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S I MI Y Á Re vi s t adeI n v e s t i ga c i ón ULSAChi hua hua

Año7

No.7

Sept i embr e2014


Chihuahua, Chih., a 26 de septiembre de 2014

Editorial La Revista de Investigación SIMIYA posee ya una tradición considerable y ha contribuido a unir al personal docente e investigador, profesionales que a partir de temáticas de interés común han analizado diferentes problemas en cada momento. En un tiempo en que las instituciones educativas son cada vez más diversas, la Revista de Investigación SIMIYA de la Universidad La Salle Chihuahua, A.C. se muestra comprometida trabajando para crear espacios de intercambio y discusión de nuevas ideas, herramientas y estrategias que nos permitan comprender y analizar esta nueva realidad social. A través de la Revista de Investigación SIMIYA, la Universidad La Salle Chihuahua se propone propiciar un conocimiento bien documentado sobre las diversas áreas de la educación, ciencia y tecnología. El presente número cuenta con ocho artículos redactados por investigadores de diferentes instituciones educativas. La página electrónica de Investigación SIMIYA está abierta a las colaboraciones de sus lectores. Esperamos sus artículos y sus comentarios a nuestra publicación. Envíen sus artículos a rruiz@ulsachihuahua.edu.mx

Rafael Ruiz Márquez Editor


SIMIYÁ REVISTA DE INVESTIGACIÓN ULSA Chihuahua

Directorio Revista de Investigación Simiyá ULSA Chihuahua Rector Dr. Miguel Ángel Valdez García Dirección Académica Hno. Guillermo García López Editor Respondable Ing. Rafael Ruiz Márquez Co­Editora M.A. Beatriz E. Montoya Arévalo Consejo Editorial C.P. Silvia Ivonne Márquez M. Lic. Jaime Luciano Fernández Ch. Dr. José Romo Coordinación de Posgrado e Investigación

Editorial

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Síntesis de Geles Acrílicos usando una 5 Matriz de Agarosa a través de la técnica Sol­Gel. Humberto Monreal, Guillermo Martínez, Gerardo Bueno, Carolina Zubía, Teresa Pérez, Diana Sagarnaga, Rosaura Pacheco Modelos Viscoelásticos para Tejidos Biológicos 8 Salvador Méndez, David Estrada, Antonio Arellano Monitor Biométrico Portatil María Rebeca Olivas Martínez

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Síntesis de Geles Acrílicos usando una Matriz de Agarosa a través de la técnica Sol-Gel Humberto Monreal Romero1, Guillermo Martínez Mata1 Gerardo Bueno Acuña1, Carolina Zubía Díaz1, Teresa Pérez Piñon1, Diana Sagarnaga Chávez1, Rosaura Pacheco Santiesteban1 1

Facultad de Odontología UACH C.U. Campus I C.P 31000 Chihuahua, Chih. hmonreal@uach.mx

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I. RESUMEN En éste trabado se sintetizaron geles de acrilato de metilo usando una matriz de agarosa. Estos geles tienen rangos de 2 a 5 cm de longitud y 0.3 mm de diámetro. y fueron sintetizados a través del método solgel. Los geles fueron secados a una temperatura de

100° C y fueron caracterizados por medio de microscopia óptica y analizada su resistencia a través de pruebas de impacto. Los resultados muestran una ruta fácil para sintetizar geles que pueden ser usados En medicina, ingeniería aeroespacial y robótica.

PALABRAS CLAVE: acrilato, sol-gel, agarosa.

II. INTRODUCCIÓN Los acrílicos de metilo (MA) se han usado como materiales con aplicaciones diversas por sus muchas características físicas y químicas. Muchos estudios se han realizado para aplicaciones médicas y dentales [1,2]. De igual manera, en el campo de la tecnología aeroespacial se han sintetizado compósitos con una infinidad de materiales[3]. Las propiedades termoplásticas de dichos materiales pueden ser usados como moldes para la fabricación de polímeros inteligentes con características especiales [4]. Algunos estudios también han sido desarrollados para aplicaciones como rellenos en nanotecnología y ciencia de biomateriales [5-7]. Por éstas razones, en ésta investigación se ofrece una metodología capaz de fabricar materiales en diferentes ámbitos de la ingeniería biomédica, industrial y de servicios.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En ésta investigación se usó acilico de metilo grado molecular, alcohol etílico, agarosa grado biología molecular y agua bidestilada. Las muestras fueron preparadas, mediante una modificación del proceso sol-gel (Jeong, et al., 1997). En un primer paso, se preparó una solución llamada (sol), con 200 mg de acrilato de metilo y 3 ml de HCL pH 4.0; después, la solución, se agitó por 15 min. para disolver el acrilato en un agitador magnético, luego se añadió a la solución, 4 ml del agarosa, se agitó ligeramente durante 10 minutos. Después se retiró la solución del agitador y se mantuvieron a una temperatura de 35° C por un periodo de 4 días, para que se formara el gel. Después se caracterizó por medio microscopía óptica, y se realizaron pruebas de impacto para medir su resistencia.


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IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La Fig. 1 muestra una imagen de un gel de acrilato y agarosa. La morfología del los geles se pueden apreciar con una superficie rugosa y con una porosidad en gran parte de ellos. El mecanismo para la formación de los geles es por medio de una matriz polimérica de agarosa la cual controla mediante enlaces de hidrogeno la morfología del acrilato. En la Tabla 1 y 2. Se muestran unas pruebas de impacto realizada a los geles y las diferencias de resistencia y fuerza aplicada a los geles de acrilato

Tabla 2 Muestra de resistencia de los geles

Fig. 1. Imagen de geles de acrilato y agarosa.

V. CONCLUSIÓN En ésta investigación se ofrece una ruta fácil para la fabricación de geles por medio de una matriz de agarosa. Los geles presentaron una alta resistencia al impacto debido a la presencia de la matriz, dichos geles pueden usarse como modelo para aplicaciones en ingeniería robótica médica y ciencia de materiales.

VI. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al Programa de Estímulos al Desempeño del Personal Docente (PROMEP-SEP-UACH). Tabla 1 Muestras de resistencia de los geles

VII. REFERENCES [1]. B Hernández. P Bravo. y F Camarillo. Vertebroplastia transpendicular percutanea con metilmetacrilato. Tratamiento del dolor por aplastamiento vertebral osteopenico. Hospital General de México 2004. [2]. M. Kurser Estudio comparativo de dureza en dientes artificiales fabricados con diferentes tipos de resinas acrilicas. Revista EIA 6: pp 121128 .2006


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[3]. B. Kulik V. Kapustyanyk V tsybulskyy O. Krupka Optical properties of ZNO/PMMA nanocomposite Films Journal of Alloys and Compounds 502: pp 24-27. 2010. [4]. K. M., Eeva V. Skrifvars and K. V. Pekka.. Dendritic copolymers and particulate filler composites for dental applications: Degree of conversion and thermal properties. Dental Materials 23: 11 1420 1427. 2007. [5]. T. Beun,., J. Glorieux, J.V. Devaux and L. Gaëtane. Characterization of nanofilled compared to universal and microfilled composites. Dental Materials. 23: 5159. 2007. [6]. H. Monreal., G .Mata., R. Pajaro., R., Santiesteban y J. Villegas. Formación de Implantes hibridos de Polimetilmetacrilato y óxido de titanio como nuevos Biomateriales emergentes. Revista de Investigación Simiyá. 6:23-24.2013.

[7]. H. Monreal., G .Mata., R. Pajaro., D. Sagarnaga., G. Bueno C. Zubía y L. Melendez. Síntesis de Nanorods de Silicato de Aluminio en Presencia de L- Arginina. Revista de Investigación Simiyá. 6:1820.2013.

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Modelos Viscoelásticos para Tejidos Biológicos JSA Méndez Aguirre1, DA Estrada Rodas2, JA Arellano Cabrera3 1, 2

Universidad Politécnica de Chihuahua Teófilo Borunda #13200. Labor de Terrazas C.P. 31223 Chihuahua, Chih. 1 2 molasar_sm@hotmail.com , davidaerodas@gmail.com Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Interior Internado Pamira S/N, Col. Palmira C. P. 62490 Cuernavaca Morelos. 3 antonio_are@hotmail.com

RESUMEN. En este trabajo se describen las propiedades de la viscoelasticidad y los modelos existentes para representarla, la viscoelasticidad se utiliza en el estudio del comportamiento mecánico de los tejidos suaves que es la base del desarrollo de prótesis o injertos

fenómeno se le conoce como fluencia, [2] mismo que se muestra en la figura 1 en la que se observa la relación de esfuerzo y deformación con el tiempo y como esta aumenta con el tiempo.

Palabras clave. Viscoelasticidad, Tejidos Suaves, Modelos viscoelásticos

I. INTRODUCCIÓN Los tejidos biológicos presentan propiedades mecánicas que dependen del tiempo, a este fenómeno se le conoce como viscoelasticidad. El estudio de la viscoelasticidad en conjunto con pruebas de tensión, son fundamentales para la caracterización de los tejidos, esta caracterización permite a su vez el desarrollo de prótesis e injertos para la sustitución de tejidos. Los materiales viscoelásticos presentan características como fluencia y relajación. II. VISCOELASTICIDAD

Figura 1. Fluencia de un material viscoelástico [3].

En la figura 2 se muestra el comportamiento de un material viscoelástico cuando se le aplican diferentes esfuerzos, y se observa como la fluencia se presenta en mayor medida tanto mas grande es el esfuerzo.

El comportamiento de los materiales elásticos se describe mediante la ley de Hooke que relaciona el esfuerzo y la deformación, a diferencia de estos, en los materiales viscoelásticos el esfuerzo y la deformación son funciones del tiempo. Entre los materiales que presentan este comportamiento se encuentran los tejidos biológicos que además se caracterizan por someterse a grandes deformaciones, comportamiento no lineal y anisotropía [1]. Entre las características que presentan los materiales viscoelasticos se encuentran: 1. Si el esfuerzo permanece constante, la deformación se incrementa con el tiempo, a este

Figura 2. Fluencia a diferentes esfuerzos [4].


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2. Si la deformación permanece constante, el esfuerzo disminuye con el tiempo, a este fenómeno se le conoce como relajación [2], en la figura 3 se observa la relación del esfuerzo con el tiempo si la deformación permanece constante.

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3. La rigidez efectiva depende de la rapidez de aplicación de la carga [2]. El comportamiento depende además de las propiedades elásticas de la rapidez con la que se aplique la carga, esto es la fuerza necesaria para deformar un material viscoelástico aumenta conforme aumenta la velocidad de aplicación. En la figura 6 se muestra una gráfica en la que se observa las curvas esfuerzo-deformación de un ligamento a diferentes velocidades de deformación, se observa como para velocidades menores se provoca una deformación mayor con una fuerza menor.

Figura 3. Fenómeno de relajación [3].

En la figura 4 se muestra como para diferentes valores de deformación el esfuerzo disminuye en los materiales viscoelásticos.

Figura 6. Fenómeno de relajación [6].

Figura 4. Relajación a diferentes valores de deformación [4]

Este fenómeno se presenta en los tejidos biológicos, como ejemplo se observa en la figura 5 los resultados de las pruebas de relajación que realizó Pioletti et al. [5] a los ligamentos cruzados anterior y posterior se observa como el esfuerzo disminuye para diferentes deformaciones.

Figura 5. Relajación en los ligamentos cruzados

[5]

4. Si se aplica una carga cíclica se presenta histéresis [2]. Esto es que las curvas esfuerzodeformación no presentan la misma trayectoria en las fases de carga y descarga. En la figura 7 se muestra un diagrama en el que se observa este comportamiento, se muestran tres ciclos de carga y descarga en los que se puede ver como el ciclo de descarga se mueve hacia la derecha en comparación con el ciclo de carga. El fenómeno de histéresis depende del valor de esfuerzo que se alcance, cuanto menor sea el esfuerzo la curva de descarga tiende a ser igual que la curva de carga.

Figura 7. Histéresis en los ligamentos. [3]


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retire, el modelo regresa a su posiciĂłn original. La fuerza total en el modelo se obtiene mediante [7]: III. MODELOS VISCOELĂ STICOS Entre los modelos que se desarrollaron para representar el comportamiento de los materiales viscoelĂĄsticos estĂĄn el modelo de Maxwell, el modelo de Voigt y el modelo de Kelvin los cuales son una combinaciĂłn de resortes y amortiguadores. Se supone que a los resortes se les provoca una deformaciĂłn instantĂĄnea con la aplicaciĂłn de la carga. Un amortiguador tiene una velocidad de desplazamiento que es proporcional a la carga que se aplica.

đ??š = đ?‘˜đ?‘˘ + đ?‘?đ?‘˘

(4)

Figura 9. Modelo de Voigt

A. Modelo de Mawwell

C. Modelo de Kelvin.

El modelo de Maxwell consta de un resorte con una constante k y un amortiguador en serie con coeficiente de amortiguamiento c, como se muestra en la figura 8. La fuerza que se aplica se transmite del resorte al amortiguador, esta fuerza produce un desplazamiento en el resorte y una velocidad en el amortiguador, de manera que cuando se aplica la carga, solo el resorte sufre el desplazamiento, y conforme pasa el tiempo, el amortiguador empieza a desplazarse ocasionando que la carga en el resorte disminuya. La fuerza que se aplica al resorte se obtiene mediante la ecuaciĂłn [7]:

El modelo de Kelvin se conoce tambiÊn como modelo eståndar lineal, presenta un resorte y un amortiguador en serie tal como el modelo de Maxwell, y estos a su vez en paralelo con otro resorte. Como se muestra en la figura 10, en la que se observa que la fuerza F0 se aplica al resorte con constante k0 que se encuentra en paralelo, y la fuerza F1 se encuentra en el resorte con constante k1 y el amortiguador con constante c1 del modelo de Maxwell. Si el amortiguador sufre un desplazamiento u1 y el resorte sufre un desplazamiento u’1, la suma de la fuerza total que se aplica en el modelo se obtiene mediante [7]:

đ??š = đ?‘˜đ?‘˘

(1)

Donde F es la fuerza y u es el desplazamiento. La fuerza que se aplica en el amortiguador se encuentra mediante [7]: đ??š = đ?‘?đ?‘˘

(2)

Donde � es la velocidad de desplazamiento. De manera que la velocidad de desplazamiento del modelo de Maxwell esta dada por [7]: !

!

!

!

� =  +    

(3)

đ??š = đ??š! + đ??š!

(5)

El desplazamiento u esta dado por [7]: � =  �! + �!!

(6)

La fuerza en el resorte 0 se encuentra mediante [7]: đ??š! = đ?‘˜! đ?‘˘

(7)

Y la fuerza en el modelo de Maxwell es [7]: đ??š! = đ?‘?! đ?‘˘! = đ?‘˜! đ?‘˘!!

(8)

La fuerza total en el modelo de Voigt se encuentra por sustituciĂłn de las ecuaciones anteriores [7]: đ??š = đ?‘˜! đ?‘˘ + đ?‘˜! đ?‘˘!! = đ?‘˜! + đ?‘˜! đ?‘˘ − đ?‘˜! đ?‘˘! Figura 8. Modelo de Maxwell

B. Modelo de Voigt. En el modelo de Voigt el resorte y el amortiguador se encuentran en paralelo tal como se muestra en la figura 9, por lo que ambos tienen el mismo desplazamiento. A diferencia del modelo de Maxwell, el modelo de Voigt presenta la ventaja de que una vez que la fuerza se

Figura 10. Modelo de Kelvin.

(9)


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D. Otros Modelos.

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V. REFERENCIAS

Con base en los modelos anteriores se desarrollaron otros modelos que son una combinación de estos, por ejemplo el modelo de Wiechert que se muestra en la figura 11. En este modelo se encuentran en serie varios modelos de Maxwell, este modelo se basa en el hecho de que un sólido viscoelástico no presenta una relajación uniforme como en los modelos anteriores [4].

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

E. Peña, B. Calvo. M. A. Martínez. M. Doblaré. On Modelling Viscoelasticity of Fibred Biological Tissues. 2006. Roderic Lakes. Viscoelastic Materials. Cambridge University Press. 2009 De Vitta R. Structural Constitutive Models for Knee Ligaments. 2003 Roylance D. Engineering Viscoelasticity. 2001. Pioletti D. Viscoelastic Properties of Soft Tissues: Application to Knee Ligaments and Tendons. 1997 Pioletti D., Rakotomanana L., Leyvraz P., Strain Rate Effect on the Mechanical Behaviour of the Anterior Cruciate Ligament-Bone Complex. Medical Engineering and Physics. 1999. Fung Y. C. Biomechanics. Mechanical Properties of Living Tissues. 1993. Mónica Pilar Morés, Jorge Silva Treviño. Implementación de una Metodología para la determinación de propiedades reológicas. Eduardo Castro Montero, Roger A. de Hombre Morgado. Parámetros Mecánicos y Textura de los Alimentos. 2007.

VI. BIOGRAFÍA

Figura 11. Modelo de Wiechert [4]. Otro modelo es el de Burgers o modelo de los cuatro elementos [9]. en el que se presentan una combinación del modelo de Maxwell con el modelo de Voigt, tal como se muestra en la figura 12. En la que se observan dos resortes y dos amortiguadores.

Salvador Méndez. Salvador Méndez es ingeniero electromecánico por el Instituto Tecnológico de Parral, y maestro en ciencias en ingeniería mecánica por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico de Cuernavaca Morelos. Ha laborado en diferentes instituciones de educación como la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez y la Universidad Tecnológica de Ciudad Juárez. Actualmente es profesor-investigador en la carrera de Ingeniería Mecánica Automotriz en la Universidad Politécnica de Chihuahua. David Estrada. David Estrada es ingeniero mecánico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, maestro en ciencias en ingeniería mecánica por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico de Cuernavaca, Morelos. Ha laborado en diferentes instituciones educativas y actualmente es profesorinvestigador en la carrera de Ingeniería Mecánica Automotriz de la Universidad Politécnica de Chihuahua y profesor de asignatura en la Universidad Lasalle Chihuahua. Antonio Arellano. José Antonio Arellano es Ingeniero mecánico por la Universidad Autónoma de Zacatecas, maestro en ciencia en ingeniería mecánica y candidato a doctor en ciencias en ingeniería mecánica por el centro nacional de investigación y desarrollo tecnológico en Cuernavaca Morelos. Ha laborado en diferentes instituciones de educación superior como la Universidad del Valle de México campus Cuernavaca donde actualmente es profesor.

Figura 12. Modelo de Burgers [8].

IV. CONCLUSIONES Los modelos de viscoelasticidad de Maxwell, Voigt y Kelvin sirven como base para el desarrollo de modelos más avanzados que permitan simular el comportamiento de los materiales viscoelásticos, entre ellos los tejidos vivos. Lo que permite a su vez avances en el desarrollo de prótesis e injertos.


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Monitor Biométrico Portatil María Rebeca Olivas Martínez Universidad La Salle Chihuahua

Prol. Lomas de Majalca #11201 Col. Labor de Terrazas C.P. 31020 Chihuahua, Chih.

RESUMEN. Este trabajo presenta la implementación de un sistema de monitoreo remoto para señales electrocardiográficas, electroencefalográficas, pletismográficas y de temperatura. El sistema integra 4 canales de monitoreo de señales, un puerto USB y una computadora para mostrar la información. Además, los datos son enviados vía TCP/IP a un servidor que posee una base de datos para el análisis clínico, a esta información se puede acceder a través de una aplicación web por el paciente y/o el médico. Palabras Clave: ECG, EEG, pletismógrafo de pulso, temperatura corporal, filtros activos, PIC, USB, Microsoft Visual Studio.

I. INTRODUCCIÓN En los últimos años hemos sido testigos de los pasos agigantados que ha dado la tecnología en sus diversas áreas: la electrónica, las telecomunicaciones y los dispositivos móviles, lo cual ha permitido el desarrollo de nuevas aplicaciones en el área médica, logrando mejorar considerablemente la calidad de los servicios de salud. El monitoreo de señales biomédicas es de gran importancia para la comunidad médica, ya que esto ha permitido brindar atención oportuna a los pacientes dentro de los centros de salud [1]. Los grandes cambios en la sociedad han producido a su vez grandes cambios en la aplicación de la tecnología, las transiciones demográfica y epidemiológica han provocado una inversión en la pirámide demográfica, en el mundo hay más adultos que nunca [2], con nuevos padecimientos y enfermedades crónico–degenerativas que aquejan especialmente a las personas de edad avanzada. Las personas que padecen enfermedades crónicas requieren llevar un registro diario de diversos parámetros según su enfermedad, lo que puede llegar a ser incómodo o ineficiente, y en muchos casos no se acude al médico por desconocimiento o por una tardía detección.

El conjunto de las circunstancias anteriores, han llevado a la ingeniería biomédica al desarrollo de una tendencia, que bien puede ser considerada una nueva forma de bioinstrumentación, llamada “Home Care”, que consiste en la integración de distintos equipos tanto de diagnóstico como de tratamiento, en consolas cada vez más pequeñas, las cuales permiten un diagnostico a distancia, la reducción de tiempos y costos, el alcance a lugares marginales o de difícil acceso e incluso el montaje de un microhospital en comunidades rurales, especialmente en países en desarrollo. Las señales electrofisiológicas como la electrocardiografía y la electroencefalografía aportan una amplia información al médico especialista acerca del estado de salud del paciente y son de gran ayuda en la detección o corrección oportuna de patologías. Otras señales mecánicas o electroquímicas, como la presión arterial, los niveles de oxígeno en sangre y la temperatura corporal también son de gran interés y brindan información adicional al personal médico a la hora de determinar o diagnosticar el estado de salud de una persona. Todos estos parámetros pueden ser desplegados de manera gráfica o numérica, para su posterior análisis por el profesional. En la actualidad, se han propuesto y desarrollado diferentes prototipos de monitorización de signos vitales, los cuales han evolucionado constantemente, así como los protocolos de comunicación, los medios de transmisión, visualización, envío y almacenamiento de información. En el presente trabajo se propone un sistema de monitoreo biométrico en tiempo real, el cual es capaz de leer señales de ECG, EEG, temperatura corporal y curva pletismográfica del paciente, para luego ser transmitida vía USB a una computadora personal. La información obtenida es desplegada en una aplicación gráfica y posteriormente enviada por medio de internet a una base de datos en un servidor en donde se creará una bitácora para el paciente, dicha información podrá ser accedida por el médico en cada consulta o se


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enviará una alerta cuando los parámetros indiquen que es necesaria una atención médica especializada. II. PROBLEMÁTICA Los errores técnicos en la captura de señales fisiológicas causan interpretaciones incorrectas y diagnósticos equivocados, un filtrado inadecuado o una adecuación ineficiente de la señal hará muy difícil la obtención de información clínica relevante; por lo cual, es importante verificar el funcionamiento de cada uno de los bloques que componen el sistema. III. MÉTODO PROPUESTO Se propone crear un sistema el integre, en un mismo dispositivo, un electrocardiógrafo, un pletismógrafo de pulso, un monitor de ondas cerebrales y un termómetro, mediante el cual será posible establecer comunicación vía USB a una aplicación instalada en una computadora, generando así un historial diario del paciente. El historial permanecerá almacenado en internet y será asociado a una cuenta personal, contando con acceso tanto el paciente como el médico en cada consulta mediante una identificación única. De manera secundaria, se plantea que el sistema detecte posibles anomalías y notifique al paciente para que acuda a su médico, de igual manera, el médico recibirá alertas vía internet sobre el estado actual del paciente. El monitor Biométrico portátil consta de 3 bloques principales y son mostrados en la figura 1: - Acondicionamiento de la señal, en este bloque se adquiere la señal de los diferentes sensores pasando por una etapa de amplificación y filtrado para adecuar la señal a un rango apropiado para su medición. Etapa de procesamiento, en este bloque se introduce al microcontrolador la señal analógica obtenida de la etapa de acondicionamiento para ser muestreada y digitalizada. - Proceso de comunicación, en esta etapa los datos son empaquetados y transmitidos hacia la computadora, la cual será la encargada de desplegar, de manera gráfica, la información proveniente de los sensores. Así mismo, la información también es enviada a la base de datos en internet. Todo esto permite llevar un registro de parámetros biomédicos importantes, en base a los cuales se puedan detectar enfermedades.

Fig. 1 Diagrama a bloques del sistema. IV. ACONDICIONAMIENTO La medición de señales electrofisiológicas es posible gracias al acondicionamiento de la señal capturada por los electrodos, el cual consiste en la interconexión de 4 etapas básicas, tal como indica la figura 2: la etapa de sensado (entrada de sensores, electrodos), la etapa de amplificación, la etapa de filtrado y una etapa de acoplamiento al microcontrolador. La etapa de filtrado cuenta con especial importancia ya que es la clave para el funcionamiento óptimo del dispositivo, ya que esta definirá la confiabilidad de los datos a procesar posteriormente.

Fig. 2 Etapas de acondicionamiento de señal. V. SENSADO La primera etapa de este bloque, como su nombre lo indica, requiere de algún tipo de sensor o electrodo según la medición. Se obtienen 4 señales, electrocardiograma, señal de saturación de oxigeno (curva pletismográfica de pulso), temperatura corporal y electroencefalograma. Para la primera señal se implementa un módulo de 3 derivaciones con el que se obtiene una señal diferencial utilizando electrodos de plata/cloruro de plata colocados en 3 puntos del cuerpo; para el pletismógrafo se usa un par infrarrojo que se coloca en el dedo índice o en el lóbulo de la oreja del paciente; para el termómetro se emplea un sensor de temperatura con resolución de 10mV/ºC y se calibra para operar en un rango promedio de temperatura del ser humano (35.5 – 40.5 ºC); para monitorear las ondas electroencefalográficas del cerebro son necesarios electrodos de contacto. III. AMPLIFICACIÓN Como las señales obtenidas se encuentran en la escala de los milivoltios (mV) es necesario emplear amplificadores de instrumentación, los cuales presentan una alta impedancia de entrada, parámetro indispensable para poder conectar electrodos y no tener perdida de señal, además cuentan con una alta razón de rechazo en modo común (CMRR) y minimizan el error de medida [3].


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IV. FILTRADO Una vez amplificada la señal, es posible observar el ruido proveniente de fuentes de alimentación, cableado, circuitería, etc. Todas estas señales de ruido son interferencias indeseables y es necesario eliminarlas, para lo cual se utilizan filtros activos calibrados a la frecuencia de la señal buscada. Existen varios tipos de filtros, por ejemplo, los filtros pasivos que utilizan únicamente elementos RLC; los activos que además utilizan transistores o amplificadores operacionales y también tenemos los filtros digitales que emplean algoritmos desarrollados por computadora, entre otros [3]. En el caso del electrocardiógrafo se utiliza un filtro pasa bajas con frecuencia de corte de 25Hz, ya que este valor se encuentra apenas por encima de la más alta frecuencia dada por el corazón. Para el monitor de ondas cerebrales se emplean filtros pasa banda para analizar cada una de ellas por separado: las ondas alfa (8 – 12 Hz), las ondas beta (13 – 24 Hz) y las ondas theta (3.5 – 7.5 Hz). En el pletismógrafo de pulso [4] se emplean filtros pasa banda en un rango de 0.5Hz a 5Hz [5]. IV. ACOPLAMIENTO El microcontrolador utilizado pertenece a la familia de microcontroladores PIC y sus puertos solo permiten la entrada de valores que se encuentren entre 0 y 5V; por lo tanto es necesario adecuar la señal obtenida a la salida del filtro para que cumpla con dichas características, haciendo uso de distintas configuraciones básicas de amplificadores operacionales, las cuales se mencionan en la fig. 3.

Fig. 4 Señal de ECG adecuada para la entrada del microcontrolador. IV. PROCESAMIENTO La manera en que el flujo de datos dado por las distintas señales obtenidas pueden ser procesados e integrados en un solo sistema es mediante los canales para entradas analógicas de un microcontrolador, el cual posee internamente un convertidor analógico – digital (ADC), que convierte la señal recibida en un valor numérico cuya longitud dependerá del número de bits con el que deseemos trabajar. Para el sistema se eligió una resolución de 10 bits para el procesamiento de señales biométricas. Cada señal será interpretada por un programa desarrollado en lenguaje C para este fin, constituyendo asi la etapa de procesamiento de señal. La conversión analógico/digital la realiza el microcontrolador tomando un tiempo de muestreo de 1ms. El microcontrolador cuenta además con un puerto de comunicación USB el cual se conecta a la computadora; este dispositivo, que es de bajo costo y consume poca energía, realiza la conversión de la señal y la configura para el envío de la información. IV. COMUNICACIÓN

Fig. 3 Configuraciones de opamps utilizadas en la etapa de acoplamiento. Primero es necesario modificar el offset de la señal, para esto se emplea un circuito sumador inversor para subir de nivel la señal para que se encuentre en la parte positiva, es decir, sus valores sean mayores a 0V, tal como se observa en la figura 4; después se agrega un amplificador con una ganancia adecuada para ser leída por el convertidor ADC; por último se conecta un buffer o seguidor de voltaje, alimentado con 5V y tierra, protegiendo asi el microcontrolador de posibles picos que puedan dañarlo; finalmente se agrega un diodo entre la salida del buffer y la entrada del PIC.

Para enviar la señal una vez que fue digitalizada y procesada, se utiliza un protocolo de comunicación del microcontrolador a la computadora, para este dispositivo usaremos la comunicación USB del microcontrolador, el cual no requiere de circuitería adicional y su implementación es sencilla. El código implementado lee 4 entradas analógicas en una longitud de 10 bits, para ser escritas en el puerto serial.


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Como se observa en las figuras 4 y 5, la señal vista en el osciloscopio corresponde a la obtenida en la computadora, con lo cual es posible concluir que el sistema opera correctamente. V. REFERENCIAS Fig. 5 Señal de ECG enviada a la PC mediante comunicación USB en tiempo real.

[1]

El microcontrolador cumple con la función de transmitir los datos, mientras que la recepción de los mismos se lleva a cabo en la PC, la cual despliega y guarda los resultados gracias a una aplicación gráfica (fig. 5) diseñada para ser amigable con el usuario, para posteriormente enviar respaldos a internet.

[2]

El software de recepción y despliegue de señales fue implementado en Visual C# con el Framework 4.5 y los componentes de Measurement Studio para la parte visual, esto nos permite graficar las diferentes señales de manera independiente o simultáneamente en el mismo tiempo que se reciben los datos del microcontrolador. Además, mediante los componentes SQL y Winsock es posible el almacenamiento y transmisión de datos hacia un servidor web remoto conectado a una base de datos para almacenar los registros de los pacientes atendidos. La información es almacenada mediante un nombre de usuario y contraseña.

[3]

[4]

[5]

[6]

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IV. CONCLUSIONES El trabajo propuesto es una recopilación de distintos módulos de recepción de señales biomédicas, utilizando sistemas analógicos de amplificación, filtrado y acondicionamiento de señales; así como de protocolos de comunicación actuales como el USB y el TCP/IP implementados por microcontrolador y computadora. El sistema cuenta con varias ventajas, entre ellas un tamaño reducido que lo hace portátil, bajo costo, facilidad para utilizarse y utilidad, al momento de requerir un monitoreo de signos vitales que pueda generar un diagnóstico oportuno. La meta de este trabajo es mostrar que es posible dar soluciones útiles y de bajo costo para el monitoreo, almacenamiento y envío de señales biomédicas de pacientes que se encuentren lejos de los centros de salud, o de personas en situaciones vulnerables. De igual manera, es importante mencionar que estas herramientas brindan únicamente soporte al momento de requerir un diagnostico rápido, ya que el paciente deberá de trasladarse al centro de salud más cercano para recibir atención medica. Sin embargo, la tendencia del “microhospital” permitirá en el futuro, llevar servicios médicos de calidad a quienes más lo necesitan.

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VI. BIOGRAFÍA María Rebeca nació en la ciudad de Chihuahua, Chih. México en 1993. Actualmente es estudiante de Ingeniería Electromédica en la Universidad La Salle Chihuahua A.C. Sus áreas de interés son acondicionamiento de señales biomédicas, procesamiento digital de señales, control digital y transmisión de datos por medios digitales.


SIMIYÁ, Año 7, No. 7, Septiembre 2014, es una publicación anual, septiembre­agosto editada por la Universidad La Salle Chihuahua A.C. Prol. Lomas de Majalca 1102, Col. Labor de Terrazas Chihuahua, Chih. C.P. 31020. Tel (614) 432­1477 www.ulsachihuahua.edu.mx/simiya Editor Responsable: Rafael Ruiz Márquez Reservas de derechos al Uso Exclusivo No. En trámite. ISSN: En trámite, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la última actualización de este Número, Coordinación de Posgrado e Investigación, Ing. Rafael Ruiz Márquez, Prol. Lomas de Majalca 1102, Col. Labor de Terrazas, Chihuahua, Chih. C.P. 31020. Tel (614) 432­1477, fecha de última modificación, 26 de septiembre de 2014. Queda prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización de los autores del artículo.

Revista de Investigación Simiyá Año 7 No. 7  

Revista de investigacion SIMIYA de la Universidad La Salle Chihuahua

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