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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

CURSO: Ingeniería Biomedicas TEMA:

EOG

INTEGRANTES: Arela Quispe Darwin Jesús Martínez Luque Enzo Paul DOCENTE: Ing. Erasmo Sulla

FECHA: Arequipa, 22 de Diciembre 2016

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Contenido 1.

2.

3.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................3 1.1

ANATOMIA Y FISIOLOGÍA DEL OJO HUMANO…………………………………………………………..3

1.3

El EOG. .................................................................................................................5

1.4

ELECTRODOS. DISPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS. ...................................................6

1.5

IMPEDANCIA DE LA INTERFAZ PIEL-ELECTRODO. ....................................................8

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DEL EOG. ....................................................9 2.1

EL ELECTRODO .................................................................................................... 10

2.2

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICO DE EOG. .............................. 10

2.3

FILTRO PASA BANDA ........................................................................................... 11

2.4

FILTRO NOTCH .................................................................................................... 12

2.5

AMPLIFICACION .................................................................................................. 12 ESQUEMÁTICO COMPLETO ..................................................................................... 13

A. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICO DE EOG. ................................. 13 B. COMPARADOR………………………………………………………………………………………………………….. 17 4. PLACA IMPRESA……………………………………………………………………………………………………………..18 5. RESULTADOS COMPARADORES CANAL HOR-VER……………………………………………………………20 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ….……………………….………………..…………………………..21 7. CONCLUSIONES……………………….……………………………..………………………………………………………22 8. BIBLIOGRAFIA………………….……………………………………………………………………………………………..22

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1. INTRODUCCIÓN 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 bioelécricas viene dado por que éstas tienen un valor muy pequeño en comparación con otro tipo de señales 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. Seguidamente daremos 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 ANATOMIA Y FISIOLOGÍA DEL OJO HUMANO El ojo es un órgano que detecta la luz y es la base del sentido de la vista. Su función consiste básicamente en transformar la energía lumínica en señales eléctricas que son enviadas al cerebro a través del nervio óptico. El ojo humano funciona de forma muy similar al de la mayoría de los vertebrados y algunos moluscos; posee una lente llamada cristalino que es ajustable según la distancia, un "diafragma" que se llama pupila cuyo diámetro está regulado por el iris y un tejido sensible a la luz que es la retina. La luz penetra a través de la pupila, atraviesa el cristalino y se proyecta sobre la retina, donde se transforma gracias a unas células llamadas fotorreceptoras en impulsos nerviosos que son trasladados a través del nervio óptico al cerebro.1 Su forma es aproximadamente esférica, mide 2,5 cm de diámetro y está lleno de un gel transparente llamado humor vítreo que rellena el espacio comprendido entre la retina y el cristalino. En la porción anterior del ojo se encuentran dos pequeños espacios: la cámara anterior que está situada entre la córnea y el iris, y la cámara posterior que se ubica entre el iris y el cristalino. Estas cámaras están llenas de un líquido que se llama humor acuoso, cuyo nivel de presión, llamado presión intraocular, es muy importante para el correcto funcionamiento del ojo.

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Partes del ojo humano 1.2 GENERACIÓN DE LA SEÑAL ELECTROOCULOGRÁFICA. El ojo es un órgano extremadamente complejo donde la principal fuente de señal bioeléctrica se centra en la 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, en cuanto su forma y función, y segmentadas en subregiones sobre la retina con diferente papel 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 de estas 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

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Corriente oscura en los fotorreceptores. [Urtubia, 1997] 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. [Urtubia, 1997, Cfr. 89]

Dipolo eléctrico Ocular. [Urtubia, 1997] Disposición de las cargas a lo largo de la retina. 1.3 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. Debido al carácter esférico del dipolo ocular y la simetría de los ojos, el mismo principio es aplicable para captar los movimientos Verticales.

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Captación del EOG. a) Potencial del dipolo ocular respecto al movimiento de los ojos. b) Polarización de los electrodos. 1.4 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 referencia. La señal del EOG varia aproximadamente en 20 μV por cada grado de desviación del ojo [Shackel, 67], siendo esta relación lineal en movimientos angulares absolutos de hasta 30º de arco, con un error inferior a 2º. [Young, 62][Robinson, 64][Enderle, 88] 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.

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.

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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 offset 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. [ISCEV, 06]

Ubicación relativa del sujeto de prueba con respecto al eje horizontal de calibración del EOG. La figura 4 ilustra una secuencia de ángulos de visión para el sujeto de prueba, quien realiza una serie de movimientos sacádicos (rápidos) horizontales del ojo en la secuencia mostrada.

Secuencia de calibración de la señal EOG ideal en donde la magnitud del ángulo de mirada crece o disminuye proporcionalmente a la sacada generada.

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1.5 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. [Prutchi y Norris, 05]. 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. 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 1.6 Anatomia y fisiología del ojo humano 1.7 Características de la señal EOG Trabajar con señales fisiológicas EOG implica conocer sus características mas importantes que es como sigue:     

Los movimientos oculares oscilan entre ±70° La linealidad se pierde en forma progresiva conforme el angulo pasa los 30°, especialmente en el registro vertical. La presicion que se obtiene con el uso de electrodos de superficie son de ±1.5° a ±2° Las fuentes principales de error son los artefactos eléctricos, movimientos musculares, la interferencia del parpadeo y las variaciones en el potencial cornea-retina debidas a la adaptación a la luz y al estado de alerta. La relación señal/ruido del EOG puede mejorarse utilizando electrodos de aguja de 8

  

platino en la piel alrededor de la orbita o utilizando electrodos de plata-cloruro de plata en miniatura implantando de manera permanente en los huesos de la orbita osea La detección del potencial puede ser mejorado cuando se integra el amplificador al electrodo y se ensambla directamente a la piel para eliminar la susceptibilidad al ruido La amplitud de la señal varia entre 50 y 3500 uV El espectro de frecuencia se encuentra distribuido entre DC y 100 Hz.

2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DEL EOG. Para elaborar el diseño del circuito de amplificación existen dos grandes condicionamientos generales. Por un lado las condiciones técnicas, tanto a las que se refieren sobre las especificaciones del proyecto como las que presenta la técnica aplicada ‘per se’, que hemos aclarado anteriormente. Estas incluyen tanto las necesidades de adquisición como acondicionamiento de la señal. Por otro lado se impone unas condiciones técnicas sobre el diseño por motivos de seguridad y fiabilidad a través de la normativa. Bajo esta doble perspectiva se explica en este capítulo la solución hardware para el amplificador EOG finalmente proyectada, tanto a nivel de diseño como de los componentes escogidos.

DIAGRAMA DE BLOQUES

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2.1 EL ELECTRODO En el desarrollo del modulo se utilzo electrodos de Ag-AgCl, tipo flotante con la finalidad de obtener la mejor adaptación de la interfaz electrodo piel. Estos electrodos por sus características son diseñados con el objetivo de minimizar y eliminar las perturbaciones o alteraciones originadas por movimientos y desplazamientos evitando cualquier contacto directamente el electrodo y la piel. El único camino conductor entere el metal y la piel es el gel o pasta electrolítica, que forma un puente electrolítico

Muestra del electrodo utilizado 2.2 AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICO DE EOG. Para la correcta adquisición de la señal del EOG necesitamos construir un bio-amplificador que acondicione la señal, amplificándola a la vez que elimina las señales de interferencia externas, con un esquema de bloques o etapas como el de la figura de abajo. La mejor solución para realizar una amplificación diferencial es mediante un amplificador de instrumentación (INA del inglés INstrumentation Amplifier).

Basado en este amplificador de instrumentación nosotros hemos utilizado su equivalente interno mediante OpAmps TL074 los cuales son mostrados a continuación. 10

Amplificador de instrumentación (equivalente) usando en el proyecto Las principales características que debemos tener en cuenta a la hora de escoger un amplificador de instrumentación adecuado para nuestra aplicación son: - La impedancia de entrada en modo común (Zmc). - La impedancia de entrada en modo diferencial (Zd). - La relación de rechazo en modo común (CMRR). - La relación de rechazo frente variaciones de alimentación (PSRR). Este último parámetro es importante para evitar el ruido ocasionado por el rizado en la línea de alimentación del integrado (±Vcc); especialmente el de 100Hz introducido en la línea de alimentación por el rectificado de los 60Hz de red a corriente DC. Es una fuente de ruido que, aunque se pongan condensadores en la línea de alimentación para rectificar el rizado, conviene atenuar ya que puede arruinar todas las medidas tomadas para obtener una señal lo más libre de interferencia posible en la interficie paciente-electrodo en líneas de red con muchas fluctuaciones y poco estables.

2.3 FILTRO PASA BANDA Para esta etapa se utilizó un filtro Butterworth de cuarto orden, cuya finalidad fue de asegurar que la señal electro-oculografica se encuentre dentro de un ancho de banda apropiado y no perder información de utilidad para el diagnóstico de acuerdo a las normas médicas. Esta se encuentra entre los 0.05 y 100Hz. La finalidad de limitar la señal capturada a este rango de frecuencias es evitar la interferencia que se producen por el contacto entre la piel y los electrodos,además del movimiento del cable blindado conectado al amplificador de instrumentación y el ruido de los equipos eléctricos y/o electrónicos que se encuentran alrededor.

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Diagrama de conexión del filtro pasa-banda Los estudios demuestran que para frecuencias menores de 0.05Hz se elimina una diferencia de potencial entre los electrodos y para superficie de la piel que alcanza niveles de hasta 300mV y que puede llegar a saturar a los circuitos de amplificación. Eliminando estas frecuencias aseguramos una alta ganancia del EOG. Con el filtro pasa alto se determino la frecuencia de corete inferior del sistemas de amplificación del modulo y con el filtro pasa baja la frecuencia de corte superior de 100Hz.

2.4 FILTRO NOTCH Una vez determinado el ancho de banda del sistemas amplificador, se tiene que eliminar el ruido producido por la red de alimentación de energía eléctrica. Se logró utilizando un filtro Notch. Este tipo de filtro se caracteriza por eliminar las señales de una frecuencia específica de acuerdo al nivel de atenuación especificada. Para eliminar el ruido inducido por la red eléctrica sobre los 60Hz, se diseñó el filtro de cuarto orden centrado la frecuencia de atenuación sobre los 60Hz.

Filtro selectivo Notch

2.5 AMPLIFICACION En esta última etapa del procesamiento la señal obtenida tiene aun una pequeña amplitud, la cual necesita ser manipulada para que alcance una amplitud comprendida entre -5 +5 V 12

para poder ser entrada en en el sistema de OpAmps comparadores para la vizualsacion de sentido (leds).

Amplificador final

3. ESQUEMÁTICO COMPLETO A. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICO DE EOG.

B. COMPARADOR

13

4. PLACA IMPRESA

14

A. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICO DE EOG.

15

EJE HORIZONTAL

EJE VERTICAL

EJE HORIZONTAL 16

EJE VERTICAL

17

B. COMPARADOR PLACA EN EAGLE

ESQUEMATICO EN EAGLE

18

IMPRESIÓN DE PISTAS

IMPRESIÓN CARA DE COMPONENTES

19

5. RESULTADOS COMPARADORES CANAL HOR-VER

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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  Una de las mejoras seria el aumento en el grado de los filtros, un filtro de 4º orden sería lo más eficiente.  Se utilizaría un amplificador de instrumentación como el ad620 para poder mejorar la respuesta de la señal pues en este proyecto se dio un equivalente por motivos de economía.  Se puede evitar el ruido de 60Hz utilizando para ello baterías para la alimentación del proyecto. Canal vertical

35º

15º

0º

15º

35º

1

3.52

1.3

0.22

1.22

3.4

2

4.01

1.75

0.17

1.87

4..1

3

2.41

1.48

-0.22

1.47

2.58

4

3.07

1.56

0.35

1.46

3.07

5

4.03

1.91

0.27

1.84

3.93

Promedio

3.56

1.49

0.24

1.53

3.38

60º

30º

0º

30º

60º

1

6.51

3.26

0.22

3.07

6.56

2

6.66

2.59

-0.38

2.69

6.54

3

6.79

3.29

0.37

3.65

6.19

4

6.61

3.73

0.20

3.84

6.57

5

6.31

2.49

0.5

2.58

6.54

Promedio

6.79

3.49

0.33

3.77

6.48

Canal horizontal

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7. CONCLUSIONES  Concluimos que es posible poder construir un EOG muy cómodo (coste) a partir de amplificadores operacionales comunes.  Es posible manejar las señales oculograficas para realizar un mouse (izquierda, derecha ,arriba, abajo, stop)  Con este proyecto se puede hacer avances en la ing. Biomédica para la ayuda de pacientes que no pueden comunicarse por medio de gestos ni movimientos (ataxia), pues estos podrían comunicarse mediante señales con los ojos (escribir textos etc)

8. BIBLIOGRAFÍA       

LIBROS, MANUALES Y TESIS DE GRADO. ALVAREZ DELGADO, Diego. Estudio de Electrodos Desechables utilizados en Instrumentación Biomédica. Tesis, Escuela Politécnica Nacional, 1995. ROUVIERE H. ; DELMAS, A. Anatomía Humana: Descriptiva, Topográfica y Funcional. Tomo I: Cabeza y Cuello. Editorial Masson, Novena Edición, 1988. http://www.rau.edu.uy/universidad/medicina/delgado.htm http://www.rossmed.hypermart.net Antonio Crespo, Ph. y D. Raúl Cabestrero, Ph. D. “Tipos de movimientos oculares” http://www.uned.es/eyemovements lab/links/tipos_movimientos.htm.

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