Brain-Computer Interfaces: Desarrollo de un sistema de identificación de estados mentales alfa

En el mundo actual las aplicaciones basadas en sistemas biométricos, es decir, aquellas que miden las señales eléctricas de nuestro organismo, están creciendo a un gran ritmo. Todos estos sistemas incorporan sensores biomédicos, que ayudan a los usuarios a controlar mejor diferentes aspectos de la rutina diaria, como podría ser llevar un seguimiento detallado de una rutina deportiva, o de la calidad de los alimentos que ingerimos. Entre estos sistemas biométricos, los que se basan en la interpretación de las señales cerebrales, mediante ensayos de electroencefalografía o EEG están cogiendo cada vez más fuerza para el futuro, aunque están todavía en una situación bastante incipiente, debido a la elevada complejidad del cerebro humano, muy desconocido para los científicos hasta el siglo XXI. Por estas razones, los dispositivos que utilizan la interfaz cerebro-máquina, también conocida como BCI (Brain Computer Interface), están cogiendo cada vez más popularidad. El funcionamiento de un sistema BCI consiste en la captación de las ondas cerebrales de un sujeto para después procesarlas e intentar obtener una representación de una acción o de un pensamiento del individuo. Estos pensamientos, correctamente interpretados, son posteriormente usados para llevar a cabo una acción. Ejemplos de aplicación de sistemas BCI podrían ser mover el motor de una silla de ruedas eléctrica cuando el sujeto realice, por ejemplo, la acción de cerrar un puño, o abrir la cerradura de tu propia casa usando un patrón cerebral propio. Los sistemas de procesamiento de datos están evolucionando muy rápido con el paso del tiempo. Los principales motivos son la alta velocidad de procesamiento y el bajo consumo energético de las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Además, las FPGAs cuentan con una arquitectura reconfigurable, lo que las hace más versátiles y potentes que otras unidades de procesamiento como las CPUs o las GPUs.En el CEI (Centro de Electrónica Industrial), donde se lleva a cabo este TFG, se dispone de experiencia en el diseño de sistemas reconfigurables en FPGAs. Este TFG es el segundo de una línea de proyectos en la cual se busca obtener un sistema capaz de procesar correctamente señales cerebrales, para llegar a un patrón común que nos permita actuar en consecuencia. Más concretamente, se busca detectar cuando una persona está quedándose dormida a través de la captación de unas ondas cerebrales, conocidas como ondas alfa, cuya frecuencia está acotada entre los 8 y los 13 Hz. Estas ondas, que aparecen cuando cerramos los ojos y dejamos la mente en blanco, representan un estado de relajación mental. Por tanto, este proyecto comienza como inicio de un sistema global de BCI, el cual servirá como primera toma de contacto con el procesamiento de las ondas cerebrales, para el posterior uso de hardware reconfigurable sobre el cual se implementarán los algoritmos evolutivos. Por ello se vuelve necesario desarrollar un sistema de procesamiento de datos en una FPGA. Estos datos se procesan siguiendo la metodología de procesamiento digital de señales, y en este caso se realiza un análisis de la frecuencia utilizando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Una vez desarrollado el sistema de procesamiento de los datos, se integra con otro sistema que se encarga de captar los datos recogidos por un ADC (Analog to Digital Converter), conocido como ADS1299. Este ADC está especialmente diseñado para captar potenciales del cerebro humano. De esta forma, el sistema final capta los datos mediante el ADS1299, y los envía a la FPGA que se encarga de procesarlos. La interpretación es realizada por los usuarios que analizan posteriormente los datos procesados. Para el desarrollo del sistema de procesamiento de los datos, se dispone primariamente de dos plataformas de estudio, a partir de las cuales se captarán los datos para después realizar el procesamiento: 1. La primera consiste en una herramienta comercial desarrollada y distribuida por OpenBCI, proyecto que se dedica a la venta de hardware para la realización de EEG, así como otros ensayos. Esta herramienta está formada por un microprocesador, un módulo de memoria SD para el almacenamiento de datos, y un módulo de comunicación inalámbrica que transmite los datos por Bluetooth. Además cuenta con el mencionado ADC ADS1299. Esta plataforma ofrece una interfaz gráfica que sirve para realizar la investigación previa al diseño del sistema de procesamiento, al permitir tener una primera toma de contacto con el sistema. 2. La segunda plataforma consiste en un kit de evaluación para el ADS1299, desde la cual se pueden acceder a los diferentes puertos de control a través de los pines de comunicación del ADC. Esta plataforma se conectará con la FPGA en el sistema integrado. Para entender cómo funcionan las ondas más simples del cerebro, así como saber cuáles son los requisitos mínimos en el análisis de ondas EEG se realizaron diferentes consultas con el Dr Ceferino Maestu, neurofisiólogo del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la UPM. Él se encargó de introducirnos en los distintos procedimientos en el análisis de ondas en electroencefalogramas, así como la forma en que se deben de colocar los electrodos en el cráneo. Para terminar con la investigación previa, se realiza en MATLAB un primer modelo de procesamiento de los datos. Una característica muy importante de las ondas cerebrales es la aleatoriedad de las mismas, de forma que el análisis en el dominio del tiempo se vuelve muy complejo. Por ello, el paso más importante en el procesamiento de los datos es el paso del dominio temporal al dominio de la frecuencia, mediante la aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform), donde se pueden analizar con mayor precisión los datos recogidos. El modelo desarrollado en MATLAB se utiliza para obtener los primeros resultados del sistema de procesamiento, el cual sigue los siguientes pasos. 1. Se captan los datos desde los electrodos y se escriben en una tabla de datos. 2. Se leen los datos de la tabla. 3. Se elige el tamaño temporal de la muestra a procesar. 4. Se aplica una ventana para evitar las discontinuidades al principio y al final del bloque analizado. 5. Se completa la muestra a convertir con con zero-padding en el dominio del tiempo. 6. Se aplica la FFT al bloque analizado con ventana y zero-padding. 7. Los resultados se llevan a una gráfica para ser analizados. Llegados a este punto, se observa que la captación de ondas alfas resulta muy viable. Aunque es cierto que se presentan ciertos problemas a la hora de interpretar los datos debido a la baja resolución temporal de la plataforma de OpenBCI, este es un problema que se soluciona en el modelo desarrollado, al permitir el kit de evaluación (sistema de captación de datos) actuar sobre la velocidad de captación de los datos, es decir la frecuencia de muestreo, lo que afectará directamente a esta precisión. Una vez llevado a cabo el primer procesamiento y su posterior análisis de los resultados obtenidos, se procede a realizar un modelo en Hardware que siga los mismos pasos que el desarrollado en MATLAB, en la medida que esto sea útil y viable. Para ello se utiliza el programa XPS (Xilinx Platform Studio) contenido en la herramienta EDK (Embedded Development Kit), que nos permite diseñar un sistema embebido. Este sistema cuenta con: Un microprocesador de tipo soft-core llamado MicroBlaze, que se encarga de gestionar y controlar todo el sistema; Un bloque FFT que se encarga de realizar la transformada rápida Fourier; Cuatro bloques de memoria BRAM, donde se almacenan los datos de entrada y salida del bloque FFT y un multiplicador para aplicar la ventana a los datos de entrada al bloque FFT; Un bus PLB, que consiste en un bus de control que se encarga de comunicar el MicroBlaze con los diferentes elementos del sistema. Tras el diseño Hardware se procede al diseño Software utilizando la herramienta SDK(Software Development Kit).También en esta etapa se integra el sistema de captación de datos, el cual se controla mayoritariamente desde el MicroBlaze. Por tanto, desde este entorno se programa el MicroBlaze para gestionar el Hardware que se ha generado. A través del Software se gestiona la comunicación entre ambos sistemas, el de captación y el de procesamiento de los datos. También se realiza la carga de los datos de la ventana a aplicar en la memoria correspondiente. En las primeras etapas de desarrollo del sistema, se comienza con el testeo del bloque FFT, para poder comprobar el funcionamiento del mismo en Hardware. Para este primer ensayo, se carga en la BRAM los datos de entrada al bloque FFT y en otra BRAM los datos de la ventana aplicada. Los datos procesados saldrán a dos BRAM, una para almacenar los valores reales de la transformada y otra para los imaginarios. Tras comprobar el correcto funcionamiento del bloque FFT, se integra junto al sistema de adquisición de datos. Posteriormente se procede a realizar un ensayo de EEG real, para captar ondas alfa. Por otro lado, y para validar el uso de las FPGAs como unidades ideales de procesamiento, se realiza una medición del tiempo que tarda el bloque FFT en realizar la transformada. Este tiempo se compara con el tiempo que tarda MATLAB en realizar la misma transformada a los mismos datos. Esto significa que el sistema desarrollado en Hardware realiza la transformada rápida de Fourier 27 veces más rápido que lo que tarda MATLAB, por lo que se puede ver aquí la gran ventaja competitiva del Hardware en lo que a tiempos de ejecución se refiere. En lo que al aspecto didáctico se refiere, este TFG engloba diferentes campos. En el campo de la electrónica:  Se han mejorado los conocimientos en MATLAB, así como diferentes herramientas que ofrece como FDATool (Filter Design Analysis Tool).  Se han adquirido conocimientos de técnicas de procesado de señal, y en particular, de análisis espectral.  Se han mejorado los conocimientos en VHDL, así como su uso en el entorno ISE de Xilinx.  Se han reforzado los conocimientos en C mediante la programación del MicroBlaze para el control del sistema.  Se ha aprendido a crear sistemas embebidos usando el entorno de desarrollo de Xilinx usando la herramienta EDK (Embedded Development Kit). En el campo de la neurología, se ha aprendido a realizar ensayos EEG, así como a analizar e interpretar los resultados mostrados en el mismo. En cuanto al impacto social, los sistemas BCI afectan a muchos sectores, donde destaca el volumen de personas con discapacidades físicas, para los cuales, este sistema implica una oportunidad de aumentar su autonomía en el día a día. También otro sector importante es el sector de la investigación médica, donde los sistemas BCIs son aplicables en muchas aplicaciones como, por ejemplo, la detección y estudio de enfermedades cognitivas.

Evaluación de nuevos dispositivos en la interacción de niños con necesidades específicas de apoyo educativo

Durante la realización de este trabajo de fin de grado se realizará el diseño y desarrollo de un juego orientado a niños con necesidades específicas de apoyo educativo. Este grupo de usuarios repercute en el diseño de los elementos del juego los cuales han de ser simples, sin distracciones, textos de ayuda claros y bien definidos, alto contraste en los elementos, ayuda textual y visual, selección de colores evitando referencias conocidas (rojo como referencia a peligro); y una serie de patrones más, que se han tenido que tener en cuenta. El juego es compatible con distintos dispositivos (teclado, pantalla táctil y Kinect), por lo que, como parte del análisis previo, se ha tenido que ver el trabajo realizado anteriormente referente a estos dispositivos (un reconocedor de gestos de pantalla táctil y un reconocedor de gestos de Kinect), que realizaron otros alumnos. En este sentido y como parte de este y otros proyectos, se han tenido que mejorar o complementar las implementaciones de estos reconocedores. Además se han tenido que definir los distintos gestos o teclas, que producirán respuestas en el juego. Como parte de la interacción de los usuarios con el juego mediante los distintos dispositivos, el juego se ha diseñado de tal forma, que es capaz de capturar ciertos datos de forma automática (precisión al realizar un gesto en pantalla, realización de un gesto incorrecto, etc.). Además como soporte adicional a la obtención de datos con el juego, se han planteado distintos formularios (según el dispositivo), los cuales aportan información que el juego no es capaz de recoger de forma automática, y que serán capturados por el pedagogo. Toda esta información recogida será parte de un modelo de datos el cual, en un futuro, servirá para analizar el comportamiento de este grupo de usuarios frente a los distintos dispositivos analizados. Viendo sus ventajas y desventajas tanto en tiempo de respuesta, curva de aprendizaje, dificultad de realización de los gestos, etc.---ABSTRACT---This thesis project will showcase the design and development of a game oriented towards children with special educational needs. This group impacts the design of the game elements, which have to be simple and avoid distractions. There must be clear and well defined help text, high contrast in the elements, text and visual help, color selection that avoids known references (red as a reference to danger), and more series of patterns. The game is compatible with various devices (keyboard, touchscreen and Kinect), by which, as part of the preliminary analysis, the work previously conducted by other students concerning these devices was researched (a touch screen gesture recognizer and a Kinect gesture recognizer). In this regard, and as part of this and other projects, the use of these recognizers must be improved or complemented. In addition the different gestures or keys that will produce answers in the game must be defined. As part of the users’ interaction with the game through the various devices, the game is designed in such a way that it is able to capture certain data automatically (precision making a gesture to the screen, making an improper gesture, etc.). Also as additional support to obtain data with the game, different forms were used (depending on the device), which provide information that the game is not able to pick up automatically, and that will be caught by the teacher. The information collected will be part of a data model which, in the future, will serve to analyze the behavior of this user group with the various devices analyzed. Seeing their advantages and disadvantages both in response time, learning curve and difficulty of making gestures, etc.

El color en la transfiguración del espacio: un estudio empírico de los dispositivos de transformación y configuración

La presente investigación analiza la capacidad del color de cualificar los espacios y propone una clasificación que ordene los diferentes dispositivos que actúan en este proceso. El objetivo de esta tesis es describir estos dispositivos estableciéndolos como parte inequívoca de cualquier proceso desencadenado por la presencia del binomio luz y color. El color ha sido objeto de estudio y experimentación a lo largo de la historia, en todas las artes y las distintas disciplinas relacionadas con la física, la percepción y la interacción. De este modo se realiza una aproximación teórica e histórica al color desde puntos de vista interdisciplinares, para llegar a comprender el modo en el que el color se acaba separando de la forma para pasar a formar parte de la configuración del espacio. Con el propósito de alcanzar este objetivo, se ha realizado un recorrido a través de diferentes teorías y manifestaciones artísticas realizadas en torno al color a lo largo de la Historia, para encontrar las claves de la relación del color con el espacio. Tomando de base este primer acercamiento al tema, se realiza un estudio empírico exhaustivo con modelos físicos con el fin de aislar los dispositivos que intervienen el este proceso en el que el color se pone en relación con el espacio; se analiza su variación a medida que fluctúan las características de los elementos que desencadenan los dispositivos. El objetivo es descubrir un orden, una taxonomía, que permita interpretar cualquier transformación producida por el color en el espacio. Posteriormente, se verifica la validez de esta clasificación estudiando siete espacios modelo en los que el color transfigura el espacio mediante la activación conjunta de varios de los dispositivos analizados. Se ha elegido este grupo de siete espacios debido a que, al tomarlos como suma, sus interiores engloban todos los fenómenos encontrados en el análisis previo. El conjunto de los dispositivos que actúan en cada espacio forma un sistema único e irrepetible que tiene que ver con su transfiguración espacial mediante la luz y el color. Estos sistemas constituyen parte de la génesis propia de cada espacio a través de una secuencia de dispositivos de transformación y configuración espacial que lo hace singular. Los dispositivos clasificados en esta investigación se encuentran en cualquier espacio en el que intervengan la luz y el color, agrupándose secuencialmente en sistemas determinados que cualifican el espacio arquitectónico. ABSTRACT This research analyzes the ability of the colour to qualify the spaces and proposes a classification to arrange the different devices that act in this process. The aim of this thesis is to describe these devices, unequivocally established as part of any process triggered by the presence of light and color pairing. Colour has been the subject of study and experimentation throughout history, in all the arts and disciplines related to physics, perception and interaction. Thus a theoretical and historical approach to the colour is developed from interdisciplinary points of view, in order to understand the way that colour separates from the form and is part of the space configuration. With the purpose of reaching this target, there has been a journey through the artistic movements and theories on colour throughout history, seeking for the key points of its relation with the space. Based on these first intuitions as a starting point, an exhaustive empirical study is made with physical models with the purpose of isolating the devices that participate in this process where colour is related with the space as well as analyzing their variation to the extent that the characteristics of the elements which cause them fluctuate. The objective is to discover an order, a taxonomy that allows to performing any transformation produced by the colour in the space. Afterwards, the validity of this classification is verified by studying seven model spaces in which the colour transfigures the space by the combined activation of several analyzed devices. These seven spaces were chosen due to all the phenomenon set in the previous analysis are included in their interior space. The group of devices that act on each space creates an unrepeatable and unique system that has to do with its spatial transfiguration by means of light and colour. These systems form part of the origin itself of each space through a sequence of devices of spatial transformation and configuration that make this space unique. The devices sorted in this research transform and configure any space in which light and colour participate, sequentially grouping together in determined systems that qualify the architectonic space.

Señalización luminosa de calzadas en autovías y autopistas mediante técnicas y dispositivos aeronáuticos

carriles de carreteras, autovías o autopistas, en todo tiempo meteorológico, hace que se plantee, entre otros, el estudio de una señalización luminosa adecuada de las mimas. Un claro ejemplo de este tipo de señalización luminosa para condiciones adversas de visibilidad son los sistemas de luces aeronáuticas de superficie utilizadas para el movimiento de aeronaves en los aeródromos. En esta comunicación se presenta un estudio de viabilidad para el uso de este tipo de luces, y su tecnología asociada, en la señalización luminosa de las calzadas de autovías y autopistas, basándose en la experiencia y criterios de carácter aeronáutico. El estudio comprende: la definición de los parámetros de configuración y dimensionamiento de las bandas de circulación, arcenes y carriles de una autovía; el análisis de las condiciones meteorológicas previstas más adversas, tipo de meteoro que se presenta: neblina, niebla, niebla densa, etc. y evaluación del alcance de la luz para una determinada intensidad luminosa; la cuantificación del alcance visual de las luces, para establecer posteriormente la posición y espaciado de las mismas; la valoración del un número mínimo de luces que se han de observar para predecir la configuración de la banda de circulación en tramos rectos y curvos; el análisis de los tipos de luces de guiado en superficie instaladas en los aeródromos para seleccionar las más adecuadas para este propósito en base a su emplazamiento, características luminosas de la luz en cuanto a color, intensidad de la luz y la distribución de su haz. Como la situación de visibilidad es cambiante, será necesaria la adecuación de la intensidad de las luces en cada momento para que sean visibles en unos casos y no deslumbre en otros. Los valores de la visibilidad meteorológica (MOR) se obtendrá mediante equipos específicos, que incluyen transmisómetros y medidores de luminancia de fondo, situados en los lugares adecuados. Mediante los datos proporcionados por estos dispositivos se controlarán las unidades de alimentación de las luces regulando su nivel de brillo de acuerdo a las condiciones meteorológicas del momento.