Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Autora: María Castrillo Navarro Tutores: María del Mar Elena Pérez Alejandro Barriga Rivera Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Autora: María Castrillo Navarro Tutores: María del Mar Elena Pérez Profesora Contratada Doctora y Alejandro Barriga Rivera Investigador Senior (UPO) Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Trabajo Fin de Grado: Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Autora: María Castrillo Navarro Tutores: María del Mar Elena Pérez Alejandro Barriga Rivera El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos A mis maestros ix Agradecimientos He preferido dejar este apartado para el final y ser lo último que escribiese de mi Trabajo de Fin de Grado. En primer lugar, agradecer a todos los que han colaborado en este proyecto de una forma u otra, ya que no hubiera sido posible sin cada uno de ellos. A todos aquellos que me han acompañado en esta travesía, ya no solo con el TFG, sino desde que di mi primer paso en la Universidad. La ETSI, mi segundo hogar. Ya sea dentro o fuera de mi querido edificio rojo, me llevo muchísimos recuerdos y anécdotas que nos unen. Como dijo un sabio: «Cualquier cosa que hagas en esta vida, no es legendaria a menos que tus amigos estén allí para verlo». Cuánta razón, ¿no? Por otro lado, no me puedo olvidar de mis padres ni de mis amigos de siempre, que han estado ahí en los mejores y peores momentos, siguiendo cada uno de mis pasos de cerca apoyándome. Y hacer mención especial a mis magistrales amigas, cuyos bucles y rifirrafes me dan la vida. Por supuesto dar las gracias a Mar, mi tutora en esta locura de trabajo, por permitirme descubrir más de cerca el campo de la Biomedicina, por brindarme oportunidades y superar barreras personales. Por creer en mí. Y hacer una mención especial a Alejandro, por compartir sus conocimientos en este proyecto. María Castrillo Navarro Estudiante de Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Sevilla, 2020 5.2.1 Parámetros de la conductancia de la piel 30 5.2.2 Parámetros de la frecuencia cardíaca 31 5.2.3 Relación entre la frecuencia cardíaca y conductancia de la piel 32 5.2.4 Relación entre la frecuencia cardíaca y la música 36 5.3 Discusión 36 6 Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación 39 Apéndices 41 Cronograma 41 Cuestionario 42 Póster 43 Lista de estímulos 44 Lista A: Fragmentos de películas 44 Lista B: Canciones personalizadas 45 Manuales de Dispositivos 46 Arduino Uno R3 46 Pulse Sensor 47 GSR Sensor 49 Códigos de Arduino 50 SENSOR_main.ino 50 GSR_sensor.ino 52 PulseSensor_BPM.ino 52 Gráficas del Pulse Sensor y GSR Sensor 53 Sujeto 1 53 Sujeto 2 56 Sujeto 3 58 Sujeto 4 61 Sujeto 5 64 Comparativa de todos los estímulos de cada sujeto 67 Comparativa de todos los sujetos ante un estímulo común 72 Referencias 75 Glosario 79 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 5–1. Tabla resumen con el número de respuestas fisiológicas. 29 Tabla 5–2. Probabilidad de darse la piloerección en caso de tener alguna respuesta fisiológica en los ensayos realizados. 30 Tabla 5–3. Tabla resumen de las medias y desviaciones típicas de las muestras recogidas por Pulse Sensor y GSR Sensor por cada estímulo de cada sujeto. Se resalta en negrita los estímulos escogidos previamente por los experimentadores y cada estímulo está representado con un mismo color para todos los sujetos. 32 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1−1. Circuito de Papez (1937) [10]. 2 Figura 3−1. Corte axial del cerebro donde se aprecia la materia blanca y la materia gris [17]. 7 Figura 3−2. Estructura del sistema límbico [18]. 8 Figura 3−3. Funcionamiento de la homeostasis para caso de regulación térmica corporal [21]. 9 Figura 3−4. Corte axial del encéfalo [24]. 9 Figura 3−5. Diferentes tipos de neuronas y sus partes [25]. 10 Figura 3−6. Sistema nervioso humano [29]. 11 Figura 3−7. Estructura básica de la piloerección [30]. 12 Figura 3−8. Glándulas sudoríparas ecrinas y apocrinas [32]. 13 Figura 3−9. Glándulas sudoríparas en las yemas de los dedos. 13 Figura 3−10. Estructura de las diferentes capas de la piel [34]. 14 Figura 3−11. Actividades del sistema nervioso autónomo [36]. 15 Figura 3−12. Intercambio de gases en los alvéolos [37]. 15 Figura 4−1. Circuito empleado en el experimento con todos sus componentes. De izquierda a derecha: Pulse Sensor, Arduino Uno, placa de pruebas (protoboard) y GSR Sensor. 19 Figura 4−2. Conexiones a la placa Arduino. 19 Figura 4−3. Esquema de todos los sistemas implementados para la reproducción de la Lista B. 20 Figura 4−4. Pantalla del monitor durante la reproducción de un estímulo de la Lista B. Plugin de Excel (izquierda), Lista B (esquina superior derecha) y pista actual en reproducción (esquina inferior derecha). 20 Figura 4−5. Esquema de todos los sistemas implementados para la reproducción de la Lista A. 21 Figura 4−6. Interfaz de Arduino. 21 Figura 4−7. Selección del puerto serie de Arduino Uno. 22 Figura 4−8. Fases de compilación y ejecución. 22 Figura 4−9. Instalación de la librería PulseSensor Playground (1ª parte). 23 Figura 4−10. Instalación de la librería PulseSensor Playground (2ª parte). 23 Figura 4−11. Ejemplos de la librería PulseSensor Playground. 23 Figura 4−12. Modo de empleo del Pulse Sensor. 24 Figura 4−13. Bioseñales capturadas por el sketch “PulseSensor_BPM.ino”: intervalo de tiempo entre latidos en milisegundos (rojo), el pulso cardíaco (verde) y los pulsos por minuto (azul). 24 Figura 4−14. Modo de empleo del GSR Sensor. 25 Figura 4−15. Esquema básico del funcionamiento del GSR Sensor [39]. 25 Figura 4−16. Ejemplo de gráfica de Arduino con los valores dados por GSR Sensor en un corto período de tiempo. 26 Figura 4−17. Interfaz de PLX-DAQ de Excel. 26 Figura 4−18. Ejemplo de adquisición de datos y posible visualización de gráficas. 27 Figura 5−1. Episodio completo de escalofrío representado en naranja. 31 Figura 5−2. Dos episodios consecutivos de piloerección representado en verde. 31 Figura 5−3. Aumento en las pulsaciones por la excitación propia del estímulo (en rosa). 31 Figura 5−4. Aumento en las pulsaciones debido a respiraciones profundas (en amarillo). 31 Figura 5−5. Demostración de la relación entre la SC y la FC (1). En la gráfica de los Bpm, hay dos picos representados en gris oscuro no reconocidos por ninguna de las respuestas fisiológicas estudiadas, por lo que se consideran artefacto. 33 Figura 5−6. Demostración de la relación entre la SC y la FC (2). 33 Figura 5−7. Observación conjunta de los diferentes cambios en la EDA y FC de todos los sujetos ante el estímulo 2. En negrita se muestra la media de ambas señales en cada instante. 34 Figura 5−8. Observación conjunta de los diferentes cambios en la EDA y FC de todos los sujetos ante el estímulo 4. En negrita se muestra la media de ambas señales en cada instante. 35 Figura 5−9. Gráfica comparativa de la EDA, FC y la propia canción. 36 xxi Estado del Arte 1 1 1 ESTADO DEL ARTE n Neurociencia no se empieza a tener constancia de la relación directa entre todo lo referente a las emociones con las diferentes zonas del cerebro hasta mediados del siglo XIX. El primer estudio data de los años 1848-1868, realizado por el doctor John Martyn Harlow, quien estuvo estudiando el conocido caso de Phineas Gage, un trabajador que tuvo un grave accidente laboral y sufrió grandes daños en el lóbulo frontal. A pesar de todo esto, consiguió sobrevivir, pero padeció cambios en su personalidad, lo que establecía una conexión inmediata entre los lóbulos frontales y el comportamiento emocional [1] [2]. En 1872, Charles Darwin publica su tercera obra de la teoría evolutiva, “La expresión de las emociones en el hombre y los animales”. En ella, se demuestra la afinidad existente entre las emociones y el movimiento corporal [3] y relata que «casi ningún movimiento expresivo es tan general como la erección involuntaria de los pelos, las plumas y otros apéndices dérmicos (…) es común en tres de las grandes clases de vertebrados». Siguiendo por esta línea, se plantea la teoría de James-Lange (1884). Desarrolla la idea de que los estímulos sensoriales provocados por las emociones son interpretados por la corteza cerebral, afectando a los sistema nervioso autónomo (SNA) y sistema nervioso somático (SNS). Se basaba en que la percepción de una sensación física conllevaba una emoción, lo que a su vez provocaba una reacción fisiológica [4]. Esta teoría inicial fue superada en 1931 por la teoría de Cannon-Bard, donde demuestra que tanto las emociones como los sentimientos ocurren al mismo tiempo, una idea más cercana del pensamiento de hoy en día [5]. En 1937, James Papez crea un esquema representando parte del sistema límbico y el rol de las emociones en él. Como se puede ver en la Figura 1−1, el circuito comienza con la existencia de un estímulo emocional, que llega al tálamo, después hacia la corteza sensorial y finalmente termina en el hipotálamo. En este punto, las sensaciones se convierten en percepciones. Esta teoría fue continuada por MacLean en 1949. MacLean sugería que esos estímulos emocionales podrían generar cambios corporales, los cuales, junto a la percepción, generaban las experiencias emocionales [6]. Más adelante, se publica un artículo en la revista Science (Ekman et al., 1983) y se establece la lista “Las Seis Grandes” (The Big Six) con las emociones universales más básicas: sorpresa, asco, tristeza, ira, miedo y alegría/felicidad [7]. A lo largo de la década de los 90, se tiene especial interés en el estudio de la amígdala. Está relacionada con las emociones negativas (miedo, ira, estrés) y es la responsable de la memoria emocional. Esto explicaría la existencia de las fobias [8]. Ya en el siglo XXI, las investigaciones acerca de las emociones o intensidad emocional fueron aumentando, correlacionándolas con la música. En 2004, Nikki Rickard, profesor en la universidad de Monash (Australia) realizó un experimento basándose en las medidas recogidas de la conductancia de la piel y en los escalofríos como parámetros para definir una intensidad emocional [9]. Sus estudios se basan en la idea de que las emociones intensas difieren de las emociones normales debido a que la intensidad viene determinada por el nivel de excitación de la persona y utilizó la música como estímulo para demostrarlo. A partir de este punto, se tiene en cuenta la liberación de hormonas de excitación de las glándulas suprarrenales y la actividad del sistema nervioso simpático (aumento del ritmo cardíaco, presión sanguínea, tasa de respiración y de la tensión muscular, y la disminución de la temperatura de la piel). Por ello, se midieron las pulsaciones de los pacientes y mediante electrodos tomaron las medidas de la tensión muscular (EMG) y de la conductancia (SC) y temperatura de la piel. Comparó música emocionalmente poderosa (música elegida individual y personalmente significativa para cada uno) con música excitante (música preseleccionada buscando una alta activación subjetiva y fisiológica). La primera de ellas causó una respuesta más subjetiva de escalofríos y mayor nivel de SC, mientras que no hubo cambios notorios para la frecuencia cardíaca (FC) o la temperatura de la piel. E Estado del Arte 2 Figura 1−1. Circuito de Papez (1937) [10]. En un experimento similar, Craig (2005) por un lado, y Guhn et al. (2007) por otro, asociaron el aumento de SC con la aparición de escalofríos. Por otro lado, Grewe et al. (2009), además de un aumento en la SC, también adjudicaron a los escalofríos una subida en la FC, pero sin variación en la frecuencia respiratoria (FR). Tuvo lugar otro estudio mediante tomografía por emisión de positrones (PET), donde la música que provocaba escalofríos para un sujeto A se probó en otro sujeto B. Se reportó mayor FC y FR, pero un valor estable en la SC y temperatura de la piel. Se realiza otra investigación en 2011 por M. Benedeck y C. Kaernbach [11], donde se busca producir una piloerección mediante pistas de audio y escenas de películas. Al igual que ocurre con los escalofríos, la piloerección es una respuesta psicofisiológica muy buena como medida para emociones fuertes. En esta ocasión se registró un aumento en la actividad electrodérmica (EDA) y una respiración más profunda en el momento de la piloerección. En 2016, el neurocientífico Matthew Sachs [12] demuestra en un estudio de la Universidad de Hardvard que aquellos que sienten esa respuesta fisiológica escuchando determinada música tienen un cerebro “especial” [13] [14]. Realizó escáneres cerebrales a 20 personas, de las cuales 10 al escuchar determinadas pistas de audio experimentaban la sensación de “nudo en la garganta” (“chill 1 group”) y las otras 10 nada (“no-chill group”). Como resultado, se obtuvo que los individuos que registraron de alguna manera una respuesta fisiológica y/o emocional al oír la música tenían estructuras cerebrales ligeramente diferentes en comparación a los que no les había pasado nada. Suelen presentar una cantidad mayor de fibras que establecen una conexión entre la corteza auditiva y las regiones del cerebro donde se procesan las emociones, lo que significa que las dos áreas se comunican mejor y se vinculan con más facilidad. En otras palabras, las personas que presentan piloerección o alguna reacción emocional/física son aquellas que poseen la capacidad de sentir más y de experimentar emociones más fuertes que los demás, siendo esto más frecuente de ocurrir en mujeres que en hombres. Al mismo tiempo, las escenas de películas evocaban una respuesta fisiólogica más fácilmente que las pistas de audio, al depender no solo del oído, sino también de la vista, por lo que la percepción es mayor. Las medidas que tuvo en cuenta fueron la FC y SC como medidas fisiológicas y tomó anotaciones sobre el comportamiento tenido de cada persona durante la prueba. Otro experimento psicofisiológico en 2017 [15] hizo la prueba de dividir en los grupos de los que tienen 1 Chill: escalofrío. 3 3 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección escalofríos (“chills group”) y los que lloran (“tears 2 group”). Mientras que la aparición de escalofríos seguía aumentando la SC, los que lloraban tenían una respiración lenta durante la aceleración de los latidos del corazón. No obstante, ambos grupos sintieron placer y respiración profunda. Así pues, queda esclarecida la independencia entre los escalofríos al oír la música y las lágrimas. Una vez más, se tiene una mayor intensidad emocional con las canciones seleccionadas por cada paciente que las preseleccionadas por los examinadoreses, haciendo un mayor énfasis en el grupo de los escalofríos. Para concluir, se hizo un estudio en abril de 2019 en la Universidad de Barcelona acerca de la sustancia blanca y la música [16]. La sustancia blanca es el tejido por donde se comunican las diferentes áreas que forman el sistema nervioso central (SNC). De ese modo, para que las personas sientan placer musical, es necesario que las estructuras cerebrales relacionadas con la recompensa trabajen conjuntamente con las vinculadas a la percepción. 2 Tears: lágrimas. Marco Teórico 10 3.2 Sistema Nervioso Cuando se habla de sistema nervioso se hace referencia al conjunto formado por millones de neuronas especializadas en la transmisión de señales eléctricas. Las neuronas transmiten dichas señales entre sí mediante su axón, donde la señal eléctrica se transforma en señal química y se liberan los neurotransmisores. Estos, viajan a la dentrita de otra neurona donde se convierten nuevamente en señal eléctrica, y así sucesivamente. La zona donde ocurre todo esto se denomina sinapsis. Figura 3−5. Diferentes tipos de neuronas y sus partes [25]. El SN puede clasificarse de dos maneras: 1) desde el punto de vista anatómico y 2) desde el punto de vista funcional. 3.2.1 Sistema nervioso central y périferico Anatómicamente, el SN se divide en sistema nervioso central (SNC) y sistema nervioso periférico (SNP). El SNC viene protegido por las meninges y se compone de la médula espinal (se extiende por el interior de la columna vertebral) y del encéfalo, en el cual encontramos el cerebro, el cerebelo y tallo cerebral, ya mostrados en la Figura 3−4. El SNP lo forma las fibras nerviosas que salen de la médula espinal hacia el resto del cuerpo. El SNC se comunica con el SNP mediante nervios motores. Así pues, cuando el cerebro tiene información que transmitir, lo hace a través de la médula y los nervios del SNP para controlar la función de los órganos internos (SNA) y el movimiento muscular (SNS) [26]. 3.2.2 Sistema nervioso autónomo y somático Otra manera de dividir al SN es según la función que presenten las vías neuronales. Hablaremos de sistema nervioso somático (SNS) para las funciones que sean voluntarias, como el tacto o el movimiento muscular; y si se experimentan acciones involuntarias, entonces se tratará del sistema nervioso autónomo (SNA). El SNS abarca todo el movimiento muscular (neuronas motoras) e información sensitiva (neuronas sensitivas) que el SNC y SNP manejen. El SNS recibe mediante las fibras nerviosas estímulos afines a los cinco sentidos (vista, oído, gusto, tacto y olfato), así como a la temperatura, presión o dolor y estados de los músculos), de modo que podrá generar una contracción voluntaria del músculo como respuesta (p. ej., saludar moviendo el brazo, presionar las teclas de un teclado para escribir o el movimiento de acto reflejo al tocar algo demasiado caliente). El SNA es mayoritariamente responsable dentro del SN de mantener la homeostasis, al igual que ocurría con el hipotálamo, de manera que trasmite impulsos nerviosos hacia los órganos mediante el SNC buscando regular la digestión, el flujo sanguíneo, la actividad de las glándulas exocrinas y endocrinas, la FC, la respiración (excluyendo la respiración consciente), entre otras funciones involuntarias. El SNA es activado por centros 11 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección nerviosos provenientes del hipotálamo, tallo cerebral o la médula espinal, e incluso también por la corteza cerebral y límbica [27]. Al mismo tiempo, este sistema se clasifica funcionalmente en simpático (SNAS), parasimpático (SNAP) y entérico, pero se hará hincapié en los dos primeros, los cuales tienen funciones antagónicas entre sí [28]. Figura 3−6. Sistema nervioso humano [29]. 3.2.2.1 Sistema nervioso parasimpático Recibe órdenes del tallo cerebral y de la parte baja de la médula espinal, tal y como se ilustra en la figura anterior. El SNAP es un sistema de reposo, encargado de devolver el cuerpo a un estado de normalidad tras una situación de alerta producido por el SNAS. En la Figura 3−6 aparecen sus principales funciones, como la activación de las glándulas salivales, la estimulación de la actividad estomacal e intestinal, disminución de la FC (buscando el reposo), fomentar la excitación, etc. 3.2.2.2 Sistema nervioso simpático Se trata de un sistema de huida y manda señales a las diferentes partes del cuerpo mediante la médula espinal. Sus principales funciones, como aumentar la FC, contracción de músculos lisos, estimular la piloerección, activar las glándulas sudoríparas o dilatar las vías aéreas de los pulmones, no son más que acciones para preparar al organismo de una situación de peligro o lucha, buscando la supervivencia, o como respuesta al estrés o ante un estímulo intenso o inesperado. Esto, en parte, ocurre gracias a liberación de adrenalina (o epinefrina) y noradrenalina por parte del propio SNAS. Marco Teórico 12 3.3 Piloerección La piloerección, comúnmente conocida como “piel de gallina” o “pelos de punta”, no es más que una reacción corporal ante una bajada de temperatura o una emoción intensa como el miedo o placer y está relacionado con el sistema de placer-recompensa, confirmando su origen neuropsicológico. Centrándonos en el ser humano, puede ser provocado por diversos mecanismos, como un bostezo o escalofrío ante una situación de frío buscando regular la temperatura corporal, directamente al oír un sonido desagradable o vivir una experiencia de miedo o hasta paranormal. Incluso puede darse al tocar una superficie áspera, con una caricia en determinadas zonas del cuerpo o en momentos de placer. Como mención a esto último, numerosos estudios actuales concuerdan en que la música también es otro estímulo a tener en cuenta [9] [11] [12] [13] [14] [15] [16]. Cuando escuchamos música que nos cautiva, nuestro cerebro libera dopamina, neurotransmisor relacionado con el placer y recompensa (véase sección 3.1.1). Cuanto mayor intensidad emocional cause una canción o melodía, mayor liberación de dopamina y, por ello, mayor sensación placentera provocará. Si nos centramos en el placer musical, para el individuo puede resultar reconfortante escuchar una pieza inédita que resulta ser inesperadamente de su agrado, así como oír una de sus canciones favoritas más de una vez. Para este último caso, juega un papel importante la recompensa, pues el cerebro ya sabe mediante la repetición y aprendizaje que esa canción va a complacer y genera excitación, liberando una gran cantidad de dopamina. La música simplemente afecta al estado anímico de cada persona y de forma diferente para cada una, no tiene otra función práctica, como sí ocurre con los instintos de supervivencia u otras causas anteriormente mencionadas. Por otro lado, el escalofrío no solo produce piloerección. A la par, ocurren otras reacciones fisiopsicológicas como aumento de la FC, respiraciones más profundas, crecimiento de la actividad electrodérmica y un posible sudor frío por la columna vertebral. 3.3.1 Músculos erectores Los músculos erectores (también conocidos como horripiladores o arrectores) son unas fibras musculares lisas localizadas en la base del folículo piloso (propio de la mayoría de mamíferos) cuyas contracciones provocan el levantamiento de cada capilar de forma involuntaria (característica del SNA). Para los animales, su principal función es la de crear una capa gruesa de pelo que aisle del frío o si se está en estado de peligro hacer parecer al animal más grande. La piloerección en humanos no es más que un vestigio evolutivo, pues realmente no resulta extremadamente útil para proteger del frío o en una situación de peligro. Figura 3−7. Estructura básica de la piloerección [30]. 3.3.2 Glándulas sudoríparas Son glándulas situadas en la dermis e hipodermis formado por delgados conductos enrrollados hasta la epidermis concluyendo en los poros o en folículos pilosos, por donde segregan el sudor [31]. Se encuentran por casi toda la piel del cuerpo y son controladas por las hormonas y el SNAS. Su principal función es ayudar a la regulación térmica corporal mediante la sudoración, pero también actúa como 13 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección equilibrador emocional por órdenes del sistema límbico para casos de estrés o ansiedad. En otras palabras, a mayor excitación del SNAS, mayor secreción de sudor. Hay dos tipos de glándula sudorípara: las glándulas ecrinas, cuya secreción va directamente a la superficie de la piel y funcionan como regulador térmico; y las glándulas apocrinas, que poseen un conducto excretor dérmico que desemboca en el folículo pilo-sebáceo y se activan con emociones intensas como la excitación o miedo. Figura 3−8. Glándulas sudoríparas ecrinas y apocrinas [32]. Figura 3−9. Glándulas sudoríparas en las yemas de los dedos. 3.3.3 Vasos sanguíneos Como puede verse en la Figura 3−10, hay vasos sanguíneos localizados en la raíz de los capilares. Cuando aumenta la actividad del SNAS para, en este caso, producir piloerección, se contrae el músculo liso situado en la pared del vaso sanguíneo, provocando el estrechamiento de este, lo que se denomina vasoconstricción [33]. Lo mismo ocurre con la adrenalina, que hace aumentar la tensión arterial. Si las fibras musculares lisas se contraen, entonces implica una previa relajación del corazón, que se traduce en un aumento en la presión y aceleración sanguíneas. Marco Teórico 14 Figura 3−10. Estructura de las diferentes capas de la piel [34]. 3.4 Bioseñales 3.4.1 Respuesta galvánica de la piel La respuesta galvánica de la piel (GSR), también conocida como EDA o SC, es una propiedad del cuerpo que permite medir y recoger las variaciones de la resistencia eléctrica de la propia piel. Estas variaciones están íntimamente relacionadas con los niveles de sudoración [31], controlado a su vez por el SNA, el cual maneja el comportamiento emocional (sección 3.3.2). Cuando las neuronas transmiten una información del SNA y se produce la sinapsis, uno de los neurotransmisores que se liberan es la acetilcolina. La acetilcolina es conocida como el transmisor parasimpático, ya que se distribuye por todas las terminaciones parasimpáticas, pero hay excepciones, como la participación en la respuesta simpática de los músculos piloerectores o glándulas sudoríparas [35]. En la terminación del axón, dentro de la membrana celular, hallamos precisamente receptores de acetilcolina (AChR), llamados receptores colinérgicos. Son canales iónicos activados por ligandos (ACh), proteínas en una solución acuosa por donde pasan iones de sodio (Na+) y potasio (K+) provocando una despolarización y la aparición de un potencial de acción. Un potencial de acción no es más que una onda de descarga eléctrica que se da en la sinapsis o al enviar un estímulo a los músculos o glándulas [19]. En resumen, la GSR no es más que la medida externa de la caída de potencial eléctrico entre dos puntos de la piel (mediante electrodos) provocada por la aparición (internamente) de esos potenciales de acción, originados a su vez por el intercambio de iones positivos y negativos. La GSR puede aumentar con ciertos estados emocionales, donde a mayor secreción de sudor y mayor flujo sanguíneo, menor resistencia de la piel, mayor conductancia y menor GSR. 3.4.2 Frecuencia cardíaca Aparte de la acetilcolina, otros neurotransmisores ya mencionados son la adrenalina y noradrenalina, con sus correspondientes receptores adrenérgicos. Existen dos tipos: los receptores alfa (α) y los receptores beta (β). Cuando se libera adrenalina, afecta directamente a los vasos sanguíneos debido a estos receptores, donde los receptores α y β son los responsables de la vasoconstricción y vasodilatación respectivamente [33]. La relación entre esto y la piloerección fue demostrada en la sección 3.3.3, por ello, otra de las bioseñales a tener en cuenta es la frecuencia cardíaca o FC. Los subtipos de receptores α reaccionan a la adrenalina y noradrenalina provocando la contracción y relajación 15 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección de la fibra del músculo liso, mientras que los receptores β están relacionados con la relajación del músculo liso y la contracción del miocardio [19]. Figura 3−11. Actividades del sistema nervioso autónomo [36]. Adicionalmente, la FC también depende de la respiración. Una respiración profunda se traduce en un aumento considerable (pero momentáneo) de los Bpm y recibe el nombre de arritmia sinusal. Es frecuente que ciertas emociones provoquen esta variación en la FR. En esos casos, se trata propiamente de una respiración abdominal. Al inspirar más aire, mayor intercambio de gases (O2 y CO2) entre los pulmones y la sangre [37] debe hacerse, por lo que el corazón necesita bombear más. Figura 3−12. Intercambio de gases en los alvéolos [37]. Marco Teórico 16 Metodología 17 17 4 METODOLOGÍA 4.1 Participantes Para la prueba de control realizada en este trabajo (cuyos resultados se detallan en el apartado 5), se eligieron personalmente a cinco sujetos voluntarios y ya conocidos (3 mujeres y 2 hombres), intentando aportar diferentes perfiles al experimento en cuanto a la relación con la música se refiere. Con esto, se buscaba perfeccionar la base de datos de estímulos y la metodología llevada a cabo. De cara a una prueba posterior y ya definitiva 3 4 , con una mayor participación, se elaboró un breve cuestionario (puede encontrarse dentro de Apéndices) para establecer los niveles de sensibilidad ante la música, condicionando la selección de los candidatos (siguiendo la línea de M. Benedeck y C. Kaernbach, 2007, Matthew Sachs, 2016). Fue rellenado por 12 personas, de diferentes rangos de edades e inesperadamente cada una con sus propios gustos musicales. Ninguna de ellas se dedica profesionalmente a la música, pero la mitad sabe tocar algún intrumento. Prácticamente todos oyen música gran parte del día y 6 personas dicen emocionarse fácilmente (las otras 6 restantes solo en circunstancias concretas). De este modo, y ya que la participación en el cuestionario para esta próxima prueba ha sido moderada, se optó por aceptar en su totalidad a los 12 voluntarios, pues no se repetía ningún patrón en las respuestas, ofreciendo una posible variabilidad en las respuestas fisiólogicas ante la presentación futura de los estímulos. De haberse dado el caso de una participación mayor en el cuestionario, se habría hecho una selección más minuciosa y se descartaría a cualquier persona que no mostrara indicios de gustarle la música. 4.2 Estímulos A cada sujeto de la prueba de control se le facilitó dos listas, una con 49 canciones y otra con 16 títulos de películas (cada una detallada en el Apéndice). La lista de películas (Lista A) contiene títulos ampliamente conocidos o blockbusters, desde clásicos como “E.T.” hasta más actuales como “La La Land” incluyendo también filmes animados como “Mulán”. Los clips elegidos y mostrados de cada película presentan una escena visualmente emotiva y/o impactante acompañada de una pista de audio de su correspondiente banda sonora (BSO). Para esta ocasión, el fragmento de menor duración es el de la primera aparición la de la Marcha Imperial de Darth Vader en “Star Wars: Episodio V – El Imperio Contraataca” (0:52) y el de mayor duración es el elegido para “Los Miserables” con la actuación de Anne Hathaway en el papel de Fantine interpretando “I Dreamed A Dream” (4:15). Por otro lado, las canciones que conforman la Lista B fueron elegidas basándonos en un estudio anterior [11], aportando pistas nuevas buscando provocar emoción mediante la nostalgia, notas agudas y/o mantenidas un significado tiempo, golpes marcados de percusión, voz rota, etc., y de diversos géneros musicales (balada, pop, clásico, rock…). Encontramos desde éxitos actuales como “Shallow” de “Ha Nacido Una Estrella” interpretado por Lady Gaga y Bradley Cooper, hasta canciones que aún perduran a lo largo de los años como “I Will Always Love You” de Whitney Houston. También se incluye artistas españoles tales como Pastora Soler, Pablo Alborán, entre otros. Todas las canciones fueron normalizadas hasta alcanzar el rango de [-1, 1], presentando el mismo nivel de sonoridad para un mismo nivel de potencia acústica. Solo 4 tuvieron que ser truncadas (las identificadas con *) debido a su excesiva duración (> 6 minutos), pero sin que el oyente notara el corte eliminando pasajes repetitivos de las canciones: “Frozen” de Madonna (4:25), “We Are The World” de Michael Jackson (4:57), “Still Loving You” de Scorpions (5:02) y “Europa” de Mónica Naranjo (5:13). Con todo ello, la pista de menor duración de 3 Este estudio fue aprobado por el Comité Ético de Experimentación (CE) de la Universidad de Sevilla. 4 Todos los participantes recibieron y firmaron el consentimiento para realizarles dicho experimento y para la posible publicación anónima de los resultados. Metodología 18 esta presente lista es el tema principal de “Piratas del Caribe” compuesta por Hans Zimmer (1:23) y la de mayor duración “Caruso” interpretada por el trío italiano Il Volo (5:17). 4.3 Prueba experimental Previo a la prueba, de cada lista, el experimentador escogió una canción y película buscando causar un mayor impacto en el espectador: la pista “Never Enough” de la BSO de “El Gran Showman” y la escena final de “Gladiator”. “Never Enough” a pesar de poder no ser conocida para todos, se caracteriza por ser emocionalmente poderosa y la elección de “Gladiator” vino inspirada por el estudio de M. Benedeck et al. (2007). Ambas opciones fueron eliminadas de las listas mostradas a cada participante para evitar coincidencia y se mantuvieron desconocidas hasta el mismo momento de la escucha/visualización de las mismas. A continuación, y de forma análoga, cada sujeto elegía una canción y una película con las que pudiera sentir personalmente emociones fuertes. Así pues, cada persona tendría 4 estímulos en total, 2 de ellos comunes para todos (aquellos elegidos por el examinador). El experimento tuvo lugar en una sala climatizada (21º) y aislada acústicamente del exterior al carecer de ventanas. El sujeto se sentaba en una silla con reposacabezas y reposabrazos, buscando una posición confortable. Cada brazo debía apoyarse parcial o totalmente sobre la mesa, según conveniera a la hora de ponerse los sensores. Para una mayor comodidad, se colocaron los cascos en primer lugar y posteriormente los sensores (cuyos funcionamientos se detallan en las secciones 4.4.3 y 4.4.4). Durante la prueba, el experimentador permanecía en la sala controlando la correcta toma de muestras y se pidió que no hicieran movimientos bruscos e innecesarios para evitar el ruido y la contaminación de estas. La recogida de datos fue llevada a cabo usando el propio software de Arduino y un complemento de Excel para verter y poder guardar todas las muestras en hojas de cálculo, generar gráficas dinámicas y cualquier manipulación posterior (véase el siguiente apartado para mayor profundidad). La presentación de estímulos seguía el siguiente orden: 1) la canción elegida por cada sujeto (C1), 2) la preseleccionada por el experimentador (C2), 3) película preferida de cada sujeto (P1), y 4) la película destacada por el experimentador (P2). Cada pista musical era precedida y seguida por 10 segundos de silencio, para que la posible excitación de la canción anterior no influyera en su totalidad sobre la siguiente. Adicionalmente, tras cada estímulo se les preguntaba a los pacientes cuán emocionados se hallaban, si habían tenido escalofríos o piloerección u otro tipo de sensación o reacción fisiológica al respecto. Esta entrevista final fue realizada de forma cualitativa con opiniones subjetivas buscando una mayor concordancia con la respuesta objetiva obtenida en el experimento. Todo este proceso ha llevado entre 20 y 30 minutos por persona. 4.4 Adquisición de datos fisiológicos El circuito implementado para las mediciones consta de una placa Arduino Uno R3 (Arduino LLC, Italia) y los sensores no invasivos Pulse Sensor (World Famous Electronics llc, Estados Unidos) y GSR Sensor (Seeed Technology Co., Ltd., China). Aparte, se ha utilizado una cámara compacta (Cyber-Shot DSC-W570) (Sony, Japón), con una resolución de 16.1 MP, para grabar el antebrazo izquierdo de cada sujeto en cada estímulo y parte del abdomen para tener una prueba visual en caso de que ocurriera piloerección y controlar la respiración. 19 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Figura 4−1. Circuito empleado en el experimento con todos sus componentes. De izquierda a derecha: Pulse Sensor, Arduino Uno, placa de pruebas (protoboard) y GSR Sensor. Figura 4−2. Conexiones a la placa Arduino. 4.4.1 Desarrollo de los algoritmos implementados En esta parte del trabajo, hubo dos grandes problemas: implementar de manera sincronizada tanto el Pulse Sensor como el GSR Sensor y poder guardar las muestras recogidas con el software de Arduino. En un primer momento se intentó elaborar todo el código en un solo sketch, donde el valor de la SC se calculaba con la diferencia de potencial eléctrico y el valor de la FC se obtenía a partir de una librería. De este modo, resultó imposible recoger las muestras de ambos sensores de manera simultánea, ya que leía los datos del GSR Sensor primero y luego los del Pulse Sensor, por lo que, obviamente, lo mostrado en pantalla no estaba sincronizado. Este error se consiguió subsanar separando el código de cada sensor en diferentes sketches (“PulseSensor_BPM.ino” y “GSR_Sensor”), dejando la llamada de estos y la definición de los pines en el sketch principal (“SENSOR_main”). De esta manera, se logró imprimir por pantalla y, de forma sincronizada, los valores recogidos por los dos sensores, además de plasmar la hora exacta de su adquisición. Una vez solucionado el problema anterior, necesitabamos guardar todos los datos generados para su posterior estudio. Se optó hacerlo mediante un complemento de Excel, que permitía la conexión directa con el código de Metodología 26 Figura 4−16. Ejemplo de gráfica de Arduino con los valores dados por GSR Sensor en un corto período de tiempo. 4.4.5 Complemento software PLX-DAQ Como el software de Arduino de por sí no permitía almacenar los datos recogidos, hemos utilizado para ello el plugin de Excel Parallax Data Acquisition tool (PLX-DAQ) [41]. Con esto, directamente podemos imprimir cada muestra sin necesidad de tener funcionando la aplicación de Arduino y generar las gráficas que deseemos en función de los datos que nosotros queramos (pudiendo modificar también el inicio y final del intervalo). Figura 4−17. Interfaz de PLX-DAQ de Excel. 27 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección En nuestro caso, para una posterior comodidad y utilidad, decidimos mostrar en Excel: la hora, un temporizador, los valores de cada muestra del GSR Sensor y los Bpm (una tasa de muestreo de 6 muestras por segundo cada uno), el intervalo de tiempo entre latidos en milisegundos y el pulso, como puede verse en la siguiente figura: Figura 4−18. Ejemplo de adquisición de datos y posible visualización de gráficas. 4.5 Análisis de datos fisiológicos Como comentábamos en la sección anterior, en un primer momento los datos fueron recogidos en Excel, pero a la hora de trabajar y estudiar los resultados y gráficas se consideró mejor el importar la base de datos a MatLab. El modus operandi para contrastar la infomación fue la siguiente: 1) Para todos los estímulos, se analizó en primer lugar la gráfica de los Bpm junto con la respiración observada en los vídeos recogidos. De este modo, podíamos diferenciar los picos pronunciados en los Bpm provocados por una respiración o, en su defecto, considerarlos artefacto, ya que el aumento circunstancial de las pulsaciones se produce de manera más suave. 2) Para las canciones, a esos picos o cambios suaves en la FC se les buscó un posible origen en la misma pista de audio, comprobando posibles coincidencias con cambios abruptos en la melodía o algún momento álgido de la misma. 3) En el caso de las películas, para los cambios en la FC se buscó coincidencia en alguna escena culmen de la película y/o momento a destacar en su BSO. 4) Todo lo anterior se comparó con la gráfica de la señal GSR, intentando demostrar la correlación en alguna bajada (escalofrío) con la subida de Bpm. Cualquier posible indicio mostrado en el vídeo grabado que pudiera ser catalogado como escalofrío o piloerección se contrastaba en ella. Algunas gráficas de la señal GSR presentaban demasiado ruido, por lo que se tuvo que aplicar un filtrado en esos casos antes que nada. 5) Tras examinar individualmente los estímulos, se estudia todos los estímulos de cada sujeto en conjunto para observar los cambios a lo largo del tiempo y posible excitación de cada persona. 6) Para concluir, se observa colectivamente la reacción de cada sujeto a los estímulos comunes. Metodología 28 Resultados y Discusión 29 29 5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 5.1 Localización de respuestas fisiológicas Con nuestro estudio buscábamos provocar principalmente piloerección (acompañado o no de escalofrío) en los sujetos, pero también se han presentado episodios de escalofríos y llantos. Además, se encontraron discrepancias entre lo que los sujetos dicen haber sentido con lo que finalmente se muestra en los datos obtenidos. Para un mejor entendimiento, todas las gráficas recopiladas en este trabajo están disponibles al final del Apéndice. 5.1.1 Resultados objetivos Si atendemos a los resultados de forma objetiva, la piloerección visible se obtuvo en 3 de los 19 ensayos realizados (15.78% de éxito) entre los cinco sujetos (véase Lista de estímulos en Apéndices) con un estímulo diferente cada uno y 6 ensayos del total provocaron lágrimas (100% de las mujeres). Con respecto a los escalofríos, se produjeron en 8 de los 19 estímulos, lo que representa un 42.10% (100% de los participantes), y se presenciaron episodios de respiración profunda en los cinco sujetos (11 ensayos de 19, es decir, en el 57.89%). La piloerección tuvo lugar solamente en los estímulos elegidos por los propios sujetos (en la línea de Craig, 2005, Grewe et al., 2007): una película para un hombre y una canción y otra película para una misma mujer. Por otro lado, con el fragmento de película seleccionado por los experimentadores (estímulo 4: “Gladiator”), se logró inesperadamente que las participantes femeninas lloraran en algún momento durante su visionado. Asimismo, una de ellas también lloró con la pista de audio que los experimentadores escogieron. El ensayo restante que provocó lágrimas corresponde a una película elegida por el sujeto. Los escalofríos y la respiración fuerte son las respuestas fisiológicas con mayor frecuencia de las vistas, independientemente del sexo de la persona. El primero de ellos es más común con estímulos audiovisuales: se han recogido 7 incidencias de escalofríos en 4 clips de películas (un 42.86% provocado por “Gladiator”, la cual era conocida por todos los participantes), 5 escalofríos en total en 3 canciones escogidas por los respectivos sujetos y un solo episodio para la pista de audio designada por los experimentadores en otro sujeto. Especial mención a que, de todos los escalofríos reportados, el 69.23% de ellos ocurrieron en mujeres frente al 30.77% en los hombres. De las 30 respiraciones profundas localizadas (el 60% en mujeres y el 40% en hombres), 20 tuvieron lugar en las canciones (el 60% se produjo en el primer estímulo) y las 10 restantes en las películas (un 80% provocado por “Gladiator”). Tabla 5–1. Tabla resumen con el número de respuestas fisiológicas. SUJETO 1 SUJETO 2 SUJETO 3 SUJETO 4 SUJETO 5 C1 C2 P1 P2 C2 P1 P2 C1 C2 P1 P2 C1 C2 P1 P2 C1 C2 P1 P2 Piloerección 2 1 1 Escalofrío 2 3 1 1 1 1 2 2 Llanto 1 1 1 1 1 1 Resp. fuerte 7 1 1 4 4 4 3 3 1 1 1 En la Tabla 5–1 se han plasmado todos los sucesos objetivos de piloerección, escalofríos, llantos y respiraciones fuertes descritos anteriormente. En general, puede observarse como a medida que se van sucediendo los estímulos, la probabilidad de tener algún tipo de reacción fisiológica aumenta. La piloerección varía de un 25% en el primer estímulo a un 40% en el estímulo 3 y, de manera similar, pasamos de un 25% de poder tener llanto a un 60% en el último estímulo. En cambio, hay un mayor índice (75%) de tener escalofríos y respiración más marcada en el primer estímulo que en los demás. En la segunda escucha, los escalofríos son tan solo del 20%, Resultados y Discusión 30 que aumenta solamente hasta el 40% al llegar al último estímulo, es decir, la pista de audio preseleccionada por los investigadores (siendo totalmente desconocida para 2 personas) es la menos favorable. Para los episodios de respiración fuerte, la probabilidad no crece de forma lineal como en las respuestas anteriores, pero se mantiene entre el [40, 60]%. Finalmente, si hacemos una comparación global del número de todas las respuestas objetivas obtenidas (53), tenemos que 35 tuvieron lugar en mujeres (66.04%) y las 20 restantes en hombres (33.96%). De estas 53 respuestas, la piloerección representa un 7.55%, el llanto un 11.32%, los escalofríos un 24.53% y las incidencias de respiración profunda un 56.60%. Con lo cual, tenemos que, ante un estímulo, es más común tener varios episodios de respiración fuerte que de piloerección o llanto, por ejemplo. Desde otro punto de vista, las canciones (C1 y C2) engloba el 54.72% de las respuestas fisiológicas objetivas y las películas el 45.28%. A continuación, se muestra la relación entre la probabilidad de que tenga lugar una respuesta fisiológica cualquiera en un estímulo con la probabilidad, de darse el caso anterior, de que suceda la piloerección. Tabla 5–2. Probabilidad de darse la piloerección en caso de tener alguna respuesta fisiológica en los ensayos realizados. C1 C2 P1 P2 Prob. de piloerección 5.26% 0% 29.99% 0% A pesar de estos datos, no podemos llegar a garantizar que, de ocurrir la piloerección, venga acompañada de otras respuestas ni de predecir cuáles exactamente. 5.1.2 Resultados subjetivos Desde un punto de vista subjetivo, hubo otros reportes de episodios de piloerección, pero no fueron captados por vídeo ni localizados en las muestras recogidas. Tres participantes aseguraron haber tenido piloerección en diferentes ensayos, pero no poseemos pruebas de ello, por lo que no se tomaron en cuenta en los cálculos. Al igual que dos de esas personas dijeron sentir escalofríos y no hay constancia de los mismos. De estos 5 sucesos subjetivos, en 2 de ellos comunicaron haber tenido una reacción fisiológica diferente a la que luego se mostraba en los resultados (piloerección ↔ escalofrío). Si juntáramos las respuestas fisiológicas objetivas y subjetivas, estas últimas solo representarían un 8.62%. 5.2 Parámetros de las respuestas fisiológicas objetivas 5.2.1 Parámetros de la conductancia de la piel A la hora de estudiar la bioseñal de la SC, nos hemos basado en el parámetro Serial_Port_Reading que el propio GSR Sensor recoge (vea sección 4.4.3), en lugar de trabajar con kiloohmios (kΩ) o microSiemens (µS). Los valores de dicho parámetro oscilan entre [100, 600]. Instantes antes a la descarga eléctrica, Serial_Port_Reading aumenta ligeramente (menos de un 1%) para después disminuir notablemente en el momento de la descarga en hasta 15 puntos o más (para un caso de piloerección se ha dado un decremento de hasta Δy= -57). Ese pequeño aumento al principio permite cierta predicción ante un episodio de escalofrío o piloerección. De los 4 casos de piloerección conseguidos, deducimos que el episodio completo dura entre t = [8.07, 12.60] segundos (s), del cual el 58.70% del tiempo corresponde al tiempo de caída, y un Δy = [-11.8, -57]. Para los escalofríos tenemos que t = [7.9, 18.3] s (el 52.76% es el tiempo de caída) y Δy = [-8.5, -55.3], por lo que se puede apreciar la gran similitud con la respuesta anterior, de ahí la importancia de captar la piloerección en vídeo para que no haya dudas, pues son parámetros muy subjetivos que dependen de la potencia de la descarga eléctrica en ambos casos. En las siguientes dos imágenes podemos ver un caso de escalofrío (Figura 5−1) y dos incidencias de piloerección (Figura 5−2). 31 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Figura 5−1. Episodio completo de escalofrío representado en naranja. Figura 5−2. Dos episodios consecutivos de piloerección representado en verde. 5.2.2 Parámetros de la frecuencia cardíaca La FC de una persona suele oscilar entre los 60 y los 100 latidos por minuto en estado de reposo (para deportistas de alto rendimiento no es extraño que se sitúe por debajo las 60 pulsaciones). Si nos centramos en el estudio aislado de la variación de las pulsaciones provocada exclusivamente por la exposición ante un estímulo (Figura 5−3), en lugar de ser una consecuencia directa de otra reacción involuntaria (Figura 5−4), tenemos que la duración de tal variación oscila entre t = [9, 54.32] s, donde las pulsaciones aumentan hasta entre un 5.4 y 18.9%. Sin embargo, la subida de pulsaciones originada por una respiración profunda y momentánea tiene una duración más comedida que el caso anterior (t = [6.9, 22.43] s) y un incremento entre un 4.9 y 52.7%. Figura 5−3. Aumento en las pulsaciones por la excitación propia del estímulo (en rosa). Figura 5−4. Aumento en las pulsaciones debido a respiraciones profundas (en amarillo). Resultados y Discusión 32 5.2.3 Relación entre la frecuencia cardíaca y conductancia de la piel Una vez estudiadas las dos bioseñales utilizadas en este experimento, se confirma la correlación existente entre ellas. Cuando se detecta alguna actividad eléctrica (sea piloerección y/o escalofrío), las pulsaciones aumentan, tendiendo a casi coincidir en el mismo instante el valor pico de los Bpm con el valor mínimo del parámetro Serial_Port_Reading. No obstante, el aumento en el pulso debido a la excitación audiovisual o a una respiración fuerte o profunda no se ve reflejado en la SC. Un ejemplo de ello puede verse en la Figura 5−5 y Figura 5−6. Se observa también cómo en un estado de relajación los Bpm tienden a bajar (disminución de la FC) y el valor de Serial_Port_Reading de la señal GSR va aumentando. Esto puede demostrarse en la siguiente tabla: Tabla 5–3. Tabla resumen de las medias y desviaciones típicas de las muestras recogidas por Pulse Sensor y GSR Sensor por cada estímulo de cada sujeto. Se resalta en negrita los estímulos escogidos previamente por los experimentadores y cada estímulo está representado con un mismo color para todos los sujetos. SUJETO 1 SUJETO 2 SUJETO 3 SUJETO 4 SUJETO 5 TOTAL MEDIA BPM C1 90.9465020 - 75.6354786 70.3297213 74.1152815 77.7567458 C2 76.6635441 71.2936951 70.9647611 67.0839874 68.6014040 70.9214783 P1 71.9575353 65.0063291 71.8406304 69.9287338 78.1091854 71.3684828 P2 76.3353338 68.6437500 72.4791489 74.3356216 78.8408748 74.1269458 DESV. TÍPICA BPM C1 13.2395957 - 10.0134193 9.8377178 12.6785615 11.4423871 C2 5.8238456 8.07799045 6.1561075 3.1523272 3.5329736 5.3486488 P1 4.3503672 5.12344054 5.3387851 10.5147234 10.0265378 7.0707708 P2 9.1788659 4.38986075 11.6488675 9.1788974 14.3270538 10.2755614 MEDIA GSR C1 537.289134 - 245.936772 319.986046 303.207062 351.604753 C2 550.908910 404.308240 271.486630 307.089729 333.082121 373.375126 P1 564.451963 438.986075 264.649494 282.965351 231.922999 356.552609 P2 497.477930 483.084874 259.459930 255,994313 161.198740 331.443158 DESV. TÍPICA GSR C1 25.4142713 - 14.2925482 15.9474279 11.1880676 16.7105787 C2 11.1923619 21.7208437 9.5272109 29.8926499 6.2078069 15.7081747 P1 7.2110944 7.0417257 11.0566866 30.0256111 16.8324066 14.4335049 P2 50.9979485 12.4491212 4.3274096 16.0404604 12.5920596 19.2813999 Si atendemos a la Tabla 5–3, podemos ver cómo la media de los Bpm desciende del primer estímulo (C1) al segundo (C2) en todos los sujetos (exceptuando el sujeto 2, del cual no tenemos datos). Esto podría significar dos cosas: la persona empieza el experimento con cierto nerviosismo, situación normal ante algo desconocido; y/o está oyendo una canción emocionalmente poderosa elegida precisamente por ella misma. En cuanto a la señal GSR, ocurre lo contrario, el valor medio aumenta de C1 a C2, con una excepción en el sujeto 3. A partir del segundo estímulo, hay una tendencia global a aumentar la excitación en mayor o menor medida (con las respectivas subidas en los Bpm y bajadas en la señal GSR). En las imágenes Figura 5−7 y Figura 5−8 se ha hecho una comparativa conjunta de todos lo sujetos ante el segundo y cuarto estímulo y se ha dibujado para cada muestra la media. Así, puede asimilarse mejor los resultados de la tabla anterior. Se puede comprobar visualmente, por ejemplo, cómo efectivamente la media en la señal GSR de un estímulo a otro ha descendido mientras que la media en la FC ha aumentado. Se puede apreciar también en ambos estímulos cómo todos los sujetos tienden a mostrar cambios parecidos en los mismos instantes de tiempo. 33 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Figura 5−5. Demostración de la relación entre la SC y la FC (1). En la gráfica de los Bpm, hay dos picos representados en gris oscuro no reconocidos por ninguna de las respuestas fisiológicas estudiadas, por lo que se consideran artefacto. Figura 5−6. Demostración de la relación entre la SC y la FC (2). Resultados y Discusión 34 Figura 5−7. Observación conjunta de los diferentes cambios en la EDA y FC de todos los sujetos ante el estímulo 2. En negrita se muestra la media de ambas señales en cada instante. 35 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Figura 5−8. Observación conjunta de los diferentes cambios en la EDA y FC de todos los sujetos ante el estímulo 4. En negrita se muestra la media de ambas señales en cada instante. Apéndices 42 Cuestionario Aquí se incluye las preguntas realizadas a los voluntarios antes de ser seleccionados (a parte de los datos de contacto como son el nombre, apellidos y dirección de correo electrónico): 1. ¿Qué edad tienes? − Menos de 20 − Entre 20 y 30 − Entre 30 y 50 − Entre 50 y 75 − Más de 75 2. ¿Te dedicas profesionalmente a la música? − Sí/No 3. ¿Sabes tocar algún instrumento? − Sí/No 4. ¿Qué género(s) musical(es) te gusta escuchar? (Respuesta libre) 5. ¿Con cuánta frecuencia oyes música? − A diario − 2-5 veces por semana − Un par de veces al mes − Apenas escucho música − Otros (Respuesta libre) 6. ¿En qué condiciones te gusta oír música? − Trabajando/estudiando − En mi tiempo libre − Mientras practico deporte − Otras (Respuesta libre) 7. Cuando escuchas una canción… − Es fácil que te emociones − Solo en circunstancias concretas te sientes emocionado − No sueles tener emociones − No quiero contestar 43 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Póster Apéndices 44 Lista de estímulos En naranja aparece el estímulo elegido por los experimentadores. Lista A: Fragmentos de películas ID Título de la película Duración Prob. de selección (%) 5 Prob. de escalofrío (%) 6 Prob. de piloerección (%) 7 F01 2001: Odisea en el Espacio 01:39 40 0 100 F02 Apocalypse Now 03:56 0 0 0 F03 Braveheart 01:33 0 0 0 F04 El Rey León 04:08 0 0 0 F05 E.T. 02:13 20 100 0 F06 Forrest Gump 02:35 0 0 0 F07 Gladiator 03:49 100 40 0 F08 Ghost 03:35 20 100 0 F09 La Ciudad de las Estrellas: La La Land 04:14 0 0 0 F10 Los Miserables 04:15 0 0 0 F11 Los Vengadores 01:10 0 0 0 F12 Mulán 01:37 0 0 0 F13 Rocky II 02:37 0 0 0 F14 Rocky III 03:38 0 0 0 F15 Rogue One: una historia de Star Wars 01:45 0 0 0 F16 Star Wars: Episodio V - El Imperio contraataca 00:52 0 0 0 F17 The Matrix 03:58 20 0 0 5 Probabilidad de que el estímulo sea elegido de la lista. 6 Probabilidad de que el estímulo provoque una experiencia subjetiva de escalofríos. 7 Probabilidad de que el estímulo provoque piloerección visible. 45 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Lista B: Canciones personalizadas En la tercera columna, en el tiempo marcado se incluye los 20 segundos de silencio que incluye cada pista. ID Artista/Película/Serie - Título Duración Prob. de selección (%) 8 Prob. de escalofrío (%) 9 Prob. de piloerección (%) 10 M01 A Star Is Born (Lady Gaga & Bradley Cooper) - Shallow 03:54 0 0 0 M02 Adele - Set Fire To The Rain 04:18 0 0 0 M03 Aerosmith - I don't Wanna Miss A Thing 05:13 0 0 0 M04 Anastacia - Left Outside Alone 04:07 0 0 0 M05 Avril Lavigne - Keep Holding On 04:18 0 0 0 M06 Begin Again (Adam Levine) - Lost Stars 04:45 0 0 0 M07 Beyoncé - Crazy In Love (live version) 04:24 20 100 100 M08 Bonnie Tyler - Total Eclipse of the Heart 05:00 0 0 0 M09 Céline Dion - My Heart Will Go On 04:54 0 0 0 M10 Christina Aguilera - Hurt 04:20 0 0 0 M11 Coldplay - The Scientist 05:27 20 100 0 M12 Demi Lovato - Skyscraper 03:58 0 0 0 M13 Drowning Pool - Bodies (Let The Bodies Hit The Floor) 03:38 0 0 0 M14 Enya - Only Time 03:53 0 0 0 M15 Europe - The Final Countdown 05:27 0 0 0 M16 Evanescence - Bring Me To Life 04:15 0 0 0 M17 Game of Thrones - Opening theme 01:58 40 100 0 M18 Green Day - Boulevard Of Broken Dreams 04:39 0 0 0 M19 Imagine Dragons - Radioactive 03:25 0 0 0 M20 Il Volo - Caruso 05:37 20 100 0 M21 John Legend - All Of Me 04:55 0 0 0 M22 Kansas - Dust In The Wind 03:39 0 0 0 M23 Lady Antebellum - Need You Now 04:12 0 0 0 M24 Lana del Rey - Young And Beautiful 04:11 0 0 0 M25 Linkin Park - Numb 03:24 0 0 0 M26 Loreen - Euphoria (acoustic version) 04:24 0 0 0 M27 Madonna - Frozen *04:45 0 0 0 M28 Michael Bublé - Feeling Good 04:13 0 0 0 M29 Michael Jackson - We Are The World *05:17 0 0 0 M30 Miley Cyrus - The Climb 04:11 0 0 0 M31 Miley Cyrus - When I Look At You 04:25 0 0 0 M32 Nickelback - How You Remind Me 04:00 0 0 0 M33 Pirates of the Caribbean - Theme (Hans Zimmer) 01:43 0 0 0 M34 Prince - Purple Rain 04:51 0 0 0 M35 Queen - Who Wants To Live Forever 05:32 0 0 0 M36 Regina Spektor - The Call 03:22 0 0 0 M37 Rihanna - Stay 04:18 0 0 0 M38 Seal - Kiss From A Rose (Batman Forever OST) 03:54 0 0 0 M39 Scorpions - Still Loving You *05:22 0 0 0 M40 The Beatles - Let It Be 04:21 0 0 0 M41 The Cranberries - Zombie 05:24 0 0 0 M42 The Greatest Showman - Never Enough 03:44 100 20 0 M43 Toni Braxton - Unbreak My heart 04:44 0 0 0 M44 Twenty One Pilots - Heathens (Suicide Squad OST) 03:29 0 0 0 M45 Whitney Houston - I Will Always Love You 04:48 0 0 0 M46 Malú - Aprendiz (live version) 03:59 0 0 0 M47 Mónica Naranjo - Europa *05:33 0 0 0 M48 Pablo Alborán - Solamente Tú 04:19 0 0 0 M49 Pablo López - El Patio 04:51 0 0 0 M50 Pastora Soler - Quédate Conmigo (live version) 03:24 0 0 0 8 Probabilidad de que el estímulo sea elegido de la lista. 9 Probabilidad de que el estímulo provoque una experiencia subjetiva de escalofríos. 10 Probabilidad de que el estímulo provoque piloerección visible. * La pista de audio fue acortada. Apéndices 46 Manuales de Dispositivos Arduino Uno R3 Descripción del pin Categoría Pin Nombre del pin Detalles Potencia Vin, 3.3V, 5V, GND Vin: Voltaje de entrada a Arduino cuando se utiliza una fuente de alimentación externa. 5V: Fuente de alimentación regulada utilizada para alimentar el microcontrolador y otros componentes en la placa. 3.3V: alimentación de 3.3V generada por el regulador de voltaje a bordo. El consumo máximo de corriente es de 50mA. GND: pasadores de tierra. Reset Reset Restablece el microcontrolador. Pines analógicos A0 – A5 Se utiliza para proporcionar entrada analógica en el rango de 0-5V Pines de entrada/salida Pines digitales 0 - 13 Se puede utilizar como pines de entrada o salida. Serial 0(Rx), 1(Tx) Se utiliza para recibir y transmitir datos serie TTL. Interrupciones externas 2, 3 Para desencadenar una interrupción. PWM 3, 5, 6, 9, 11 Proporciona salida PWM de 8 bits. SPI 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) y 13 (SCK) Se utiliza para la comunicación SPI. LED incorporado 13 Para encender el LED incorporado. TWI A4 (SDA), A5 (SCA) Se utiliza para la comunicación TWI. AREF AREF Para proporcionar tensión de referencia para la tensión de entrada. 47 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Especificaciones técnicas de Arduin Uno Microcontrolador ATmega328P Tensión de funcionamiento 5V Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V Voltaje de entrada (límite) 6-20V Pines de E/S digitales 14 (de los cuales 6 proporcionan salida PWM) Pines de E/S digitales PWM 6 Pines de entrada analógica 6 (A0-A5) Corriente de DC por pin de E/S 20 mA Corriente de DC para pin de 3.3V 50 mA Memoria Flash 32 KB (ATmega328P) de los cuales 0,5 KB utilizados por bootloader SRAM 2 KB (ATmega328P) EPROM 1 KB (ATmega328P) Frecuencia (Velocidad del reloj) 16 MHz LED_BUILTIN 13 Longitud 68,6 mm óptico Ancho 53,4 mm Peso 25 g Advertencias El Arduino Uno tiene un polifusible reajustable que protege los puertos USB de su computadora de cortocircuitos y sobrecorriente. Aunque la mayoría de los ordenadores proporcionan su propia protección interna, el fusible proporciona una capa adicional de protección. Si se aplican más de 500 mA al puerto USB, el fusible romperá automáticamente la conexión hasta que se retire la sobrecarga o cortocircuito Pulse Sensor Descripción General Características Pulse Sensor es el sensor óptico de frecuencia cardíaca (PPG) original de bajo costo para Arduino y otros microcontroladores. Está diseñado y fabricado por World Famous Electronics, que mantiene activamente extensos proyectos y códigos de ejemplo en: www.pulsesensor.com • Incluye accesorios del kit para lecturas de sensores de alta calidad. • Diseñado para Plug and Play • Tamaño pequeño e integrable en wearables. • Funciona con cualquier MCU con un ADC • Trabaja con 3 voltios o 5 voltios • Biblioteca Arduino bien documentada. Índices absolutos máximos Min Tipo Max Unidad Rango de temperatura de funcionamiento -40 +85 ºC Rango de voltaje de entrada 3 5.5 V Rango de voltaje de salida 0.3 Vdd/2 Vdd V Corriente de suministro 3 mA Apéndices 48 Componentes del kit Pulse Sensor Tamaño del sensor en pulgadas(mm) y conexiones Especificaciones del cable • Longitud 610 mm (24 pulgadas) • Calibre 26 • Aislamiento de PVC, estilo de cinta • Terminación del encabezado masculino o Cable negro = GND o Red Wire = Vdd o Cable púrpura = señal de pulso El sensor de pulso está certificado como Código Abierto con la Open Source Hardware Association 49 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección GSR Sensor Componentes del kit GSR Sensor Dimensiones (pulgadas y mm) Parámetros Valor/Rango Dimensiones 24mm x 20mm x 9.8mm Tensión de funcionamiento 3.3V/5V Sensibilidad Ajustable mediante potenciómetro Señal de entrada Resistencia, NO Conductividad Señal de salida Voltaje, valor analógico Material de contacto con los dedos Niquel Peso 29g Apéndices 50 Códigos de Arduino A la hora de implementar el correspondiente código de los sensores en Arduino, hemos creado un proyecto formado por tres ficheros: el primero de ellos como main (“SENSORES_main.ino”), que incluye la librería, la definición de constantes y variables, las funciones void setup() y void loop() y las llamadas a los otros 2 ficheros; estos son “PulseSensor_BPM.ino” y “GSR_sensor.ino”. SENSOR_main.ino #define USE_ARDUINO_INTERRUPTS true #include <PulseSensorPlayground.h> const int OUTPUT_TYPE = SERIAL_PLOTTER; /* Pinout: PIN_INPUT = Analog Input. Connected to the pulse sensor purple (signal) wire. PIN_BLINK = digital Output. Connected to an LED (and 220 ohm resistor)that will flash on each detected pulse. PIN_FADE = digital Output. PWM pin onnected to an LED (and resistor)that will smoothly fade with each pulse. NOTE: PIN_FADE must be a pin that supports PWM. Do not use pin 9 or 10, because those pins' PWM interferes with the sample timer. */ /* *************************************************** * PINES DE PULSE SENSOR ** PINES DE GSR * * MARRON S A0 ** GND BLACK/GND * * ROJO + VCC ** 5V RED/VCC * * NARANJA - GND ** A2 YELLOW/SIG * * ** NC WHITE/RED LED * * ************************************************* */ /* GSR Sensor mano derecha Dedo corazón -> cable rojo Dedo índice -> cable negro */ /* PulseSensor mano izquierda -> dedo índice */ /************************/ const int PIN_INPUT = A0; // entrada pulse sensor const int PIN_BLINK = 13; // LED1 const int PIN_FADE = 5; // LED2 const int THRESHOLD = 550; // Adjust this number to avoid noise when idle /************************/ const int GSR=A2; // entrada GSR sensor int sensorValue=0; int gsr_average=0; /************************/ 51 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección /* All the PulseSensor Playground functions. */ PulseSensorPlayground pulseSensor; void setup(){ //Serial.begin(115200); //velocidad en baudios serie para arduino Serial.begin(128000); //velocidad en baudios serie para excel //líneas necesarias para imprimir los datos en una hoja excel Serial.println("CLEARDATA"); Serial.println("LABEL,Hora,Tiempo,GSR, BPM, tiempo entre latidos, Pulso"); //etiquetas para las columnas de excel Serial.println("RESETTIMER"); pulseSensor.analogInput(PIN_INPUT); pulseSensor.blinkOnPulse(PIN_BLINK); pulseSensor.fadeOnPulse(PIN_FADE); pulseSensor.setSerial(Serial); pulseSensor.setOutputType(OUTPUT_TYPE); pulseSensor.setThreshold(THRESHOLD); if (!pulseSensor.begin()) { //en el caso de que el PulseSensor no se inicie /* PulseSensor initialization failed, likely because our particular Arduino platform interrupts aren't supported yet. If your Sketch hangs here, try ProcessEverySample.ino, which doesn't use interrupts. */ for(;;) { // Flash the led to show things didn't work. digitalWrite(PIN_BLINK, LOW); delay(100); digitalWrite(PIN_BLINK, HIGH); delay(100); } } } void loop(){ Serial.print("DATA, TIME, TIMER, "); //imprime en excel la hora y un temporizador //llamamos previamente a la funcion gsr con las instrucciones del GSR Sensor e imprimimos el valor: Serial.print(gsr()); Serial.print(","); //llamamos previamente a la funcion pulse con las instrucciones del PulseSensor e imprimimos los valores indicados Serial.print(pulse()); Serial.println(""); } Apéndices 58 Sujeto 3 Ilustración 8: Estímulo 1 (“The Scientist” por Coldplay). 59 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Ilustración 9: Estímulo 2 (“Never Enough” de “The Greatest Showman”). Ilustración 10: Estímulo 3 (“2001: Odisea en el Espacio”). Apéndices 60 Ilustración 11: Estímulo 4 (“Gladiator”). 61 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Sujeto 4 Ilustración 12: Estímulo 1 (“Game of Thrones - Opening theme”). Apéndices 62 Ilustración 13: Estímulo 2 (“Never Enough” de “The Greatest Showman”). Ilustración 14: Estímulo 3 (“The Matrix”). 63 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Ilustración 15: Estímulo 4 (“Gladiator”). Apéndices 64 Sujeto 5 Ilustración 16: Estímulo 1 (“Crazy In Love - live version” por Beyoncé). 65 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Ilustración 17: Estímulo 2 (“Never Enough” de “The Greatest Showman”). Ilustración 18: Estímulo 3 (“2001: Odisea en el Espacio”). Apéndices 66 Ilustración 19: Estímulo 4 (“Gladiator”). 67 Integración y validación de un sistema biométrico para la detección de piloerección Comparativa de todos los estímulos de cada sujeto Ilustración 20: Observación de los cambios en la EDA y FC del sujeto 1. Apéndices 74 Referencias 75 75 REFERENCIAS [1] H. Damasio, A. R. Damasio, T. Grabowski, R. Frank y A. M. Galaburda, «The return of Phineas gage: Clues about the brain from the skull of a famous patient,» Science, vol. 264, pp. 1102-1105, 1994. [2] A. García Molina, «Phineas Gage y el enigma del córtex prefrontal,» Neurología, vol. 27(6), pp. 370-375, 2012. [3] A. I. Partida Hanon, «DNAngelica.com,» 27 Septiembre 2015. [En línea]. Available: https://dnangelica.com/dnangelica/index.php/2015/09/27/la-expresion-de-las-emociones-en-el-hombre- y-los-animales/. [Último acceso: 20 Enero 2020]. [4] C. Rodríguez Sutil, «Emoción y cognición. James, más de cien años después,» Anuario de Psicología, vol. 29(3), pp. 3-23, 1998. 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Glosario 79 79 GLOSARIO µS: microsiemens 1 AChR: Receptor de Acetilcolina 14 BSO: Banda Sonora Original 17 CE: Comité Ético de Experimentación 17 EDA: Actividad Electrodérmica 2 EMG: Electromiograma 1 FC: Frecuencia cardíaca 1 FR: Frecuencia respiratoria 2 GSR: Respuesta Galvánica de la Piel 14 K: Potasio 14 kΩ: kiloohmios 30 mV: milivoltios 1 Na: Sodio 14 PET: Tomografía por Emisión de Positrones 2 PPG: Fotopletismografía 24 s: segundo/s 30 S: Siemens 25 SC: Conductancia de la Piel 1 SN: Sistema Nervioso 7 SNA: Sistema Nervioso Autónomo 1 SNAP: Sistema Nervioso Autónomo Parasimpático 11 SNAS: Sistema Nervioso Autónomo Simpático 11 SNC: Sistema Nervioso Central 3 SNP: Sistema Nervioso Periférico 10 SNS: Sistema Nervioso Somático 1 t: Variable de tiempo 30 V: Voltios 25 Δy: Variación en la amplitud de la señal 30