Capa de sensores en sistemas EEG: características técnicas clave

Al elegir un dispositivo de electroencefalograma (EEG) dentro de las limitaciones de los requisitos de un proyecto, es importante encontrar el máximo rendimiento posible equilibrando características y valor. Este artículo se centra en las características de la capa de sensores de EEG, incluyendo el tipo de sensor (seco/húmedo), el blindaje y la colocación de los electrodos, con el fin de ofrecer pautas que ayuden en el proceso de selección. 

Descripción general de las características técnicas del EEG 

Las características técnicas de los dispositivos de electroencefalografía (EEG) pueden dividirse en tres áreas principales: 

1. El área del sensor o casco (capa de sensores), tratada en esta publicación. 
2. El amplificador (capa de adquisición), que puede subdividirse en las subáreas analógica y digital. 
3. El área de conectividad del amplificador (capa de conectividad), que incluye otras características como dimensiones, energía, peso, etc. 

En esta publicación nos centraremos en la primera área, la capa de sensores.

Capa de sensores del casco EEG 

La capa de sensores del EEG comprende la interfaz sensor-cuerpo y la transmisión de la señal hacia el amplificador. 

1. Número de electrodos / canales EEG 

Medimos la actividad EEG como la diferencia de voltaje entre dos electrodos. Como regla general, se elige un electrodo fijo como referencia para todos los demás electrodos. Por lo tanto, un casco EEG contiene tres tipos de electrodos: 

1. Electrodos de registro: colocados sobre las ubicaciones específicas del cuero cabelludo que queremos medir. 
2. El electrodo de referencia: aquel cuyo valor se resta de cada uno de los electrodos de registro. 
3. El electrodo de tierra: utilizado para situar tanto el amplificador como el cuerpo al mismo potencial y reducir la interferencia en modo común.

Cuando se habla del número de electrodos, siempre se hace referencia solo a los electrodos de registro EEG, ya que la referencia y la tierra siempre son necesarias. Por ejemplo, un dispositivo EEG de 32 canales tiene 32 canales de registro, más tierra y referencia.

El número de canales EEG determina la cantidad de información que podremos procesar. Aunque es difícil generalizar, una división aproximada podría ser: 

1. >64 canales: una investigación de neuroimagen de alta densidad o estudios EEG que dependen en gran medida de la localización de fuentes y el filtrado en el procesamiento de señales, o de procesos cerebrales muy localizados. 
2. 32–64 canales: estudios de neuroimagen que requieren la localización de fuentes o imágenes EEG (con fuerte filtrado de artefactos). 
3. 19 canales: el sistema estándar 10-20 utilizado en investigación y práctica clínica. 
4. 16–32 canales: para áreas de investigación en neurociencia aplicada, como interfaces cerebro-computadora, ingeniería biomédica, ingeniería neural, psicofisiología, etc.
5. 8–16 canales: neurotecnología para neurorrehabilitación motora, neurorrehabilitación cognitiva, neurociencia del consumidor, etc. (donde normalmente conocemos la actividad y la zona del cerebro que necesitamos medir). 
6. <8 canales: para aplicaciones muy específicas que implican la medición de procesos neuronales bien definidos y requieren un montaje simple y rápido (por ejemplo, neurofeedback tradicional sobre una localización cortical, mediciones EEG del sueño, etc.). 

2. Colocación de los electrodos EEG (fija vs. intercambiable) 

Las posiciones de los sensores EEG suelen seguir el Sistema Internacional 10-20, que los etiqueta según la ubicación de los electrodos en el cuero cabelludo y el área cerebral subyacente. Las etiquetas incluyen una letra para identificar la región del cerebro que está siendo registrada por cada electrodo. 

Las principales áreas cerebrales son: prefrontal (Fp), frontal (F), central (C), temporal (T), parietal (P) y occipital (O). Con respecto a su ubicación lateralizada, los números impares (1, 3, 5, 7) se refieren a electrodos colocados en el hemisferio izquierdo y los números pares (2, 4, 6, 8) corresponden al hemisferio derecho. Los electrodos situados sobre la línea media están etiquetados con la letra “z”. 

Según el porcentaje de distancia entre sensores, existen los sistemas 10-5, 10-10 y 10-20. Es altamente recomendable seguir este estándar de colocación 10-20 para electrodos EEG, ya que de lo contrario, la recolección y el análisis de datos (por lo tanto, los resultados) no serían comparables con los publicados en la literatura científica.

Los cascos EEG comerciales presentan posiciones de sensores fijas o intercambiables. En los sistemas con posiciones fijas, los sensores no se pueden cambiar de un lugar a otro, mientras que en los sistemas con posiciones intercambiables, los sensores pueden moverse para adaptarse a diferentes configuraciones experimentales. 

Si te interesa saber más sobre este tema, revisa este artículo: Colocación de electrodos EEG en un Layout Fijo vs. Variable

Como regla general, al seleccionar un casco EEG, un sistema con posiciones de sensores intercambiables es preferido en fases de investigación exploratoria, donde es importante contar con una alta cobertura del cuero cabelludo y flexibilidad para explorar. Los sistemas con posiciones fijas están orientados a aplicaciones de neurotecnología donde la ubicación del electrodo es siempre la misma y las prioridades son usabilidad y comodidad. Revisa este artículo para una discusión más profunda sobre cómo seleccionar un sistema de EEG seco. 

3. Tipo de sensores EEG 

Electrodos EEG secos, semisecos, salinos y con gel: la diferencia entre estos electrodos radica en la sustancia electrolítica aplicada entre el electrodo y el cuero cabelludo, utilizada para mejorar la conductividad. 

1. Los electrodos de EEG secos (Dry‑EEG) no requieren el uso de ninguna sustancia electrolítica, permitiendo el contacto directo con el cuero cabelludo. La principal ventaja es que son rápidos de colocar, no requieren instrumentos adicionales como jeringas, no necesitan limpieza posterior de la cabeza y tampoco requieren procedimientos de higiene exigentes sobre el equipo después de su uso.  La principal desventaja es la alta impedancia de contacto entre el sensor y la piel, lo que obliga al amplificador a manejar un mayor nivel de ruido y artefactos.  Por lo tanto, para obtener la misma calidad de señal que los sistemas que utilizan sustancias electrolíticas, el amplificador debe tener un mejor desempeño: primero, debe contar con una impedancia de entrada más alta para evitar la atenuación de la señal. Segundo, debe incorporar técnicas de blindaje activo para minimizar artefactos acoplados, como la interferencia de la red eléctrica o los artefactos de movimiento. (Ver Li et al., 2018.) 

2. EEG húmedos: los EEGs semisecos, salinos o basados en gel requieren la aplicación de una sustancia electrolítica entre el cuero cabelludo y el electrodo para obtener un buen contacto y reducir la impedancia de la interfaz piel–electrodo. Esto permite que el sistema mejore su rendimiento al reducir el ruido y la sensibilidad a artefactos. 

   Además de los sistemas típicos basados en gel electrolítico, también existen electrodos semisecos que utilizan únicamente agua del grifo (también denominados water‑based) y otros que emplean soluciones salinas para aumentar las propiedades de conductividad del agua. 

En esta tabla se resumen algunas propiedades adaptadas de Searle et al., 2000; Grozea et al., 2011. 

Existen dos aspectos importantes a considerar aquí: 

1. Los amplificadores EEG correctamente diseñados para sensores secos o semisecos pueden funcionar perfectamente con sensores EEG basados en agua salina o gel, debido a que estos amplificadores cuentan con especificaciones de rendimiento superiores. Sin embargo, lo contrario no es cierto, y es de esperar una menor relación señal‑ruido, junto con niveles elevados de ruido y artefactos, si utilizamos sensores secos o semisecos con un amplificador que no ha sido optimizado para ellos.
2. La selección del sensor determina la aplicación potencial, debido a la ergonomía y usabilidad que estos proporcionan. Sin embargo, esta selección no puede hacerse sin tener en cuenta las características del amplificador bioseñal de entrada, como el blindaje o la impedancia de entrada del amplificador, entre otros. 

La regla general de selección es: cuanto mayor sea la conductancia en la interfaz electrodo‑piel (lo cual depende de la preparación de la piel y la sustancia aplicada), menores serán los requisitos en el transporte de señal y en las características del amplificador, pero siempre a costa de una menor ergonomía y usabilidad.

4. Blindaje de los sensores EEG 

Electrodos activos vs. pasivos: la principal diferencia entre estas dos tecnologías es que los electrodos activos tienen un circuito electrónico integrado entre la parte sensora y el cable, mientras que en los electrodos pasivos estas dos secciones están soldadas directamente entre sí (Figura 4a y 4b). 

La siguiente tabla resume las ventajas y desventajas de los sistemas de electrodos activos y pasivos (ver Tabla 2). 

5. Blindaje del cable de los electrodos EEG 

Blindaje de cable activo vs. pasivo vs. sin blindaje: esto se aplica al diseño del cable y al tipo de señales inyectadas en el blindaje para proteger la señal EEG frente a interferencias electromagnéticas y ruido. 

La interferencia electromagnética es común en el monitoreo y registro EEG, introduciendo ruido eléctrico que afecta las señales registradas. Estas interferencias son causadas por la capacitancia parásita (es decir, capacitancia inevitable y no deseada que existe entre partes de un componente o circuito electrónico debido a su proximidad). Esta capacitancia “conecta” el dispositivo y al usuario con fuentes de interferencia cercanas, como computadoras (circuitos lógicos), fuentes de alimentación conmutadas, líneas de corriente alterna, transmisores de radio, etc. (Rich, 1982). 

• Sin blindaje: el cable más simple no tiene ningún tipo de blindaje (Figura 5). Este tipo de cable contiene solo un conductor para transmitir la señal EEG, el cual queda expuesto al ruido del entorno. En este caso, la señal EEG es altamente susceptible a cualquier tipo de artefacto acoplado, como los movimientos del participante, así como a todas las interferencias electromagnéticas. 
• Blindaje: la forma más recomendable de reducir estos artefactos es blindar el cable. El blindaje consiste en cubrir el cable interno con una malla trenzada alrededor, creando un cable coaxial (Figura 6). El blindaje actúa como una jaula de Faraday, reduciendo cualquier ruido eléctrico que afecte a la señal. Con esta técnica, la señal EEG viaja protegida por el conductor interno, mientras que la malla exterior la cubre y protege de los artefactos acoplados externos.

Esta malla puede conectarse de dos maneras distintas, creando un blindaje activo o pasivo (Figura 7): 

• Blindaje pasivo: la malla se conecta a un potencial fijo (generalmente tierra).
• Blindaje activo: la señal del cable interno se retroalimenta hacia la malla (es decir, existe el mismo potencial en el conductor interno y en la malla exterior).

En los registros EEG, donde existe una fuente de señal (el cerebro) con baja amplitud y alta impedancia de salida, es importante desacoplar completamente el conductor interno del entorno exterior. La mejor manera de hacerlo es mediante blindaje activo, que “elimina” las capacitancias parásitas entre el conductor interno y la malla externa, aislando perfectamente la señal registrada de la malla y, por tanto, del entorno. Esta es la razón por la que el rendimiento de las técnicas de blindaje en EEG es (de menor a mayor calidad): Sin blindaje → Blindaje pasivo → Blindaje activo. (Rich, 1983). 

La regla general de selección es que un mejor blindaje permite una transmisión de señal de mayor calidad hacia el amplificador. El blindaje activo se está convirtiendo en el estándar de referencia en amplificadores EEG, ya que no es una característica costosa y, sin embargo, tiene un impacto muy significativo en la calidad de la señal. 

Ejemplos del mundo real 

Aquí se muestran dos ejemplos de montajes EEG reales y de pruebas de artefactos (movimientos del brazo y los ojos, ojos abiertos/cerrados, caminando, etc.) de dos sistemas comerciales con sus características respectivas. El principal valor respecto a otras tecnologías EEG es la practicidad para el investigador y la comodidad para el usuario, sin perder calidad de señal. 

• Diadem EEG: un dispositivo móvil diseñado para ser el primer EEG verdaderamente fiable (con muy alta calidad de señal) que permite autocolocación, orientado a aplicaciones de neurociencia (dentro y fuera del laboratorio) que necesitan medir únicamente las áreas frontales y posteriores del cerebro.

Versatile EEG: diseñado para ser el sistema EEG más práctico para aplicaciones de investigación, con muy buena calidad de señal incluso en presencia de artefactos ambientales o procedentes del participante. Estas gorras EEG semisecas multipropósito, disponibles en 8, 16, 32 y 64 canales, son dispositivos EEG móviles para el registro en tiempo real de la actividad eléctrica cerebral, con una frecuencia de muestreo de 256 Hz a 24 bits. 

Sobre el autor 

Aitor Ortiz.

Aitor Ortiz obtuvo su grado en ingeniería de telecomunicaciones (2012) y un máster en ingeniería biomédica (2013) por la Universidad de Zaragoza (España). Sus principales áreas de interés se centran en el desarrollo de dispositivos de registro de biopotenciales, enfocados principalmente en electroencefalogramas para interfaces cerebro‑computadora. 

Referencias 

• Grozea, C., Voinescu, C. D., & Fazli, S. (2011). Bristle-sensors—low-cost flexible passive dry EEG electrodes for neurofeedback and BCI applications. Journal of Neural Engineering, 8(2), 025008. doi: 10.1088/1741-2560/8/2/025008 
• Li, G., Wang, S., & Duan, Y. Y. (2018). Towards conductive-gel-free electrodes: Understanding the wet electrode, semi-dry electrode and dry electrode-skin interface impedance using electrochemical impedance spectroscopy fitting. Sensors and Actuators B: Chemical, 277, 250–260. doi: 10.1016/j.snb.2018.08.155  
• Rich, A. (1982). Understanding Interference-Type Noise. Analog Dialogue, 16(3), 16–19.  
• Rich,  A. (1983). “Shielding and guarding” Analog Devices Application Note No.AN-347. 
• Searle, A., & Kirkup, L. (2000). A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiological Measurement, 21(2), 271–283. doi: 10.1088/0967-3334/21/2/307. 

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