Sincronización de EEG con biosensores (ECG, EMG, Eye Tracking...) y software
Una de las primeras preguntas que debemos responder cuando abordamos una metodología de investigación que implica la grabación con múltiples dispositivos es siempre: ¿cómo sincronizo las distintas señales?
Dado que los investigadores utilizan muchos sistemas y dispositivos diferentes, procedentes de múltiples proveedores o desarrollados por ellos mismos, este es siempre uno de los primeros problemas que hay que resolver. En esta publicación explicaremos por qué la sincronización es tan importante y ofreceremos una visión general de las distintas técnicas que pueden emplearse para realizar una sincronización en vivo de las grabaciones de datos.
¿Por qué es necesario tener una buena sincronización EEG con otros dispositivos al llevar a cabo un estudio de investigación?
Cuando se lleva a cabo una investigación con estímulos externos o con múltiples flujos de datos de entrada, la sincronización es el aspecto más trivial y, al mismo tiempo, uno de los más importantes en la ejecución del experimento. Configurar una grabación sin asegurar una sincronización correcta puede hacer que los resultados de un estudio sean completamente ineficientes. Siempre dependeremos de una segmentación adecuada de la actividad cerebral para poder establecer causalidades o efectos de correlación correctos. La elección del enfoque adecuado y la forma de configurar un experimento dependen en gran medida del tipo de análisis que tengamos previsto realizar.
Uno de los mejores ejemplos de la importancia de disponer de una sincronización adecuada es el trabajo con señales EEG y Potenciales Relacionados con Eventos (ERP).
Un ERP en EEG es la respuesta electrofisiológica medida del cerebro humano ante un evento. El evento que provoca el potencial puede ser interno (por ejemplo, la preparación del movimiento) o externo (por ejemplo, un estímulo auditivo), y puede estar relacionado con procesos sensoriomotores o cognitivos.
Normalmente, los ERP se analizan utilizando promedios globales (Grand Averages) de múltiples respuestas al evento, con el fin de eliminar ruido y artefactos y así encontrar el patrón subyacente común en la señal EEG.
Cuando queremos analizar ERP en EEG, necesitamos por tanto alinear los datos con el inicio (onset) del estímulo. El ERP se obtiene como un promedio de los llamados ensayos individuales (single trials) de datos EEG en una ventana basada en ese onset; por ejemplo, desde el onset hasta +600 ms. Cualquier problema de sincronización entre los amplificadores y la presentación de los estímulos afectará a la ventana temporal del ERP y puede conducir a un resultado completamente erróneo.
Por ejemplo, en la imagen que aparece a continuación presentamos dos análisis de ERP de EEG distintos utilizando el mismo dataset, donde la única diferencia es que hemos inyectado cierto jitter en el tiempo de inicio del estímulo (es decir, el onset se desplaza aleatoriamente a otra muestra del EEG cercana a la real). Observa que, en este ejemplo, este efecto no solo provoca una imprecisión en el desfase fijo de la presentación, sino también una latencia variable entre la presentación registrada de los estímulos y el onset real.
Gráfico 1: respuesta ERP con y sin el jitter. Respuestas individuales más el resultado medio.
Existen múltiples aspectos relevantes para la sincronización durante la ejecución de un experimento, pero las dos consideraciones principales al diseñar un método de sincronización son: 1) la temporización de la presentación de estímulos o la sincronización de eventos, y 2) la grabación con múltiples dispositivos. El ejemplo anterior se centraba en el primer tipo de sincronización. Ahora vamos a profundizar un poco más en ambos aspectos.
1. Presentación de estímulos o sincronización de eventos
Para garantizar que un análisis sensible al tiempo pueda realizarse correctamente, el primer aspecto a considerar es la presentación de los estímulos. Aunque pueda parecer un proceso sencillo, desde el momento en que el procesador del ordenador da la orden de presentar un estímulo, ya sea auditivo, visual u otro, ocurren muchas cosas.
La orden del procesador debe pasar por una serie de etapas hasta convertirse realmente en el estímulo que percibirá el participante. Estas etapas pueden implicar la memoria del sistema, la tarjeta gráfica y/o la tarjeta de sonido del ordenador, la pantalla donde se presentan los estímulos, entre otros elementos. Cada uno de estos pasos requiere un tiempo de procesamiento a menudo variable que debe gestionarse adecuadamente para obtener resultados precisos.
Este requisito de precisión en el tiempo de presentación es la razón por la que existen aplicaciones muy especializadas para la presentación de estímulos, como ePrime. En su página web, entre otros recursos, se puede encontrar una explicación detallada sobre los tipos de retrasos que pueden esperarse en los métodos de estimulación más comunes: visual y auditiva.
Tobii Pro también ha realizado verificaciones de precisión temporal del software para asegurarse de que la entrega de estímulos cumple con una precisión temporal adecuada. Los resultados completos de la prueba pueden consultarse aquí. En el gráfico se muestra uno de los resultados más relevantes, en el que se representa el onset del estímulo en la escala temporal.
Gráfico 2: Histograma de precisión de la marca temporal del onset del estímulo del Setup 4 – Requisitos de rendimiento óptimos (Windows 10). El histograma muestra la distribución temporal y el número de estímulos (ocurrencias) por intervalo de tiempo. Tomado de Timing Guide for Stimulus Display in Pro Lab.
Realizar este tipo de análisis cuando no controlamos la aparición del evento de interés (por ejemplo, en entornos ecológicos o en situaciones móviles) es más complicado.
Dado que los eventos no están bajo nuestro control, necesitamos recurrir a otros métodos de sincronización. Por ejemplo, podemos utilizar la pulsación de una tecla o un botón por parte del participante o del experimentador como mecanismo de anclaje temporal (time locking), aunque esto degrada la sincronización debido al jitter e introduce un cierto retraso.
Otra alternativa, útil en escenarios ecológicos más próximos al mundo real, consiste en apoyarnos en la grabación externa y el análisis del comportamiento para codificar el inicio del evento de interés en el dataset. Aunque estas soluciones suelen ser menos precisas, los análisis realizados en estas situaciones se basan normalmente en el procesamiento de periodos de tiempo largos, en lugar de en la aparición de un evento puntual y preciso.
Un ejemplo de este tipo de protocolo y análisis es la detección de la fatiga. La detección de fatiga, mientras se realizan determinadas tareas —por ejemplo, durante la conducción— suele basarse en monitorizar el rendimiento o en cuantificar un determinado estado a lo largo de la duración de la tarea. Contar con un inicio y un final claros para la tarea es importante, pero la precisión exacta de estos no es tan relevante como cuando se trabaja con eventos sensibles al tiempo, ya que lo más probable es que consideremos toda la duración de la tarea como la unidad de comparación. Ten en cuenta que, siempre que sea posible, el análisis basado en eventos puede seguir siendo una herramienta útil en este contexto, especialmente como indicador de rendimiento.
2. Grabación con múltiples dispositivos: sincronización entre dispositivos
Cuando trabajamos con ERPs, los eventos pueden hacer referencia a la presentación de un estímulo, como en el ejemplo anterior, o a una contingencia con otra señal registrada. Un buen ejemplo de esto es un estudio cuyo objetivo es analizar la relación entre un determinado patrón de mirada, registrado con un sistema de eye tracking, y una respuesta cerebral específica, registrada como ERP mediante un sistema de EEG. Un caso concreto es lo que se conoce como Potencial Relacionado con la Fijación (FRP o Fixation-Related Potential), que representa la actividad EEG cuando ocurre un evento de fijación de la mirada.
En esta situación, la sincronización entre dispositivos es igual de importante —o incluso más— que la sincronización con el onset del estímulo. Esto se debe principalmente a que marcaremos el onset del evento cuando el sistema de eye tracking nos indique una posición de mirada específica (es decir, cuando el participante mira el objetivo), y no cuando el estímulo aparece en la pantalla.
Gráfico 3: Resultado promedio para las tres condiciones experimentales Baccino, T., & Manunta, Y. (2005)
En este ejemplo de Baccino y Manunta (2005) centrado en el procesamiento de la información, podemos observar un análisis EFRP que requiere una sincronización precisa entre un sistema de eye tracking y un sistema de EEG. Los autores utilizan el paradigma parafoveal-on-foveal para demostrar el uso de este tipo de análisis combinado e investigar los procesos cognitivos que subyacen a este efecto. Para ello, presentan tres condiciones de pares de palabras, una palabra objetivo semánticamente asociada, una palabra objetivo semánticamente no asociada, y una pseudopalabra (nonword). El onset de la ventana de este análisis no es el momento de la presentación del estímulo, sino el de la primera fijación en un área de interés designada. Los datos de EEG representados en el gráfico muestran estas tres condiciones durante los primeros 200 ms de la duración de la fijación en dicha área.
Dos factores condicionaron el análisis de los EFRP en términos de onset. Primero, el procesamiento de los datos de eye tracking, que establece el inicio de la fijación y determina el onset para el análisis EEG. Segundo, la sincronización entre el dispositivo que captura el EEG y el que registra los datos de la mirada. Ambos factores influyen en la posición exacta en la que marcaremos el onset. Si bien los criterios de detección de fijaciones que utilizamos pueden ser objeto de debate, la correcta sincronización de las señales es absolutamente crítica.
Cómo sincronizamos con hardware
Existen principalmente dos enfoques para garantizar una sincronización adecuada tanto entre dispositivos como con la presentación de estímulos: 1) basada en hardware, y 2) basada en software.
Llegados a este punto, quizá te preguntes cuál es la opción más adecuada para tu experimento.
La respuesta dependerá, en gran medida, de las características del entorno experimental (movilidad del montaje, flexibilidad, ergonomía o la experiencia que queramos proporcionar al participante).
Pero también influirá la precisión temporal necesaria para analizar los datos de manera que podamos capturar correctamente el proceso que queremos estudiar (ERP, localización de fuentes, análisis de frecuencia, etc.). En protocolos experimentales donde la precisión temporal es esencial, la recomendación será siempre que sea posible utilizar un método de sincronización basado en hardware.
1. Sincronización por hardware con la presentación de estímulos
La primera y más fiable opción consiste en usar un fotodiodo conectado al dispositivo de registro.
Un fotodiodo es un sensor que detecta cambios en la luz. Si se coloca delante de la pantalla, puede detectar variaciones entre negro, gris y blanco, ya que representan cambios en la luminosidad. Esto nos permite detectar exactamente cuándo se producen los cambios en la pantalla y registrar esta señal directamente junto con los datos.
En otras palabras, la presentación del estímulo se detecta en el mismo instante en que aparece realmente en la pantalla, cuando es visual para el participante, y esta información se registra simultáneamente con, por ejemplo, los datos de EEG.
Gráfico 4: Representación de la señal fotodiodo
Gráfico 5: Transformación de eventos del fotodiodo para EEGlab
Es importante destacar que la señal del fotodiodo debe registrarse directamente en el amplificador de EEG o de bioseñales. Si el montaje depende de un fotodiodo cuya señal se registra por separado del sistema con el que intentamos sincronizar, entonces también será necesario sincronizar cuidadosamente ambos sistemas para evitar fuentes de error.
Sincronización por TTL
Otra opción basada en hardware es la sincronización mediante TTL.
Este sistema se basa en una señal digital de sincronización enviada a través de un cable entre el ordenador que presenta los estímulos y el amplificador/ordenador que registra los datos. Al tratarse de una conexión punto a punto, se minimiza la interferencia provocada por protocolos o interfaces, haciendo que la transmisión de datos sea prácticamente instantánea (en torno a 100 ns de retraso).
No obstante, esta metodología de sincronización no tiene en cuenta los retrasos que pueden introducirse en el procesamiento de los estímulos. Como se ha mencionado, recursos del equipo como la potencia de procesamiento, la memoria del sistema, o los retrasos de la tarjeta gráfica o de sonido pueden contribuir a un desfase que el sistema TTL no necesariamente recoge de forma correcta.
Sincronización por hardware entre dispositivos
Cuando sincronizamos múltiples dispositivos, podemos aplicar los mismos principios descritos para la sincronización de estímulos basada en TTL.
El TTL puede utilizarse como entrada en forma de pulso entre los dos dispositivos. Esto suele realizarse utilizando un dispositivo de heartbeat (latido) integrado en uno de los sistemas que queremos sincronizar. El sistema de heartbeat envía una señal TTL desde el amplificador cada 8 segundos (el intervalo puede variar según el fabricante del hardware), lo que permite al investigador alinear ambos conjuntos de datos durante el posprocesamiento.
Es importante señalar que la precisión de todas estas opciones de sincronización por hardware depende de la tasa de muestreo del propio hardware: la precisión de la sincronización nunca podrá superar el periodo de muestreo del dispositivo más lento. Por ejemplo, si estamos registrando a una tasa de muestreo de 256 Hz, nuestra precisión temporal tanto en el registro de la señal como en el registro de los triggers nunca será inferior a un solo muestreo. En este caso, esto implica que nunca será menor que 3,91 ms, lo que se traduce en un error medio estimado de ±1,95 ms.
Sincronización por software
Aunque la sincronización por hardware es siempre nuestra recomendación, existen situaciones en las que tener una conexión por tethering a un ordenador limitaría el comportamiento que queremos registrar.
Otras veces, la relación entre la precisión temporal necesaria y la usabilidad del montaje hace que una conexión por cable no sea imprescindible. Para estos procedimientos experimentales, se pueden utilizar opciones de sincronización basadas en software.
Sincronización Start-stop
La forma más sencilla de sincronizar dos sistemas es iniciarlos y detenerlos al mismo tiempo. Sin embargo, esta idea es difícil de aplicar en la práctica, ya que la desincronización a lo largo del tiempo puede llegar fácilmente a varios segundos. Ten en cuenta que, incluso enviando el comando de inicio a ambos dispositivos simultáneamente, algo ya de por sí complicado, los sistemas pueden tener tiempos de inicialización distintos debido a protocolos de comunicación, procesamiento interno de datos u otros factores.
Aun así, hay situaciones en las que este método puede ser aceptable y razonable.
Buenos ejemplos son experimentos en los que registramos el comportamiento espontáneo de un participante durante una tarea libre (es decir, sin una secuencia predefinida de estímulos) y necesitamos sincronizar varios dispositivos que están grabando simultáneamente. Esto puede incluir una captura de vídeo (webcam, cámara externa…), una grabación de audio, una grabación de pantalla, etc.
Este método de start-stop no ofrece la sincronización más precisa, pero es suficiente en este tipo de situaciones si el análisis emplea métricas sobre intervalos largos (como regla general, al menos un orden de magnitud mayor que el error de sincronización).
Normalmente, después referenciaremos todo a una de las señales registradas (por ejemplo, la webcam) para marcar los intervalos que queremos estudiar en los datos de EEG.
Sincronización mediante TCP/IP
Una variante de la sincronización descrita anteriormente consiste en usar eventos generados por software. Esto puede hacerse empleando el protocolo común TCP/IP. La idea es crear una conexión TCP/IP entre los dos sistemas que necesitan sincronizarse y utilizar un protocolo predefinido para marcar eventos. Por ejemplo, establecer una conexión TCP/IP entre un software de presentación de estímulos y el software de registro permite enviar eventos de uno a otro con el fin de marcar la recogida de la señal.
TCP/IP es bastante flexible en cuanto al tipo de configuración y a los mensajes que pueden intercambiarse. Habitualmente, uno de los programas actúa como servidor y los demás como clientes. Una vez establecida la conexión, es posible enviar mensajes del servidor al cliente y viceversa a través de una dirección IP específica. A veces estos mensajes están predefinidos por el propio software, y otras veces el investigador puede configurar qué información debe registrarse. Usando ePrime, por ejemplo, podemos configurar el software para que envíe un evento en cada onset de un estímulo.
La precisión temporal de TCP/IP es aceptable, pero no será tan buena como la obtenida mediante sincronización por hardware. El protocolo TCP/IP utiliza recursos del sistema de nivel más alto que la señal TTL, lo que puede introducir latencias; los tiempos de comunicación pueden verse afectados por la congestión de la red, y las diferentes capas de software también pueden añadir otras fuentes de retraso. Además, este protocolo se registra entre aplicaciones, el servidor y el cliente, no directamente en el amplificador, como ocurre con las soluciones basadas en hardware.
A pesar de estas limitaciones, esta metodología es más fácil de configurar y está más extendida en el mercado, lo que significa que muchas aplicaciones ya son compatibles con el protocolo. Además, en situaciones en las que queremos realizar un registro inalámbrico, utilizando dispositivos portátiles sin conexión por cable, pero aun así deseamos presentar estímulos digitales, esta será siempre una opción más precisa que depender de la sincronización tipo Start–Stop.
Recomendaciones en función de la situación o necesidades del investigador
Como hemos comentado, la técnica más adecuada para sincronizar un montaje experimental dependerá siempre de dos factores, la precisión temporal necesaria para la tarea, y los requisitos del propio montaje experimental.
En situaciones donde la sincronización precisa es vital, las soluciones basadas en hardware son el gold standard. Dependiendo de los sistemas utilizados y de las características de los estímulos, se puede optar por TTL o por fotodiodo. No obstante, esto implica siempre un compromiso en cuanto a movilidad y usabilidad del sistema. En laboratorios estacionarios, con un área de registro fija, esto puede no suponer un problema; en configuraciones donde se necesita cierto grado de libertad de movimiento o cuando el equipo debe ser portátil, puede convertirse en un inconveniente.
Finalmente, en situaciones experimentales donde el tiempo no es un factor crítico, o donde la movilidad y la usabilidad son prioritarias, la sincronización por software ofrece una buena solución. Es muy probable que esto suponga alguna pérdida de precisión en el momento registrado de los eventos, pero es un compromiso aceptable cuando, de otro modo, no sería posible realizar la grabación.
NOTA: Existen otras opciones de sincronización pensadas para la sincronización en posprocesamiento, que han sido mencionadas solo brevemente (como el marcado de eventos) o que no se han mencionado (como la sincronización mediante timestamps). Según tus necesidades, estas opciones también pueden ser alternativas a considerar.
Sobre el autor
Andreu Oliver, Ph.D. (LinkedIn)
Andreu Oliver es doctor en Psicología con especialización en Psicología Cognitiva (2012) y tiene un máster en Marketing (2013). En 2017 obtuvo el doctorado por el Departamento de Psicología de la Comunicación y del Cambio de la Universitat Autònoma de Barcelona.
Bibliografía
- Baccino, T., & Manunta, Y. (2005). Eye-Fixation-Related Potentials: Insight into Parafoveal Processing. Journal of Psychophysiology, 19(3), 204–215. doi:10.1027/0269-8803.19.3.204
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