Design and technical validation of active electrodes for a portable electroencephalography device.

Abstract

Introducción 

La electroencefalografía (EEG) es una técnica no invasiva utilizada para el diagnóstico y monitoreo de enfermedades neurológicas. Convencionalmente se utilizan dispositivos con electrodos pasivos que requieren una colocación precisa por personal capacitado, limitando su implementación fuera de entornos clínicos. Por otro lado, los electrodos activos (EA), incorporan un circuito electrónico para optimizar la calidad de la señal, sin embargo, su alto costo dificulta su adquisición.  

Objetivo 

Diseñar y desarrollar un prototipo de EA para un sistema de EEG portátil de hardware abierto y evaluar el desempeño técnico comparando la señal obtenida con la de electrodos pasivos y activos comerciales. 

Metodología  

Se diseñaron y fabricaron ocho EA de tipo húmedos, incorporando un seguidor de voltaje directamente a un electrodo de oro, para reducir la impedancia. El circuito se ensambló en una placa de cobre y se alojó en una carcasa impresa en 3D, la cual presentó una configuración modular, con una base fija adaptable a un gorro de EEG comercial y una parte superior intercambiable. Para evaluar su funcionalidad, se realizó una prueba de concepto con dos voluntarios sanos, mediante dos pruebas comparativas: (1) Adquisición de señales EEG con el sistema OpenBCI usando simultáneamente dos electrodos pasivos convencionales y dos EA diseñados, y (2) Adquisición de señales con sistema g.USBamp usando dos electrodos activos comerciales y con el Open BCI usando ocho EA diseñados. Cada prueba duró 10 minutos, y comprendió tres tareas: ojos cerrados (OC), ojos abiertos (OA) y parpadeos. El procesamiento de las señales incluyó la segmentación en épocas de 10 segundos y filtrado con filtros FIR de 8 a 30 Hz, realizados en MATLAB con FieldTrip. Se calculó la densidad espectral de potencia y se promedió en las bandas alfa (8–13 Hz) para OC y beta (13–30 Hz) para OA en cada época. Se aplicó la prueba de normalidad de Lilliefors a las potencias promediadas para determinar su distribución. Para datos con distribución normal, se usó la prueba t, en caso contrario, la prueba de Wilcoxon, para evaluar diferencias significativas entre tareas y tipos de electrodos. 

Resultados 

Con los EA desarrollados se obtuvo una impedancia <5 kΩ, menor a la de los electrodos pasivos y comparable con los comerciales activos. Su consumo promedio (0.49 mA) permitió hasta 42 horas de uso continuo para ocho electrodos. Además, visualmente se detectaron aumentos de potencia esperados en la banda alfa durante OC y mayor presencia de ondas beta en OA. En la primera prueba, se identificaron diferencias significativas entre los electrodos, atribuibles a una mayor presencia de artefactos en los electrodos pasivos; en la segunda prueba, no hubo diferencias significativas entre los electrodos activos. Las limitaciones incluyeron interferencias eléctricas y tamaño de muestra pequeño, aunque suficiente para una prueba de concepto. 

Conclusión 

El prototipo cumplió con criterios fundamentales de estabilidad eléctrica, diseño compacto y calidad de la señal, comparable con electrodos comerciales. La carcasa modular facilitó el uso del electrodo sin requerir amplia experiencia. Estos resultados demuestran el potencial del diseño como una alternativa viable de fabricación local.