Diseño y simulación de un filtro digital para Señales EEG con el paradigma de Imaginación Motora en FPGA

Abstract

En la actualidad, los filtros digitales tienen diversas aplicaciones en distintas ramas de ingeniería como Biomédica, Electrónica, Telecomunicaciones. En diversos centros de investigación relacionados a señales Electroencefalográficas (EGG) presentan ciertas limitaciones en la etapa de pre-procesamiento de las señales electroencefalográficas debido al alto costo de equipos que permiten realizar la etapa de pre – procesamiento, adquisición y visualización de la señal EEG filtrada. El objetivo del presente trabajo es diseñar y simular un filtro digital en hardware para señales EEG del paradigma de imaginación motora en un sistema embebido FPGA (Field Programmable Gate Array), cuyo propósito es poder desarrollar la etapa de pre-procesamiento de la señal EEG del paradigma de imaginación motora. Utilizar los recursos de hardware y software del FPGA permite tener una amplia flexibilidad en poder diseñar un filtro digital. Las herramientas de simulación Matlab, Modelsim, permiten una solución practica para la visualización de la señal EEG filtrada. Se opta por el uso del filtro FIR basado en el método de ventana de Hamming y Blackman. Adicionalmente, se trabajó con una base de datos EEG de 60 canales el cual se utiliza los canales C3 y C4 con la finalidad de trabajar con las ondas electroencefalográficas de imaginación motora Beta y Mu. En el diseño del filtro digital en software se emplea el lenguaje de programación VHDL, asimismo en los resultados obtenidos se realiza una comparación del filtro digital FIR usando el método de ventana de Hamming y Blackman que mediante las pruebas realizadas en software se demuestra que el método de ventana Blackman presenta una mejor respuesta de la señal Electroencefalográfica para la etapa de pre -procesamiento ,brindando una herramienta en software que permitirá a los usuarios realizar diferentes estudios complementarios al área de pre – procesamiento de señales EEG.

Nowadays, the digital filters have different applications in different branches of engineering such as Biomedical, Electronics, Telecommunications. In various research centers related to Electroencephalographic (EGG) signals, they present certain limitations in the preprocessing stage of the electroencephalographic signals due to the high cost of equipment that allows the pre-processing, acquisition and visualization of the filtered EEG signal to be carried out. . The objective of this work is to design and simulate a hardware digital filter for EEG signals of the motor imagination paradigm in an embedded FPGA system (Field Programmable Gate Array), whose purpose is to develop the pre-processing stage of the EEG signal of the motor imagination paradigm. Using the hardware and software resources of the FPGA allows a wide flexibility in being able to design a digital filter. The Matlab simulation tools, Modelsim, allow a practical solution for the visualization of the filtered EEG signal. The use of the FIR filter based on the Hamming and Blackman window method is chosen. Additionally, we worked with a 60-channel EEG database which uses channels C3 and C4 in order to work with the EEG waves of motor imagination Beta and Mu. The design of the digital filter in software uses the language of VHDL programming, also in the results obtained a comparison of the digital FIR filter is made using the Hamming and Blackman window method, which through tests carried out in software shows that the Blackman window method presents a better response of the Electroencephalographic signal for the pre-processing stage, providing a software tool that will allow users to carry out different complementary studies to the pre-processing area of EEG signals.