos:32 brainwaves (Alpha & Beta), facial muscle and eye movementsMay 2008OCZ TechnologyPython

23Emotiv EPOCElectrodos:144 mental states (based on brainwaves), 13 conscious thoughts, facial expressions, head movements (sensed by 2 gyros)21 December 2009Emotiv SystemsC#,C++,Java,Matlab,Python

24 intendiX-SOCIElectrodos: 64It can detect different brain signals with an accuracy of 99%March 2012G.TEC

25 intendiX-PAINTINGElectrodos: 64It can detect different brain signals with an accuracy of 99%March 2012G.TEC

26 intendiX-SPELLERElectrodos: 64It can detect different brain signals with an accuracy of 99%March 2012G.TEC

27OpenEEGrmalo a tu gusto con las guas, el software y especificaciones de OpenEEG

28Caractersticas de sistemas EEGEl primer reporte acerca del registro de actividad elctrica cerebral fue publicado en 1929 por Hans Berger.El ancho de banda del EEG va de DC-100 Hz, con el mayor porcentaje de potencia entre 0.5 y 60 Hz. Las amplitudes sobre el crneo oscilan entre 2 y 100 V (el potencial en reposo de una neurona es de entre -60 y -70 mV) La magnitud de la actividad elctrica registrada en el EEG (V) es mucho menor que la actividad elctrica generada por una sola neurona (mV) porque es filtrada y atenuada al pasar por las diferentes capas de tejido que separan la superficie cortical del electrodo de registro (Westbrook, 2000).

29Caractersticas de sistemas EEGLos tipos de electrodos mas comunes son: Secos, con Gel o con solucin salina.Los registros del EEG muestran seales irregulares que no presentan en general patrones definidos. No obstante, su espectro vara considerablemente con los estados fsicos y el comportamiento, por lo que el estudio en el dominio de la frecuencia ha sido el ms usado en diagnstico neurolgico. Los modelos que resultan de realizar el anlisis cuantitativo del EEG o EEG cuantitativo (EEGq) en el dominio de la frecuencia se obtienen a partir de la conversin de la actividad elctrica cerebral de un grfico en el dominio del tiempo, mediante el procesamiento de seales con la transformada rpida de Fourier (FFT), que permite descomponer el EEG en sus componentes de frecuencia y a simultneamente medir la energa de cada uno de ellos.Se suele analizar ondas en 4 bandas, delta theta alpha beta

30Ondas deltaLas ondas delta son oscilaciones son el resultado de la representacin de la actividad cerebral frente al tiempo, estas dada su naturaleza presentan una periodicidad, su rango de frecuencias es de 1-3 Hz. Estas son detectadas en el cerebro humano a travs de un electroencefalograma. Normalmente estn asociadas con etapas de sueo profundo.

31Ondas ThetaLas ondas Theta son oscilaciones electromagnticas en el rango de frecuencias de 3.5 y 7.5 Hz que se detectan en el cerebro humano a travs de un electroencefalograma.Normalmente estn asociadas con las primeras etapas de sueo, fases 1 y 2. Se generan tras la interaccin entre los lbulos temporal y frontal.

32Ondas AlphaLas ondas alpha son oscilaciones electromagnticas en el rango de frecuencias de 8-12 Hz que surgen de la actividad elctrica sincrnica y coherente de las clulas cerebrales de la zona del tlamo. tambin son llamadas Ondas de Berger, en memoria de Hans Berger, el primer investigador que aplic la electroencefalografa a seres humanos.Las ondas alfa son comnmente detectadas usando un electroencefalograma (EEG) o un magnetoencefalograma (MEG), y se originan sobre todo en el lbulo occipital durante periodos de relajacin, con los ojos cerrados, pero todava despierto. Estas ondas se atenan al abrirse los ojos y con la somnolencia y el sueo. Se piensa que representan la actividad de la corteza visual en un estado de reposo.

33Ritmo MuUna onda similar a las alfa, llamada mu () es a veces observada sobre la corteza motora y se atena con el movimiento o incluso con la intencin de moverse.

34Ondas BetaLas ondas Beta son oscilaciones electromagnticas en el rango ms alto de frecuencia que se detectan en el cerebro humano a travs de un electroencefalograma. Estn asociadas con etapas de sueo nulo, donde se est despierto y consciente y las ondas son mas frecuentes en comparacin con las ondas delta, alfa y theta.

35Ondas GamaLas ondas gamma son un patrn de oscilacion neuronal que tiene lugar en los seres humanos, cuya frecuencia oscila entre los 25 y los 100 Hz,1 aunque su presentacin ms habitual es a 40 Hz.2 Se ha teorizado que las ondas gamma podran estar implicadas en el proceso de percepcin consciente,3 4 5 pero no hay acuerdo unnime al respecto.

36RecomendacionesSe una electrodo de referencia.Es mas fcil hacer pruebas con pelo corto.Lavar el rea para quitar sudor y grasa de la piel en contacto.Mantener el mayor reposo posible.Posicin confortable

37Como poner los electrodos

38Posiciones electrodos

39Nomenclatura

40Posiciones electrodos en cerebro

41reas externas y su funcin (Broadman)

42reas internas y su funcin (Broadman)

43CerebeloEncargado de la parte motora, sus seales no son detectables desde EEG.Dato curioso: La forma mas rpida bajar de peso es usndolo al mximo.

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45Bioseales

46ArtefactosLos artefactos son seales indeseadas que distorsionan el EEG y que surgen de acciones cotidianas, como parpadear o mover un msculo. La aparicin de artefactos en la adquisicin de EEG es inevitable, por tanto, una de las prcticas fundamentales en el registro de EEG, en primer lugar es evitar en la medida de lo posible el nmero de artefactos.Desde el punto de vista de procesado, es una etapa crtica para obtener una seal EEG, por ello los sujetos deben permanecer, en la medida de lo posible, en una posicin neutra y relajada, evitando el excesivo parpadeo.47Tipos de artefactosLos artefactos pueden ser divididos en dos categoras:SiolgicosNo siolgicos.Cualquier fuente en el cuerpo con un dipolo elctrico o que genere un campo elctrico es capaz de producir artefactos siolgicos, por ejemplo el corazn, ojos, msculos y lengua.El sudor puede tambin alterar la impedancia de contacto de los electrodos y producir un artefacto. Artefactos no siolgicos incluyen la interferencia de 60 Hz del equipo elctrico, artefactos kinesiolgicos causado por el cuerpo o movimientos del electrodo, y artefactos mecnicos debidos al movimiento del cuerpo.

48Movimiento muscular (EMG)

La actividad muscular aparece como artefacto frecuentemente. El artefacto EMG ocurre en los rangos alpha y beta superiores, especialmente por encima de los 23Hz. Y aparecen frecuentemente en los sensores T3 y T4 y en el rea frontal, pero tambin pueden localizarse en T5 y T6 debido a la tensin del los msculos del cuello.49Artefactos de movimientoEl movimiento del cuerpo, la cabeza o los cables de un electrodo producen artefactos.Por tanto, es importante recordar al sujeto que permanezca quieto. Tambin se recomienda la colocacin de una toalla en el cuello del sujeto para que la cabeza y los electrodos posteriores no tengan contacto con el respaldo de la silla. Adems se evitar la tensin del cuello al situar al toalla. Este tipo de artefactos pueden evitarse asegurando una posicin confortable, y detener cada 4-5 minutos el registro de EEG para que la persona se reajuste y cambie de postura si es necesario.50Movimientos ocularesEs de vital importancia poseer un canal donde se visualice el movimiento ocular. La fuente del dipolo ocular es de unos 100mWat entre el aqueous y vitreous. Movimiento vertical: Aunque los parpadeos son simtricos en Fp1 y Fp2, un canal para EOG asegura la identificacin de parpadeo. Este tipo de artefacto se reconoce porque la seal EEG muestra un contorno puntiagudo en forma triangular dndose lugar en los electrodos frontales. Siendo ms prominente en Fp1 y Fp2 que en F3 o F4.Movimiento lateral: tambin es detectado por un desfase en los electrodos F7 y F851

52Artefacto por el parpadeoSon potenciales de voltaje alto mximos en los canales frontales. Las desviaciones son sincronizadas y hay una desviacin importante en direccin inferior. El registro se debe al potencial corneorretiniano (la crnea es electropositiva respecto de la retina, en milivoltios) y hay una contribucin menor del electrorretinograma(ERG). Durante el parpadeo, los globos oculares giran un poco hacia arriba (fenmeno de Bell). As, los electrodos frontopolares se hacen momentneamente positivos. Son artefactos de una frecuencia entrelos 8 y 10 Hz.53Artefacto por el pulso (EKG) Se identifica por ser una onda rtmica y de configuracin puntiaguda que tiene la misma frecuencia que el EKG. El tiempo de ascenso es ms rpido que el de descenso. Este artefacto aparece cuando se coloca un electrodo sobre una arteria del cuero cabelludo, por ejemplo sobre una rama de la arteria temporal superficial. El desplazamiento del electrodo lejos de la arteria (es decir, a 1-2 cm) elimina el artefacto.54Obstculos del EEGEl EEG es solamente capaz de obtener informacin de las partes ms superficiales del cerebro.Las clulas estrelladas (stellate cells) que suponen un 15% de la poblacin neural total, generan patrones de campos electromgneticos cerrados que no pueden ser registrados por medios elctricos o magnticos.El anlisis visual del los registros electroencefalogrficos proporciona poca informacin acerca de la forma en que el cerebro regula funciones complejas como el aprendizaje, la memoria, la atencin, e incluso la ocurrencia de la plasticidad sinptica durante la recuperacin tras dao cerebral (Cantor, 1999).55Mapas tomados en estado de relajacin

56Cmo detectar patrones?Puede ser por medio de respuestas provocadas, mejor conocido como Potencial Evocado.El potencial evocado designa la modificacin del potencial elctrico producido por el sistema nervioso en respuesta a una estimulacin externa, especialmente sensorial (un sonido, una imagen, etc..), pero tambin a un evento interno como una actividad cognitiva ( atencin , la preparacin del motor , etc.)Cuando un tren de estmulos sensoriales de cualquier tipo llega al cerebro, provoca secuencias caractersticas de ondas en el trazado electroencefalogrfico (EEG), que denominamos potenciales evocados. 57P300 un Potencial Evocado muy utilizado Descubierta en el ao 2002, la onda P300 (EP300, P3) es un potencial evocado que puede ser registrado mediante electroencefalografa como una deflexin positiva de voltaje con una latencia de unos 300ms en el EEG. La presencia, magnitud, topografa y duracin de esta seal se utiliza a veces en la medicin de la funcin cognitiva de los procesos de toma de decisiones. Mientras los correlatos neuronales de este potencial an estn poco claros, la reproductibilidad de esta seal hace que sea una opcin comn para los test psicolgicos tanto clnicos como de laboratorio.58As se ve un P300

59Como lograr aparecer un P300Se emplea el paradigma Odd-ball que consiste en proporcionar un estimulo discriminante o distractor con mas frecuencia, alrededor de un 80% de frecuencia, y un estimulo objetivo o diana el cual logremos distinguir durante un 20% de frecuencia aproximadamente.Es mas sencillo lograrlo con seales auditivas o visuales, pero cognitivamente (pensamientos) tambin es posible entrenando el como evocarlos.60Configuracin

61Configuracin emotivAzul:Modo normalNaranja:Volteado

62P300 SpellerSe basa en los procesos de toma de decisiones inconscientes de la P300 para operar una computadora. Se le presenta a un sujeto una matriz de caracteres de 6X6 y se destacan varias filas o columnas. Cuando una columna o fila contiene el carcter el sujeto desea comunicarse y se provoca la respuesta P300 (puesto que este carcter es "especial" es el estmulo diana descrito en el tpico paradigma odd-ball). La combinacin de la fila y columna que evoca la respuesta localiza el carcter deseado. Se deben promediar algunos ensayos como este para eliminar el ruido del EEG. La velocidad de iluminacin determina el nmero de caracteres procesados por minuto. Los resultados de estudios que usan esta disposicin muestran que los sujetos normales pueden conseguir un 95% de tasa de xito a unos 3.4-4.3 caracteres/min y las tendencias sugieren que 40 caracteres/min es el lmite terico mximo lograble

63P300 Speller desde OpenVibeGran parte del software de BCI traen implementado dentro de los ejemplos un P300 Speller asi se ve en OpenVibe

64OpenVibeLa metodologa empleada es por medio de diagramas los cuales direccionan el flujo de los datos y nos permite desviarlo para distintos tipos de anlisis, sumamente poderoso.

65BCI2000Herramienta muy poderosa que funciona de forma modular, viene ya con mdulos pre programados que facilitan empezar a usarlo

66Matlab EEGLabEs el mas empleado para anlisis de muestras que no son en tiempo real, ideal para dar una interpretacin clnica de muestras prolongadas.

67Matlab BCILabSin duda la herramienta en tipo real que promete mas, despus del 2010 se desacelero su desarrollo pero las herramientas de entrenamiento ayuda a detectar patrones simples.

68AlgoritmosLinear classifiersLinear Discriminant Analysis (LDA)Support Vector Machine (SVM)Neural NetworksMultiLayer Perceptron (MLP)Learning Vector Quantization (LVQ)Fuzzy ARTMAP Neural NetworkRBF Neural NetworkBayesian Logistic Regression Neural Network (BLRNN)Adaptive Logic Network (ALN)Probability estimating Guarded Neural Classifier (PeGNC)Time-Delay Neural Network (TDNN)Gamma dynamic Neural Network (GDNN)Nonlinear Bayesian classifiersBayes quadraticHidden Markov Model (HMM)Nearest Neighbor classiffersk Nearest Neighbors (KNN)Mahalanobis distance Combinations of classifiersBoostingVotingStacking

69Tabla Comparativa

70Bayesianos? Con que se comen?En trminos ms generales y menos matemticos, el teorema de Bayes es de enorme relevancia puesto que vincula la probabilidad de A dado B con la probabilidad de B dado A. Es decir que sabiendo la probabilidad de tener un dolor de cabeza dado que se tiene gripe, se podra saber -si se tiene algn dato ms-, la probabilidad de tener gripe si se tiene un dolor de cabeza,71Software emotivtil para detectar artefactos, estados mentales y entrenamiento bsico de patrones, es posible grabar las seales EEG para posteriormente procesarlas.

72Herramientas Emotiv para SDK

73Programacin con Emotiv SDK

Su principal funcin es automatizar lo que detecta el panel de control y puede ser programado en C++,C#,Java,Matlab y Python

74Mitos y verdadesMito: Puedo leer los pensamientos con BCIVerdad: En EEG no es posible, haya avances usando FMRIMito: Puedo realizar acciones con los pensamientos mientras caminoVerdad: Ninguna tcnica ha demostrado obtener datos cognitivos si no es en reposo.75Cmo puedo aprender mas?www.cousera.org

76ConclusionesLos invito a entrar al fascinante mundo del BCI.Actualmente tenemos las herramientas para poderlo hacer en casa.No dejen pasar un da sin hacer sus sueos.Todo es posible, solo hganlo.77GraciasLa presentacin puede ser descargada desde:http://www.facebook.com/carlos.toxtli78