Cómo elegir un dispositivo EEG seco para tu aplicación de investigación

Los sistemas EEG secos pueden abrir la puerta a la aplicación de la neurociencia en entornos reales, así como al desarrollo de una nueva generación de productos y servicios basados en neurotecnología. Sin embargo, existen muchas dudas aún sobre su fiabilidad, precisión y calidad de señal. Este artículo ofrece argumentos sólidos para ayudarte a elegir la tecnología que mejor se adapte a tus necesidades.

 
¿Qué es un dispositivo EEG seco?

La principal diferencia entre los sistemas de electroencefalografía (EEG) está en el tipo de sustancia electrolítica utilizada para mejorar la conductividad entre el electrodo o sensor EEG y la piel (Liao, 2012):

1. EEG seco: no utiliza ninguna sustancia.
2. EEG semi-seco: utiliza humedad del agua del grifo.
3. EEG con solución salina: emplea soluciones salinas.
4. EEG con gel: usa geles electrolíticos.

Los sistemas EEG semi-secos, salinos o con gel también se conocen como EEG húmedos. El hecho de que estos requieran una sustancia para mejorar la conductividad entre el sensor y el cuero cabelludo tiene un impacto importante en la usabilidad y comodidad del dispositivo, y por tanto, en la experiencia del usuario y sus posibles aplicaciones.

Por su parte, los electrodos EEG secos no necesitan ninguna sustancia, ya que hacen contacto directo con el cuero cabelludo. Su principal ventaja es que son rápidos de colocar, no requieren instrumentos adicionales como jeringas o botes de gel, suelen ser cómodos de llevar, no exigen limpieza del cabello tras su uso y tampoco precisan procedimientos higiénicos complicados para el equipo. La principal desventaja es la alta impedancia de contacto entre el sensor y la piel, lo que obliga a que tanto el sensor seco como las capas del amplificador estén preparados para gestionar más artefactos y ruido en la señal EEG. Para compensar esta limitación y lograr una calidad de señal comparable a la de los sistemas que sí utilizan sustancias electrolíticas, estos dispositivos deben tener un rendimiento superior y características técnicas más avanzadas (como una mayor impedancia de entrada para evitar atenuación de la señal y técnicas de apantallamiento activo para reducir artefactos acoplados, ver Li et al., 2018).

En consecuencia, una mejor usabilidad y comodidad en los sistemas EEG secos puede tener un impacto negativo tanto en la fiabilidad como en la precisión del dispositivo, aspectos clave a tener en cuenta al elegir un dispositivo EEG. El diseño de los sensores, el amplificador y los cables en los dispositivos EEG secos requiere especificaciones mucho más avanzadas que en los EEG húmedos para poder obtener señales de alta calidad.

 ¿Para qué sirven los dispositivos EEG secos?

Una parte importante de la investigación en neurociencia enfrenta un nuevo reto: trasladar el estudio del comportamiento humano desde entornos controlados en laboratorio hacia escenarios reales. Además, una nueva generación de neurotecnologías e interfaces cerebro-computadora está empezando a abrirse paso en el mercado. Tanto la investigación como las oportunidades comerciales están impulsando la necesidad de una nueva generación de EEG con requisitos muy distintos: facilidad de uso, comodidad, movilidad y resistencia a artefactos. Cuando están bien diseñados, los sistemas EEG secos cumplen con todas estas características, permitiendo abordar nuevos casos de uso y escenarios de investigación que antes no eran accesibles.

Por ejemplo, estas tecnologías están dando paso a aplicaciones que permiten al propio usuario colocarse el dispositivo, lo que aporta mayor autonomía en contextos sanitarios. Esta innovación va mucho más allá de lo que pueden ofrecer los sistemas EEG húmedos.

Electrodos EEG secos vs. húmedos en la práctica

Aunque un dispositivo EEG seco puede utilizarse para registrar señales en casi cualquier situación, su propósito principal es facilitar el uso en entornos reales o en productos y servicios profesionales.

Una forma sencilla de integrar dispositivos EEG secos y húmedos dentro de un proceso general de investigación sería:

• Fase 1 – Investigación exploratoria: uso de tecnologías en laboratorio para estudiar el comportamiento humano en situaciones controladas. Aquí la prioridad es obtener mediciones con un gran número de sensores, alta cobertura del cerebro y máxima resolución y precisión.
• Fase 2 – Optimización de la aplicación: uso de técnicas de procesamiento de señales EEG para entender dónde y cómo pueden medirse los correlatos neuronales del comportamiento.
• Fase 3 – Fase aplicada: uso de tecnologías fuera del laboratorio (dispositivos EEG secos) para estudiar el comportamiento humano en escenarios naturales. En este caso, la prioridad es que las tecnologías EEG sean fáciles de usar y cómodas, con sensores únicamente sobre las áreas relevantes del cerebro, con movilidad y resistencia a los artefactos (para permitir libertad de movimiento).

Por eso, el uso de EEG húmedo y seco suele ser complementario, ya que se utilizan en etapas distintas dentro del mismo proceso de investigación. A continuación, se presentan algunos ejemplos.

Dispositivos EEG secos de alta densidad vs. baja densidad

Como se mencionó anteriormente, los electrodos EEG secos de baja densidad están pensados para etapas avanzadas del desarrollo, cuando ya se conoce qué áreas del cerebro deben medirse gracias a investigaciones previas propias o de terceros. Así, al reducir el número de electrodos, el diseño del dispositivo puede centrarse en otros aspectos como la usabilidad, la ergonomía, la comodidad y la movilidad. Esa es su principal ventaja.

Sin embargo, también existen EEG secos de alta densidad (32 electrodos o más), concebidos para ser utilizados en las mismas fases de investigación que los EEG húmedos tipo gorro. En esos casos, las tecnologías EEG secas de grado investigativo ofrecen la ventaja de eliminar el uso de sustancias electrolíticas (menos limpieza, sin necesidad de lavar la cabeza después, etc.), aunque normalmente sacrifican en parte la ergonomía o facilidad de uso.

Características importantes de los sistemas EEG secos

Más allá de contar con sensores EEG secos, es fundamental disponer de un sistema de adquisición que sea lo suficientemente fiable y preciso para la aplicación final. El mensaje clave es: cuanto menores sean las propiedades electrolíticas requeridas por el sensor, mayor debe ser el rendimiento del propio sensor, del apantallamiento de los cables y del amplificador (Li et al., 2018). Basándonos en las características más comunes que se encuentran en la literatura científica (Gargiulo et al., 2010; Pinegger et al., 2016; Tallgren et al., 2005), presentamos aquí una lista completa de los aspectos más importantes que afectan la fiabilidad y la precisión de un sistema EEG seco.

Cabe destacar que, aunque los amplificadores EEG diseñados específicamente para sensores secos o semi-secos pueden funcionar perfectamente con sensores salinos o con gel, lo contrario no siempre ocurre, y puede esperarse una menor relación señal/ruido junto con un nivel muy alto de ruido y artefactos.

 
Ejemplos reales de sistemas EEG secos en uso

BCI domiciliaria para la neurorrehabilitación motora de personas con lesión medular (SCI). Implementación llevada a cabo en el marco del proyecto europeo H2020 MoreGrasp. Más detalles [aquí].

Monitoreo y mejora de la conducción. Aplicación implementada en el grupo Nissan. Más detalles [aquí].

 
Conclusiones

Los dispositivos EEG con electrodos secos están empezando a abrir la puerta a la aplicación de la neurociencia en entornos reales, así como al desarrollo de una nueva generación de productos (tanto de investigación como médicos, e incluso comerciales) y servicios basados en neurotecnología. Sin embargo, seleccionar un sistema EEG no es una tarea sencilla. Estas dos preguntas pueden servir como punto de partida:

1. ¿En qué fase del proceso de investigación te encuentras?  Si estás en fases exploratorias donde la prioridad es obtener una comprensión profunda de la actividad cerebral, es recomendable comenzar con un sistema EEG húmedo. Si estás en fases aplicadas y ya sabes qué necesitas medir (un subconjunto de sensores) y tu prioridad es la usabilidad y la comodidad, entonces puede que te convenga un sistema EEG seco.
2. ¿Se trata solo de sensores EEG secos? Se trata de sistemas EEG secos, lo que incluye sensores, cables y capas del amplificador. La elección del tipo de sensor determina la aplicación, por la ergonomía y usabilidad que ofrece, pero esta decisión no puede hacerse sin tener en cuenta también la calidad del transporte de la señal (apantallamiento) y las prestaciones del amplificador de biosenales.

Una vez que tengas claro esto, y sigas pensando que necesitas un dispositivo EEG seco, se trata de usar esta información para comprender mejor sus características y por qué son importantes en el proceso de selección.

Sobre el autor

Javier Minguez, Ph.D. – Director Científico de Bitbrain (Google Scholar, LinkedIn, Twitter)

Profesor del Departamento de Informática e Investigador Principal del Grupo de Investigación en Neurotecnología de la Universidad de Zaragoza (España).
Ha sido profesor e investigador visitante en más de 10 instituciones académicas como la Universidad de Stanford (EE. UU.), la Universidad de Tubinga (Alemania) e IE Business School (España), entre otras.

Cuenta con más de 110 publicaciones científicas y más de 5 patentes en neurociencia, neuroingeniería, interfaces cerebro-computadora, interacción humano-máquina, neurorrehabilitación cognitiva y motora, robótica inteligente e investigación de mercados.

Logros en I+D: desarrollo de varios prototipos pioneros de robots controlados por el cerebro (una silla de ruedas, un robot de telepresencia y un brazo robótico), así como de la primera neurotecnología para mejora cognitiva personalizada y para la detección de emociones.

Ha recibido más de 25 premios internacionales, incluyendo el Premio Iberoamericano de Innovación y Emprendimiento, el segundo premio de la Comisión Europea a la Mejor Empresa TIC y Mejor Oportunidad de Inversión, y el Premio Internacional de la Fundación Everis.

Ha sido ponente en más de 300 eventos sobre investigación e innovación, como la Real Academia de Medicina de España, la Conferencia TIC de la UE y varios congresos internacionales del IEEE, entre otros.

 Bibliografía

• Liao, Lun-De & Lin, Chin-Teng & McDowell, Kaleb & Wickenden, Alma & Gramann, Klaus & Jung, Tzyy-Ping & Ko, Li-Wei & Chang, Jyh-Yeong. (2012). Biosensor Technologies for Augmented Brain-Computer Interfaces in the Next Decades. Proceedings of the IEEE. 100. 10.1109/JPROC.2012.2184829. 
• Allen, J. J. B., & Cohen, M. X. (2010). Deconstructing the “resting” state: exploring the temporal dynamics of frontal alpha asymmetry as an endophenotype for depression. Frontiers in Human Neuroscience, 4(December), 232. https://doi.org/10.3389/fnhum.2010.00232
• 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 
• Gargiulo, G., Calvo, R. A., Bifulco, P., Cesarelli, M., Jin, C., Mohamed, A., & Schaik, A. V. (2010). A new EEG recording system for passive dry electrodes. Clinical Neurophysiology, 121(5), 686–693. DOI: 10.1016/j.clinph.2009.12.025 
• Pinegger, A., Wriessnegger, S. C., Faller, J., & Müller-Putz, G. R. (2016). Evaluation of Different EEG Acquisition Systems Concerning Their Suitability for Building a Brain-Computer Interface: Case Studies. Frontiers in Neuroscience, 10. DOI: 10.3389/fnins.2016.00441 
• Tallgren, P., Vanhatalo, S., Kaila, K., & Voipio, J. (2005). Evaluation of commercially available electrodes and gels for the recording of slow EEG  potentials. Clinical Neurophysiology, 116(4), 799–806.DOI: 10.1016/j.clinph.2004.10.001 
• Escolano C., XXX (2020).  In submitted to Frontiers of Neuroscience. 

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