EEG: ritmos dominantes

O registro eletroencefalográfico é caracterizado por uma aparente irregularidade. O ritmo alfa é caracterizado por sinais com amplitude na faixa de 20 a 200 V e frequência entre 8 e 13 Hz, sendo melhor detectado sobre a região occipital (parte inferoposterior da cabeça). Este ritmo aparece com maior intensidade em indivíduos normais, despertos, em repouso e com os olhos fechados. O formato das ondas é geralmente arredondado ou curvo.

O ritmo beta apresenta frequências na faixa dos 14 Hz aos 30 Hz, raramente alcançando aos 50 Hz. O registro das ondas beta pode ser melhor realizado nas regiões frontal e parietal, apresentando amplitude menores que 30 V. As ondas beta são divididas em dois grupos: beta I e beta II. As ondas beta I apresentam frequências de 14 Hz a 17 Hz e são inibidas pelo esforço mental e atenção. As ondas beta II (18 Hz a 30 Hz) surgem quando ocorre ativação intensa do sistema nervoso central ou durante um estado de tensão.
O surgimento do ritmo teta está associado a estados de sonolência mais comuns na infância. A faixa de frequências para este ritmo situa-se entre os 4 Hz e os 7 Hz.
O ritmo delta é o mais lento, composto por ondas com frequência igual ou inferior a 3 Hz, de origem cortical. Ocorre mais facilmente na infância mas aparece também no sono profundo e nas enfermidades cerebrais graves.

Fonte

A Figura 1 exemplifica ritmos característicos do EEG associados a vários estados de um indivíduo normal: da excitação ao sono profundo, contendo ondas alfa, beta, delta e teta.

A tabela abaixo ilustra diferentes limites de frequência em cada um dos ritmos citados.

                      Ritmos característicos do EEG normal e sua faixa de freqüências

Ritmo	Freqüência (Hz)	Comentários
Alfa (α)	8 – 13	Occipital, associado com sujeito desperto e relaxado; mais intenso com os olhos fechados.
Beta (ß)	14 – 30	Mais evidente nas derivações frontais-parietais; melhor observado com alfa bloqueado.
Delta (δ)	1 – 3	Presente em:  crianças com menos de 1 ano; durante o sono normal; em doenças do cérebro; em anestesia profunda
Teta (Θ)	4 – 7	Predominante em crianças dos 2 aos 5 anos; mais evidente nas derivações parietais-temporais

Fonte

Anormalidades funcionais detectáveis pelo EEG

             O maior valor clínico da eletroencefalografia está, principalmente, no estudo dos ataques epilépticos, caracterizados por uma ativação excessiva do sistema nervoso central, permitindo detectar o seu tipo, localização e extensão. Para cada tipo de epilepsia existe um traçado específico do EEG, detectável durante as crises e entre elas.

Figura 2  Colocação dos eletrodos para aquisição do eletroencefalograma, de acordo com o Sistema Internacional de Posicionamento 10-20. Fonte

Figura 3  Método para conexão dos canais em um sistema de aquisição do EEG. Na aquisição monopolar o eletrodo de referência fica localizado no lóbulo da orelha, no pescoço ou no queixo. Fonte

Redes Neurais Artificiais

Redes Neurais Artificiais (RNAs) são estruturas de Inteligência Artificial (mais especificamente referentes à abordagem conexionista) que mimetizam até certo grau as redes de neurônios no encéfalo. As RNAs são aplicadas em diversos tipos de problemas, entre eles: modelagem, otimização, classificação, previsão de séries temporais.

RNA de duas camadas. A resposta de um neurônio é função da soma das suas entradas, como nos neurônios do cérebro. Fonte da figura: Wikipedia.

As RNAs são estruturas de software que resolvem problemas de maneira não algorítmica. Elas possuem algum método associado para seu aprendizado, de forma que passam a se comportar como o modelo a que estão aproximando. Estes métodos são comumente métodos supervisionados, em que dados com respostas conhecidas são usadas para treinar a rede e outros são usados para validá-la.

É interessante observar que as RNAs tem aplicação em processos neurológicos. Uma enorme ironia usar algo inspirado no cérebro para ajudar a enteder o próprio cérebro! Um exemplo pode ser encontrado aqui, quanto ao diagnóstico de eplepixia. Outros dois artigos podem ser vistos aqui e aqui, sobre classificações do estado de sono a partir de dados de EEGs. Esta metodologia, caso implementada em tempo real e em conjunto com um a parelho como este, poderia prevenir muitos acidentes de trânsito, avisando quando o motorista adormecesse (ou em um cenário ainda melhor: prevendo que isto estaria para acontecer).

Projetos abertos de EEG

Encontrei alguns projetos abertos de EEG que podem ser reconstruídos ou tomados por base para algum outro:

OpenEEG project
http://openeeg.sourceforge.net/doc/

The Programmable Chip EEG BCI
http://pceeg.sourceforge.net/

The ModularEEG
http://openeeg.sourceforge.net/doc/modeeg/modeeg.html

Um outro projeto ainda em andamento:
http://www.instructables.com/id/EEG-brain-computer-interface/
http://eegproject.blogspot.com.br/

Conhece mais algum? Deixe seu recado!

EEG portátil

Um EEG portátil foi anunciado em 2011 por pesquisadores europeus. Ele é fino e leve e transmite sinais sem fio para um receptor em até 10m. Este instrumento pode ser usado por exemplo para prevenir sono ao volante, e para jogos e brinquedos interativos e para várias formas de ICM.

EEG portátil. Fonte.

Parece já haver várias versões do aparelho, e.g. esta e esta, existindo até um brinquedo com orelhas de pelúcia que se movem de acordo com o humor da cabeça que as usa.

Hacks destes aparelhos parecem já existir aos montes. Mas se você souber outros, ou melhor ainda de algum projeto aberto de um destes, deixe seu comentário!

Arduino

Arduino é uma plataforma microcontrolada open-hardware* com um ambiente de programação open-source, muito fácil de usar e com um público muito amplo e diverso. Ele é usado por desde engenheiros até profissionais sem nenhuma bagagem em microcontroladores (em especial os designers).
*  Todos os diagramas estão disponíveis e passíveis de reimplementações e modificações.

Pode ser uma base comum para desenvolvimento de projetos e protótipos por ou em colaboração com pessoas com formações em áreas não ligadas à eletrônica ou programação. Ou até mesmo parar aprendizado nesses temas. Em suma: é um conveniente conversor A/D (para muitos tipos de sinais), com interface USB, ambiente de programação e várias entradas e saídas.
Esta plataforma é comumente usada em hacks de vários dispositivos eletrônicos, inclusive de um curioso aparelho portátil de EEG, como mostrado no vídeo abaixo:

As Cadeiras de Roda Controladas por EEG

Há algumas coisas que vemos em filmes e pensamos sem impossíveis, Stan Lee e Jack Kirby deram vida nos quadrinhos ao professor Xavier que andava por ai controlando sua cadeira de rodas com a mente, em 1963 isso realmente parecia coisa de mutante, mas, isso virou realidade há alguns anos atrás.

Hoje temos várias cadeiras de rodas que são controladas utilizando EEG e vamos mostrar algumas delas pra vocês.

Foto ilustração do artigo indicado

A primeira dessas cadeira da qual achamos registro foi desenvolvida por cientistas espanhóis em um projeto que começou em 2007 e foi concluído em 2009, a proposta do projeto era desenvolver uma interface não invasiva e mais compacta para que seu uso diário fosse realmente viável. Um EEG não invasivo não era preciso o bastante para detectar padrões suficientes para realizar atividades complexas, mas os movimentos básicos de uma cadeira de rodas exigiam apenas que ela fizesse quatro movimentos e pudesse parar, e isso eles acreditaram que era possível fazer. 

Até a publicação do artigo que descrevia o projeto ele foi testado com 5 pessoas saudáveis, o processo exigiu escaneamento das atividades cerebrais, treinamento dos usuários testes e uso de fato da cadeira.

Todas as pessoas conseguiram operar a cadeira sem grandes dificuldades e o processo de adaptação dizem que foi bem rápido.

O vídeo acima mostra o funcionamento da cadeira e aqui está o LINK para o artigo dos desenvolvedores.

Em 2010 uma outra equipe de pesquisadores, agora da Suíça, criaram outra dessas cadeiras e o que eles alegaram de diferencial era que além de ler os padrões cerebrais e movimentar a cadeira ela também utilizava de outro recurso tecnológico que melhorava seu manuseio, a realidade aumentada.

O dispositivo tinha duas câmeras acopladas e o software trabalhava em tempo real com as imagens não só detectando objetos mas também os reconhecendo. 

No segundo vídeo reparei que o homem que controla a cadeira teve a cabeça raspada, não sei se isso é de fato uma necessidade para o projeto deles mas seria uma inconveniência para os usuários. 

Aqui está o LINK para o artigo dos desenvolvedores desse segundo projeto.

Vale ressaltar uma coisa, o primeiro dispositivo apresentado pode ser utilizado por tetraplégicos enquanto o segundo não. Vendo os vídeos podemos ver que no projeto dos espanhóis o usuário deve concentrar na direção desejada em uma tela, não exigindo movimento nenhum além do ocular. No projeto dos suíços o usuário deve fazer pequenos movimentos com suas mãos para controlar a cadeira. Isso é uma vantagem para o projeto dos espanhóis mais também é uma desvantagem porque o usuário acompanha o trajeto pela tela do computador.

Temos diversos outros projetos do tipo já desenvolvidos e em desenvolvimento, e o próximo passo para a maioria deles é fazer testes com deficientes reais e estudar a possibilidade de um uso diário do equipamento. Além disso obviamente vamos precisar esperar o desenvolvimento do designe dessas cadeiras e que o preço se torne realmente acessível, o que ainda pode demorar um bom tempo. Mas num futuro nem tão distante talvez nos deparemos com uma dessas.

A Neuroengenharia na UFMG

Este post é mais voltado para os alunos da UFMG que tem interesse na área da qual tanto falamos aqui mas acham que esta é uma realidade distante. Saibam que não, se você acessar o site Neuroengenharia.com, um dos sites que nós recomendamos na sessão de links, ele possuí uma sessão de referência de pesquisadores, e nesta sessão temos 4 nomes: Dr. Miguel Nicolelis, já citado no blog, Dr. Vinícius Rosa Cota, que formou em engenharia elétrica na UFMG e obteve seu título de doutor em bioinformática na mesma, atualmente trabalha UFSJ e os Drs. Márcio Flávio Dutra Moraes e Carlos Julio Tierra Criollo, ambos professores na UFMG.
Bem, você pode ver que está no lugar certo. A Escola de Engenharia da UFMG oferece o programa de pós graduação em Engenharia Elétrica com linha de pesquisa em Engenharia Biomédica e também o ICB e a Faculdade de Medicina oferecem o programa de pós graduação em Neurociências.
Ambos os programas contam com professores de várias unidades da UFMG, permitindo uma formação multidisciplinar de qualidade. Eles se concentram em dois núcleos, que possuem alunos de  iniciação científica, mestrado e doutorado. Vamos falar um pouco de cada um deles.

Núcleo de Neurociências (clique na imagem para acessar a página)

"O Núcleo de Neurociência (NNC) dedica-se ao estudo do funcionamento do sistema nervoso e de suas disfunções, bem como ao desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas."
As linhas de pesquisa são:

• Circuitos Neurais;
• Epilepsia;
• Neurotoxinas;
• Neuroimuno;
• Memória e Comportamento.

O Núcleo fica no ICB, no campus Pampulha da UFMG, e foi fundado em 2000.

LINK para saber mais sobre o programa de pós graduação em Neurociências.

Núcleo de Estudo e Pesquisa em Engenharia Biomédica (clique na imagem para acessar a página)

"O NEPEB é um grupo de pesquisa da Universidade Federal de Minas Gerais, que tem como objetivo o desenvolvimento de estudos e pesquisas na Área de Engenharia Biomédica."
As linhas de pesquisa são:

• Fisiologia dos Processos Humanos de Produção e Percepção da Fala;
• Estudo da Cinesiologia e Correlação com Sinais Biológicos;
• Modelo Computacional do Sistema Auditivo Humano;
• Instrumentação para Cirurgia de Retina;
• Lentes de Contato Personalizadas;
• Aparelho Detector de Aberrações Oculares;
• Neuro-Estímulo de Corrente com Forma de Onda Arbitrária;

O Núcleo fica na Escola de Engenharia, no campus Pampulha da UFMG.

LINK para saber mais sobre o programa de pós graduação em Engenharia Biomédica.

Estes núcleos que trabalham diretamente com a neuroengenharia, mas a área é bastante ampla e multidisciplinar, logo há vários outros laboratórios onde você pode começar.

Laboratório de Engenharia Biomédica (clique na imagem para acessar a página)

Outra opção que você tem é o Laboratório de Bioengenharia (LABBIO), do departamento de Engenharia Mecânica da UFMG. Foi fundado em 1999 pelo Dr. Marcos Pinotti Barbosa.

As linhas de pesquisa são:

• Engenharia Cardiovascular;
• Engenharia de Reabilitação;
• Desenvolvimento de Instrumentos e Dispositivos para Diagnóstico e Terapia;

O laboratório fica na Escola de Engenharia, no campus Pampulha da UFMG. 

Também é oferecido um programa de pós graduação em Bioengenharia pelo departamento de Engenharia Mecânica.

Esperamos ter ajudado indicando a vocês lugares bacanas para procurar sobre o assunto e quem sabe começar uma pesquisa. A área está em grande expansão e pede novos pesquisadores empenhados!

Se possível mostraremos mais dos trabalhos desses laboratórios no blog.

Quer começar JÁ?? A UFMG oferece cursos online na área de neurociências, os cursos são certificados pelo Centro de Extensão do ICB - UFMG. Confira no link NeuroCurso.com