Aquisição de sinais por método Não-Invasivo

Introdução

Os dois principais métodos de aquisição de sinais extra-cranianos são o Eletroencefalograma (EEG) e o Eletromagnetograma (EMG). Eles são adquiridos pela captação dos sinais da corrente dipolo produzida naturalmente pela atividade cerebral. O EEG é o método mais utilizado pelo seu baixo custo e facilidade de produção. A utilização do EMG é bastante restrita pelo seu alto custo e pouca praticidade para uso diário.

Eletroencefalografia (EEG)

O eletroencefalograma é atualmente o modo mais comum de medir a atividade intra-craniana. Tem como vantagem o fato de ser não-invasivo, seguro e relativamente barato. \Seu funcionamento con

GRAVAÇÃO DO EEG

Para realizar esta tarefa teremos 2 principais desafios que são a referencia do local de colocação dos eletrodos e a quantidade. Deve-se compreender o impacto desdes parâmetros em relação as propriedades para se realizar a captação dos dados.

ELETRODOS

Para o processo de aquisição são necessários ao menos 3 eletrodos: dois para gravação e um para o valor de referência (Ground).

É importante saber que o ground do eletrodo é conectado a um amplificador do ground, porém, o do eletrodo deve ser isolado do ground da fonte de energia, como mostra a Figura 1:

Fonte: Wolpaw, Jonathan R., Brain Computer Interfaces - Principle nd Practice, 2012, Oxford Press.

A diferença de potencial existente aos 2 outros eletrodos é baseada na fórmula V2(t) - V1(t), geradas pela fonte de energia P(r,t) referente ao momento da corrente dipolo por volume de unidade e também, por interferências biológicas.

O potencial da localização dos eletrodos 1 e 2  em referência ao negativo é dada respectivamente pela fórmula V1(t) + Vcm(t) e V2(t) + Vcm(t), onde Vcm(t) é o modo potencial comum (causado pelas linhas de energia).

Sistemas baseados em EEG como o da Figura 1, usam differential amplifiers, os quais são designados para rejeitar o potencial de modo-comum (constante espacial) Vcm(t) e amplificar a diferença de potencial entre os pares de eltrodos conectados ao couro de forma que  a voltagem de output E(t) é proporcional a diferença de potencial gerada pelo corpo, isto é, E(t)=A[V2(t)-V1(t)], onde A é o ganho total do sistema referente aos estágios de amplificação.

O eletrodo negativo que é colocado na cabeça, orelha ou pescoço, provê uma voltagem de referência para o amplificar prevenindo ruidos e servindo como referência para o amplificador diferencial.

Sistemas de EEG tradicionais criam sinais de contato com impedância normalmente inferior a 10kOhms, porém, os amplificadores modernos com impedância de input maiores (200MOhms), impedâncias no eletrodo de contato (~30-50kOhm) podem ser bem toleradas sem degradar a qualidade do sinal.  O único lado negativo disto é o ruido que poderá almentar a faixas de 60Hz, porém, podem ser eliminados por filtros analógicos ou pós-processado com filtros digitais.

Estra alta tolerância a alta-impedância criada pelo input, permite o uso de esponjas com sal, que possuem maior impedância que o tradicional método com gel, além também da maior rapidez na colocação dos eletrodos.

Estes eletrodos são também classificados como eletrodos molhados, porém, recentemente tem sido bastante desenvolvida a pesquisa em tipos de eletrodos secos, utilizando platina, ouro ou aço inoxidável.

Os eletrodos criados possuem uma parte metálica que geralmente é feita utilizando materiais como Estanho(Sn), Prata ou Cloreto de Prata(Ag/AgCl), ouro(Au) ou Platina(Pt). Os eletrodos de Estanhos possuem o menor custo entre as opções, porém, o baixo sinal (timicamente 1Hz) não é favorável para aplicaçõs referentes a event-related potential (ERP), sendo dada preferência aos feitos com prata ou cloreto de prata, os quais são mais utilizados comercialmente.

BIPOLARIDADE DO EEG

É importante saber que todas as gravaçõe ssão bipolares, portanto, é importante o uso de um par de eletrodos para medir o potencial, pois, o sinal depende da corrente que passa pelo circuito. Na prática, ele depende da posição do par de eletrodos de gravação e do eletrodo de referência. Este eletrodo de referência é geralmente colocado na orelha ou mamilos, porém, não existe explicações teóricas suficientes que justifiquei o uso nestas regiões. Uma outra opção é o uso de uma referência de média-comum.

MONTAGEM DOS ELETRODOS

Existem padrões internacionais de localização dos eletrodos conhecidos como 10-20, 10-10 e 10-5 mostrados na Figura 2. Este padrão tem por base o cálculo da distância total de ponta a ponta, e a retirada do percentual em sua média.

Figura 2: Padrão Internacional de localização dos Eletrodos no EEG

Fonte: http://origin-ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1388245700005277-gr2.jpg

Por exemplo, na imagem podemos ver que do centro superior (que representa o nariz) até a parte posterior da cabeça, há uma série de pontos pretos representando a localização dos eletrodos. 

Estes pontos representam o Sistema 10-20, onde existe um total de 21 pontos com uma diferença de 20% na distância entre eles. É possível perceber também que os números da esquerda são ímpares, da direita pares e do centro são indicados pela letra z.

O Sistema 10-10 é composto por 74 eletrodos que são os 21 do sistema 10-20 de cor preta mais 53 eletrodos representados pelos círculos de cor cinza.

Além disso há ainda o sistema 10-5 que é composto por 145 eletrodos. Representa a soma os pontos do sistema 10-20, 10-10 e a inclusão dos pontos brancos, capaz de gerar uma maior precisão na aquisição de sinais. 

CLASSIFICAÇÃO DE AMOSTRA (SAMPLE RATE)

O processo de aquisição consiste na detecção dos sinais pelos eletrodos, amplificação, filtragem pelos circuitos analógicos e então, digitalizados. 

O circuito analógico remove a interferência de alta e baixa frequência que ultrapassam o Nyquist Limit¹  que é definido pela taxa de amostragem do conversor ADC. definido  conversor analógico-digital (ADC). Este processo gera uma fórmula definida por fdig>2fmax onde fdig é a taxa de amostragem e fmax é a maior frequência presente no sinal. Por exemplo, se a maior frequência de sinal é 20hz (20 ciclos por segundo), a taxa mínima de amostragem deve ser 40hz (1 amostra a cada 25msec).

Para prevenir alising, é aplicado ao sinal analógico um filtro passa-baixo (low-pass filter²). Este filtro elimina a potencia  (amplitude quadrada) em frequências maiores que a máxima determinada pela Nyquist Limit. Na prática isto é aplicado com o conhecido nome de Engenharia do Limite Nyquist, pelo qual filtros passa-baixo com ferquência de corte de 2.5 tempos menor que a taxa de amostragem (sample rate). Por exemplo, se a frequência de intersse é mor que 30Hz, a frequência de corte é 30Hz e a taxa de amostragem (sample rate) é 75Hz.

Normalmente a amostra do sinal analógico é feita 200-1000 times/sec, digitalizado e convertido em unidades de ADC para Volts. Este processo pode ser gravado ou mais comumente processados online produzindo saídas em tempo real.

PREVENINDO, RECONHECENDO E ELIMINANDO SINAIS NÃO-CEREBRAIS (RUÍDOS)

Alguns sinais físicos não-cerebrais podem contribuir negativamente na gravação de EEGs. Este tipo de sinal pode ser gerado pela atividade muscular craniana(medido via eletromiograma[EMG]), movimento ocular e cardíaco(via eletro-oculografia[EOG]) e atividade muscular cardíaca(eletrocardiograma[ECG]).

Estes efeitos podem causar oscilações de baixa-frequência(<2Hz), alta frequência e mudanças bruscas na base. Como consequencia a relação sinal/ruido acaba sendo reduzida e principalmente ruidos provenientes de EMG podem resultar em um falso valor de EEG, ou seja, pode gerar um falso comando.

1. the wave's frequency must not be above half the sampling frequency. This limit is called the Nyquist limit of a given sampling frequency

2. Nome comum dado a um circuito Eletrônico que permite a passagem de baixas frequências sem dificuldades e atenua (ou reduz) a amplitude das frequências maiores que a frequência de corte. A quantidade de atenuação para cada frequência varia de filtro para filtro.