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Electrooculógrafo (EOG) Research · November 2016 DOI: 10.13140/RG.2.2.16970.16321

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4 authors, including: Alberto Abaroa Villanueva Autonomous University of Baja California 6 PUBLICATIONS8 CITATIONS SEE PROFILE

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Model of a biological system using ANN View project

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Electrooculógrafo (EOG) Alberto Abaroa Villanueva, A. Barak Guerrero Ortega, Fernanda Tapia Ruiz, Omar Morales Rodríguez UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO Proyecto final de Bioinstrumentación E-mail: [email protected]

Resumen. El proceso para la obtención de señales bioeléctricas generadas por el ojo, electro oculográficas, En el proyecto se describe el comportamiento simulado y real del amplificador con señales obtenidas a través del generador de funciones en el laboratorio, en la simulación y a los ojos. Palabras claves: Electrooculógrafo, electrooculograma, diferencial de voltaje en los ojos, amplificadores de instrumentación, amplificadores operacionales.

1. Introducción La comunicación es esencial para los seres humanos para poder ser parte de una comunidad. Sin embargo hay enfermedades en el cerebro que disminuyen la capacidad de comunicación. Se ha desarrollado tecnología para ayudar a la comunicación de estas personas. Los músculos que han demostrado ser los que menos daños presentan son los oculares, por lo cual presentan un gran potencial para desarrollar tecnología basada en los movimientos oculares para mejorar la comunicación en personas con capacidades diferentes. Se sabe que el sistema nervioso autónomo (SNA) se distribuye en todo el neuroeje y llega a todos los órganos y sistemas, incluyendo los ojos. Regula la presión arterial, la frecuencia cardíaca, el sueño y las funciones de vejiga e intestino. Opera silenciosamente, de modo que sólo advierte su importancia absoluta cuando aparece alguna alteración de su función, que culmina en las denominadas disautonomías. Para detectar las diferentes anomalías que pueden generar una patología, se usan las señales eléctricas producidas por el SNA, entre ellas las señales electrooculográficas (EOG), que en su caso, son las que serán tratadas en este proyecto. Justificación La tecnología tiene su mayor motivación en ayudar a mejorar la calidad de vida del ser humano y su ambiente. Siendo la salud un 21 de Mayo del 2015

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aspecto importante en la vida del ser humano, la búsqueda por desarrollar y mejorar tecnología en este campo es siempre importante. Existen trabajos sobre el diagnostico de pacientes con problemas cardíacos, así como existen trabajos sobre obtención de señales electrooculográficas. Estos trabajos consideran a la señal obtenida por el electrooculograma como una señal sana e infalible¸ como base para poder determinar otras sintomatologías. Siendo las del sueño las más recurridas en el uso de electrooculogramas. De igual manera se pretende implementarse para tecnologías de diseño ergonómico para el uso de instrumentación que pueda ser controlada con la señalización obtenida del EOG. Actualmente existen distintos dispositivos similares a este, ya sean para distintos propósitos o mejor implementados, estos son dispositivos más complejos o completos con respecto al elaborado en la investigación. Sin embargo nuestro objetivo es que a lo largo de nuestra carrea sea un producto final con posibilidades de comercialización y bajo costo de producción.

se quiere conseguir la configuración de un filtro pasa altas, solo se necesita intercambiar las resistencias R1 & R2 por C1 & C2 de esta manera su configuración se adapta a la de un filtro pasa altas de segundo orden.

Objetivos • Proponer un dispositivo que nos permita obtener las señales Oculares del organismo humano. • Analizar los filtros pasa altas, pasa bajas y el amplificador de instrumentación. • Proponer un circuito que combine los componentes anteriormente mencionados para obtener las señales del ojo.

Diagrama de Bloques

Para la etapa de pre amplificación y protección de los electrodos se utilizó un circuito integrado AD620, con voltaje dual en donde a la entrada y referencia de los electrodos se les colocó una resistencia de 280 kΩ para evitar las descargas de corriente.

2. Materiales y Métodos Filtros En el proyecto se pretende hacer uso de un filtro pasa bandas, conformado por un filtro pasa altas y uno pasa bajas, en donde el filtro pasa altas, tendrá una frecuencia de corte de 0.5 Hz y el filtro pasa bajas de 40 Hz. Se utilizó la configuración Sallen-Key con tablas de coeficientes de Bessel, se nos recomendó hacer uso de las de Butterworth porque son más fiables para este tipo de filtros, pero a mi gusto se me hicieron con mejor respuesta y mejores resultados los coeficientes de Bessel. A continuación se muestra una configuración de un Filtro Sallen-Key de segundo orden.

Figura 2. Configuración interna de un integrado AD620

El circuito integrado que se utilizó para los filtros y el amplificador fue el LM324, ya que encontré su uso bastante efectivo para minimizar costos y además reducción del circuito ya que este cuenta con 4 Amplificadores Operacionales internamente.

Figura 1. Circuito general de filtro pasa bajas en configuración Sallen-Key.

La anterior figura hace referencia a un filtro pasa bajas de segundo orden, sin embargo si 21 de Mayo del 2015

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Figura 3. Configuración interna de un integrado LM324

Debido a que las señales del ojo oscilan entre los 0.04 mV y 1 mV en frecuencias de 0.3 Hz – 50 Hz el amplificador de instrumentación se le pretendía colocar una Rg de 125Ω, pero al momento de implementar este circuito, nos dimos cuenta que nuestro integrado AD620 no estaba dando el ancho, debido a que no respondía de manera correcta a esta pre amplificación, lo que se hizo fue implementar una G baja y hacer uso de un OPAM al final del filtrado de señal, por increíble que parezca nuestro AD620 no dio buena respuesta a ganancias superiores a 5, por lo que se optó por una Rg de 100kΩ para minimizar los errores; de las siguientes ecuaciones se concluyó lo anteriormente mencionado. 𝑅𝑔 =

49.4𝑘

𝐺−1

→𝐺=

49.4𝑘 49.4𝑘 +1 +1 ∴1≅ 100𝑘 𝑅𝑔

Ec. 1. Ecuación de G para OPAM de instrumentación.

Coeficientes de Bessel: 𝑎 = 1.3617 ; 𝑏 = 0.6180 𝐶1 = 𝐶2 ≥

10(1𝑥10−6 ) = 250𝑛𝐹 → 220𝑛𝐹 40𝐻𝑧

4(0.618)(250𝑛𝐹) 4𝑏𝐶1 → 𝐶2 ≥ 𝑎2 (1.3617)2

𝐶2 ≥ 333𝑛𝐹 → 330𝑛𝐹 𝑅1&2 =

𝑎𝐶2 ± √𝑎2 𝐶2 2 − 4𝐶1 𝐶2 𝑏 4𝜋𝐶1 𝐶2 𝑓𝑐

𝑅1 = 11.429𝑘Ω → 11.4𝑘Ω 𝑅2 = 10.242𝑘Ω → 10.2𝑘Ω

Metodología (Programa de filtración) Código utilizado en el software MATLAB para el procesamiento de señal. clear all;clc;close all; delete(instrfind({'Port'},{'COM3'})); pserial=serial('COM3','BaudRate',9600); fopen(pserial); figure('Name','Gráfica de valores obtenidos')

Para el filtro pasa altas de 2º orden se realizaron los siguientes cálculos:

title('LECTURA ANALOGICA CON ARDUINO'); xlabel('Muestra'); ylabel('Voltaje de Salida');

Coeficientes de Bessel:

val=[];

𝑎 = 1.3617 ; 𝑏 = 0.6180 𝐶1&2 = 𝑅1 = 𝑅1 =

val1=[];

10(1𝑥10−6 ) = 33µ𝐹 0.5𝐻𝑧

lectura=0; for i=1:500

𝑎 4𝜋𝐶𝑓𝑐 𝑏

ylim([0 5.1]); xlim([i-100 i+10]);

1.3617 4 ∗ 𝜋 ∗ 33µ ∗ 0.5𝐻𝑧 ∗ 0.618

lectura=fscanf(pserial,'%i'); val(i)=lectura(1)*(5/1023);

𝑅1 ≅ 17.711𝑘Ω → 17.8𝑘Ω

val1=[val1 val(i)];

𝑅2 =

plot(val1,'r');%,'linewidth',2,'markeredgecolor','k');

𝑅2 =

hold on

1 𝜋𝑓𝑐 𝑎𝐶

drawnow

1 𝜋 ∗ 0.5𝐻𝑧 ∗ 1.3617 ∗ 33µ

end %figure(2); %plot(val);

𝑅2 ≅ 23.612𝑘Ω → 23.6𝑘Ω

Para el filtro pasa bajas de 2º orden se realizaron los siguientes cálculos:

dlmwrite('Valores_Obtenidos.dat', val, 'delimiter', '\n', 'precision', '%.2f') fclose(pserial); delete(pserial); clear all;

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Código utilizado en el micro controlador ARDUINO para el procesamiento de señal. // definir variables int out1 = 0; void setup() { // inicializar puerto serie Serial.begin(9600); } void loop() { // leer señal Figura 6. Lectura del osciloscopio de la señal de entrada y salida del EOG.

out1 = analogRead(A0); // enviar Serial.println(out1); // esperar delay(50); }

3. Parte Experimental. A continuación se muestra el prototipo en simulación del EOG:

Figura 4. Arreglo del EOG en Multisim.

Figura 7. Gráfica Bode apuntando al corte del Filtro pasa Altas.

Figura 8. Gráfica Bode apuntando al corte del Filtro pasa Bajas.

Como se puede apreciar en la figura 6 el canal B está mandando una señal de 2mVp a lo que el amplificador responde con 206mVp lo que nos determina que efectivamente nuestro EOG filtra y además amplifica la señal recibida a través del AD620, también logramos observar los cortes de frecuencia, ya que en la figura 7 & figura 8 se aprecia la precisión de los cortes de frecuencia, en donde el Pasa altas fallo por 0.03Hz para efectuar un corte de 0.5Hz y en el pasa bajas se logró con éxito el corte de los 40Hz. Figura 5. Frecuencia con la que se probó el EOG.

Con la simulación se corroboró el correcto funcionamiento del electrooculógrafo, la simulación era tardada, pero no hubo errores. 21 de Mayo del 2015

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En el primer prototipo digital elaborado nos marcaba algunos errores, que se fueron perfeccionando con el análisis nodal y de componentes a través de sus hojas de datos, porque en algunas ocasiones saturábamos los dispositivos y en otras, era un esquema erróneo el que se trataba de hacer funcionar. 4. Resultados y Discusión. En la siguiente imagen podemos observar de manera clara como está la configuración colocada de nuestro EOG en una placa de protoboard, se realizó en una placa de tamaño chico para una mejor portabilidad y los cables, capacitores, resistencias e integrados se colocaron de la manera más estratégica para detalle estético y óptimo de su funcionamiento; Además de que se pretende usar el mismo para cursos posteriores y poder implementarlo en una placa impresa de PCB.

Figura 10. Voltaje medido en el osciloscopio.

En la figura 11 se observa el mismo resultado pero ahora a través del filtro digital, dándonos una respuesta de señal en MATLAB.

Figura 11. Lectura analógica con Arduino.

Figura 9. Prototipo físico en placa de protoboard.

Resultados: Una vez terminado el proyecto se continuó por probarlo y se obtuvo una buena señal del movimiento de los ojos. En la siguiente figura se puede apreciar el cambio de voltaje generado por el movimiento ocular e un osciloscopio.

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Discusión: El dispositivo logró cumplir con las funciones deseadas que son obtener las señales oculares del organismo humano, por medio de los electrodos se recibió la señal y llegando al circuito implementado se amplificó la señal para obtener el voltaje producido por el musculo ocular. Este dispositivo puede beneficiar de gran manera al sector salud para ver las deficiencias de estos musculos, o prevención de algunas fallas o enfermedades. Como una mejora o una visión mas especifica puede ser utilizado para el control de distintas herramientas como un cursor de un computador, poder dirigir una silla de ruedas electrica, entre otras aplicaciones. Esta investigación ayuda gran manera para poder profundisar en el area e ir experimentando o buscando una necesidad

que pueda ser cubierta con base de este dispositivo.

matemáticos para hacer análisis y filtración digital, programada para una o varias acciones en específico dependiendo de las necesidades que se estén buscando satisfacer. Algunas de las enfermedades que pueden ser detectadas a través de dicha instrumentación son la Enfermedad de Best, Toxicidad Medicamentosa, Retinosis pigmentaria, entre otras. 5. Bibliografía. [1] Boylestand, Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Pearson, (2009).

Foto 11. Localización de electrodos ya como producto final.

4. Conclusiones La señal del electrooculógrafo, se caracteriza por ser una señal de baja amplitud y frecuencia, por lo cual es necesario conocer bien su comportamiento para su debido diseño, ya que no se pueden implementar filtros pasa altas como se hace en otros diseños, porque se estaría eliminando parte de la señal que interesa manifestar. Esta es una muestra de un dispositivo de bajo costo y buen funcionamiento para poder hacer uso del mismo, es importante tomar este tipo de proyectos base, para avanzar y mejorarlos, para de esta manera sigan siendo funcionales, pero con mayor precisión y poder hacer uso de los ordenadores o potentes procesadores

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[2] William Hayt, Engineering Circuit Analysis. McGraw Hill, 8º Edition (2010). [3] Vicente Guerrero, Obtención de Señales Ocular-Nerviosas por medio de Filtros Activos. Instituto Politécnico Nacional, (2011). [4] Lorena Alvárez, Acondicionamiento de señales bioeléctricas. Universidad Tecnológica de Pereira, (2007). [5] Luis Cruz, Eyeboard Electrooculography. Revista MAKE Magazine, (2008). [6] José Flores, Adquisición y Análisis de Señales Bioeléctricas con la consola XBOX 360. UACJ, (2010)....