Estudio y diseño de un sistema interfaz cerebro-computador de bajo coste con módulo Arduino

Abstract

En este Proyecto se pretende diseñar una Interfaz Cerebro-Computador (BCI) de bajo coste. Una BCI es un sistema que mide la actividad cerebral y la procesa para extraer las características de interés para realizar alguna tarea como el control de un dispositivo y así interaccionar con el entorno. En la actualidad ya hay dispositivos que realizan estas tareas sin ningún problema, sin embargo, los precios de estos aparatos son muy elevados. Mientras, la interfaz resultante del proyecto no supera los 40€ aunque no ofrece las mismas prestaciones que estos equipos que están en el mercado. De este modo, se pretende controlar el encendido y apagado de un LED mediante la interpretación de las señales cerebrales, en concreto de las ondas alfas. Así, cuando el usuario se encuentre con los ojos cerrados, el LED debería encenderse y cuando esté con los ojos abiertos el LED se apagaría. Una placa Arduino UNO será la encargada de controlar el encendido y apagado del LED. Para situar al lector, se presentará un breve marco teórico acerca del cerebro humano. Se expondrán las partes del mismo y las características de las neuronas, haciendo especial hincapié en los tipos de ondas cerebrales generadas por el cerebro, que no son más que el resultado de los impulsos eléctricos que viajan a través de las neuronas, y en qué condiciones se producen. En este Trabajo se tratará de controlar las ondas alfas, que se muestran con mayor amplitud cuando se está en actitud relajada y con los ojos cerrados. La señal cerebral se recogerá por medio de tres electrodos de Ag/AgCl colocados en diferentes puntos estratégicos de la cabeza. Para lograr diseñar esta BCI, se van a presentar y comparar dos técnicas claramente diferenciadas para el procesado de la señal. La primera opción es un circuito de acondicionamiento de señal con filtros analógicos, el cual se implantará en una placa de pruebas. La segunda opción es procesar la señal mediante filtros digitales desde LabVIEW, para aprovechar las ventajas que ofrecen estos filtros. Ambas técnicas serán ampliamente desarrolladas y explicadas, mostrando esquemas y gráficas aclaratorias para mostrar el comportamiento y los resultados de los dos métodos. Además, se explicarán qué elementos serán necesarios y cómo deben ser colocados en la placa de pruebas para obtener el circuito de acondicionamiento de señal. Por otro lado, también se hará un desarrollo de los diferentes tipos de filtros digitales para justificar la elección de los mismos. En este proyecto, se implementarán filtros IIR de tipo Butterworth. Por último, se expondrán las conclusiones obtenidas tras la realización del trabajo, así como posibles mejoras de la BCI para obtener mejores resultados.

The main goal of this project is to design a low cost Brain Computer Interface (BCI). A BCI is a system that measure brain activity and processes it to extract the properties of interest to perform some task such as controlling a device and thus interact with the environment. Nowadays, there are already devices that perform these tasks without any problem. However, the prices of these devices are really high. Meanwhile, the resulting interface of the project does not exceed 40 €, although it does not offer the same benefits as these equipments that are on the market. Thereby, it is intended to turn on and turn off a Light Emitting Diode (LED) by the interpretation of the brain signals, in particular of the alphas waves. So, when the user closes his eyes, the LED should light up and when he is with eyes open, the LED should turn off. An Arduino UNO board will be responsible for turning the led on and off. To situate the reader, a brief theoretical framework about the human brain will be presented. The parts of the brain and the characteristics of the neurons will be exposed, with particular emphasis on the types of brain waves generated by the brain, which are nothing more than the result of the electrical impulses that travel through the neurons, and under what conditions are produced. The aim of this Work is to control the alpha waves, which are shown with greater amplitude when you are in relaxed attitude and with your eyes closed. The brain signal will be collected by three Ag / AgCl electrodes placed at different strategic points of the head. In order to design this BCI, two clearly differentiated techniques for the processing of the signal will be exposed and compared. The first option is using a circuit with analog filters implanted on a breadboard. The second option is processing the signal using digital filters from LabVIEW, to take advantage of these filters. Both techniques will be extensively developed and explained, showing diagrams and explanatory graphs to show the behavior and results of the two methods. In addition, we are showing the components that will be needed and how they should be placed on the breadboard to obtain the signal conditioning circuit. On the other hand, it will also develop the characteristics of the different kinds of digital filters to justify the choice of them. In this project, Butterworth IIR filters will be implemented.