Colocación de electrodos EEG en un Layout Fijo vs. Variable

El mercado de dispositivos de neurotecnología está creciendo gracias al llegada de muchas nuevas herramientas. En consecuencia, encontrar el EEG adecuado puede ser un desafío. Hay muchas características que influirán en esta decisión, pero una muy importante es si el electroencefalograma (EEG) posee un layout fijo o variable. Los layouts variables proporcionan flexibilidad aunque a costa de la usabilidad, mientras que en los layouts fijos sucederá lo contrario. Aquí explicamos las ventajas y desventajas de cada versión.

Las áreas del cerebro y su función

La capa exterior del cerebro se llama corteza cerebral. En esta zona se ejecutan muchas de las funciones clave del sistema nervioso. El córtex cerebral se divide en cuatro partes llamadas lóbulos. Estas son el lóbulo frontal, el lóbulo parietal, el lóbulo temporal y el lóbulo occipital. Cada región ha sido subdividida y está asociada a funciones cerebrales específicas.

Regiones de la corteza cerebral asociadas con las funciones cerebrales. [en línea] Disponible en: https://human-memory.net/sensory-cortex/

Estas áreas fisiológicas están relacionadas con algunas funciones o comportamientos principales:

Funciones cerebrales relacionadas con los lóbulos cerebrales:

Estas son las diferentes áreas o lóbulos del cerebro y sus respectivas principales funciones.

1. Frontal: Razonamiento, control del habla y del movimiento, emociones y resolución de problemas.
2. Central: Sensoriomotor.
3. Parietal: Atención, percepción y procesamiento de los estímulos relacionados con los sentidos (temperatura, tacto, presión, dolor).
4. Occipital: Visión.
5. Temporal: La memoria, el significado y la interpretación, y procesamiento de los estímulos auditivos.

Los sistemas de EEG 10-5, 10-10 y 10-20

Los intercambios bioquímicos entre las células producen una pequeña actividad eléctrica cuando las neuronas se comunican entre sí. Una sola señal eléctrica de neurona a neurona no es registrable, pero cuando millones de neuronas se sincronizan, el campo eléctrico generado puede ser medido desde el cuero cabelludo. Esta actividad eléctrica del cerebro (o señales electroencefalográficas, EEG) se transmite a través de los tejidos, los huesos y el cabello antes de que se registre, y, para entonces, su amplitud está muy atenuada (Sörnmo & Laguna, 2005; Nunez & Srinivasan, 2006). 

En el EEG, la ubicación de los sensores o electrodos en el cuero cabelludo es crítica si queremos que nuestros experimentos sean reproducibles, o si queremos comparar nuestras grabaciones con datos registrados por diferentes personas. Esta es la razón por la que en 1947 se designó un comité para crear un estándar que unificara todos los procedimientos para el registro de la actividad eléctrica con EEG. Este comité ideó el sistema EEG 10-20 como una forma de posicionar y etiquetar los canales del EEG, y propuso un mínimo de 21 electrodos para examinar el cerebro adulto (Jasper, 1958; Silverman, 1963). 

El sistema internacional de colocación de EEG toma cuatro puntos de referencia craneales universales (nasion, inion y ambos puntos pre-auricular), y distribuye proporcionalmente los electrodos del EEG sobre la superficie de la cabeza. 

A-C: Colocacion electrodos EEG estándar del sistema 10-20. Modificado de: Seeck, M., Koessler, L., Bast, T., Leijten, F., Michel, C., Baumgartner, C., ... & Beniczky, S. (2017). La serie de electrodos estandarizados del EEG del IFCN. Neurofisiología clínica, 128(10), 2070-2077

La colocación de los electrodos para el EEG sigue el sistema internacional que los etiqueta según las áreas de la corteza cerebral mencionadas más abajo. Las etiquetas se refieren al lóbulo o área del cerebro que está siendo registrada por cada sensor.

• Las principales áreas son frontopolar (Fp), frontal (F), central (C), temporal (T), parietal (P) y occipital (O).
• En cuanto a su ubicación lateralizada, los números impares (1, 3, 5, 7) se refieren a los electrodos colocados en el hemisferio izquierdo, mientras que los números pares (2, 4, 6, 8) se refieren a los del hemisferio derecho.
• Los electrodos que están sobre la línea media (línea cero) están etiquetados con la letra "z".

Según el porcentaje de la distancia entre los sensores, tenemos el layout 10-20 con un total de 21 sensores, si partimos de una distribución de distancias del 10% y el 20% de las curvas de referencia central sagital y coronal. Si estas líneas centrales se dividen en un 10%, entonces tenemos el layout 10-10 con 81 sensores. Finalmente, si añadimos la resolución con distancias del 5%, entonces, tenemos el sistema 10-5 para EEG con 320 electrodos (Jurcak, Tsuzuki, & Dan, 2007).

Con este estándar de ubicación de los electrodos para EEG del cuero cabelludo, uno puede asociar fácilmente el EEG de un sensor dado con diferentes funciones cerebrales dependiendo de su ubicación en el layout del sensor. La siguiente ilustración representa las funciones del cerebro por área y su equivalente con el sistema de electrodos 10-20. 

Relación entre las funciones cerebrales y la serie de electrodos estandarizados del EEG del IFCN.

Todos los sistemas de EEG siguen este estándar, no solo porque los resultados pueden ser comparados con otros en la literatura de la investigación, sino también porque es sencillo describir, de forma unificada, el área/función cerebral a la que podemos acceder con cada sensor (o headset).

Layouts de EEG con colocación de electrodos variables o fijos

Hay dos tipos de sistemas:

1. Los que tienen un layout variable de sensores (los sensores pueden ser colocados en diferentes posiciones). 
2. Los que tienen layouts fijos (la colocación de los electrodos para EEG no se puede cambiar).

EEG con layout variable

Estos sistemas permiten mover sus posiciones intercambiables para acomodar diferentes experimentos. Esto suele ocurrir en entornos de laboratorio, durante las fases de investigación exploratoria, en donde se prioriza la cobertura de los sensores de la cabeza y la flexibilidad por encima de otros aspectos como la comodidad o la ergonomía. 

Versatile EEG 32ch de Bitbrain.

Estos sistemas de EEG suelen estar compuestos por un gorro de tela para EEG que cubre toda la cabeza con una cinta colocada sobre la barbilla para asegurar la tecnología, una serie de sensores y un amplificador. El gorro conserva el sistema 10-10 o 10-20 para EEG con carcasas etiquetadas junto con su patrón donde se pueden insertar los electrodos. Por lo general, hay varios tamaños para adaptarse mejor a todos.

EEG con layout fijo

Las ubicaciones de los sensores en estos sistemas están predefinidas. Los electrodos son fijos y no pueden moverse de una posición a otra. Estos sistemas están diseñados para medir procesos mentales específicos y solo cubren las áreas cerebrales necesarias para la aplicación

Definir un layout de electrodos optimizado permite un diseño de headset más ligero y menos invasivo. La facilidad de uso, la comodidad y la rápida configuración son las características que hacen que un layout fijo sea valioso para un experimento. Estos sistemas tienen un diseño simplificado que permite su autocolocación.

Ventajas y desventajas de la colocación de electrodos variables y fijos

En este cuadro resumimos a continuación los pros y los contras de los diferentes enfoques. Asumimos que los sensores que utilizan layouts variables se basan en EEG de sensores húmedos y pueden tener un gran número de electrodos, y los que utilizan layouts fijos están compuestos por un número menor de electrodos secos.

Ventajas y desventajas de las tecnologías variables y fijas.

Cómo seleccionar un EEG con colocación de electrodos variables o fijos

Aunque los EEG con layouts fijos pueden utilizarse para grabar EEG en casi cualquier configuración, el principal propósito de estas tecnologías es abordar entornos del mundo real (fuera del laboratorio) o productos o servicios profesionales. Una forma fácil de ajustar tanto el EEG con sensores variables o fijos en una línea de investigación general es:

• Fase 1 - Fase de investigación exploratoria: Utilizar tecnologías para la investigación en laboratorio (EEG con layouts de sensores variables y tasas de muestreo más altas) con el fin de comprender el comportamiento humano en situaciones controladas. En esta etapa, las prioridades son obtener datos del EEG con un gran número de sensores, mediante una alta cobertura del cerebro y con muy altos niveles de resolución y precisión. 
• Fase 2 - Optimización de la aplicación: Utilizar técnicas de procesamiento de señales de EEG para entender dónde y cómo se pueden medir los correlatos neurales subyacentes al comportamiento.
• Fase 3 - Fase orientada a la aplicación: Utilizar tecnologías de investigación y aplicación fuera del laboratorio (EEG con layouts de sensores fijos) para comprender el comportamiento humano en escenarios naturales. En este caso, la prioridad es disponer de tecnologías de registro de EEG fáciles de usar y cómodas, utilizando sensores solo en las áreas cerebrales relevantes (midiendo solo las actividades cerebrales que necesitamos medir), con movilidad y resistencia a los artefactos (para manejar el libre movimiento).

Como puedes ver, hay una clara analogía de esta línea de investigación con el uso de EEG de sensores húmedos (electrodos húmedos que utilizan solución salina o gel conductor) o EEG de sensores secos (sin uso de solución salina o gel conductor). En este post descubrirás cómo seleccionar un EEG de sensores húmedos vs uno con sensores secos. El principal foco de aplicación del EEG de sensores húmedos (con layouts variables) suele ser complementario al EEG con sensores secos (con layouts fijos), ya que se utilizan en diferentes etapas de esta línea de investigación. 

Esta figura muestra varios ejemplos de la implementación de estas fases de investigación.

Ejemplos de proyectos con los dos tipos de sistemas de EEG

En los ejemplos que figuran a continuación se detallan dos casos reales, y cómo la elección de un EEG con layout variable o un EEG con un layout fijo cambia junto con las etapas del proyecto.

EEG con layouts variables y fijos para mejorar la movilidad de los tetrapléjicos

El proyecto europeo de investigación MoreGrasp H2020 desarrolló una neuroprótesis motora controlada por el cerebro para permitir a los tetrapléjicos realizar tareas cotidianas, por ejemplo, agarrar un vaso, de manera que mejoraban su autonomía y calidad de vida. El objetivo es decodificar la intención de agarre a partir de los patrones de EEG producidos por la corteza motora del usuario (estados mentales o comandos mentales), y posteriormente, activar los músculos que implican el movimiento previsto mediante corrientes eléctricas (movimiento efectivo). El proyecto se compuso de dos fases en las que Bitbrain desarrolló dos EEG con diferentes requisitos de diseño. 

1. Fase 1: En la primera etapa, participantes con lesiones de la médula espinal completaron una fase de entrenamiento de 4 a 8 semanas para familiarizarse con la tecnología. Durante esta fase, el equipo de investigación tuvo que localizar el menor número de sensores necesarios para decodificar la intención y el tipo de movimiento/agarre de forma natural. Bitbrain desarrolló el Versatile EEG, un EEG inalámbrico con 32 canales y un layout flexible con una amplia cobertura de la cabeza.
   
   Uso de una neuroprótesis motora controlada por el cerebro durante el proyecto MoreGrasp.
2. Fase 2: En la segunda etapa del proyecto, Bitbrain desarrolló Hero, un EEG de sensores secos personalizado que el participante recibió para utilizarlo diariamente en su casa. Esta vez, el cuidador del participante instala la tecnología.
   
   Usando el dispositivo Hero para movimientos de agarre.

 En este punto, el desafío era convertir un dispositivo de EEG de laboratorio de amplia cobertura en un headset intuitivo, simple y cómodo para el uso diario. El reducido número de sensores y sus posiciones fijas proporcionaron las siguientes características clave:

• El layout fijo permitió un diseño que oculta los cables dentro de las carcasas, proporcionando un dispositivo de aspecto más amigable para las aplicaciones del mundo real, y alejándose de la imagen de un equipo de laboratorio. La facilidad de uso de este dispositivo permite a su vez que pueda ser colocado por un cuidador sin experiencia en EEG. 
• Los sensores estaban situados solo sobre la corteza motora, que eran los únicos electrodos requeridos para esta aplicación específica de interfaz cerebro-computadora. Con la cara despejada, esto facilitaría al participante su integración con la tecnología en la vida diaria y la percepción de una tecnología menos invasiva. Ambos aspectos aumentarían la aceptación por parte del usuario.
• Los 12 sensores optimizados del EEG móvil hacen que el producto sea más ligero y, por lo tanto, más cómodo.

EEG con layouts variables y fijos para la neurorehabilitación cognitiva

Elevvo es una solución comercial de neurotecnología de interfaz cerebro-computadora para mejorar la memoria de trabajo, la velocidad de procesamiento y la atención sostenida de los usuarios (Escolano, 2019a). El fundamento de esta tecnología es utilizar modernos procedimientos de estimulación de neurofeedback para producir cambios neuroplásticos en las áreas del cerebro que median en los procesos cognitivos. Se utiliza principalmente para la rehabilitación o el mantenimiento cognitivo. Más de 100 participantes la han usado hasta el momento, mejorando en estas capacidades cognitivas entre el 10% y el 30%, resultado que depende de la población objetivo (Escolano, 2019b).  

Un aspecto importante de esta tecnología es que se desarrolló con un EEG asistiendo a un layout de sensor intercambiable. Inicialmente en las fases de investigación, y más tarde en los estudios experimentales, el objetivo era entender si este moderno entrenamiento de neurofeedback producía los efectos deseados [Escolano, 2011; Escolano, 2014a; Navarro-Gil, 2018; Escolano, 2014b].

Uso de un dispositivo Versatile para las investigaciones de Elevvo.

Como resultado de todos los estudios realizados, las personas observaron claras mejoras en sus capacidades cognitivas (con una variabilidad dependiente del usuario y sus capacidades cerebrales). Una vez probado este concepto, el siguiente paso fue aplicar esta tecnología a las aplicaciones del mundo real.

Por ejemplo, el proyecto Sanitas implementó Elevvo en hogares de ancianos para la rehabilitación cognitiva de personas mayores. Para ello, Bitbrain utilizó Diadem, un EEG móvil con 12 sensores secos fijados en las áreas cerebrales necesarias para Elevvo. El diseño de este producto fue el resultado de los siguientes determinantes clave:

• El layout predefinido y fijo permitió un diseño de headset más ligero y minimalista, menos intrusivo y más cómodo para el usuario. Los cables de los sensores están integrados en un estuche cuidadosamente diseñado.
• El número limitado de sensores en lugares optimizados permitió diseñar un producto sencillo con un uso más fácil e intuitivo, permitiendo la configuración por parte de un no experto en EEG, incluyendo la autocolocación, con tiempos de configuración cortos. 

Diadem de Bitbrain utilizada para el proyecto Sanitas.

Conclusiones

• Si se requiere flexibilidad para sus estudios, la mejor opción es un sistema de monitorización EEG con un layout variable. Estos sitemas son altamente útiles en las fases de investigación exploratoria, cuando se requiere una alta cobertura de la cabeza y la intercambiabilidad de sensores. De lo contrario, si necesitas un dispositivo para aplicaciones reales (fuera del laboratoro), considera las tecnologías de EEG con layouts fijos, ya que están optimizados para aplicaciones específicas. 

Otros factores determinantes importantes son:

• Tiempo de preparación y colocación: Normalmente el tiempo de preparación y colocación de los electrodos fijos es mucho menor que el de los variables, ya que sus posiciones están predefinidas y el operador no necesita colocarlos. 
• Utilidad y diseño: Gracias a un layout de electrodos optimizado y fijo, estos sistemas son más ligeros y cómodos que los EEG variables. Su diseño es menos invasivo y más innovador, por lo que son más adecuados en aquellas situaciones en las que la imagen y la percepción del usuario son factores importantes, o cuando la persona que va a configurar el sistema no tiene experiencia previa EEG. 

Acerca de las autoras

Alexandra Alda, Ingeniera de Diseño de Producto en Bitbrain - Linkedin

Alexandra Alda obtuvo su licenciatura en Diseño Industrial e Ingeniería de Desarrollo de Productos (2006) y un máster en Gestión Industrial (2013) por la Universidad de Zaragoza (España). Después de sus 6 años de experiencia como diseñadora de productos en tres estudios de diseño en Madrid y Zaragoza, desde 2013 hasta la actualidad, trabaja como jefa del Departamento de Diseño de Productos de Bitbrain. Su principal experiencia en diseño es en el campo del diseño y desarrollo de dispositivos de registro biométrico centrados principalmente en sistemas de electroencefalograma móviles. Sus intereses se centran en la ergonomía así como en el diseño centrado en el usuario.

Natalia Torreblanca, Ingeniera de Diseño de Producto en Bitbrain - Linkedin

Natalia Torreblanca tiene una licenciatura en Ingeniería de Diseño Industrial y Desarrollo de Productos (2017) por la Universidad de Zaragoza (España). Desde entonces, Natalia trabaja como diseñadora de productos centrada en el EEG móvil y en el desarrollo de hardware biométrico con un equipo multidisciplinar. Estos proyectos suelen incluir aspectos como la usabilidad, la ergonomía, el prototipo de impresión 3D o la fabricación de productos.

Referencias

• Silverman, D. (1963). The Rationale and History of the 10-20 System of the International Federation. American Journal of EEG Technology, 3(1), 17–22. https://doi.org/10.1080/00029238.1963.11080602
• Jasper, H. H. (1958). The ten-twenty electrode system of the International Federation. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol., 10, 370-375.
• Jurcak, V., Tsuzuki, D., & Dan, I. (2007). 10/20, 10/10, and 10/5 systems revisited: their validity as relative head-surface-based positioning systems. Neuroimage, 34(4), 1600-1611.
• Escolano, C., Montesano, L. & Minguez, J. (2019a). On Modern Neurofeedback Solutions based on Brain-Computer Interfaces in Uncontrolled Real-World Settings. In IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). Bari (Italy).
• Escolano, C., Montesano, L. & Minguez, J. (2019b). A  Business Proof-of-Concept of a Brain-Computer Interface for Cognitive Enhancement. In IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). Bari (Italy).
• Escolano, C., Navarro-Gil, M., Garcia-Campayo, J., Congedo, M., De Ridder, D., & Minguez, J. (2014a). A controlled study on the cognitive effect of alpha neurofeedback training in patients with major depressive disorder. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 8(296).
• Navarro-Gil, M., Escolano, C., Montero-Marín, J., Minguez, J., Shonin, E., & Garcia-Campayo, J. (2018). Efficacy of neurofeedback on the increase of mindfulness-related capacities in healthy individuals: a controlled trial. Mindfulness, 9, 303-311.
• Escolano, C., Aguilar, M., & Minguez, J. (2011). EEG-based upper alpha neurofeedback training improves working memory performance. In International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) (p. 2327-2330). Boston (USA).
• Escolano, C., Navarro-Gil, M., Garcia-Campayo, J., Congedo, M., & Minguez, J. (2014b). The effects of individual upper alpha neurofeedback in ADHD: An open-label pilot study. Applied Psychophysiology and Biofeedback, 39(3-4), 193-202.