Diseo y construccion de un robot movil que adquiere imgenes para generar una nube de puntos. Juan Musua [footnoteRef:1], Byron Zapata[footnoteRef:2], Luis Oate[footnoteRef:3], Bayardo Campusano[footnoteRef:4] [1: Estudiante de Ingeniera Electrnica - Universidad Politcnica Salesiana, Encargado del Mantenimiento Electrnico del rea de laminados ADELCA Ecuador.] [2: Estudiante de Ingeniera Electrnica - Universidad Politcnica Salesiana, Encargado del Laboratorio de Maquinas Elctricas UPS sede Quito.] [3: Ingeniero en Electrnica y Telecomunicaciones Escuela Politcnica Nacional, Docente - UPS - sede Quito.] [4: Master Biomedicina, UPM, Ingeniero en Sistemas Universidad Politcnica Salesiana, Docente - UPS - sede Quito.Autor para correspondencia: fchangoluiza@ups.edu.ec]

ResumenAbstract

En este artculo se presenta el diseo y construccin de un equipo de medicin de glucosa, de manera no invasiva, para lo cual se empez por indagar sobre que es la diabetes, sus causas y efectos, as tambin se analiz los mtodos y principios de funcionamiento existentes en equipos de medicin de niveles de azcar en la sangre. Utilizando un sensor de pulsioximetra, una circuitera adecuada y microcontroladores se obtiene una seal Fotopletismogrfica la misma que mediante la Ley de Lambert-Beer, permite obtener los niveles de glucosa, que pueden ser medidas desde una aplicacin en un dispositivo mvil con sistema operativo Android, facilitando el control continuo de diabetes. Este proyecto fue desarrollado conjunta mente con la asociacin diabtica del hospital Tierra Nueva.

Palabras Clave: Ley de lambert-Beel, Diabetes, Glucosa, Interfaz, Pulsioximetra.

This paper presents the design and construction of a measuring glucose non-invasively, for which it was first find out which is diabetes, its causes and effects, and also analyzed the methods and principles of operation existing measurement equipment levels of blood sugar. Using a pulse oximeter sensor, suitable circuitry and microcontrollers for the photoplethysmographic signal is obtained which is directly related to the Lambert-Beer law, finally obtaining glucose levels, which can be measured from an application on a mobile device with Android OS, providing continuous monitoring of diabetes. This project was jointly developed mind with Diabetic Association of Newfoundland hospital.

Keywords: Diabetes, Glucose, Interface, Pulse Oximetry.

ArtculoCientfico / Scientific PaperApellido Autor et al / Titulo del Articulo|Apellido Autor et al / Titulo del Articulo

1

8

9

1. Introduccin

La utilizacin de robots en diversos campos se ha vuelto muy importante en la actualidad, y ms an cuando se ha incorporado sistemas de visin artificial. Una aplicacin de la visin artificial es la reconstruccin tridimensional de objetos pequeos basados en el tratamiento de imgenes con la finalidad de generar una nube de puntos que permitan construir la imagen tridimensional del objeto. La reconstruccin de objetos pequeos se convierte en un problema ya que no se puede realizar un escaneo de objetos grandes.Debido a esta necesidad, el proyecto consiste en construir un robot mvil para obtener los datos de su trayectoria, escanear habitaciones, capturar imgenes y procesarlas para generar una nube de puntos mediant el algoritmo.

2. Robot MvilLos robots con ruedas son diseados para eliminar las limitaciones de los robos fijos, estos robots son utilizados para tener movilidad a travs de superficies. Los robots omnidireccionales pueden moverse en distintas direcciones utilizando una configuracin de cuatro ruedas. [1]

2.1 Obtencin de datos de la trayectoria del robotPara conocer la el desplazamiento realizado por el robot se utiliza sensores pticos que convierten un desplazamiento rotacional en una seal digital sin necesidad de convertidor analgico-digital.[2]El sensor ptico QRD114 detectar la presencia del haz de luz para generar la seal.La configuracin de lneas sobre una circunferencia permite que el sensor qrd114 detecte partes de color negra remplazando anlogamente a los encoders donde se detecta la presencia de agujeros.

Figura 1. Plano a sensar.

2.1.1 Ecuaciones y clculo de distancia recorrida

El clculo de la distancia recorrida realizada por los robots mviles implicara conocer los siguientes datos:

Dimetro de las ruedas. Angulo de ranuras de los encoders. Distancia de separacin de las ranuras de los encoders. Numero de ranuras de los encoders.[3]

Donde S: Distancia RecorridaR: Radio de las llantasPPV: Pulsos de vueltaC: Numero de Pulsos recorridos2.2 Adquisicin Los componentes de un sistema de adquisicin de imgenes son: Fuente de iluminacin, sensores de imagen, procesamiento de imgenes. Las imgenes estn constituidas por pixeles. Matemticamente, una imagen se representa por r = f(x,y), donde r es la intensidad luminosa del pixel, cuyas coordenadas son (x,y).[4]

2.2.1Adquisicin de Imgenes de forma bifocal

La adquisicin de forma bifocal es una tcnica utilizada para obtener informacin de una escena a travs de la adquisicin de varias imgenes, con esta tcnica se obtiene una mejor visualizacin tridimensional de objetos, la adquisicin de imgenes de forma bifocal consiste en utilizar dos cmaras situadas en un soporte fsico, las imgenes adquiridas son sincronizadas para que sean tomadas un mismo instante de tiempo.

2.3 Procesamiento de Imgenes

Una caracterstica importante del procesamiento de imgenes es la segmentacin, que consiste en dividir una imagen para obtener reas de inters contenidos en la imagen.Para centrarse en regiones que sean de inters se aplican mtodos de deteccin de bordes

2.3.1 Mtodos de obtencin de bordesLas tcnicas para la deteccin de bordes utilizan operadores locales basados en distintas aproximaciones discretas de la primera y segunda derivada de los niveles de grises de la imagen. [5]Los operadores ms utilizados son:2.3.1.1 Operador de RobertsEste operador da una buena respuesta ante bordes diagonales, las mscaras utilizadas en este operador son:

[5]

2.2.1.2 Operador Prewitt, Sobel y Frei-Chen Estos operadores pueden formularse de forma conjunta con las siguientes mscaras de convolucin:

Operador Prewitt (K=1) involucran a los vecinos de filas / columnas adyacentes para Proporcionar mayor inmunidad al ruido. [5]

Operador Sobel (K=2), es ms sensible a los bordes diagonales que el de Prewitt aunque en la prctica hay poca diferencia entre ellos.[5]

Operador Frei-Chen (K= ), el gradiente es el mismo para bordes verticales, horizontales y diagonales. [5]

2.3 Generacin de la nube de puntos

2.2.2 3. Desarrollo del equipo3.1 Diseo del Robot3.2 Diseo del software de adquisicin de imgenes.3.3 Diseo del software de procesamiento de imgenes.

Basndonos en la Ley de Lambert-Beer anterior mente descrita la Absorbancia es directamente proporcional al compuesto, desarrollaremos una ecuacin que relacione los niveles de voltaje obtenidos a partir de una de las etapas de nuestro equipo, con niveles de glucosa reales, datos que se sustentan mediante una relacin lineal entre la concentracin y la absorbancia, utilizando para ello datos de medicin de Espectrofotomtrica de la glucosa con el equipo Spec 20 and Spec 20D Spectrophotometers. [4]

(5)

Conociendo la concentracin, en el eje x y la Absorbancia de forma indirecta en el eje y, es posible conocer la intensidad de luz transmitida basado en la ecuacin (3) , de esta manera se relaciona la Intensidad de luz transmitida y la corriente de entrada del fotodiodo como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Crecimiento de Corriente en funcin de Intensidad de luz transmitida de forma logartmica.A medida que aumenta la intensidad de luz transmitida la corriente que entrega el fotodiodo aumenta logartmicamente, obteniendo variaciones de corriente mnimas como indica la curva. As tambin existe una relacin lineal entre la concentracin de glucosa y la corriente que entrega el fotodiodo producto del efecto electrn hueco [7]. Los valores de la corriente de entrada del fotodiodo se obtuvieron al comparar los niveles de glucemia medidos con un Glucmetro comercial invasivo Roch Accu-Chek Active con los niveles de voltaje que entrega el Glucmetro no invasivo.

Los datos de glucemia recopilados entre pacientes diabticos tipo 2 del Hospital Tierra Nueva y personas no diabticas sustentaron la elaboracin de las cinco ecuaciones indirectas que relacionan voltaje con niveles de glucosa.

y = -45,73x + 246,6 (6) y = -188,4x + 743,8 (7)y = -376,4x + 1374 (8)y = -985x + 3309 (9)y = -188x + 855,5 (10)

De esta manera basndonos en la fundamentacin teora de La Ley de Lamberth-Beer [3] se dice que: la ecuacin (6) se encuentra en un Rango 1 de glucosa de 50-87.5 [mg/dl], la ecuacin (7) se encuentra en un Rango 2 de glucosa de 88-112.5 [mg/dl], la ecuacin (8) se encuentra en un Rango 3 de glucosa de 113-177 [mg/dl], la ecuacin (9) se encuentra en un Rango 4 de glucosa de 177.5-276 [mg/dl] y la ecuacin (10) se encuentra en un Rango 5 de glucosa de 276.5-300 [mg/dl] como se observa en la Figura 2.

Ecuaciones que fueron incluidas en el microcontrolador para tomar nuevas muestras y realizar una linealizacin que permita mostrar niveles de glucosa aproximados a la del Glucmetro comercial invasivo Roch Accu-Chek Active.

Figura 2. Ecuacin Glucmetro Invasivo.

La ecuacin de liberalizacin:

(11)

Esta ecuacin es la resultante para obtener valores reales de glucosa con el equipo desarrollado en el presente proyecto, obteniendo los siguientes valores de glucemia final.

Tabla 1: Medicin de niveles de Glucosa con Glucmetro No invasivo y Glucmetro Invasivo Roch Accu-Chek Active.Glucmetro InvasivoRoch Accu-Chek Active. [mg/dl]Glucmetro No invasivo[mg/dl]

110106

114108

122110

99103

150151

101112

131125

124118

210215

156165

3. Desarrollo del equipo3.1 Diseo del hardwareLa representacin grfica por bloques como se observa en la Figura. 3 muestra el proceso de acondicionamiento de la seal pletismogrfica para obtencin de niveles de glucosa mediante el ADC del microcontrolador, dato que ser mostrado en una LCD y enviado a un Dispositivo mvil mediante una interfaz.

Figura 3. Diagrama de bloques Glucmetro no invasivo.Para la construccin del equipo se empez diseando el control del Sensor de pulsioximetra (ENVITEC), el cual est conformado en la parte superior de un LED rojo y un LED infrarrojo para la incidencia de luz y en la parte inferior un Foto Diodo para la conversin de luz a corriente. El conjunto de Leds deben conmutar a una frecuencia de 500 Hz con longitudes de onda de 660nm Led rojo y 890nm Led Infrarrojo o NIR para la generacin de onda Fotopletismogrfica.[7] Esta conmutacin se logra con el uso del Microcontrolador secundario que genera seales TTL a 20mA por pin de salida conmutadas entre si, adems se ha implementado adicionalmente un Puente H quien efectiviza la conmutacin y eleva los niveles de corriente para lograr mayor Intensidad de incidencia lumnica.Esta Incidencia lumnica atravesarn un medio de absorcin (Dedo ndice izquierdo), esto produce la disminucin de la intensidad inicial de modo que los fotones que logran impactar el rea del fotodiodo dan lugar a una corriente proporcional a la intensidad transmitida siendo esta equivalente a la concentracin de glucosa [8].Para viabilizar el procesamiento de la seal obtenida se implementa una segunda etapa, un Amplificador de Transimpedancia o Conversor de Corriente a Voltaje que adems eleva en amplitud la seal a un nivel de digitalizacin. Esta nueva seal tiene un nivel de corriente continua (DC) negativa por lo que nos da paso a implementar la tercera etapa, un Circuito Sumador, encargado de elevar nuestra seal a un nivel requerido (0 - 5V), para que la seal sea adquirida por el microcontrolador, en este punto surge un inconveniente al realizar las mediciones ya que en cada sujeto la seal no est ajustada en cero, motivo por el cual se implement una cuarta etapa, se trata de un Circuito Fijador activo de nivel positivo Como consecuencia de ello, la seal de salida tiene la misma amplitud y forma de la seal de entrada, excepto el nivel de DC. [5] de esta manera se garantiza la digitalizacin de la seal. Esto se llevar a cabo mediante el microcontrolador principal, que se encargara de realizar el ADC de la seal de glucometria para que posteriormente se ejecute el cdigo del programa dentro del microcontrolador que contiene la Ecuacin de Glucometria, obteniendo el nivel de glucosa, valor que se observa en una LDC y adicional mente podr ser transmitida a travs de una Interfaz Bluetooth a un Dispositivo Mvil con sistema operativo Andriod v4.0.0, donde se registrara cada medicin de glucosa en una base de datos o se enviara a una Pagina Web.

3.2 Diseo del softwareRepresentacin grfica del algoritmo programado en el microcontrolador principal, como se observa en la Figura 4.NONOSISINOSIRango 1InicioADCUart Rx

DatoBluetoothValor Mnimo del ADC

Rango2

NOSIRango 3

NOSIRango 4

Rango 5NOSI

Uart TxGlucosa

Fin

Figura 4. Diagrama de flujo de Microcontrolador principal.

El equipo de medicin de glucosa inicia su funcionamiento a partir de receptar un bit de inicio mismo que es proporcionado por un dispositivo mvil, establecindose de este modo una comunicacin va bluetooth, a una velocidad de transmisin de 9600 baudios, para ello se utilizo los registros UART y ADCOM1 de los puertos C y A respectivamente, el registro UART (transmisor-receptor asncrono universal), esta encargado de escuchar el byte que iniciara la conversin anloga-digital. El registro ADCON1 se encarga de configurar como digital o analago A/D , teniendo en cuenta que la tensin mxima de entrada en el puerto es de 5 Volts. Una ves receptado el byte de inicio la seal de glucometria empezar a ser cuantificada mediante la instruccin ADC_Read, accin que ser realizada a 10 bytes que luego sern 1023 niveles de glucemia.Para obtener el valor real de glucemia, se realizo una comparacin con una constante, de este mdo se obtiene el valor pico de la seal muestreada, dato que ser ingresado en uno de los rangos prestablecidos en el ADC para ser evaluados en una de las ecuaciones de glucometria.

Finalmente mediante el registro UART Tx enviamos el nivel de glucosa hacia el dispositivo mvil.

El dispositivo mvil cuenta con una aplicacin que fue desarrollada en una plataforma web llamada App inventor de Google, para dispositivos con sistema operativo Android, aplicacin que se desenvuelve con libreras Open Blocks de Java, como se observa en la Figura 5 que muestra la representacin del algoritmo de dicha aplicacin en un diagrama de flujo.[6]

Botn SalirDispositivo sin conexinNivel Glucosa[mg/dl]Pagina WebBotn Conectar -DesconectarConexin BluetoothNOInicioBase de datosBotn Medir GlucosaSIBotn SalirNOSI

Figura 5. Diagrama de Flujo SmartphoneLa interfaz grafica es una aplicacin propia de Android, programada grficamente mediante el software App Inventor, as ser desarrollada principal mente para la toma de medidas de niveles de glucemia, consta de una serie de Buttons, cada uno de ellos encargado de ejecutar una determinada accin, detalladas a continuacin:

Button CONECTAR DESCONECTAR, al ser pulsado por primera vez ejecutara una sentencia de conexin a la direccin MAC 00:0A:3A:2B:C3:36, propia del modulo Bluetooth del equipo medidor de glucemia. Una ves establecida la comunicacin esta podra ser abandonada al dar un pulso extendido sobre el mismo Button, en el caso de que nunca llegase a establecerse la comunicacin con el equipo medidor de glucemia mostrara un mensaje indicando que no existe comunicacin con el equipo.

Button MEDIR, este se habilitara solamente si previamente se ha establecido una comunicacin, al pulsarlo, este ejecutara las sentencias prestablecidas para realizar la medicin de glucemia mediante la utilizacin de un clock-timer el cual se encarga de recibir el texto en bytes asignndolo un Label, que se mostrara en la parte media de la interfaz, adicional mente si el paciente desea realizarse nueva mente la medicin lo podr hacer despus de reiniciar la medicin, dando un pulso extendido al Button MEDIR.

Button GUARDAR, una vez realizada la medicin esta podr ser almacenada en una variable global encarga de generar un listado de mediciones con su respectiva hora y fecha actual, informacin que ser almacenada en la base de datos generada en el dispositivo mvil.

Button ENVIAR, al pulsar este Button la aplicacin se cerciora si existe o no una conexin Wi-Fi para proceder a enviar el diagnostico a una pagina web, que ser de uso exclusivo del especialista medico, si no existe ninguna conexin Wi-Fi el proceso deja de ejecutarse.

Button SALIR, esta Button estar habilitado desde el momento que se establezca la comunicacin, posibilitando al paciente abandonar la aplicacin si as lo desea.

4. Resultados y DiscusinLos niveles de glucosa obtenidos con el glucmetro no invasivo como se observa en la Tabla 1, muestran un margen de error relativo del 2.58% respecto a los valores de glucemia medidos desde el glucmetro invasivo de referencia Roch Accu-Chek Active, mostrados en la Tabla 2, datos individuales que se encuentran dentro del rango segn la Norma ISO 15197 creada en el 2003 expone que los resultados de concentraciones de glucosa del fabricante