DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN CARRERA DE INGENIERÍA EN SISTEMAS E INFORMÁTICA TRABAJO DE TITULACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIEROS EN SISTEMAS E INFORMÁTICA TEMA: OBTENCIÓN, PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LAS ONDAS CEREBRALES ALFA Y BETA DE UN MILITAR, PARA DETERMINAR SU CAPACIDAD DE TOMAR DECISIONES EN SITUACIONES DE ESTRÉS Y PRESIÓN AUTORES: UBILLUZ ZAMBRANO, CHRISTIAN MARCELO FLORES CORREA, MARLON ANDRÉS DIRECTOR: ING. DELGADO RODRÍGUEZ, RAMIRO NANAC, PhD SANGOLQUÍ 2019 i DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN CARRERA DE INGENIERÍA EN SISTEMAS E INFORMÁTICA CERTIFICACIÓN Certifico que el trabajo de titulación, “OBTENCIÓN, PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LAS ONDAS CEREBRALES ALFA Y BETA DE UN MILITAR, PARA DETERMINAR SU CAPACIDAD DE TOMAR DECISIONES EN SITUACIONES DE ESTRÉS Y PRESIÓN” realizado por los señores Christian Marcelo Ubilluz Zambrano y Marlon Andrés Flores Correa, ha sido revisado en su totalidad y analizado por la herramienta de verificación de similitud de contenido; por lo tanto cumple con los requisitos teóricos, científicos, técnicos, metodológicos y legales establecidos por la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE, razón por la cual me permito acreditar y autorizar para que lo sustenten públicamente. Sangolquí, 24 de julio de 2019 _____________________________________ Ing. Ramiro Nanac Delgado Rodríguez PhD C.C: 1707019178 ii DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN CARRERA DE INGENIERÍA EN SISTEMAS E INFORMÁTICA AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD Nosotros, Christian Marcelo Ubilluz Zambrano y Marlon Andrés Flores Correa, declaramos que el contenido, ideas y criterios del trabajo de titulación: “OBTENCIÓN, PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LAS ONDAS CEREBRALES ALFA Y BETA DE UN MILITAR, PARA DETERMINAR SU CAPACIDAD DE TOMAR DECISIONES EN SITUACIONES DE ESTRÉS Y PRESIÓN” es de nuestra autoría y responsabilidad, cumpliendo con los requisitos teóricos, científicos, técnicos, metodológicos y legales establecidos por la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE, respetando los derechos intelectuales de terceros y referenciando las citas bibliográficas. Consecuentemente el contenido de la investigación mencionada es veraz. Sangolquí, 24 de julio de 2019 iii DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN CARRERA DE INGENIERÍA EN SISTEMAS E INFORMÁTICA AUTORIZACIÓN Nosotros, Christian Marcelo Ubilluz Zambrano y Marlon Andrés Flores Correa, autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE publicar el trabajo de titulación: “OBTENCIÓN, PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LAS ONDAS CEREBRALES ALFA Y BETA DE UN MILITAR, PARA DETERMINAR SU CAPACIDAD DE TOMAR DECISIONES EN SITUACIONES DE ESTRÉS Y PRESIÓN” en el Repositorio Institucional, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra responsabilidad. Sangolquí, 24 de julio de 2019 iv DEDICATORIA Dedico este trabajo primeramente a Dios, quien alumbra y guía mi vida, brindándome día a día un nuevo motivo para vivir y compartir con mis seres queridos. A mis queridos padres, por ser los primeros maestros, que siempre me brindaron su apoyo incondicional y con su ejemplo me guiaron por el camino del recto vivir. A mi esposa, por ser un apoyo fundamental ya que ha estado conmigo en todo momento, me ha brindado su ayuda incondicional para cumplir con mis metas y objetivos. A mis docentes, quienes me brindaron sus conocimientos sin esperar nada a cambio para hacer realidad mis sueños e ideales, los mismos que alimentan mi cuerpo y mi espíritu. A mis hijas Allison y Valentina, por ser la razón de mi existencia. Christian Ubilluz v DEDICATORIA Dedico este trabajo primeramente a mi madre Guadalupe Correa, que desde el cielo me guía para ir alcanzando mis metas. A mi padre, quien está a mi lado motivándome para alcanzar mis metas desde que partió mi madre y nos cuida. A mi mamá Rosa quien ha estado desde que tengo uso de razón. A mis docentes, quienes me brindaron sus conocimientos sin esperar nada a cambio para hacer realidad mis sueños e ideales, los mismos que alimentan mi cuerpo y mi espíritu. A todos quienes de una u otra manera están presentes en mi vida. Andrés Flores vi AGRADECIMIENTO Agradezco a nuestro Señor por darme día a día la salud para poder seguir en vida. A mis Padres pues, ellos me apoyaron incansablemente, estuvieron en los momentos más difíciles dándome aliento para seguir adelante. A mi esposa, mis hijas Allison y Valentina quienes son mi razón de vivir y gracias a su inspiración y motivación que día a día me brindaron, he alcanzado mis ideales propuestos. A mis docentes, quienes estuvieron presentes en todo el proceso de enseñanza- aprendizaje, aportando con sus experiencias y consejos de vida. Al Ingeniero Ramiro Delgado, pues con sus conocimientos impartidos ha sido una guía de rectitud y sabiduría. A todos quienes de una u otra manera, coadyuvaron para la enriquecedora experiencia de compartir sus conocimientos y experiencias para que este Trabajo de Investigación sea el más amplio y acertado posible. Muchas gracias a todos. Christian Ubilluz vii AGRADECIMIENTO Agradezco a mi madre y padre quienes se esforzaron para que alcanzará esta meta de mi vida, dándome aliento y sosteniendo la fe en mí, esforzándose por darme un plato de comida cada día. Agradezco a mi segunda mamá, quien me cuido desde pequeño y vio cómo iba alcanzando mis metas con sus consejos. A todos quienes han puesto su confianza en mí y supieron darme consejos de sabiduría para ser una persona mejor. A mis docentes, quienes estuvieron presentes en todo el proceso de enseñanza- aprendizaje, aportando con sus experiencias y consejos de vida. Al Ingeniero Ramiro Delgado, quien ha sido un pilar fundamental en el desarrollo de este Trabajo de Investigación ya que más que un profesor es gran amigo y me ha brindado su amistad franca y sincera. Andrés Flores viii ÍNDICE DE CONTENDOS CARÁTULA CERTIFICACIÓN .............................................................................................................i AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD ............................................................................... ii AUTORIZACIÓN ............................................................................................................ iii DEDICATORIA .............................................................................................................. iv AGRADECIMIENTO ...................................................................................................... vi ÍNDICE DE CONTENDOS ........................................................................................... viii ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................... xi ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................... xii RESUMEN ................................................................................................................... xvi ABSTRACT ................................................................................................................ xvii CAPÍTULO I .................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1 1.1 Antecedentes .........................................................................................................1 1.2 Planteamiento del Problema ..................................................................................3 1.3 Justificación ...........................................................................................................4 1.4 Objetivos ................................................................................................................5 1.5 Alcance ..................................................................................................................6 1.6 Estado del Arte ......................................................................................................6 1.7 Características del estado del arte .......................................................................15 CAPÍTULO II ................................................................................................................. 16 ix METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN ........................................................................ 16 2.1 Ciencia .................................................................................................................16 2.2 Investigación Científica ........................................................................................17 2.3 Población y Muestra .............................................................................................22 CAPÍTULO III ................................................................................................................ 24 MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 24 3.1 El encéfalo ...........................................................................................................24 3.2 La Actividad Eléctrica del Cerebro .......................................................................25 3.3 Electroencefalograma (EEG) ...............................................................................27 3.4 Las señales Electroencefalográficas ....................................................................28 3.5 Ondas Cerebrales ................................................................................................29 3.6 Interface cerebro computador (BCI) .....................................................................33 3.7 Estrés ...................................................................................................................49 CAPÍTULO IV ............................................................................................................... 54 DESCRIPCION DEL SISTEMA .................................................................................... 54 4.2 Software EmotivPRO ...........................................................................................54 4.3 Desarrollo del Software ........................................................................................58 CAPÍTULO V .............................................................................................................. 153 PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS............................................................... 153 5.1 Pruebas ............................................................................................................. 153 5.2 Validaciones ................................................................................................... 154 5.3 Resultados ......................................................................................................... 161 CAPÍTULO VI ............................................................................................................. 166 x CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 166 6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 166 6.1 Recomendaciones ............................................................................................. 167 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 168 xi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Preguntas de Investigación ...............................................................................7 Tabla 2. Grupos de Control .............................................................................................9 Tabla 3. Estudios Primarios ..........................................................................................11 Tabla 4. Características de la Investigación ..................................................................18 Tabla 5. Niveles de confianza .......................................................................................23 Tabla 6. Comparación de tipos de BCI .........................................................................36 Tabla 7. Características de Emotiv EPOC+ ..................................................................45 Tabla 8. Síntesis categórica de factores estresores ......................................................50 Tabla 9. Consecuencias del estrés laboral ....................................................................53 Tabla 10. Características de EmotivPRO ......................................................................55 Tabla 11. Características de Java .................................................................................59 Tabla 12. Requisito Funcional 1 ....................................................................................65 Tabla 13. Requisito Funcional 2 ....................................................................................66 Tabla 14. Requisito Funcional 3 ....................................................................................67 Tabla 15. Requisito Funcional 4 ....................................................................................68 Tabla 16. Requisito Funcional 5 ....................................................................................69 Tabla 17. Requisito Funcional 6 ....................................................................................70 Tabla 18. Requisito Funcional 7 ....................................................................................71 Tabla 19. Rangos de estrés ........................................................................................ 162 Tabla 20. Cuadro estadístico sin Estimulación ............................................................ 162 Tabla 21. Cuadro estadístico con Estimulación........................................................... 163 Tabla 22. Resultados de la evaluación del test ........................................................... 164 xii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Método de elaboración del estado del arte ......................................................8 Figura 2. Partes del encéfalo ........................................................................................24 Figura 3. Estructura de una Neurona ............................................................................26 Figura 4. Señal de un Electroencefalograma ................................................................28 Figura 5. Ondas Alfa.....................................................................................................29 Figura 6. Ondas Beta ...................................................................................................31 Figura 7. Rangos de frecuencia de las Ondas Cerebrales ............................................32 Figura 8. Interface Cerebro Computador ......................................................................34 Figura 9. Estructura funcional de un BCI ......................................................................37 Figura 10. Dispositivo no invasivo ................................................................................38 Figura 11. Dispositivo invasivo .....................................................................................38 Figura 12. Logo de NeuroSky .......................................................................................39 Figura 13. Mindwave ....................................................................................................40 Figura 14. Logo de OpenBCI ........................................................................................40 Figura 15. EEG de OpenBCI ........................................................................................41 Figura 16. Logo de MUSE ............................................................................................41 Figura 17. Diadema de EEG MUSE .............................................................................42 Figura 18. Logo de EMOTIV .........................................................................................42 Figura 19. EMOTIV EPOC+ .........................................................................................43 Figura 20. Kit de Emotiv EPOC+ ..................................................................................44 Figura 21. Sistema Internacional 10-20 ........................................................................46 Figura 22. Electrodos en el córtex cerebral ..................................................................47 xiii Figura 23. Hidratación de almohadillas .........................................................................47 Figura 24. Colocación de sensores ..............................................................................48 Figura 25. Conexión vía bluethooth ..............................................................................48 Figura 26. Colocación de Emotiv EPOC+ en la cabeza ................................................49 Figura 27. Fases del Estrés ..........................................................................................51 Figura 28. EmotivPRO ..................................................................................................54 Figura 29. Conexión con EEG ......................................................................................55 Figura 30. Calidad de conexión ....................................................................................56 Figura 31. Datos del test ..............................................................................................56 Figura 32. Identificación de los sensores ......................................................................57 Figura 33. Señales en tiempo real ................................................................................57 Figura 34. Logo de JAVA .............................................................................................58 Figura 35. ANGULARJS ...............................................................................................60 Figura 36. MySQL ........................................................................................................61 Figura 37. Diagrama de Casos de Uso .........................................................................64 Figura 38. Modelo Conceptual Extracción de datos ......................................................75 Figura 39. Modelo Conceptual del Sistema ..................................................................76 Figura 40. Modelo Lógico Extracción de datos .............................................................77 Figura 41. Modelo Lógico del Sistema ..........................................................................78 Figura 42. Modelo Físico Extracción de datos ..............................................................79 Figura 43. Modelo Físico del Sistema ...........................................................................75 Figura 44. Estructura de la Base de Datos ................................................................. 145 Figura 45. Clase "persona" ......................................................................................... 146 xiv Figura 46. Controlador ................................................................................................ 147 Figura 47. Agregar datos ............................................................................................ 147 Figura 48. Controlador persona .................................................................................. 148 Figura 49. Método de la Clase .................................................................................... 148 Figura 50. Interface de Presentación .......................................................................... 149 Figura 51. Ingreso de Número de Cédula ................................................................... 149 Figura 52. Validación de datos ................................................................................... 150 Figura 53. Carga de datos .......................................................................................... 150 Figura 54. Gráficas de Señales y Estados .................................................................. 151 Figura 55. Archivos .CSV ........................................................................................... 152 Figura 56. Ejecución de la Prueba No. 1 ................................................................... 155 Figura 57. Obtención de las ondas cerebrales ........................................................... 155 Figura 58. Interface Principal ...................................................................................... 156 Figura 59. Ingreso de Identificación ............................................................................ 156 Figura 60. Carga de datos en el Sistema .................................................................... 156 Figura 61. Archivo .cvs ............................................................................................... 157 Figura 62. Señales Alfa y Beta ................................................................................... 157 Figura 63. Resultado del análisis de las señales cerebrales ....................................... 158 Figura 64. Ejecución de la Prueba No. 2 .................................................................... 158 Figura 65. Obtención de las ondas cerebrales ........................................................... 159 Figura 66. Interface principal ...................................................................................... 159 Figura 67. Ingreso de Identificación ............................................................................ 159 Figura 68. Archivos..................................................................................................... 160 xv Figura 69. Señales Alfa y Beta ................................................................................... 160 Figura 70. Resultado del análisis de las Señales cerebrales ...................................... 161 Figura 71. Medias aritméticas de las señales Alfa y Beta ........................................... 163 Figura 72. Señales Alfa y Beta estimuladas ............................................................... 164 Figura 73. Resultado de pruebas................................................................................ 165 xvi RESUMEN En los últimos años las computadoras, las aplicaciones móviles y la adquisición de ondas cerebrales han sido una fuente fundamental para mejorar la interacción humano-computador, ya que permiten conocer varios trastornos y problemas de salud de un individuo como son: enfermedades mentales, psicológicas o discapacidades, generando alternativas de software y hardware para solucionar estos problemas, brindando así un mejor estilo de vida. El presente proyecto de investigación tiene como objetivo la obtención, procesamiento y análisis de las señales cerebrales de un militar, colocando primeramente en el córtex cerebral el dispositivo electroencefalograma (EEG) Emotiv EPOC+, para obtener los datos de las señales cerebrales Alfa (estado de relajación) y Beta (estado activo) mediante la Interface Cerebro Computador (BCI) EmotivPRO, al inicio de la experimentación se aplican estímulos auditivos para relajar a la persona, acompañada de una prueba de razonamiento abstracto y luego estímulos visuales para generar estrés con una segunda prueba de razonamiento abstracto, con el fin de verificar la capacidad de resolución de problemas en un tiempo limitado. Estas señales cerebrales obtenidas antes y después de los estímulos, serán procesadas y analizadas en un software desarrollado, el cual nos permitirá visualizar el nivel de estrés de la persona durante las dos etapas de la experimentación y verificar la influencia del estrés en las personas para la resolución de problemas. Palabras Clave: • ELECTROENCEFALOGRAMA (EEG) • SEÑALES CEREBRALES • EMOTIV EPOC+ xvii ABSTRACT In recent years computers, mobile applications and the acquisition of brain waves have been a fundamental source in order to improve human-computer interaction, since they lead to know several disorders and health problems of an individual such as: mental, psychological or disabilities, generating software and hardware alternatives to treat these problems, thus providing a better lifestyle. The objective of this research is to obtain, process and analyze brain signals of a soldier, starting in the cerebral cortex the electroencephalogram (EEG) Emotiv EPOC + device, to obtain the data of the alpha brain signals (relaxation state) and Beta (active state) through a Computer Brain Interface (BCI) EmotivPRO, at the beginning of the experimentation, auditory stimulus are applied to relax the person, accompanied by a test of abstract reasoning and then visual stimulus to generate stress with a second abstract reasoning test, in order to verify the ability to solve problems in a limited time. These brain signals obtained before and after the stimulus, will be processed and analyzed in a developed software, which will allow us to visualize the person's stress level during the two stages of the experimentation and verify the influence of stress on people for problem solving. Keywords: • ELECTROENCEPHALOGRAM (EEG) • BRAINWAVES • EMOTIV EPOC+ 1 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN En el presente capítulo se describen los antecedentes, objetivos, justificación y alcance del proyecto: “Obtención, procesamiento y análisis de las ondas cerebrales Alfa y Beta de un militar, para determinar su capacidad de tomar decisiones en situaciones de estrés y presión”, además se plantea una revisión sistemática de literatura sobre el problema de investigación con grupos de control para generar el estado del arte. 1.1 Antecedentes Hoy en día la relación hombre-computador ha generado un vínculo muy importante dentro del desarrollo de la ciencia y la tecnología permitiendo el empleo de sistemas robóticos y dispositivos especializados en medicina, electrónica y neurociencias con el fin de obtener información necesaria y detallada de cómo se encuentra el cuerpo humano y además comprender el comportamiento de las personas. Cada acción que realiza el cuerpo humano es el resultado de un conjunto de señales que nacen del cerebro y se transmiten a través de las terminaciones nerviosas hacia los músculos y órganos para el cumplimiento de funciones específicas (Torres, Sanchez, & Palacios, 2014). La actividad cerebral ha sido objeto de muchos estudios siendo el primer hallazgo atribuido a Berger en el año 1929, el mismo que empleó un electroencefalograma (EEG) como método para el funcionamiento y comportamiento de la actividad cerebral. Tanto en humanos como en animales es conocido que el cerebro es el motor fundamental para 2 controlar las emociones, concentración, sentidos y movimientos que son realizados por el cuerpo humano. La obtención de señales bioeléctricas constituye uno de los pilares fundamentales e importantes para los sistemas de interacción humano-computador; para ello, se emplea el electroencefalograma que realiza el registro de los impulsos eléctricos de las neuronas del encéfalo. Diversos estudios revelan que las ondas cerebrales son claves para el proceso de aprendizaje, ya que permiten valorar el comportamiento del cerebro en diversas situaciones. Dentro de este análisis, se considera que el estrés constituye uno de los factores más estudiados en la actualidad, por su relación con la aparición de enfermedades, el manejo y la adaptación a situaciones difíciles y el desempeño en general. Dentro de las Fuerzas Armadas, a la fecha, no existen trabajos relacionados al tema, siendo este un factor muy importante que motivó el desarrollo de este proyecto de investigación con el fin de realizar pruebas al personal militar para establecer el nivel de estrés al que se encuentra sujeto dentro de las labores diarias. El nivel de presión psicológica que posee una persona se ve reflejada en las acciones y decisiones que toma en su vida diaria, es así que, en la vida militar existe un nivel de estrés y presión elevado, debido a las tareas que realizan ya sea en las unidades militares que se encuentran en la ciudad o las que se encuentran en la frontera y oriente (selva), repercutiendo en la toma de decisiones durante una operación de combate. 3 Sobre esta base, la obtención de las ondas cerebrales para su análisis y estudio es de suma importancia puesto que, nos permite entrenar el cerebro para reducir y controlar los niveles de estrés de las personas, minimizando así enfermedades y problemas laborales o familiares (Integral, 2018). Este proyecto de investigación es el resultado de una serie de estudios anteriores en los cuales se analizó las señales cerebrales; y, donde se obtuvo como producto la publicación en congresos internacionales de dos artículos científicos titulados: “Brain waves processing, analysis and acquisition to diagnose stress level in the work environment.” y “The control of a Vehicular Automata through brain waves. A case |study” en el WorldCist´18 y WorldCist´19 y la indexación en las Bases Digitales (Springer y Scopus). 1.2 Planteamiento del Problema A nivel mundial, la tecnología hoy en día, no solo permite el desarrollo de sistemas electrónicos dirigidos con sensores que detectan diferentes cambios del medio que los rodea, sino que existen sistemas desarrollados con comunicación teledirigida por impulsos neuronales de un ser humano, capaces de obtener las señales cerebrales emitidas por una persona para ser analizadas y empleadas en diversos campos, especialmente clínicos. La selección de un comandante de pelotón, patrulla o equipo de combate dentro del ejército se la realiza de manera jerarquizada, es decir, de acuerdo al rango militar que posea y a la capacitación que tenga; sin embargo, no es suficiente esta selección ya que 4 una persona depende de varios factores psicológicos tanto internos como externos para tomar decisiones adecuadas, las cuales son independientes a su grado o jerarquía. La problemática tiene su génesis en personas que no están centradas en la responsabilidad que tiene a su cargo, ya que ha existido personal que comete errores al impartir instrucción o comandar un equipo de combate ya sea por nerviosismo en la manipulación de material o por tener un nivel de estrés que no puede controlar, lo que conlleva a cometer descuidos irreparables. 1.3 Justificación En la actualidad existen muchos factores que llevan a una persona a tener altos niveles de estrés ya sea en el campo laboral como en el campo personal y por ende se ve afectada su vida diaria al encontrarse en un estado de bloqueo cerebral. Dentro de las Fuerzas Armadas existe un ambiente con niveles de estrés y presión muy elevados, producidos por las actividades que se ejecutan diariamente, lo que se ve reflejado en el estado de ánimo del personal militar, dando como resultado una serie de malas decisiones que desembocan en problemas laborales y operacionales que han llevado a tener varios accidentes durante el entrenamiento u operación real. Esta investigación está orientada a todo el personal militar que labora en las diferentes unidades o dependencias operativas y administrativas, obteniendo primeramente sus ondas cerebrales Alfa y Beta con la ayuda del EEG Emotiv EPOC+, aplicando un estímulo auditivo para relajar a la persona, acompañado de una prueba de 5 razonamiento abstracto en un tiempo determinado, luego de lo cual se aplica un estresor visual, seguidamente se desarrolla otra prueba de razonamiento abstracto. Los datos de las señales cerebrales obtenidas, se ingresan en el software desarrollado, para obtener los niveles de estrés antes y después de la experimentación y así, realizar una comparación en la resolución de problemas durante las dos etapas. 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General Obtener, procesar y analizar la información de las ondas cerebrales Alfa y Beta del personal militar, sometiéndolos a estímulos visuales y auditivos empleando un electroencefalograma no invasivo en el córtex cerebral, con la finalidad de determinar la capacidad para tomar decisiones en situaciones de estrés y presión. 1.4.2 Objetivos Específicos • Realizar un estudio de literatura que permita comprender, aclarar e identificar las diferentes ondas cerebrales. • Desarrollar pruebas de estrés y presión empleando estresores visuales y auditivos para estimular las ondas cerebrales Alfa y Beta, con ayuda de un profesional especialista en psicología militar. • Diseñar y desarrollar una aplicación que almacene y evalúe las señales cerebrales Alfa y Beta para establecer los niveles de estrés de una persona. • Realizar un protocolo de pruebas y validación de las señales obtenidas y almacenadas en la aplicación. 6 • Establecer conclusiones y recomendaciones en base a los resultados obtenidos durante el desarrollo de la experimentación. 1.5 Alcance El alcance del presente proyecto comprende la obtención, procesamiento y análisis de las ondas cerebrales Alfa y Beta, basado en el uso de un electroencefalograma comercial de la empresa EMOTIV, modelo EPOC+ de catorce canales con electrodos y base salina que se conectan a la computadora de manera inalámbrica. Para la validación del sistema se escogió una muestra del personal militar en el grado de tenientes que pertenecen a promociones con uno y cuatro años de servicio. Para el procesamiento de estas señales se empleará estresores visuales y auditivos, además un test de razonamiento abstracto que estimule las ondas Alfa y Beta de los participantes, estas señales serán almacenadas en una base de datos para realizar luego el respectivo análisis. Con la ayuda y asesoramiento de un profesional especialista en psicología militar se definieron los parámetros y las pruebas de razonamiento abstracto que rendirán los evaluados para determinar la capacidad de resolución de problemas y/o tareas al encontrarse bajo estímulos que generan estrés. 1.6 Estado del Arte Para determinar el estado del arte se realizó una revisión sistemática de la literatura y trabajos relacionados con el tema de investigación para lo cual, se proponen 7 varias preguntas de investigación vinculadas a los objetivos específicos, tal como se muestra en la Tabla 1. Tabla 1. Preguntas de Investigación Objetivo específico Pregunta de investigación Realizar un estudio de literatura que permita comprender, aclarar e identificar las diferentes ondas cerebrales. a. ¿Cómo funciona el cerebro y los impulsos neuronales? b. ¿Cuáles son las ondas cerebrales que emite el cerebro? c. ¿Cuál es el rango de voltaje de las señales cerebrales? d. ¿Qué información proporcionan las ondas cerebrales Alfa y Beta? Desarrollar pruebas de estrés y presión empleando estresores visuales y auditivos para estimular las ondas cerebrales Alfa y Beta, con ayuda de un profesional especialista en psicología militar. e. ¿Qué es el estrés y cuáles son los principales estresores? f. ¿Cuáles son los posibles estímulos externos que incentiven al cambio de amplitud en las señales cerebrales Alfa y Beta? g. ¿Qué tipos de test psicológicos pueden ser tomados en cuenta para la generación de un alto nivel de estrés? Diseñar y desarrollar una aplicación que almacene y evalúe las señales cerebrales Alfa y Beta para establecer los niveles de estrés de una persona. h. ¿Qué tipo de requerimientos se establecerán para el desarrollo de la aplicación? i. ¿Qué tipos de gráficas se generan dentro de la aplicación, que permita medir las señales Alfa y Beta? Realizar un protocolo de pruebas y validación de las señales obtenidas y almacenadas en la aplicación. j. ¿Cuántas pruebas se deben llevar a cabo para validar los niveles de estrés obtenidos? k. ¿Cómo se relacionan las señales obtenidas con los niveles de estrés? Establecer conclusiones y recomendaciones en base a los resultados generados durante el desarrollo de la experimentación. l. ¿Es posible disminuir el tiempo en el proceso de obtención de las señales cerebrales? m. ¿Es posible disminuir el tiempo de uso del dispositivo EEG? 8 La estructura de la técnica que se utilizó para elaborar el estado del arte se muestra en la Figura 1. Figura 1. Método de elaboración del estado del arte 1.6.1 Planteamiento de la revisión sistemática En esta fase se realiza una breve descripción del problema de investigación que sirve para proporcionar un contexto dentro de la búsqueda de estudios científicos; posteriormente se procede a definir un objetivo de búsqueda y plantear preguntas de investigación para alinear la búsqueda en relación al problema de investigación y finalmente se definieron los criterios de inclusión y exclusión, importantes para el desarrollo del presente trabajo. 1.6.2 Conformación del grupo de control (GC) y extracción de palabras relevantes para la investigación Según (Petersen, Feldt, Mujtaba, & Mattsson, 2008) un paso fundamental de un mapeo sistemático de literatura es definir o delimitar los artículos que se consideren relevantes para la investigación, eliminando aquellos que solo mencionan nuestro enfoque principal. 9 Luego del respectivo análisis de los estudios científicos, se obtuvo el grupo de control (GC) conformado por 3 artículos científicos, como lo muestra Tabla 2: Tabla 2. Grupos de Control Código Título Cita Palabras Clave EC1 Neurociencia para los líderes de combate: Un planteamiento basado en cómo funciona el cerebro del líder en el campo de batalla moderno (Steadman, 2011) cerebro, combate, estrés, comandante, neurociencia, militar, toma de decisiones. EC2 Identificación de estilos de liderazgo con Datos Aportados por EEG (Acosta, Suárez, Pinzón, & Rojas, 2017) estilo, liderazgo, medición, electroencefalograma, estrés, comportamiento, neurociencia EC3 Implementación de una Interface Cerebro-Computador para la detección de posición con la ayuda de las señales EEG (Ponce, 2014) electroencefalograma, emotiv, EEG, BCI, neurociencia, señales cerebrales Luego de un análisis de los estudios del grupo de control (GC), se seleccionaron las palabras claves y con mayor frecuencia en los artículos científicos, considerando que deben encontrarse estrechamente alineadas al objetivo de la investigación, las cuales fueron: cerebro, neurociencia, estrés, electroencefalograma (EEG), emotiv, BCI, señales cerebrales. 1.6.3 Construcción de la Cadena de Búsqueda Con las palabras clave que fueron obtenidas de los artículos científicos del grupo de control se conformó la cadena de búsqueda: (“SEÑALES CEREBRALES” OR 10 “ELECTROENCEGALOGRAMA” OR “ESTRÉS” OR “NEUROCIENCIA”) AND (“EMOTIV” OR “CEREBRO” OR “BCI”), misma que se utilizó en la base digital SCOPUS. Sin embargo, esta cadena obtuvo un gran número de investigaciones inclusive aquellas que fueron descartadas. Después de realizar varias pruebas con distintas combinaciones de cadenas, se seleccionó la cadena: “(((SEÑALES CEREBRALES, NEUROCIENCIA) AND ELECTROENCEGALOGRAMA, BCI) AND ESTRÉS, EMOTIV)”. 1.6.4 Selección de los estudios primarios La búsqueda en la base digital SCOPUS, empleando la cadena final retornó 45 artículos científicos, en los cuales se encontró la mayor cantidad de artículos pertenecientes al grupo de control, considerando este aspecto, se determinó como la cadena idónea. De los 45 artículos obtenidos se aplicaron dos filtros, los cuales son explicados a continuación: • Vigencia: Estudios realizados a partir del año 2012. Se eligió este año debido a que la tecnología avanza rápidamente, por lo que es necesario tener estudios con una relativa actualidad. • Tipo de estudio: Fueron elegidos únicamente estudios del tipo: technical report, conference paper, article y journal paper; debido a su relevancia. En base a los filtros antes mencionados, y el criterio de los investigadores, se eligieron 6 estudios primarios, los cuales constituyen la base para realizar el estado del arte, los cuales se listan en la Tabla 3. 11 Tabla 3. Estudios Primarios Código Título Cita EP1 Adquisición y análisis de señales electroencefalográficas utilizando el dispositivo Emotiv EPOC+. (Chávez, Torres, Herrera, & Hernández, 2016) EP2 Neurociencias y Toma de Decisiones. (Kamelman, 2017) EP3 Neuroscience applied to perception analysis: Heart and emotion when listening to Ecuador’s national anthem. (Rúas, Punín, Gómez, Cuesta, & Ratté, 2015) EP4 Efecto de la presión psicológica en la amplitud de ondas beta. (Vargas & Valderrama, 2017) EP5 Brain waves processing, analysis and acquisition to diagnose stress level in the work environment. (Ubilluz, Delgado, Marcillo, & Noboa, 2018) EP6 The control of a Vehicular Automata through brain waves. A case study (Ubilluz, Delgado, Rodriguez, & López, 2019) 1.6.5 Elaboración del Estado de Arte EP1 (Chávez et al., 2016): Adquisición y análisis de señales electroencefalográficas utilizando el dispositivo Emotiv EPOC+ El paper “Adquisición y análisis de señales electroencefalográficas utilizando el dispositivo Emotiv EPOC+” aborda en forma general el empleo de un EEG portátil de Emotiv llamado EPOC+, en el cual se muestra un procedimiento para la adquisición de señales cerebrales realizando pruebas empleando estímulos visuales y auditivos, con el propósito de visualizar los tipos de comportamientos de las señales cerebrales a través de los 14 canales del dispositivo. Luego de esto, se analiza el comportamiento de las ondas y se sesga la señal con mayor excitación para determinar qué tipo de estímulo 12 genera mayor exaltación y al final obtener distintos patrones, así como las lecturas de amplitud de las señales. EP2 (Kamelman, 2017): Neurociencias y Toma de Decisiones En el artículo “Neurociencias y Toma de Decisiones” su autor habla acerca de los conocimientos del cerebro y su impronta en el neuro aprendizaje y la toma de decisiones pues, ofrecen una oportunidad única para el mejoramiento de la competitividad militar en base al progreso de su capital humano. Es oportuna la incorporación de las Neurociencias en la Gestión Educativa civil y militar como sustrato superador del conocimiento en la toma de decisiones. Las neurociencias explican muchos de los fenómenos vinculados a la psicofisiología del miedo a las pérdidas, el “propio interés” y el “homo lupus homini”, la biocognición del odio, la recompensa del martirio de terroristas, así como las caídas del mercado por percepciones ilusorias que después del daño, se intentan reinterpretar en clichés económicos, etc. El cerebro es, pues, el escenario transaccional de la especie humana donde se dirime la ecuación entre el miedo y la disuasión, entre la aversión a las pérdidas y el sentido de recompensa. EP3 (Rúas et al., 2015): Neuroscience applied to perception analysis: Heart and emotion when listening to Ecuador’s national anthem Rúas Araujo en su paper “Neuroscience applied to perception analysis: Heart and emotion when listening to Ecuador’s national anthem” analiza el impacto que provoca en un grupo de estudiantes el Himno Nacional del Ecuador, a través del registro de las alteraciones físicas (estudio de Variabilidad de la Frecuencia Cardíaca, VFC) y 13 emocionales (programa de reconocimiento facial de emociones) de los participantes. En el resultado de la VFC de los participantes se observaron diferencias en la percepción por género. En el análisis de reconocimiento facial de emociones, los resultados mostraron, mayoritariamente, un patrón secuencial emocional evolutivo de “sorprendido y alegre”, es decir, de complacencia. EP4 (Vargas & Valderrama, 2017): Efecto de la presión psicológica en la amplitud de ondas beta Alexandra Vargas en su paper “Efecto de la presión psicológica en la amplitud de ondas beta”, aborda de manera general acerca de la presión psicológica, explicando que es un estado mental que los estudiantes viven diariamente. Cumple un papel fundamental en estados motivacionales y capacidad de respuesta del individuo. Al realizar tareas cognitivas como problemas matemáticos en un tiempo acotado, las personas están sometidas a presión psicológica aguda. En este marco, se utilizó el Emotiv EPOC para recoger datos y analizar los cambios en la actividad cerebral, específicamente en la onda beta, implicada en procesos cognitivos de alta exigencia, en sujetos sometidos a distintos niveles de presión. Los resultados muestran que la presión inhibe la capacidad de respuesta y que existe una correlación entre la amplitud de las ondas beta y la presión. EP5 (Ubilluz et al., 2018) Brain waves processing, analysis and acquisition to diagnose stress level in the work environment. En el paper “Brain waves processing, analysis and acquisition to diagnose stress level in the work environment” se brinda un análisis acerca de la adquisición de ondas 14 cerebrales las cuales han sido una fuente fundamental para mejorar la interacción humano-computador, ya que permite conocer las emociones de un individuo. En esta investigación se analiza el nivel de estrés de un trabajador mediante el empleo de un dispositivo no invasivo colocado en el cabeza llamado Emotiv Insight, el mismo que tiene la capacidad de conectarse a una Interface Cerebro Computador (BCI) y representar los diferentes gestos faciales, así como también, interpretar las señales cerebrales. Una vez adquiridas estas ondas, se las analizó y los resultados permitieron identificar las respuestas que genera un individuo durante una prueba con niveles de estrés elevados. EP6 (Ubilluz et al., 2019) The control of a Vehicular Automata through brain waves. A case study. En el paper “The control of a Vehicular Automata through brain waves. A case study” se obtiene y procesa las señales cerebrales de tres grupos de personas mediante un entrenamiento virtual en el software EmotivXavierControlPanel, seleccionando al grupo que posee mayor concentración y relajación, una vez realizadas las pruebas, se empleó el software Mind Your OSC para obtener las señales que sirvieron para dar los movimientos del autómata, luego de esto, se introdujo el código de programación en Processing el mismo que envió las señales al Arduino y este a su vez al autómata, con el fin de realizar los movimiento de acuerdo a las señales cerebrales, con esto se concluye que gracias a las señales cerebrales se puede realizar el movimiento de prototipos de acuerdo a los requerimientos que se necesiten en los diferentes campos tanto de la salud como de la educación. 15 1.7 Características del estado del arte Existe una cantidad limitada de estudios relevantes en cuanto a la aplicación de la investigación acerca de la obtención, procesamiento y análisis de ondas cerebrales para verificar el nivel de estrés de un militar y a la vez que esto influya en la toma de decisiones de la misma, la mayoría no tiene un campo de aplicación delimitado por lo que existen datos muy dispersos e incompletos. Por otro lado, la mayoría de herramientas existentes son de carácter hospitalario lo que dificulta realizar una investigación a nivel de laboratorio educativo. Los estudios mencionados anteriormente brindan algunos métodos y formas de replicación que se han usado y se identificó que la principal limitación son los equipos electroencefalogramas. 16 CAPÍTULO II METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN 2.1 Ciencia La ciencia surge de la actividad conjunta de los individuos en la sociedad, se resume en conocimiento del mundo que los rodea y nace como resultado del trabajo intelectual de los hombres. La ciencia conforma un sistema de conocimientos como resultado del proceso de investigación científica, este sistema de conocimientos contribuye a la solución de los problemas que día a día enfrentan las personas en su relación con su medio a través de: principios, categorías, leyes y teorías (Fernández & Rodríguez, 2019). El proceso de descubrimiento científico no se limita a científicos profesionales que trabajan en laboratorios. La experiencia cotidiana de deducir que su automóvil no arrancará debido a una mala bomba de combustible, o de descubrir que los ciempiés en su patio trasero prefieren rocas sombrías comparte similitudes fundamentales con descubrimientos científicos clásicos como resolver la doble hélice del ADN. Todas estas actividades implican hacer observaciones y analizar evidencias, y todas brindan la satisfacción de encontrar una respuesta que tenga sentido para todos los hechos. De hecho, algunos psicólogos argumentan que la forma en que los humanos aprenden (especialmente cuando son niños) tiene mucha similitud con el progreso de la ciencia: ambos implican hacer observaciones, considerar evidencia, probar ideas, y aferrarse a las que funcionan (Caldwell & Lindberg, 2013). 17 Los avances tecnológicos en la actualidad surgen gracias a los aportes que la ciencia genera en el medio socio-cultural y socio-económico de la humanidad (Alvarez & Sierra, 1998) Toda ciencia busca encontrar hechos en el mundo real y la sustenta con evidencia con el fin de obtener beneficio para la comunidad científica, así como también para toda la humanidad que pueda aprovechar este nuevo conocimiento (Fernández & Rodríguez, 2019). 2.2 Investigación Científica La investigación surge como necesidad de búsqueda de conocimiento, dicho conocimiento implica una búsqueda científica y sistemática de información sobre un tema específico de cualquier rama del conocimiento (Alvarez & Sierra, 1998). Redman y Mory definen la investigación como “un esfuerzo sistematizado para ganar nuevo conocimiento; un conjunto de acciones planificadas que se emprenden con la finalidad de resolver, total o parcialmente, un problema científico determinado”. Además, la investigación implica que el investigador está interesado en más de un resultado particular; él está interesado en la reproducibilidad de sus resultados y en su extensión a situaciones más complejas y generales (Fernández & Rodríguez, 2019). 2.2.1 Características de la Investigación Científica La investigación científica produce nuevos conocimientos o genera elementos para resolver problemas prácticos, esta cierta forma de hacer las cosas constituye un proceso que, como tal, caracteriza una serie de atributos detallados en la Tabla 4, y sigue una secuencia de etapas para una óptima implementación. 18 Tabla 4. Características de la Investigación Sistemática Tiene procedimientos estandarizados y se rige a una manera constante y equivalente de hacer las cosas. Controlada No deja hechos al azar, suele ser comparativa. Empírica Aplicable a fenómenos observables y medibles de la realidad. Racional-critica Valora constantemente de forma objetiva (elimina preferencias personales o juicios de valor). Reproducible Implementa procedimientos estandarizados y sistemáticos Fuente: (Sáenz & Tinoco, 1999) 2.2.2 Tipos de Investigación Científica Los tipos de investigación científica, depende ampliamente del alcance y la estrategia, además de la rigurosidad, que permite reconocer una jerarquización (describir, relacionar, explicar), de modo tal que la aplicación depende del estado del conocimiento en el tema y del enfoque del estudio. Los tipos básicos de investigación son los siguientes: 2.2.2.1 Investigación Exploratoria El objetivo es la exploración de un asunto poco estudiado o no abordado antes. Esta investigación es útil para determinar tendencias, identificar relaciones potenciales entre variables y establecer elementos para considerar la realización de estudios posteriores más rigurosos y específicos. Los estudios exploratorios son los más flexibles, amplios y dispersos (Sáenz & Tinoco, 1999). 2.2.2.2 Investigación Descriptiva Se basa en la medición de uno o más atributos del fenómeno o evento descrito. Con esta investigación se pretende especificar propiedades importantes de las variables 19 o del tema específico sometido al análisis, tal y como ocurren en la realidad. Los estudios descriptivos se aplican para reportar la medición de conceptos o variables, y aquí es medir con la mayor precisión posible. El tipo descriptivo ofrece una primera posibilidad de formular predicciones incipientes y rudimentarias (Sáenz & Tinoco, 1999). 2.2.2.3 Investigación Correlacional Su objetivo principal es evaluar el grado de relación que existe entre 2 o más conceptos o variables en un contexto dado. Con este tipo de investigación se cuantifica con precisión las variables individuales, luego se analiza si están relacionadas o no en los mismos sujetos y describe cómo se relacionan. La aplicación correlacional brinda elementos que sustentan la investigación y tiene un valor explicativo parcial (Sáenz & Tinoco, 1999). 2.2.2.4 Investigación Explicativa Esta investigación está dirigida a responder las causas de los eventos, con sus resultados busca explicar por qué ocurre un fenómeno y en qué condiciones se produce, es decir: porqué 2 o más variables están relacionadas. Los estudios explicativos son los más estructurados y giran en torno al establecimiento de relaciones de causalidad, de modo tal que ofrecen elementos para explicar los eventos (Sáenz & Tinoco, 1999). 2.2.2.5 Investigación Predictiva Parte del hecho de que existen teorías cuya probabilidad ha aumentado gracias a un cierto número de contrastaciones. El objetivo central de estas investigaciones consiste en determinar las causas de los fenómenos y proveer modelos teóricos (explicativos, 20 abstractos, universales, generales) que permitan elaborar predicciones probabilísticas de determinado fenómeno, para ello se forman modelos que sean simulables o se manejan diseños experimentales (Velazquez, 2016). 2.2.2.6 Investigación Aplicativa Parte del hecho de que existen teorías cuya probabilidad ha aumentado gracias a un cierto número de contrastaciones. Su objetivo central está en proveer tecnologías o esquemas de acción derivados de los conocimientos teóricos, por ejemplo, la ID investigación + Desarrollo (Velazquez, 2016). 2.2.2.7 Investigación Cuantitativa Esta investigación emplea técnicas de estadística, matemáticas o computacionales referente a las investigaciones sistemáticas y empíricas. El objetivo de esta investigación es desarrollar y emplear modelos matemáticos, teorías y/o hipótesis relacionados con los fenómenos. Esta investigación generalmente utiliza métodos científicos como la generación de modelos, teorías e hipótesis, el desarrollo de instrumentos y métodos de medición, la manipulación de variables y control experimental, la evaluación de resultados y la colección de data empírica (Robles, 2018). 2.2.2.8 Investigación Cualitativa La investigación cualitativa se ocupa de los fenómenos cualitativos, es decir, los fenómenos relacionados con o que involucran calidad o bondad (Kothari, 2004). Por ejemplo, cuando estamos interesados en investigar las razones del comportamiento humano (es decir, por qué las personas piensan o hacen ciertas cosas), con frecuencia 21 hablamos de "Investigación de Motivación", un tipo importante de investigación cualitativa. La investigación cualitativa es especialmente importante en las ciencias del comportamiento, donde el objetivo es descubrir los motivos subyacentes del comportamiento humano (Kothari, 2004). 2.2.2.9 Investigación por Método Inductivo A través de este método pueden analizarse situaciones particulares mediante un estudio individual de los hechos que formula conclusiones generales, que ayudan al descubrimiento de temas generalizados y teorías que parten de la observación sistemática de la realidad. Es decir, que se refiere a la formulación de hipótesis basadas en lo experimentado y observado de los elementos de estudio para definir leyes de tipo general. Consiste en la recolección de datos ordenados en variables en busca de regularidades (Robles, 2018). 2.2.2.10 Investigación por Método Deductivo Se refiere a un método que parte de lo general para centrarse en lo específico mediante el razonamiento lógico y las hipótesis que puedan sustentar conclusiones finales. Este proceso parte de los análisis antes planteados, leyes y principios validados y comprobados para ser aplicados a casos particulares. En este método todo el empeño de la investigación se basa en las teorías recolectadas, no en lo observado ni experimentado; se parte de una premisa para esquematizar y concluir la situación de estudio, deduciendo el camino a tomar para implementar las soluciones (Robles, 2018). 22 En base a las descripciones detalladas, la presente investigación es de carácter exploratorio, debido a que se centra en analizar e investigar aspectos concretos de la realidad que aún no han sido analizados a profundidad (Sáenz & Tinoco, 1999). Así mismo, la investigación es de carácter inductivo, debido a que se basa en la obtención de conclusiones a partir de la observación de hechos (Robles, 2018). Adicionalmente, la investigación es de carácter cuantitativo, dado que utiliza valores numéricos y métodos estadísticos proporcionados por los EEG, para explicar ciertos aspectos involucrados en el problema analizado (Robles, 2018). 2.3 Población y Muestra La institución militar es una organización plenamente jerarquizada en la cual existen diferentes grados y cargos. Para esta investigación, se ha tomado en cuenta al personal de oficiales en el grado de tenientes de las promociones: PROMOCIÓN 111 JUAN DE LARREA Y GUERRERO y la PROMOCIÓN 114 JOSÉ JOAQUÍN DE OLMEDO, con un total de 273 oficiales. La primera promoción de oficiales se encuentra cursando un año en el grado, distribuidos en las diferentes unidades de la plaza de Quito y la segunda promoción con cuatro años en el grado, los mismo que se encuentran en la Academia de Guerra del Ejército ubicada en Sangolquí, realizando su curso de ascenso. El tamaño de la muestra estará dado de acuerdo con la siguiente ecuación: 𝑛 = 𝑁 ∗ 𝑍𝑎 2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑞 𝑑2 ∗ (𝑁 − 1) + 𝑍𝑎 2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑞 23 En donde: N: Total de la población (273 oficiales) p: Proporción esperada (0.5) q: 1-p (0.5) d: Precisión o error muestral deseado (5%) 𝑍𝑎:Constante que depende del nivel de confianza que se asigne. Los valores más utilizados son: Tabla 5. Niveles de confianza Z 1.15 1.28 1.44 1.65 1.96 2.00 2.58 Nivel de Confianza 75% 80% 85% 90% 95% 95.5% 99% Por lo tanto, al reemplazar los valores en la ecuación, la muestra sería: 𝑛 = 273 ∗ 1.962 ∗ 0.5 ∗ (1 − 0.5) 0.052 ∗ (273 − 1) + 1.962 ∗ 0.5 ∗ (1 − 0.5) 𝒏 = 𝟏𝟔𝟎 La muestra empleada para este trabajo de investigación fue de 160 oficiales, con los cuales se realizó las respectivas pruebas, para obtener sus señales cerebrales y posteriormente analizarlas. 24 CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO En este capítulo se presentan algunos principios y conceptos teóricos acerca del encéfalo, las bioseñales, la electroencefalografía, Brain Computer Interface (BCI) y el estrés. Además, se incluye información de los principales equipos de electroencefalografía que se encuentran en el mercado y que permiten obtener las señales cerebrales que son de utilidad para el desarrollo del presente proyecto. 3.1 El encéfalo El encéfalo es un órgano esencial del cuerpo humano, controla funciones tales como la respiración, la vista, el tacto, el movimiento, la temperatura, y todos los procesos que regulan nuestro cuerpo. Está contenido en el cráneo y se compone de tres partes bien diferenciadas: el tronco cerebral, el cerebelo y el cerebro como lo muestra la Figura 2, cuya superficie externa es conocida como corteza cerebral (Bermúdez, 2013). Figura 2. Partes del encéfalo Fuente: (Bermúdez, 2013) 25 • Cerebro: ocupa casi en su totalidad la cavidad craneal, es el más evolucionado dentro del encéfalo y tiene dos hemisferios en donde ocurren la mayoría de funciones como el movimiento y coordinación; el juicio, razonamiento, emociones y aprendizaje también se dan lugar en el cerebro. En la superficie del cerebro se encuentra el córtex en donde se recibe la información sensorial (Putz, 2008). • Cerebelo: encargado de mantener el equilibrio, funciona como un “filtro pasa bajo” para evitar los movimientos musculares espasmódicos (López I. M., 2013). • Tronco Cerebral: conecta el córtex, la médula espinal y el cerebelo; controla ritmos cardíacos y respiratorios además de ser el centro de diversos reflejos motores (Urgilés & Vásquez, 2017). 3.2 La Actividad Eléctrica del Cerebro La actividad eléctrica del cerebro está formada por biopotenciales, que se originan en la membrana externa de las células excitables, tales como las que componen el tejido nervioso o muscular. Estas señales eléctricas son de naturaleza iónica (Bermúdez, 2013). La fuente de la actividad cerebral se da mediante la sinapsis de las neuronas y por dos procesos electroquímicos dentro del encéfalo conocidas como electrogénesis cerebral y electrogénesis cortical (López I. M., 2013). 3.2.1 Células Nerviosas Las células nerviosas o neuronas son células producto de los procesos fisiológicos que ocurren en el sistema nervioso, están compuestas por el axón, las dendritas y el cuerpo celular como se muestra en la Figura 3. Esta composición le permite a la neurona 26 conectarse a otras formando así múltiples interconexiones, en este proceso electroquímico conocido como sinapsis, se produce una diferencia de potencial entre las membranas nerviosas por la transmisión de un impulso nervioso (Ropper, 2010). Figura 3. Estructura de una Neurona Fuente: (Urgilés & Vásquez, 2017) 3.2.2 Electrogénesis Cortical Tiene lugar en los tejidos que producen actividad sináptica conocidos como generadores corticales, en estos se producen los potenciales postsinápticos excitadores y los potenciales postsinápticos inhibidores, se suman entre sí y dan lugar a potenciales lentos que son las ondas registradas en un EEG. Los generadores corticales se sitúan a 500 y 900 micras de la superficie cortical, los potenciales de acción surgen cuando se da una despolarización al presentarse una tensión positiva en la superficie o mediante una hiperpolarización cuando hay tensión negativa (Guerrero, 2011). 3.2.3 Electrogénesis Cerebral Se produce en el tejido nervioso que está formado por las neuronas con el fin de generar potenciales eléctricos en la corteza cerebral, la misma que está constituida por capas celulares emisoras y receptoras, estas capas poseen células que contienen un potencial cuantificable llamado potencial transmembrana, este potencial es la fuente de 27 la electrogénesis cerebral porque produce un potencial de acción que puede ser medido a través de transductores como los electrodos (Guerrero, 2011). Generalizando, la electrogénesis cerebral se forma en células que posean potenciales transmembrana, al producirse una diferencia de potencial por el intercambio de iones dentro y fuera de la célula nerviosa. Células como las musculares, nerviosas, glandulares y vegetales pueden propagar cambios en la diferencia de potencial; cuando estas células responden ante la presencia de un estímulo, se exhibe una serie de cambios en el potencial de acción y al ser registrados mediante un EEG se puede obtener información acerca de la señal bioeléctrica (Pinillos, 2003). 3.3 Electroencefalograma (EEG) Existen diferentes técnicas para medir la actividad eléctrica del cerebro, estas se diferencian por el nivel de profundidad en dónde se colocan los electrodos para adquirir la señal (Vaughan, Wolpaw, & Donchin, 1996): • Electroencefalografía Profunda: se utilizan microelectrodos implantados en el interior del cerebro mediante una intervención quirúrgica. • Electrocorticograma (ECoG): utiliza electrodos corticales colocados directamente sobre la corteza cerebral. En este caso también es necesaria una intervención quirúrgica para colocarlos electrodos. • Electroencefalograma (EEG): utiliza electrodos superficiales, colocados sobre la superficie del cuero cabelludo. Es una técnica no invasiva. 28 A medida que los registros se toman más cerca del cerebro, se obtienen señales con mejor relación señal a ruido y mejor resolución espacial, ya que refleja la actividad de menor número de neuronas. El carácter invasivo de las técnicas que requieren de intervención quirúrgica hace que estas técnicas se reserven para casos muy particulares. Por el contrario, en las señales obtenidas mediante el EEG superficial se ve reflejada la actividad eléctrica de un gran número de neuronas, ubicadas en grandes áreas de la corteza cerebral (Vaughan, Wolpaw, & Donchin, 1996). 3.4 Las señales Electroencefalográficas Las señales EEG son el producto de la actividad cerebral que está presente incluso en ausencia de estímulos, estas señales EEG adquiridas son de amplitudes extremadamente pequeñas con un rango de tensión de 5μV a 200μV, mientras que su frecuencia está en el rango de 0.5Hz a 80Hz como se muestra en la Figura 4, estas son afectadas por señales que no son de interés como el ruido eléctrico (Ruido de 60Hz), el ruido que genera el cuerpo, artefactos, ruido generado por los componentes electrónicos y el posicionamiento de los electrodos en el cuero cabelludo (Saa, Escorcia, & Manco, 2008) Figura 4. Señal de un Electroencefalograma Fuente: (Swathi & Rajapakse, 2008) 29 3.5 Ondas Cerebrales Las ondas cerebrales son los distintos ritmos que tiene la actividad eléctrica cerebral, estos impulsos eléctricos son producidos por las neuronas, y transmiten la información por todo el cerebro pasándola de una neurona a otra (Putz, 2008). Estas ondas se producen cuando el cerebro recibe algún tipo de estímulo externo o pensamiento en concreto, las mismas que se encuentran en la orden de los micro voltios, se las puede obtener, procesar y analizar con los electroencefalogramas, que tienen la capacidad de captar y amplificar los impulsos cerebrales. Su clasificación se ha realizado de acuerdo a su frecuencia y amplitud empleando las letras griegas alfa, beta, delta, theta, gamma. 3.5.1 Ondas Alfa Las Ondas Alfa se presentan cuando la persona se encuentra en un estado de relajación y reposo, es decir con los ojos cerrados y sin realizar ninguna actividad mental (Urgilés & Vásquez, 2017). Se caracteriza por la presencia de ondas regulares, monomorfas y tienen un aspecto fusiforme o sinusoidal como lo muestra la Figura 5. Puede aparecer en ambos hemisferios con variaciones de ± 2.5 ms entre ambos (Tejeiro, 2008). Figura 5. Ondas Alfa Fuente: (Changoluisa & Escalante, 2012) 30 La frecuencia de la onda Alfa se encuentra entre 8 y 13 Hz en adultos y permanece constante, variando ± 1 Hz (la frecuencia media del ritmo Alfa en un adulto normal se ha establecido en 10,2 ± 0,9 Hz), (Tejeiro, 2008). La amplitud de la onda Alfa puede ir desde los 15 μV y varía de acuerdo a la posición de los electrodos o cambios en la densidad ósea (Martínez & Trout, 2006). 3.5.2 Ondas Beta Las Ondas Beta se encuentran presente cuando las personas están en un estado de alerta, despierta, realizando actividades y especialmente en situaciones de estrés y concentración mental. Esta onda es más fuerte durante la somnolencia y puede llegar a desaparecer durante el sueño profundo, se incrementa durante la quinta fase del sueño, caracterizado por el movimiento acelerado de los ojos (Tejeiro, 2008). Las ondas Beta son ondas rápidas y reflejan la actividad mental cuando se tiene los ojos abiertos, existen dos regiones Beta I y Beta II, la Beta II aparece durante la activación intensa del sistema nervioso central, disminuyendo entonces las Beta I (Guerrero, 2011). La frecuencia se encuentra entre 13 y 18 - 25 Hz (Tejeiro, 2008). Las ondas Beta cubren la banda entre 13 y 22 Hz. La amplitud suele ser baja como se muestra en la Figura 6, comprendida entre 5 - 10 μV, si llega a superar los 30 μV se considera una anormalidad (Tejeiro, 2008). 31 Figura 6. Ondas Beta Fuente: (Changoluisa & Escalante, 2012) 3.5.3 Ondas Delta La Onda Delta se presenta como oscilaciones de la actividad cerebral detectadas en el cerebro humano durante la etapa de sueño profundo, en casos de daño cerebral y coma. Las ondas Delta no están presentes en el movimiento rápido de los ojos, ni en las etapas 1 y 2 del sueño (Nácher, Ledberg, Deco, & Romo, 2013). Suelen oscilar en un rango de 0.5 - 4 Hz (Sanei & Chambers, 2013). Pero pueden presentarse también de 1 - 4 Hz (Nácher, Ledberg, Deco, & Romo, 2013). La amplitud es variable, mayor a 50 μV considerada normal (Martínez & Trout, 2006). 3.5.4 Ondas Theta La Onda Theta se compone por ondas de diversa morfología porque puede presentarse ondas regulares e irregulares, de escasa duración y suelen aparecer en las regiones temporales. (Tejeiro, 2008) La onda Theta puede distribuirse a lo largo de la zona fronto central, es propia de niños entre 3 meses y 5 años durante las fases de sueño I y II; durante una hiperventilación y la fatiga (Martínez & Trout, 2006). 32 La frecuencia está comprendida en la banda de 4 - 8 Hz (Tejeiro, 2008). Su amplitud puede ser de 40 μV considerada normal (Martínez & Trout, 2006). 3.5.5 Ondas Gamma La Onda Gamma se presenta en la corteza visual y se lo ha asociado al proceso de percepción consciente; se puede presentar en el hipocampo, corteza frontal y lóbulo temporal al momento de memorizar y en el momento posterior de la acción (Buzsáki, 2006). Los niveles altos de onda Gamma se han asociado a los niveles de inteligencia y auto control, también se presentan en la generación de sentimientos de compasión y felicidad (Urgilés & Vásquez, 2017). Tienen lugar en el rango de 25 - 100 En la Figura 7, se muestran los rangos de frecuencia de cada una de las ondas cerebrales que son captadas por el electroencefalograma. Figura 7. Rangos de frecuencia de las Ondas Cerebrales Fuente: (Urgilés & Vásquez, 2017) 33 3.6 Interface cerebro computador (BCI) En 1973, Vidal define que el sistema BCI (Brain-Computer Interface, por sus siglas en inglés) se orienta a utilizar tanto el EEG (Electroencefalograma) espontáneo y específico para evocar respuestas provocadas por la estimulación que depende del tiempo en diversas condiciones con el fin de controlar un aparato externo (Sandoval, Cabestany, & Prieto, 2011). Para el 2002, los científicos Wolpaw, Birbaumer, McFarland, Pfurtscheller y Vaughan, definen que una interface directa cerebro-ordenador es un dispositivo que proporciona al cerebro una nueva comunicación de control de tipo no muscular (López M. , 2009). Actualmente se conocen como sistemas de interface cerebro-computadora o BCI a los sistemas que capturan las manifestaciones eléctricas, magnéticas o de otro tipo de la actividad cerebral, descifrando la intención del usuario de moverse o comunicarse a través del análisis de señales eléctricas cerebrales como lo indica la Figura 8, posteriormente estas señales serán convertidas en comandos para operar algún dispositivo por medio de un procesamiento digital efectuado en tiempo real (Gutiérrez, Cantillo, Cariño, & Elías, 2013). 34 Figura 8. Interface Cerebro Computador Fuente: (Ponce, 2014) 3.6.1 Tipos de BCI Una BCI de acuerdo a su funcionamiento puede ser síncrona o asíncrona, la síncrona analiza la señal solamente en ciertos intervalos de tiempo e ignora cualquier señal fuera de estos intervalos, mientras que la asíncrona analiza continuamente las señales (Vaca, 2017), las BCI se clasifican según la naturaleza de la señal de control en las siguientes: 3.6.1.1 BCI Endógenos: Estos sistemas dependen únicamente de la capacidad del usuario para controlar características determinadas en su actividad cerebral como amplitud en una banda especifica de frecuencia de las señales EEG registradas sobre una zona concreta de la corteza cerebral, por lo cual requieren mucho entrenamiento por parte del usuario (Vaca, 2017). 35 Los sistemas BCI endógenos son: • Potenciales cortiales lentos. - Se basan en la teoría de la regulación voluntaria en el nivel promedio de EEG por parte del usuario, son cambios de voltaje lentos que pueden apreciase en intervalos superiores a los 5 segundos tiene una componente espectral en un rango de 0.1Hz a 1Hz, muchos estudios han demostrado que los humanos son capaces de controlar dichos potenciales (Vaca, 2017). • Ritmos Sensoriomotores μ y β. - Se basan en variaciones de las ondas μ y β registrados sobre la zona somatosensorial y motora de la corteza cerebral, estas variaciones se presentan tanto al ejecutar un movimiento real como al imaginar un movimiento (Vaca, 2017). 3.6.1.2 BCI Exógenos: Los sistemas BCI exógenos dependen de la actividad electrofisiológica evocada por estímulos externos para producir una serie de respuestas fisiológicas que serán moduladas de forma voluntaria por el sujeto mediante tareas cognitivas. La modulación voluntaria de estas respuestas fisiológicas causa distintos patrones de actividad cerebral que serán usados en los sistemas BCI (Nureibis & Muñoz, 2014). • Potenciales evocados visuales (VEP). - Son potenciales recogidos sobre la corteza visual se basan en los potenciales producidos ante la presencia de un estímulo visual, los VEP de estado estable (SSVEP) son respuestas periódicas 36 causadas por la presentación repetida de una serie de estímulos visuales a una frecuencia superior a 6 Hz (Vaca, 2017). • Potenciales evocados P300. - Es un pico de amplitud que se presenta en el registro de señales EEG aproximadamente unos 300ms después de haberse producido un estímulo auditivo o visual, este potencial se observa principalmente en las zonas central y parietal de la corteza cerebral; es poco frecuente y está mezclado con otros estímulos, lo que provoca la aparición de este potencial P300 (Vaca, 2017). Cada tipo de BCI posee su ventaja y desventaja, las cuales se encuentran especificadas en la Tabla 6. Tabla 6. Comparación de tipos de BCI Tipos de BCI Potenciales Ventajas Desventajas BCI Endógenos Potenciales cortiales lentos Ritmos sensoriomotores • Independiente de cualquier tipo de estímulo. • Operada libremente. • Para usuarios con órganos sensoriales afectados. • Entrenamiento largo (semanas o meses). • No todos los usuarios son capaces de obtener el control. BCI Exógenos SSVEP P300 • Entrenamiento mínimo. • Control fácil de señal. • Necesita únicamente un canal EEG. • Atención permanente al estímulo. • Puede causar cansancio en algunos usuarios. Fuente: (Vaca, 2017) 3.6.2 Estructura de un BCI Un sistema BCI está estructurado básicamente por 3 etapas que son: adquisición, procesamiento de las señales EEG y salida o aplicación, como lo muestra la Figura 9. 37 Figura 9. Estructura funcional de un BCI Fuente: (Merchán, 2011) 3.6.2.1 Adquisición de la Señal La etapa de adquisición representa la obtención de los potenciales bioeléctricos que se generan en el cerebro y que pueden ser detectados a través de electrodos aplicados en el cuero cabelludo (Urgilés & Vásquez, 2017). La adquisición de señales mide los cambios en tiempo real de la actividad cerebral por medio de sensores, en consecuencia, dando al usuario una forma de comunicarse con el sistema BCI; para la adquisición de señales producidas por la actividad cerebral existen dos métodos principales: • No invasivo: El método no invasivo consiste en ubicar una serie de electrodos en la superficie del cuero cabelludo (figura 10), sin necesidad de una experiencia quirúrgica que podría exponer al usuario a posibles infecciones, lesiones cerebrales que en consecuencia la llevarían a una reducción de la funcionalidad del cerebro o en peores circunstancias pondría en riesgo la vida. 38 Figura 10. Dispositivo no invasivo Fuente: (Ponce, 2014) • Invasivo: El método invasivo consiste en llevar a cabo una cirugía para implantar los sensores necesarios (figura 11), este procedimiento quirúrgico se llama craneotomía que consiste en la apertura del cráneo y el corte de las membranas que recubren el cerebro. Figura 11. Dispositivo invasivo Fuente: (Beltramone, 2010) 3.6.2.2 Procesado de la Señal En el procesamiento se encuentra una etapa de pre procesado que consiste en un filtrado, amplificación, digitalización, extracción de características y clasificación de las 39 señales, esta etapa es la más importante ya que se la realiza con el objetivo de eliminar posibles artefactos que contaminan la señal EEG (Urgilés & Vásquez, 2017). 3.6.2.3 Aplicación Se encuentra la etapa de salida, donde las señales son transformadas para generar comandos de control. También es necesaria una retroalimentación para indicar el rendimiento del individuo (Pinillos, 2003). Los sistemas BCI exógenos dependen de la actividad electrofisiológica evocada por estímulos externos para producir una serie de respuestas fisiológicas que serán moduladas de forma voluntaria por el sujeto mediante tareas cognitivas. La modulación voluntaria de estas respuestas fisiológicas causa distintos patrones de actividad cerebral que serán usados en los sistemas BCI (Nureibis & Muñoz, 2014). 3.6.3 Equipos para sistemas BCI En la actualidad existen varias empresas que desarrollan dispositivos EEG para realizar distintas aplicaciones neuronales dentro de la educación, medicina, entretenimiento e investigación entre los que destacan: 3.6.3.1 Neurosky Figura 12. Logo de NeuroSky Fuente: (NeuroSky, 2019) 40 NeuroSky® es una compañía de manufactura de productos con tecnología BCI fundada en 2004 en California. NeuroSky® ha lanzado al mercado los productos MindSet y MindWave, diseñados para dar mayor flexibilidad de uso ya que son de código abierto, lo que permite el desarrollo de nuevas aplicaciones (Hernández, 2014). MindWave Mobile (figura 13) de NeuroSky es una diadema que capta las ondas EGG y el pestañeo del usuario que la porta. Está pensada para usarse con dispositivos móviles (IOS y Android) y computadoras de escritorio Mac o Windows. Cuenta con varias aplicaciones compatibles en las diferentes tiendas móviles (Villamor, 2014) Figura 13. Mindwave Fuente: (NeuroSky, 2019) 3.6.3.2 OpenBCI Figura 14. Logo de OpenBCI Fuente: (OpenBCI, 2019) OpenBCI, significa interface de cerebro-computadora de código abierto, la misma que proporciona a cualquier persona una computadora y las herramientas necesarias para probar la actividad eléctrica del cuerpo. Estos sistemas de biosensores versátiles y 41 asequibles se pueden utilizar para muestrear la actividad cerebral eléctrica (EEG), la actividad muscular (EMG), la frecuencia cardíaca (ECG), el movimiento corporal y mucho más. Los auriculares EEG imprimibles en 3D se pueden utilizar para obtener grabaciones de EEG de grado de investigación como lo muestra la Figura 15 (OpenBCI, 2019). Figura 15. EEG de OpenBCI Fuente: (OpenBCI, 2019) 3.6.3.3 MUSE Figura 16. Logo de MUSE Fuente: (muse, 2018) La compañía InteraXon junto a su grupo de desarrolladores de Canadá desde 2014 ofrece MUSE™, este producto es un dispositivo de detección de ondas cerebrales, tiene forma de banda elástica para colocarse alrededor de la cabeza, ha sido diseñado con el fin de que las personas puedan llegar a sus puntos máximos de meditación. Este dispositivo interactúa con dispositivos móviles a través de conexión Bluetooth® y la actividad cerebral es detectada a través de una serie de sensores EEG 42 como lo muestra la Figura 17, el nivel de actividad se retroalimenta al usuario por medio de auriculares. El fin de este producto es ayudar a las personas con trastornos emocionales producidos por estrés, depresión, enfermedades crónicas entre otras (Urgilés & Vásquez, 2017). Figura 17. Diadema de EEG MUSE Fuente: (Urgilés & Vásquez, 2017) 3.6.3.4 EMOTIV Figura 18. Logo de EMOTIV Fuente: (Emotiv, 2019) Emotiv Systems es una empresa australiana que se fundó en 2003 por Allan Snyder, Neil Weste, Tan Le y Nam Do, la misma que se especializaba en desarrollar interfaces cerebro-computador y aparatos Electroencefalográficos, desarrollando la primera versión de emotiv EPOC. En 2010 Tan Le se separó de la sociedad para establecer una entidad estadounidense Emotiv Lifesciences Inc. Y en 2013 cambio su nombre oficial a Emotiv Inc. En este año la compañía rediseño y lanzo Emotiv EPOC+. En octubre de 2015 Se lanzo de manera oficial Emotiv Insight. (Emotiv, 2019) 43 Estos dispositivos se basan en dos trabajos principales: electroencefalograma con la grabación de la actividad eléctrica cerebral, producido por los disparos de neuronas en el cerebro y las interfaces cerebro computadora (BCI) las cuales pertenecen a la comunicación entre el cerebro y un dispositivo externo. Los dispositivos de Emotiv miden la actividad eléctrica cerebral y los movimientos o gestos de la cara. La interface procesa las señales eléctricas vinculadas a la actividad del cerebro y las convierte en comandos o lenguaje que pueda ser entendido por la computadora, para desarrollar distintos tipos de aplicaciones en el ámbito educativo, investigativo y de salud. El EMOTIV EPOC+ es el pionero en EEG móviles simples de usar (Figura 19), de alta calidad, reconocidos y validados por la comunidad científica, ofrece acceso a avanzadas tecnologías de monitoreo cerebral y evaluación cognitiva (Emotiv, 2019). La compañía ofrece dispositivos de 5 y 14 canales. 3.6.3 Emotiv EPOC+ Figura 19. EMOTIV EPOC+ Fuente: (Emotiv, 2019) 44 Está diseñado para la investigación del cerebro de una manera escalable y contextual, emplea aplicaciones avanzadas de interface cerebro-computador y brinda acceso a datos cerebrales de grado profesional con un diseño rápido y fácil de usar. Emotiv Epoc+ adquiere las señales cerebrales mediante 14 electrodos, colocados en zonas específicas de la cabeza, además posee dos referencias ubicadas la una detrás de la oreja y la otra es un receptor USB, el mismo que envía las señales al computador a través de comunicación Wireless, este dispositivo se encuentra junto a un kit con un instalador, cable conector y una solución salina para hidratar los electrodos, como se muestra en la Figura 20. Figura 20. Kit de Emotiv EPOC+ Fuente: (Emotiv, 2019) Las principales características que posee el EEG Emotiv Epoc+ se detallan en la tabla 7. 45 Tabla 7. Características de Emotiv EPOC+ Sensor de EEG y Conectividad Plataformas Sensor de movimiento Señales de EEG 14 canales: AF3, F7, F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8, AF4 Ventanas: 7,8,10; 8GB de RAM; 500 MB en disco Frecuencia de muestreo: 0/32/64 Hz (configurado por el usuario) Método de muestreo: muestreo secuencial, ADC único Referencias: CMS/DRL en P3/P4; alternativa proceso izquierdo/derecha mastoidea MAC: OS X; 8GB de RAM; 500 MB de espacio disponible en disco Parte IMU: ICM- 20948 Cuaterniones: normalizados, 4D Resolución: 16 bits Velocidad de muestreo: 2048 submuestreo interno a 128 SPS o 256 SPS (configurado por el usuario) Sensor con almohadillas de fieltro empapadas en solución salina iOS: 9 o superior; iPhone 5+, iPod Touch 6, iPad 3+, iPad mini Acelerómetro: 3 ejes +/- 4g Magnetómetro: 3 ejes +/- 4900uT Resolución: 14 bits con 1 LSB = 0.51μV (ADC de 16 bits, piso de ruido instrumental de 2 bits descartado), o 16 bits (configurado por el usuario) Wireless: bluetooth low energy Android: 4.43+ (excluyendo 5.0); Batería: Batería interna de polímero de litio 640 mAh Ancho de banda: 0.16 - 43Hz, filtros de muesca digital a 50Hz y 60Hz Receptor USB propietario con banda de 2.4 GHZ Modo de acoplamiento: AC acoplado USB para cambiar la configuración del auricular. Rango dinámico (entrada referida): 8400 μV (pp) Fuente: (Emotiv, 2019) Los electrodos están nombrados con base al Sistema Internacional 10-20 de posicionamiento de canales, los cuales son: AF3, F7, F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8, AF4, con los dos canales de referencia en las posiciones P3 y P4 respectivamente como lo muestra la Figura 21. El sistema 10-20 es un estándar de 46 colocación de electrodos para realizar pruebas de electroencefalogramas, es la base que Emotiv Epoc+ tiene para colocar sus electrodos. Figura 21. Sistema Internacional 10-20 Fuente: (Ponce, 2014) El sistema se basa en la reacción entre la localización de un electrodo y el área del córtex cerebral subyacente. El “10” y “20” se refieren a la distancia entre dos electrodos adyacentes que es el 10% de la longitud del cráneo desde la Nasion hasta el Inion o del 20% de la distancia entre ambos puntos pre auriculares pasando por el vertex, (Figura 22) nótese que la letra empleada para el nombre de los puntos de contacto identifica al lóbulo y el número, y a la ubicación dentro del hemisferio. Siendo las letras F, T, C, P y O las iniciales de frontal, temporal, central, parietal y occipital respectivamente (La letra C se utiliza para identificar la línea horizontal central y no hace referencia a 47 ningún lóbulo). Lo números pares se corresponden con electrodos en el hemisferio derecho y los impares con los del izquierdo. (Ponce, 2014) Figura 22. Electrodos en el córtex cerebral Fuente: (Ponce, 2014) 4.2.1.1 Colocación y uso de Emotiv EPOC+ En primer lugar, se procede a hidratar las almohadillas con la solución salina que se encuentra en el kit, la misma que permite la conducción de la actividad eléctrica, esta solución es multiuso estándar, en la Figura 23 se muestra la manera de humectar las almohadillas. Figura 23. Hidratación de almohadillas Fuente: (Emotiv, 2019) 48 Al terminar el proceso de hidratación, se retira los sensores de su estuche para ser colocados en los brazos del receptor, girándolos hasta que se mantengan fijos como lo muestra la Figura 24. Figura 24. Colocación de sensores Fuente: (Emotiv, 2019) Finalmente se coloca el USB Wireless en el computador para realizar la conexión vía bluethooth con el Emotiv EPOC+ como se muestra en la Figura 25. Figura 25. Conexión vía bluethooth Para realizar la adquisición y procesamiento de las señales cerebrales, se coloca el receptor en la cabeza, verificando que se encuentre en modo encendido, tomando las referencias que posee Emotiv EPOC+ para que los sensores sintonicen las señales de manera correcta como se muestra en la Figura 26. 49 Figura 26. Colocación de Emotiv EPOC+ en la cabeza Fuente: (Emotiv, 2019) Cuando se finaliza la práctica, los sensores son retirados de los brazos y almacenados en el paquete hidratante para su posterior uso. 3.7 Estrés La palabra estrés se utiliza con significados múltiples. En ocasiones se la aplica para definir aquello que Hans Selye denomina distrés o mal estrés, que consiste en “la ocurrencia de una situación traumática como puede ser un drama amoroso”. Otros profesionales de la salud hablan del estrés cuando se evidencia una respuesta biológica a determinados psicotraumas manifestada en los sistemas nervioso, endocrino o inmunitario que suele expresarse en taquicardia, sudoración, secreción de noradrenalina y cortisol. El término estrés también se denomina a la respuesta psíquica que se manifiesta por pensamientos, emociones y acciones ante la situación de amenaza, y que se expresa a través de comportamientos como estados de perplejidad, de ansiedad, de humor o de agresión, cuando el ser humano está bajo situaciones que no sean del ámbito cotidiano ser verá afectado el rendimiento de respuesta y carácter emocional en su entorno. (Orlandini, 2012) 50 3.7.1 Estresor Los estresores pueden ser definidos como cualquier evento que cause impacto o impresión en el organismo humano. Así, pueden generar estrés como una causa única o pueden aparecer en varias situaciones dentro de la vida diaria. Los estresores actúan dándole exigencias al organismo y este responde tratando de adaptarse a ellas. Cualquier suceso, situación, persona u objeto que se perciba como estímulo, puede provocar una respuesta de estrés en la persona (Press, 2019) En la tabla 8 se realiza una categorización de los estresores de acuerdo a los factores presentes que influyen en la persona. Tabla 8. Síntesis categórica de factores estresores Factores Psicosociales • Acontecimientos o cambios vitales, generados en la propia esfera del trabajador o en su entorno. • Eventos socio-culturales. Eventos dentro del rango social, pero de un ámbito más amplio que implica un cambio cultural Factores Biológicos • Proceso o necesidades de carácter fisiológico u orgánico. Factores Físicos Químicos y Ambientales • Aborda los estímulos dentro de los tres ámbitos mencionados. Estos elementos se encuentran muy relacionados con los factores biológicos, ya que en general, constituyen estímulos que desencadenan procesos fisiológicos. Factores Psicológicos • Esta categoría posee una característica específica, aplica una valoración personal del fenómeno y de acuerdo con esta valoración cualquier estimulo puede transformase en un estresor. Factores Laborales • Cualquier elemento o hecho relacionado con el trabajo puede resultar para alguien en determinado momento, productor de estrés. Fuente: (Zhañay, 2017) 51 3.7.2 Fases del Estrés Según los estudios realizados las fases del estrés son tres como se muestra en la Figura 27, estas fases son definidas como el "Síndrome General de Adaptación", mientras el organismo atraviesa estas tres etapas, se libera químicos y hormonas que, al actuar durante un tiempo dilatado, terminan estresando a la persona. Figura 27. Fases del Estrés Fuente: (Zhañay, 2017) 3.7.2.1 Fase de alarma Se trata de una reacción natural del organismo frente a un factor o causa estresante. Nuestro organismo comienza a prepararse para hacer frente a lo que considera una agresión externa que exige un esfuerzo extra. Es entonces cuando comienza a liberarse adrenalina y otras hormonas que pueden provocar síntomas como aceleración del ritmo cardíaco y la respiración, mayor presión arterial y ansiedad. Es generalmente una fase de corta duración (Zhañay, 2017). 3.7.2.2 Fase de resistencia Es la etapa en la cual el individuo se mantiene activo mientras dura la estimulación y aunque aparecen los primeros síntomas de cansancio, se sigue respondiendo bien. 52 Cuando la situación estresante cesa, el organismo vuelve a la normalidad. El cuerpo se estabiliza o se “normaliza” y los síntomas tienden a reducirse cuando la situación empieza a estar bajo control. Sin embargo, durante esta fase, el trabajador consume una mayor cantidad de recursos (recursos que no son ilimitados). La duración de esta fase puede ser muy variable, dependiendo de la resistencia al estrés del empleado, en la que influyen tanto factores biológicos como psicosociales. Si los factores estresantes se prolongan demasiado en el tiempo, nuestro cuerpo pasa a la siguiente fase (Zhañay, 2017). 3.7.2.3 Fase de agotamiento Es la etapa en la que si la activación, de estímulos y demandas no disminuyen el nivel de resistencia termina por agotar al individuo, generando problemas físicos y psíquicos. Es una fase de agotamiento físico y mental, en la que el organismo ya no puede seguir resistiendo las agresiones del entorno y que puede ocasionar consecuencias serias para la salud si se da de modo repetitivo y prolongado (Zhañay, 2017). 3.7.3 Estrés laboral El estrés laboral es propio de las sociedades industrializadas, en las que la creciente presión en el entorno laboral puede provocar la saturación física o mental del trabajador, generando diversas consecuencias que no sólo afectan a su salud, sino también a la de su entorno más próximo (Rincon, 2011). El estrés laboral debe ser tratado oportunamente para evitar las consecuencias especificadas en la tabla 9, que afectan de gran manera a las personas. 53 Tabla 9. Consecuencias del estrés laboral Fisiológico Cognitivo - Emocional Conductual Aumento de ritmo cardiaco Excesiva preocupación Deterioro de las relaciones interpersonales Aumento de la frecuencia respiratoria Dificultad para concentrarse y mantener la atención Agitación motora (Hiperactividad) Aumento de la tensión muscular Desorientación y/o confusión mental Explosiones emocionales Aumento de los niveles de adrenalina Pérdida de memoria (olvidos y/o despistes) Trastornos alimentarios Disminución de la activación del sistema digestivo Disminución de las habilidades en la solución de problemas Aumento del consumo de tabaco alcohol y otras sustancias Incremento del metabolismo basal Incremento de la emocionalidad negativa Automedicación Incremento del colesterol y liberación de ácidos grasos en la sangre Aumento de la labilidad emocional Conflictos familiares Aumento de los niveles corticoides Disminución de la autoestima Absentismo laboral Inhibición del sistema inmunológico Aumento de la susceptibilidad y/o vulnerabilidad Conflictividad laboral Fuente: (Zhañay, 2017) 54 CAPÍTULO IV DESCRIPCION DEL SISTEMA En este capítulo se describe de manera específica el software y hardware empleados para el desarrollo del presente proyecto de investigación; además, la descripción del sistema empleado para analizar las ondas Alfa y Beta del cerebro con su respectiva experimentación y análisis. 4.2 Software EmotivPRO El software EmotivPRO es una herramienta desarrollada por Emotiv para la investigación y desarrollo, nos permite visualizar en tiempo real las señales adquiridas por el EEG, está diseñada para ser empleada en las plataformas de Windows y Mac. Figura 28. EmotivPRO 55 4.2.2.1 Características de Emotiv PRO Las principales características que nos brinda el software de emotiv se presentan en la tabla 10. Tabla 10. Características de EmotivPRO • Solución integrada para la investigación y educación en neurociencia. • Visualización en tiempo real de los flujos de datos de los auriculares EMOTIV. • Métricas de rendimiento (0.1Hz). • Capacidad de almacenamiento en la nube para su posterior reproducción o exportación de datos. • Marcadores cronometrados en el flujo de datos. • Acceso a múltiples usuarios a la vez Fuente: (Emotiv, 2019) 4.2.2.2 Configuración de Emotiv PRO El panel principal de EmotivPRO presenta en su parte superior la conexión con el dispositivo EEG que se encuentre disponible vía bluethooth, el estado del sistema, la intensidad de la señal y el nivel de carga de la batería como lo muestra la Figura 29. Figura 29. Conexión con EEG 56 Al establecer la conexión con el EEG se presenta una referencia para verificar la calidad del contacto de los electrodos con el cuero cabelludo (Figura 30) y el registro de los datos de la persona que va a realizar el test (Figura 31). Figura 30. Calidad de conexión Figura 31. Datos del test De acuerdo a la colocación debemos manipular los electrodos hasta llegar a tenerlos todos de coloración verde que es lo ideal y para obtener mejores resultados, si la coloración es amarilla, naranja o roja es porque el sensor no está haciendo un buen 57 contacto con el cuero cabelludo y debemos verificar si se encuentra firme y estable; debemos presionarlo por un momento y verificar si mejora la conductividad. (Figura 32) Figura 32. Identificación de los sensores Una vez realizada la conexión con el dispositivo Emotiv EPOC+, se procede a la obtención de las señales cerebrales para el respectivo análisis; además EmotivPRO genera un documento con todos los valores obtenidos durante la prueba y las grabaciones de las señales en tiempo real (Figura 33) para posteriormente migrar los datos al software desarrollado para la presente investigación. Figura 33. Señales en tiempo real 58 4.3 Desarrollo del Software Luego de realizar una correcta instalación del sensor emotiv EPOC+ y obtener las señales cerebrales con EmotivPRO, procedemos a realizar el respectivo análisis con el software desarrollado. Lo primero fue seleccionar un lenguaje de programación apropiado para la investigación. El lenguaje elegido fue JAVA para BackEnd, mientras que para el FrontEnd se eligió el framework ANGULARJS y como base de datos MySQL para almacenar la información recolectada. 4.3.1 Java Fue creado por James Gosling de Sun Microsystems en 1991 y publicado en 1995, el cual genera código de tamaño reducido y no depende del dispositivo en el cual se ejecutará, las iniciales corresponden a sus creadores (James Gosling Arthur Van Hoff y Andy Bechtolsheim, nombre del café que sus diseñadores tomaban, Figura 34), en el año de 2010 fue adquirido por Oracle. Figura 34. Logo de JAVA Fuente: (Oracle, 2019) 59 Es un lenguaje de programación muy útil debido a que provee la opción de multiplataforma, cuenta con una JVM o Java Virtual Machine que brinda portabilidad al lenguaje. Sus carac