EOG (Informe Final)_1

Contenido:

Contenido:

1.

................................................................................................................................................................1

Introducción EOG y aplicación

................................................................................................................2

1.1.

Generación de la señal electrooculográfica .......................................................................................2

1.2.

El EOG.....................................................................................................................................................4

1.3.

Movimientos Oculares ...........................................................................................................................5

1.4.

¿Qué mide el EOG?

..............................................................................................................................6

1.5. Aplicaciones Aplicaciones del EOG

...........................................................................................................................6

2.

Diagrama de bloques sistema ..................................................................................................................8

3.

Especificaciones técnicas generales .....................................................................................................9 3.1.

Electrodos. Electrodos . Disposición y características. característic as. ................................. ............... .................. ................. ................. .................. ............9

3.2.

Disposición de los electrodos ...........................................................................................................

3.3.

IMPEDANCIA DE LA INTERFAZ PIEL-ELECTRODO. ................................................................ 10

3.4.

CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL DEL EOG. ........................................................................... 11

3.5.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LA SEÑAL DE EOG. .................. ................. ............... 1 1

10

4.

Esquemático completo electrodos hasta OSC-LEDs .....................................................................

5.

Placa Impresa con Apellidos y curso-semestre ............................................................................... 16

6.

Forma señal Osc .......................................................................................................................................

18

7.

Resultados Comparadores canal Hor-Ver .........................................................................................

20

8.

Foto Placa, OSC, LEDs y Sistema acabado................. ................. .................. ................. .................. 21

9.

Data sheets CI en General ......................................................................................................................

26

Anexos varios ........................................................................................................................................

29

10.

13

Ingeniería Biomédica

1. Introducción EOG y aplicación Los potenciales bioeléctricos del cuerpo humano no son determinísticos, es decir sus magnitudes pueden variar en el tiempo y operan dentro de un rango variable aunque todos los factores estén controlados. Los valores pueden variar de un individuo a otro de forma significativa aunque estos estén completamente sanos y las condiciones de adquisición sean las mismas. El principal problema en la captación de las señales bioeléctricas viene dado por que éstas tienen un valor muy pequeño en comparación con otro tipo de señales eléctricas con eléctricas con las que se acostumbra a trabajar en electrónica y el hecho que están limitadas a un rango muy preciso de frecuencia. Estos dos factores hacen que a menudo se encuentren contaminadas de ruido que enmascara la señal al ser de amplitud muy superior al de la propia señal que se quiere registrar. En las próximas páginas de este informe final del EOG se dará una concisa explicación de los mecanismos de generación de biopotenciales en el ojo humano, para tener toda la información posible con la que realizar el diseño del aparato, y veremos con más detalle cuales son los problemas de captación, centrados sobre la obtención de la señal de EOG, y las estrategias de diseño que podemos seguir para eliminarlos o atenuarlos lo suficiente para que no entorpezcan la adquisición de la señal sin dañar información útil.

1.1.

Generación de la señal electrooculográfica

El ojo es un órgano extremadamente complejo donde la principal fuente de señal bioeléctrica se centra en la retina. retina. Ésta está compuesta por millones de neuronas que también son llamadas fotorreceptores. Hay dos tipos de fotorreceptores especializados, los conos y los bastones; los conos para visión diurna y cromática y los bastones para la nocturna. Los fotorreceptores son células de forma alargada polarizadas, polarizadas , en cuanto su forma y función, y segmentadas en subregiones sobre la retina con diferente papel funcional. funcional. Para el objeto del presente proyecto no interesa su fisiología ni su funcionalidad pero existen diferencias de polarización entre ellas que pueden afectar al resultado del EOG . Los dos tipos de receptores tienen distinta sensibilidad eléctrica a la luz y su polarización puede variar según la intensidad de la luz con la que son excitados. A grandes rasgos, y sin entrar en la fotoquímica fotoquímica de estas células, células , en el fotorreceptor fluye una corriente eléctrica continua desde el segmento interno al segmento externo por el exterior de la membrana celular y del segmento externo al interno por el interior . Dado que esta corriente es máxima cuando la retina no está iluminada directamente, está en reposo, se le ha denominado como corriente oscura

Electrooculograma – EOG (Informe final)

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Corriente oscura en los fotorreceptores. Detalle de los fotorreceptores presentes en la retina y la polarización de su membrana generando la corriente oscura (en rojo).

A esta corriente oscura se asocia un gradiente constante de potencial. La capa de fotorreceptores externa, formada por el segmento externo de la célula que sobresale de la retina, es negativa en relación con la superficie posterior de la retina denominada banda sináptica , donde se realiza la sinapsis entre el fotorreceptor y el nervio óptico, que tiene un valor positivo. La diferente concentración de células en uno u otro lado de sus membranas celulares constituyen un diferencial de potencial que genera un campo eléctrico que puede ser registrado. Como resultado se puede considerar el globo ocular como un dipolo donde la parte posterior del ojo es electronegativa respecto la zona de la córnea que sería electropositiva. Este potencial ha sido registrado mediante la colocación de un electrodo en la córnea y otro en la parte posterior del ojo. En reposo existe una diferencia de potencial de 6mV entre la parte delantera del ojo y la posterior.


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Dipolo eléctrico Ocular. Disposición de las cargas a lo largo de la retina.

1.2.

El EOG

El potencial del dipolo formado por el globo ocular puede ser medido a una cierta distancia mediante electrodos médicos colocados sobre la piel en las cercanías del globo ocular. Con dos electrodos colocados sobre las sienes de un paciente, se puede registrar los movimientos horizontales del ojo. Cuando los ojos giran hacia uno de estos electrodos, el electrodo adquiere una polarización más positiva respecto al electrodo del cual los ojos se alejan, que adquiere un potencial más negativo. Esta diferencia de potencial se puede medir como una señal diferencial del movimiento de los ojos y su posición. Este es el principio eléctrico generador de la técnica del EOG. Se define el EOG como: “Un examen que consiste en colocar pequeños electrodos cerca de los músculos de los ojos para medir el movimiento de éstos. Este examen es utilizado en la polisomnografía. ”

En condiciones habituales existe una diferencia de potencial de aproximadamente de 0,4 a 5 mV entre la córnea y la membrana de Bruch situada en la parte posterior del ojo. El origen de esta diferencia se encuentra en el epitelio pigmentario de la retina y permite considerar la presencia de un dipolo, el cual puede ser representado por un vector cuyo brazo coincide con el eje anteroposterior del globo ocular, donde la córnea corresponde al extremo positivo y la retina al extremo negativo de dicho dipolo. Ahora bien, el potencial producido por este dipolo es susceptible de ser registrado a través de sistemas de registros tanto unipolares como bipolares, mediante la colocación de electrodos en la piel cercana al ojo. Al medir el potencial producido por un dipolo, la magnitud (voltaje) y polaridad del potencial registrado dependerán, en gran medida, de la angulación del dipolo con respecto a los electrodos pertenecientes a dichos sistemas de registro. Electrooculograma – EOG (Informe final)

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Debido al carácter esférico del dipolo ocular y la simetría de los ojos, el mismo principio es aplicable para captar los movimientos Verticales.

Captación del EOG. a) Potencial del dipolo ocular respecto al movimiento de los ojos. b) Polarización de los electrodos.

1.3.

Movimientos Oculares

Existen cuatro tipos de movimientos oculares, cada uno controlado por un sistema neural distinto pero que comparten la misma vía final común, las neuronas motoras que llegan a los músculos extra oculares: 1. Los movimientos sacádicos: movimientos súbitos y enérgicos de tipo espasmódico, ocurren cuando la mirada cambia de un objeto a otro. Colocan nuevos objetos de interés en la fóvea y disminuyen la adaptación en la vía visual, que podría ocurrir si la mirada se fijara en un solo objeto por períodos prolongados. 2. Los movimientos suaves de persecución (de búsqueda): movimientos oculares de seguimiento que se producen cuando se observa un objeto en movimiento. 3. Los movimientos vestibulares (movimientos de ajuste): ocurren como respuesta a estímulos iniciados en los conductos semicirculares, para mantener la fijación visual mientras se mueve la cabeza. 4. Los movimientos de convergencia: aproximan los ejes visuales entre sí cuando se enfoca la atención en objetos cercanos al observador. Aun cuando una persona se fije en un objeto estacionario, sus ojos no están inmóviles, sino que exhiben muy pequeños movimientos involuntarios. Hay tres tipos de movimientos involuntarios: vibración, saltos lentos y golpeteos. Electrooculograma – EOG (Informe final)

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1. Vibración: una serie de pequeñas vibraciones de los ojos entre 30-80 Hz (ciclos/s). 2. Saltos lentos: movimientos involuntarios que resultan en movimiento de saltos de los ojos; estos saltos significan que aunque los objetos estén estacionarios, la imagen salta a través de la fóvea. 3. Movimientos de golpeteo (microsacádicos): como la imagen salta en el extremo de la fóvea, el tercer mecanismo involuntario causa un reflejo de salto del globo ocular de tal manera que la imagen es proyectada nuevamente hacia la fóvea.

1.4. 



1.5.

¿Qué mide el EOG? La retina tiene un potencial bioeléctrico de reposo, de carácter electronegativo respecto a la córnea. De este modo, los giros del globo ocular provocan cambios en la dirección del vector correspondiente a este dipolo eléctrico. El EOG es la técnica que nos permite medir las variaciones eléctricas que se producen en el ojo al realizar un movimiento ocular sacádico.

Aplicaciones del EOG

Los resultados del EOG no deben interpretarse aisladamente ya que en la mayoría de los casos van asociadas a alteraciones del ERG (Electrorretinograma de Campo Difuso). Podemos encontrar grados variables de alteración del EOG en distrofias de foto receptores, cegueras nocturnas estacionarias congénitas y en diversas patologías inflamatorias o vasculares con afectación extensa de la retina. Sin embargo, encontramos una especial utilidad del EOG en el diagnóstico de distrofias del EPR, como la enfermedad de Best o la enfermedad de Stargardt con fundus flavimaculatus, y en el diagnóstico precoz de toxicidad retiniana por medicamentos.


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a) Distrofias del EPR: A pesar de que los hallazgos oftalmoscópicos en la enfermedad de Best se centran en la región macular, se trata de una afectación difusa del EPR que presenta un cociente de Arden muy reducido en presencia de ERG normal. Esta disociación ERG/EOG constituye el diagnóstico de la enfermedad incluso en familiares portadores sin hallazgos oftalmoscópicos. b) Toxicidad medicamentosa: antipalúdicos de síntesis, vigabatrina, didanosina, deferoxamina y neurolépticos como la clorpromazina o la tioridazina son fármacos que han demostrado efectos tóxicos sobre la retina en algunos pacientes con tratamientos prolongados. El EOG puede presentar anomalías en estadíos preclínicos de intoxicación, siendo un arma valiosa para indicar la interrupción o reducción del tratamiento.

Sin embargo, encontramos una especialidad utilidad del EOG en: 

Diagnóstico de distrofias del Epitelio Pigmentario Retinal: Enfermedad de Best Enfermedad de Stargardt  



Diagnóstico precoz de toxicidad retiniana por medicamentos.



Diagnóstico de enfermedades relacionadas con la alteración el sueño: Narcolepsia Síndrome de apneas obstructivas durante el sueño Trastorno de conducta durante el sueño REM   


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2. Diagrama de bloques sistema

ELECTRODOS ADQUISICION

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION

FILTRO PASA-ALTO

FILTRO PASA-BAJO PROCESAMIENTO

FILTRO NOTCH

AMPLIFICADOR

SISTEMAS DE OP-AMPS (COMPARADORES) VISUALIZACION

LEDS


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3. Especificaciones técnicas generales 3.1.

Electrodos. Disposición y características. 



Para el registro del movimiento vertical y horizontal se utilizan un total de 5 electrodos, 4 para el registro directo de la señal del EOG y uno de referencia. Para el registro horizontal, también llamado derivación horizontal (DH), se sitúan electrodos en las sienes. Para la derivación vertical (DV) sólo hay que cambiar la posición de los electrodos, colocando uno en la parte superior del ojo (sobre la ceja) y el otro en la parte inferior del mismo ojo (bajo el párpado inferior) como se puede apreciar en la figura.

La diferencia de potencial en la DH, electrodos A-B, será proporcional al movimiento horizontal de los ojos mientras que la DV, electrodos C-D, lo es respecto a la desviación vertical de la mirada. El electrodo E es el de re ferencia. La señal del EOG varia aproximadamente en 20 μV por cada grado de desviación del ojo, siendo esta relación lineal en movimientos angulares absolutos de hasta 30º de arco, con un error inferior a 2º. En las pruebas de EOG se suelen utilizar electrodos flotantes de Ag-AgCl y un gel electrolítico como puente entre la piel y el electrodo a fin de minimizar las interferencias causadas por movimientos o rozamientos de los electrodos contra la piel de fuerte componente DC. Así, las condiciones de adquisición se mantienen estables mientras el puente de electrolito mantenga el contacto entre la piel y el electrodo. El intercambio Ión-electrón se realiza entre el electrodo y el gel resultando en un potencial conocido como potencial de media celda.


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3.2. Disposición de los electrodos Los electrodos A-B forman la derivación horizontal (DH), para el registro horizontal, mientras que los electrodos D-C forman la derivación vertical (DV), para el registro vertical. El electrodo E es de referencia. Aunque se disponga de un gel electrolítico entre la piel y el electrodo existen potenciales DC presentes en la señal que debe ser considerado en la elección de la ganancia del amplificador, sobre todo en la etapa preamplificadora o ‘ front end ’. Este o f f s e t en continua es generado por el electrodo y debe ser inferior a ±300 mV para no saturar el amplificador . Existen electrodos médicos comerciales que garantizan la generación de un offset inferior a los admitidos por los estándares médicos sobre equipos biomédicos, aunque es un dato a tener en cuenta en caso de que las condiciones de captación sean adversas, pacientes poco cooperativos, etc. Por otro lado, se recomienda que los electrodos se apliquen directamente con el gel sobre la piel, sin ayuda de parches dérmicos adhesivos, para no aumentar la distancia al globo ocular y limitar los offsets que estos parches pueden generar. Unos electrodos de ‘cucharilla’, como los utilizados en los electroencefalogramas (EEG), son los más adecuados.

3.3. IMPEDANCIA DE LA INTERFAZ PIEL-ELECTRODO. La impedancia de entrada al EOG debe ser lo suficientemente alta para transmitir correctamente la señal pero no tan alta como para atenuar significativamente ésta. Cada interfaz piel-electrodo tiene una impedancia finita que puede variar según muchos factores, temperatura de la piel, superficie de contacto del electrodo, piel grasa, etc. La impedancia de la piel puede ser reducida por abrasión mecánica. La parte más externa de la piel, el Stratum Corneum , donde se concentran las células muertas y resecas de la piel, tiene una alta resistencia y efectos capacitivos. Para un 1 cm² de piel, la impedancia del Stratum Corneum puede variar entre 200KΩ a 1Hz a 200Ω a 1MHz. La preparación por abrasión de la piel puede reducir esta impedancia de 1 a 10KΩ a 1Hz.

Interficie Piel-Electrodo generada por dos electrodos. Las capas de la piel generan una impedancia entre los dos electrodos (R); Cada electrodo tiene asociada una impedancia reactiva, Ze. Electrooculograma – EOG (Informe final)

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El estándar para la electrooculografía clínica ( Draft V50) del ISCEV (International Society for Clinical Electrophysiology of Vision), indica que la impedancia entre cada par de electrodos no debe superar los 5kΩ, medido con un tester médico de impedancia de electrodos. 3.4.

CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL DEL EOG. Debido al alejamiento de los electrodos de la córnea, la impedancia de la piel y otros factores, el potencial registrado se ve atenuado y la señal del EOG oscila entre los 250 y 1000 μV.

El rango de frecuencias de la señal del EOG va de los 0 (cc.) a los 100Hz. Aunque los movimientos sacádicos se concentran en torno a los 30Hz. [ISCEV, 06] La señal tiene, idealmente, una forma cuadrada para los movimientos sacádicos y estáticos (posicionamiento de la mirada), y forma de sierra cuando se efectúan movimientos de seguimiento (MOL).

3.5.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LA SEÑAL DE EOG. Aunque la mayor cantidad de información se obtiene en acoplamiento DC del amplificador para el registro de las sácadas, se recomienda que el amplificador tenga un acoplamiento AC alternativo que elimine la componente DC cortando a 0.01Hz el ancho de banda de la señal para el registro sacádico, ya que se pueden dar altos offsets de entrada por la polarización de los electrodos o el movimiento de estos. En pacientes con Ataxia se pueden dar movimientos involuntarios espasmódicos que dificulten el registro, por ejemplo. Para el acoplamiento DC deberá emplearse técnicas de compensación de offset que atenúen o eliminen el producido por los electrodos.

Acoplamiento DC y AC. Si se corta a una frecuencia superior a 0.5Hz pueden aparecer sobre-picos que enmascaren sácadas involuntarias, dificultando la identificación de las mismas. Electrooculograma – EOG (Informe final)

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En el registro AC aparece una pendiente entre sácadas con un sobre-pico en su origen que puede ser confundida con un pico sacádico involuntario, si se aumenta la frecuencia de corte por encima de los 0.5Hz, el sobre-pico puede ser muy importante y dificultar la identificación de las sácadas involuntarias [ISCEV, 06]. Así es conveniente que el acoplamiento AC del amplificador se realice con un filtro pasa altos con frecuencia de corte entre 0.01 – 0.5Hz. La parte más importantes es la captación del EOG, compuesto por un amplificador de biopotenciales, que amplifica la señal y delimita al ancho de banda necesario para la correcta adquisición de la señal electrooculográfica.

Amplificador Biopotenciales. Esquema de un amplificador de EOG básico.


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4. Esquemático completo electrodos hasta OSC-LEDs 

Canal 1 - Vertical (Amplificador de Instrumentación, Filtro Pasabajo, Filtro Pasaalto, Filtro Notch, Amplificador final)

Circuito Esquemático – Canal Vertical (Diseño en EAGLE)


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

Canal 2 - Horizontal (Amplificador de Instrumentación, Filtro Pasabajo, Filtro Pasaalto, Filtro Notch, Amplificador final)

Circuito Esquemático – Canal Horizontal (Diseño en EAGLE)


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

Comparador (Usando Op – Amp TL074 y diodos LED)

Otra alternativa para realizar el comparador y visualizar los resultados con algún otro tipo de visualizador, aparte de los diodos Led’s, es hacer uso de un software adecuado y una tarjeta de adquisición de datos. En el presente proyecto haremos uso del software LabView, donde creamos un programa que permita procesar las señales amplificadas obtenidas por los dos canales, de la misma manera al de un circuito de comparación. La tarjeta de adquisición de datos usada es DAQ6008.

La tarjeta de adquisición de datos a utilizar, será de la marca National Instruments.


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5. Placa Impresa con Apellidos y curso-semestre Después de haber realizado el respectivo diseño de los circuitos esquemáticos en el EAGLE, podemos realizar el trazado de pistas o Layout en el mismo software. Como las etapas de comparación y visualización no se harán de forma física, porque se usará el software LabView, entonces solo se implementarán dos placas correspondientes al canal 1 (Vertical) y al canal 2 (Horizontal). La placa impresa de ambos canales tendrá la forma siguiente:

La ubicación de los componentes se realizará de la siguiente forma:


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Nominación del componente

Valor

IC1 IC2 C1 C2 C3 C4 C5 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21

TL074P TL074P 3.3u 100n 50n 2.2u 2.2u 25k 5k 25k 25k 25k 25k 25k 1M 1M 500k 22k 22k 47k 1.2k 1.2k 600 450 10k 10k 680 1M


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6. Forma señal Osc Se conectó los electrodos en sus respectivos lugares en el rostro para verificar ambos canales. A continuación se va a comprobar la amplificación de los dos canales mediante la pantalla del osciloscopio. 

Cuando los ojos se mueven a la derecha se forma un pequeño pulso hacia arriba.

Canal Horizontal (Resp. A la Derecha)



Cuando los ojos se mueven a la izquierda se forma un pequeño pulso hacia abajo.

Canal Horizontal (Resp. A la Izquierda)


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

Cuando los ojos se mueven hacia arriba se forma un pequeño pulso hacia arriba. En cambio cuando los ojos se mueven hacia abajo el pulso se genera para abajo.

(Resp. hacia Arriba) (Resp. hacia Abajo)


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7. Resultados Comparadores canal Hor-Ver El programa, hecho en Labview, es semejante al algoritmo que tiene el del circuito comparador, las dos señales de entrada son comparadas con valores constantes mediante compuertas lógicas, a la salida de algunas compuertas lógicas tenemos un indicador (LED). También se colocó unos bloques de filtrado de señales para repotenciar lo hecho mediante el circuito externo (circuito de amplificación y filtrado). Para la adquisición de datos se usó dos canales de entrada de DAQ6008.


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8. Foto Placa, OSC, LEDs y Sistema acabado 

Placas


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

Electrodos, Señal Amplificada - OSC Posición de los electrodos, dos para el canal vertical, dos para el canal horizontal y un electrodo de referencia puesto en el centro de la frente.

Después de haber realizado varias pruebas hemos verificado el correcto funcionamiento de ambos canales, que amplifican la señal de entrada correctamente.


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

Software


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

Sistema Acabado


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9. Data sheets CI en General


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DAQ USB 6008

DIAGRAMA DE BLOQUES

DA QCard-6008 Bl ock D iagram


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10. Anexos varios 

http://www.oftalmo.com/studium/studium2006/stud06-1/06a-02.htm



http://www.seeic.org/sociedad/premio/dos.pdf



http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/staff/jfont/InstrETI/daq6024e.pdf



http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/staff/jfont/InstrETI/daq6024e.pdf



http://iie.fing.edu.uy/publicaciones/2011/PSTDSS11/PSTDSS11.pdf



http://www.biopac.com/Manuals/bsl_l10dr_es.pdf



http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S0864-03002012000100005&script=sci_arttext



http://campus.usal.es/~inico/investigacion/jornadas/jornada3/actas/simp7.pdf



http://www.enciclopediasalud.com/definiciones/electrooculograma



http://clubensayos.com/Ciencia/Electrooculograma/310054.html


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EOG (Informe Final)_1

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