ArtículoCientífico / Scientific Paper
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ROBOT MOVIL QUE ADQUIERE IMÁGENES PARA GENERAR UNA NUBE DE PUNTOS . Juan Musuña 1, Byron Zapata2, Luis Oñate3, Bayardo Campusano4
Resumen
Abstract
En este artículo se presenta el diseño y construcción de un equipo de medición de glucosa, de manera no invasiva, para lo cual se empezó por indagar sobre que es la diabetes, sus causas y efectos, así también se analizó los métodos y principios de funcionamiento existentes en equipos de medición de niveles de azúcar en la sangre. Utilizando un sensor de pulsioximetría, una circuitería adecuada y microcontroladores se obtiene una señal Fotopletismográfica la misma que mediante la Ley de Lambert-Beer, permite obtener los niveles de glucosa, que pueden ser medidas desde una aplicación en un dispositivo móvil con sistema operativo Android, facilitando el control continuo de diabetes. Este proyecto fue desarrollado conjunta mente con la asociación diabética del hospital Tierra Nueva.
This paper presents the design and construction of a measuring glucose non-invasively, for which it was first find out which is diabetes, its causes and effects, and also analyzed the methods and principles of operation existing measurement equipment levels of blood sugar. Using a pulse oximeter sensor, suitable circuitry and microcontrollers for the photoplethysmographic signal is obtained which is directly related to the Lambert-Beer law, finally obtaining glucose levels, which can be measured from an application on a mobile device with Android OS, providing continuous monitoring of diabetes. This project was jointly developed mind with Diabetic Association of Newfoundland hospital. Keywords:
Diabetes, Glucose, Interface, Pulse
Oximetry.
Ley de lambert-Beel, Diabetes, Glucosa, Interfaz, Pulsioximetría.
Palabras Clave:
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Estudiante de Ingeniería Electrónica - Universidad Politécnica Salesiana, Encargado del Mantenimiento Electrónico del Área de laminados – ADELCA ADELCA – Ecuador. Ecuador. 2 Estudiante de Ingeniería Electrónica - Universidad Politécnica Salesiana, Encargado del Laboratorio de Maquinas Eléctricas – UPS UPS – sede sede Quito. 3 Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones – Escuela Escuela Politécnica Nacional, Docente - UPS - sede Quito. 4 Master Biomedicina, UPM, Ingeniero en Sistemas – Universidad Universidad Politécnica Salesiana, Docente - UPS - sede Quito. Autor para correspondencia:
[email protected] [email protected]
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ArtículoCientífico / Scientific Paper
1. Introducción La utilización de robots en diversos campos se ha vuelto muy importante en la actualidad, y más aún cuando se ha incorporado sistemas de visión artificial. Una aplicación de la visión artificial es la reconstrucción tridimensional de objetos pequeños basados en el tratamiento de imágenes con la finalidad de generar una nube de puntos que permitan construir la imagen tridimensional del objeto. La reconstrucción de objetos pequeños se convierte en un problema ya que no se puede realizar un escaneo de objetos grandes. Debido a esta necesidad, el proyecto consiste en construir un robot móvil para obtener los datos de su trayectoria, escanear habitaciones, capturar imágenes y procesarlas para generar una nube de puntos mediant el algoritmo….
2.1.1 Ecuaciones y cálculo de distancia recorrida El cálculo de la distancia recorrida realizada por los robots móviles implicara conocer los siguientes datos:
Diámetro de las ruedas. Angulo de ranuras de los encoders. Distancia de separación de las ranuras de los encoders. Numero de ranuras de los encoders.[3]
2. Robot Móvil Los robots con ruedas son diseñados para eliminar las limitaciones de los robos fijos, estos robots son utilizados para tener movilidad a través de superficies. Los robots omnidireccionales pueden moverse en distintas direcciones utilizando una configuración de cuatro ruedas. [1]
2.1 Obtención de datos de la trayectoria del robot
Para conocer la el desplazamiento realizado por el robot se utiliza sensores ópticos que convierten un desplazamiento rotacional en una señal digital sin necesidad de convertidor analógico-digital.[2] El sensor óptico QRD114 detectar la presencia del haz de luz para generar la señal. La configuración de líneas sobre una circunferencia permite que el sensor qrd114 detecte partes de color negra remplazando análogamente a los encoders donde se detecta la presencia de agujeros.
Donde S: Distancia Recorrida R: Radio de las llantas PPV: Pulsos de vuelta C: Numero de Pulsos recorridos
2.2 Adquisición
Los componentes de un sistema de adquisición de imágenes son: Fuente de iluminación, sensores de imagen, procesamiento de imágenes. Las imágenes están constituidas por pixeles. Matemáticamente, una imagen se representa por r = f(x,y), donde r es la intensidad luminosa del pixel, cuyas coordenadas son (x,y).[4]
2.2.1Adquisición de Imágenes de forma bifocal Figura 1. Plano a sensar.
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La adquisición de forma bifocal es una técnica utilizada para obtener información de una escena a través de la adquisición de varias imágenes, con esta técnica se obtiene una mejor visualización tridimensional de objetos, la adquisición de imágenes de forma bifocal consiste en utilizar dos cámaras situadas en un soporte físico, las imágenes adquiridas son sincronizadas para que sean tomadas un mismo instante de tiempo.
2.3 Procesamiento de Imágenes Una característica importante del procesamiento de imágenes es la segmentación, que consiste en dividir una imagen para obtener áreas de interés contenidos en la imagen. Para centrarse en regiones que sean de interés se aplican métodos de detección de bordes
2.3.1 Métodos de obtención de bordes
Operador Sobel (K=2), es más sensible a los bordes diagonales que el de Prewitt aunque en la práctica hay poca diferencia entre ellos.[5] Operador Frei-Chen (K= ), el gradiente es el mismo para bordes verticales, horizontales y diagonales. [5]
2.3 Generación de la nube de puntos
2.2.2 3. Desarrollo del equipo 3.1 Diseño del Robot 3.2 Diseño del software de adquisición de imágenes. 3.3 Diseño del software de procesamiento de imágenes.
Las técnicas para la detección de bordes utilizan operadores locales basados en distintas aproximaciones discretas de la primera y segunda Basándonos en la Ley de Lambert-Beer anterior mente descrita la Absorbancia es directamente derivada de los niveles de grises de la imagen. [5] proporcional al compuesto, desarrollaremos una Los operadores más utilizados son: ecuación que relacione los niveles de voltaje 2.3.1.1 Operador de Roberts Este operador da una buena respuesta ante bordes obtenidos a partir de una de las etapas de nuestro diagonales, las máscaras utilizadas en este equipo, con niveles de glucosa reales, datos que se sustentan mediante una relación lineal entre la operador son: concentración y la absorbancia, utilizando para ello datos de medición de Espectrofotométrica de la glucosa con el equipo “Spec 20 and Spec 20D Spectrophotometers.” [4] [5] (5)
2.2.1.2 Operador Prewitt, Sobel y Frei-Chen Conociendo la concentración, en el eje x y la Estos operadores pueden formularse de forma Absorbancia de forma indirecta en el eje y, es conjunta con las siguientes máscaras de posible conocer la intensidad de luz transmitida convolución: basado en la ecuación (3) ⁄ , de esta manera se relaciona la Intensidad de luz transmitida y la corriente de entrada del fotodiodo como se observa en la Figura 1. Operador Prewitt (K=1) involucran a los vecinos de filas / columnas adyacentes para Proporcionar mayor inmunidad al ruido. [5] 3
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| Figura 2. Crecimiento de Corriente en función de Intensidad de luz transmitida de forma logarítmica.
Ecuaciones que fueron incluidas en el microcontrolador para tomar nuevas muestras y realizar una linealización que permita mostrar niveles de glucosa aproximados a la del Glucómetro comercial invasivo Roch Accu-Chek Active.
A medida que aumenta la intensidad de luz transmitida la corriente que entrega el fotodiodo aumenta logarítmicamente, obteniendo variaciones de corriente mínimas como indica la curva. Así también existe una relación lineal Figura 2. Ecuación Glucómetro Invasivo. entre la concentración de glucosa y la corriente que entrega el fotodiodo producto del efecto electrón hueco [7]. Los valores de la corriente de La ecuación de liberalización: entrada del fotodiodo se obtuvieron al comparar (11) los niveles de glucemia medidos con un Glucómetro comercial invasivo Roch Accu-Chek Esta ecuación es la resultante para obtener valores Active con los niveles de voltaje que entrega el reales de glucosa con el equipo desarrollado en el presente proyecto, obteniendo los siguientes Glucómetro no invasivo. valores de glucemia final. Los datos de glucemia recopilados entre Tabla 1: Medición de niveles de Glucosa con Glucómetro pacientes diabéticos tipo 2 del Hospital Tierra No invasivo y Glucómetro Invasivo Roch Accu-Chek Nueva y personas no diabéticas sustentaron la Active. elaboración de las cinco ecuaciones indirectas Glucómetro que relacionan voltaje con niveles de glucosa. Invasivo y = -45,73x + 246,6 y = -188,4x + 743,8 y = -376,4x + 1374 y = -985x + 3309 y = -188x + 855,5
Roch Accu-Chek Active. [mg/dl] 110 114 122 99 150 101 131 124 210
(6) (7) (8) (9) (10)
De esta manera basándonos en la fundamentación teoría de La Ley de Lamberth-Beer [3] se dice que: la ecuación (6) se encuentra en un Rango 1 de glucosa de 50-87.5 [mg/dl], la ecuación (7) se encuentra en un Rango 2 de glucosa de 88-112.5 [mg/dl], la ecuación (8) se encuentra en un Rango 3 de glucosa de 113-177 [mg/dl], la ecuación (9) se encuentra en un Rango 4 de glucosa de 177.5276 [mg/dl] y la ecuación (10) se encuentra en un Rango 5 de glucosa de 276.5-300 [mg/dl] como se observa en la Figura 2.
Glucómetro No invasivo [mg/dl]
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106 108 110 103 151 112 125 118 215
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3. Desarrollo del equipo 3.1 Diseño del hardware
La representación gráfica por bloques como se observa en la Figura. 3 muestra el proceso de acondicionamiento de la señal pletismográfica para obtención de niveles de glucosa mediante el ADC del microcontrolador, dato que será mostrado en una LCD y enviado a un Dispositivo móvil mediante una interfaz.
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Figura 3. Diagrama de bloques Glucómetro no invasivo.
Para la construcción del equipo se empezó diseñando el control del Sensor de pulsioximetría (ENVITEC), el cual está conformado en la parte superior de un LED rojo y un LED infrarrojo para la incidencia de luz y en la parte inferior un Foto Diodo para la conversión de luz a corriente. El conjunto de Led’s deben conmutar a una frecuencia de 500 Hz con longitudes de onda de 660nm Led rojo y 890nm Led Infrarrojo o NIR para la generación de onda Fotopletismográfica.[7] Esta conmutación se logra con el uso del Microcontrolador secundario que genera señales TTL a 20mA por pin de salida conmutadas entre si, además se ha implementado adicionalmente un Puente H quien efectiviza la conmutación y eleva los niveles de corriente para lograr mayor Intensidad de incidencia lumínica. Esta Incidencia lumínica atravesarán un medio de absorción (Dedo índice izquierdo), esto produce la disminución de la intensidad inicial de modo que los fotones que logran impactar el área del fotodiodo dan lugar a una corriente proporcional a la intensidad transmitida siendo esta equivalente a la concentración de glucosa [8].
Para viabilizar el procesamiento de la señal obtenida se implementa una segunda etapa, un Amplificador de Transimpedancia o Conversor de Corriente a Voltaje que además eleva en amplitud la señal a un nivel de digitalización. Esta nueva señal tiene un nivel de corriente continua (DC) negativa por lo que nos da paso a implementar la tercera etapa, un Circuito Sumador, encargado de elevar nuestra señal a un nivel requerido (0 - 5V), para que la señal sea adquirida por el microcontrolador, en este punto surge un inconveniente al realizar las mediciones ya que en cada sujeto la señal no está ajustada en cero, motivo por el cual se implementó una cuarta etapa, se trata de un Circuito Fijador activo de nivel positivo “ Como consecuencia de ello, la señal de salida tiene la misma amplitud y forma de la señal de entrada, excepto el nivel de DC. [5]” de esta manera se garantiza la digitalización de la señal. Esto se llevará a cabo mediante el microcontrolador principal, que se encargara de realizar el ADC de la señal de glucometria para que posteriormente se ejecute el código del programa dentro del microcontrolador que contiene la Ecuación de Glucometria, obteniendo el nivel de glucosa, valor que se observa en una LDC y adicional mente podrá ser transmitida a través de una Interfaz Bluetooth a un Dispositivo Móvil con sistema operativo Andriod v4.0.0, donde se registrara cada medición de glucosa en una base de datos o se enviara a una Pagina Web.
3.2 Diseño del software Representación gráfica del algoritmo programado en el microcontrolador principal, como se observa en la Figura 4.
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| comunicación vía bluetooth, a una velocidad de transmisión de 9600 baudios, para ello se utilizo los registros UART y ADCOM1 de los puertos C y A respectivamente, el registro UART (transmisorreceptor asíncrono universal), esta encargado de escuchar el byte que iniciara la conversión análoga-digital. El registro ADCON1 se encarga de configurar como digital o analago A/D , teniendo en cuenta que la tensión máxima de entrada en el puerto es de 5 Volts. Una ves receptado el byte de inicio la señal de glucometria empezará a ser cuantificada mediante la instrucción ADC_Read, acción que será realizada a 10 bytes que luego serán 1023 niveles de glucemia. Para obtener el valor real de glucemia, se realizo una comparación con una constante, de este mdo se obtiene el valor pico de la señal muestreada, dato que será ingresado en uno de los rangos prestablecidos en el ADC para ser evaluados en una de las ecuaciones de glucometria.
Inicio
Dato Bluetooth NO
Uart SI
ADC Valor Mínimo del ADC NO
SI Rang
NO
Finalmente mediante el registro UART Tx enviamos el nivel de glucosa hacia el dispositivo móvil.
SI Rang
NO
SI
El dispositivo móvil cuenta con una aplicación que fue desarrollada en una plataforma web llamada App inventor de Google, para dispositivos con sistema operativo Android, aplicación que se desenvuelve con librerías Open Blocks de Java, como se observa en la Figura 5 que muestra la representación del algoritmo de dicha aplicación en un diagrama de flujo.[6]
Rang
SI
NO Rang
NO
SI Rang
Uart Tx Glucosa
Fin Figura 4. Diagrama de flujo de Microcontrolador principal.
El equipo de medición de glucosa inicia su funcionamiento a partir de receptar un bit de inicio mismo que es proporcionado por un dispositivo móvil, estableciéndose de este modo una 6
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medidor de glucemia mostrara un mensaje indicando que no existe comunicación con el equipo.
Inicio
Botón Conectar -Desconectar
NO
Conexión Bluetooth
Dispositivo sin conexión
SI
Botón Medir Glucosa
Botón Salir
NO
Nivel Glucosa [mg/dl] SI
Base de datos
Pagina Web
Figura 5. Diagrama de Flujo Smartphone
Button MEDIR, este se habilitara solamente si previamente se ha establecido una comunicación, al pulsarlo, este ejecutara las sentencias prestablecidas para realizar la medición de glucemia mediante la utilización de un clock-timer el cual se encarga de recibir el texto en bytes asignándolo un Label, que se mostrara en la parte media de la interfaz, adicional mente si el paciente desea realizarse nueva mente la medición lo podrá hacer después de reiniciar la medición, dando un pulso extendido al Button MEDIR. Button GUARDAR, una vez realizada la medición esta podrá ser almacenada en una variable global encarga de generar un listado de mediciones con su respectiva hora y fecha actual, información que será almacenada en la base de datos generada en el dispositivo móvil.
Button ENVIAR, al pulsar este Button la aplicación se cerciora si existe o no una conexión Botón Wi-Fi para proceder a enviar el diagnostico a una Salir pagina web, que será de uso exclusivo del especialista medico, si no existe ninguna conexión Wi-Fi el proceso deja de ejecutarse.
La interfaz grafica es una aplicación propia de Button SALIR, esta Button estará habilitado desde Android, programada gráficamente mediante el el momento que se establezca la comunicación, software App Inventor, así será desarrollada posibilitando al paciente abandonar la aplicación si principal mente para la toma de medidas de niveles así lo desea. de glucemia, consta de una serie de Buttons, cada uno de ellos encargado de ejecutar una 4. Resultados y Discusión determinada acción, detalladas a continuación: Los niveles de glucosa obtenidos con el glucómetro no invasivo como se observa en la Button CONECTAR DESCONECTAR, al ser Tabla 1, muestran un margen de error relativo del pulsado por primera vez ejecutara una sentencia 2.58% respecto a los valores de glucemia medidos de conexión a la dirección MAC desde el glucómetro invasivo de referencia Roch 00:0A:3A:2B:C3:36, propia del modulo Bluetooth Accu-Chek Active, mostrados en la Tabla 2, datos del equipo medidor de glucemia. Una ves individuales que se encuentran dentro del rango establecida la comunicación esta podra ser según la Norma ISO 15197 creada en el 2003 abandonada al dar un pulso extendido sobre el expone que los resultados de concentraciones de mismo Button, en el caso de que nunca llegase a glucosa del fabricante <75 mg / dl caerán dentro de establecerse la comunicación con el equipo ± 15 mg / dl y los resultados de concentraciones de 7
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| glucosa ≥ 75 mg / dl o caerán dentro de ± 20%,
estableciendo la medición mínima aceptable de glucosa en sangre.[10] Tabla 2: Errores Sistemáticos que caracterizan el error obtenido en las lecturas del Glucómetro No Invasivo.
Glucómetro Invasivo Roch Accu-Chek Active.
Glucómetro No invasivo
ERROR ABSOLUTO
3.1650
3.3994
ERROR RELATIVO
2.4031%
2.5890%
Medidas de glucosa que fueron recopilados en un grupo de pacientes en estado postprandial. Teniendo una repetitibiidad de 2,26 % del alcance. Para una correcta medición es necesario realizar la prueba en el dedo índice de la mano izquierda debido a que en el intersticio existe una mayor concentración de glucosa y la reacción a la variación de los niveles de azúcar son más rápidos que los medidos plasmáticamente [11], también se debe adoptar una postura de relajación estática, puesto que los movimientos bruscos causan variaciones significativas en la intensidad de transmisión lumínica del sensor, afectando de esta manera los resultados finales, cabe mencionar que para generar la ecuación de glucemia y la linealización de la ecuación 11 se descartó datos tomadas a pacientes que tenían esmaltadas las uñas o alguna coloración producto de un golpe.
sensor, interferencias electromagnéticas ni barniz de uñas o moretones a causa de golpes puesto que estas afectan directamente a las lecturas realizadas por el equipo por ejemplo, proporcionando un resultado de 87mg/dl, cunado su valor real es de 202mg/dl, teniendo un error del 60% valor que no se encuentra dentro del rango permitido por la norma ISO 15197. Se observa que dentro de las causas que afectan directamente la medición de glucemia, la luz ambiente afecta también a nuestras medidas, para obtener una buena señal el sensor debe estar dentro de capuchón que esté blindado de luz externa. El método de análisis utilizado en el proyecto relaciona directamente la Absorbancia con el compuesto, utilizando longitudes de onda cercano a la infrarroja NIR, obteniendo así valores cuantitativos de glucosa en un dispositivo móvil desde el Glucómetro No invasivo, verificando que existen variables muy importantes que afectan directamente los valores de glicemia.
Referencias [1] Autonomous Mobile Robots [2] H. Olivero, “Variación entre los Valores de Glucemia Obtenidos con Glucómetro digital, en Base a la Técnica de Antisepsia Realizada en Piel, previo a la Toma de la Muestra”
”
Proyecto de titulación, Universidad Francisco Marroquín, Guatemala. Feb. 2004. [3] David T. Plummer “Introducción a la Bioquímica
Practica
Cap
4”.
[Online],
Disponible en: http://www.bioquimica.dogsleep.net/Laborato rio/Plummer/Chp04.pdf [4] Narahara Chari Dingari, Gary L. Horowitz, Jeon Woong Kang, Ramachandra R. Dasari,and Ishan Barman. “Raman Spectroscopy Provides a Powerful Diagnostic Tool for Accurate Determination of Albumin Glycation.” [online], National Center for Biotechnology Information,USA, 2012.
5. Conclusiones
Se observó que la señal de glucometría obtenida en la etapa final de la circuitería del equipo depende de la luz de incidencia. En la toma de medidas se tubo en cuenta que no exista: bucles en el cable de conexión entre el sensor y el equipo, movimientos bruscos en el 8
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Disponible en: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/ [5] A.B. Malvino “Principios de Electrónica” sexta edición. McGraw-Hill, 1999, pp.933. [6] M.Sacco, Neoteo ABC, Revista online de tecnología “App inventor: Hola Mundo en Android” [online]. Disponible en: http://www.neoteo.com/app-inventor-holamundo-android-ii [7] Rubén Darío Cárdenas Espinosa. “Diseño Electrónico Análogo”, [Online] Manizales, Departamento de Caldas Republica de Colombia Marzo de 2009. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos pdf2/diseno-electronico-analogo/disenoelectronico-analogo.pdf [8] V. Chan, S. Underwood, “A Single-Chip Pulsoximeter Design Using the MSP430”,
Texas-USA, Feb 2012, [online], Disponible en: http://www.ti.com/lit/an/slaa274b/slaa274b.p df [9] Jon H. Hardesty, PhD and Bassam Attili, PhD “Spectrophotometry and the Beer -Lambert Law: An Important Analytical Technique in Chemistry”, 2010, pp.1-6, Disponible en: http://vfsilesieux.free.fr/1Seuro/BeerLaw.pdf
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