XII SIMPOSIO DE TRATAMIENTO DE SENALES, IMAGENES Y VISION ARTIFICIAL. STSIVA 2007 1

Diseno HW de un sistema de medicion para losmeridianos en electroacopuntura

Miguel Adolfo Lopez OrtegaGrupo Dinamica Simulacion y ControlDSC

Ingenierıa FısicaUniversidad del Cauca

miguel 626@hotmail.com

Abstract— Dentro de la medicina alternativa esta el metodode diagnostico segun el estado de los meridianos en elcuerpo, los cuales son una union de puntos estrategicoscuyo comportamiento energetico describe el estado de unorgano en particular, conocido como Electroacopunturade Voll. Resulta muy importante obtener una medicionmuy confiable para el correcto diagnostico. Esto se lograaplicando los conceptos de medicion y tratamiento de senal.En este artıculo se describe el metodo realizado paraobtener una senal confiable del estado energetico de losmeridianos corporales a traves de sensores de contactocutaneos, el respectivo filtrado y la comunicacion de losdatos obtenidos al computador.

Index Terms— Elecroacopuntura de Voll, estado energetico,meridianos, tratamiento de senal, filtrado.

I . INTRODUCCION

El principal objetivo en cualquier medicion es establecerel valor o la tendencia de alguna variable, basandoseen el valor o tendencia que sugiere el dispositivo demedicion. Una medicion asigna un valor especıfico a unavariable fısica. Un sistema de medicion es, pues, unaherramienta que se utiliza para cuantificar una variablefısica. Los sistemas de medicion se utilizan para ampliarlas capacidades de los sentidos humanos, los cualesaunque pueden detectar y reconocer diferentes tipos desenales, estan limitados y no tiene la capacidad de asignarvalores especıficos a las variables detectadas.

II . SISTEMAS DE MEDICION

Un sistema general de medicion se divide en cuatroetapas generales (fig. 1) que son:⊲ Etapa del sensor.⊲ Etapa del transductor.⊲ Etapa de acondicionamiento de la senal.⊲ Etapa de salida.

1. Etapa del sensor.El sensor es un elemento fısico que usa algun fenomenonatural para detectar la variable que mide.

2. Etapa del transductorEl transductor convierte la senal detectada por el sensoren otra forma de senal, ya sea electrica, mecanica, optica,etc., con el fin de poderla cuantificar de manera simple.3. Acondicionamiento de senalAqui, se toma la senal del transductor y se modifica,aumentando su magnitud mediante amplificacion, elimi-nando partes de esta mediante filtrado y proporcionandouna conexion hacia la etapa de salida.4. Etapa de salidaLa etapa de salida proporciona una indicacion del valorde la medicion, a traves de pantallas de lectura o escalasgradudas con elementos indicadores.

Sensor Trxacondicio-namiento salida

FIGURA 1. Componentes generales de un sistema demedicion.

A. Electrodos de contacto

Segun el metodo de electroacopuntura de Voll, la medidarelativa del estado de un organo puede estar en un rangode cero a cien. Esta medida se basa en la propiedad fısicaresistiva del meridiano, la cual toma un valor diferente ala de una medida en cualquier otro punto diferente sobrela piel.Los electrodos utilizados son de una aleacion de cobre,de alta conductividad electrica lo cual disminuye lascapacitancias parasitas entre la piel y el electrodo.En el proceso de medicion por medio de electrodos su-perficiales o de contacto aparecen potenciales electricos(E) debido a la union electrodo–electrolito en la piel, estopodrıa dar lugar a valores no precisos. Un metodo simplede disminuir estos potenciales es utilizar dos electrodosdel mismo material, con lo cual el potencial medido entreellos es pequeno.

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FIGURA 2. Equivalente electrico en la interfase entre elelectrodo y la piel.

Al medir a traves de la piel se tiene un circuito elec-trico equivalente en la interfase piel–electrodo (fig. 2),en donde se puede apreciar que aparecen impedanciascapacitivas debido a los electrodos (R1C1). Ademas deesto hay que tener en cuenta la resistencia de la pieldebida a su pH caracteristico, la resistividad de la der-mis, epidermis, grasa corporal, etc. que hacen que cadapersona posea propiedades resistivas cutaneas diferentes(R2).

B. Transductor

El identificar el tipo de senal fısica a medir, nos dauna idea del transductor a utilizar, para convertir lasenal fısica a otro tipo de senal, que en nuestro casoes electrica.El puente de Wheatstone es un circuito para medicion deresistencia muy preciso, el cual se basa en conocer tresde cuatro resistencias que lo componen (fig. 3).

I1

I3

I2

Ix

IG

FIGURA 3. Circuito de puente de Wheatstone.

Cuando el puente esta balanceado, es decirIG = 0,aplicando LCK tenemos:

I2 = Ix

I1 = I3 (1)

Aplicamos LVK:

I1R1 = I2R2

I3R3 = IxRx (2)

Hallamas la razon entre las ecuaciones (1) y (2), teniendoen cuenta queI1 = I3 y I2 = Ix:

R1

R3

=R2

Rx

(3)

De donde podemos despejarRx:

Rx =

(

R2

R1

)

R3 (4)

Es claro que para cualquier cambio enRx, cuando elpuente esta balanceado, se generara una diferencia depotencial∆V proporcional al cambio en la resistencia.Siendo entonces:

∆VG

V=

∆R/R

4 + 2(∆R/R)(5)

C. Acondicionamiento de senal

Cuando el puente de Wheatstone se descompensa, segenera una diferencia de potencial, la cual esta direc-tamente relacionada con el cambio de resistencia enRx,que en nuestro caso equivale a la medida de la resistenciadel meridiano a traves de los electrodos de contacto.El voltaje generado es diferencial, es decir, no esta ref-erenciado a tierra si no a un punto diferente, por lo quees necesario restar los voltajes deR3 y Rx, para obtenerel potencial correcto.Dependiendo de los valores deR1, R2, R3 y Rx, lamagnitud de∆VG sera de mayor o menor magnitud1. Sehace necesario entonces un dispositivo que me permitaobtener el voltaje diferencial y ademas que me adecueel valor a un rango medible; utilizamos un amplificadorde instrumentacion.Los amplificadores de instrumentacion poseen altaimpedancia de entrada por lo que garantizan una muybuena recepcion de senal y ajustan el valor de esta aun rango aceptable para su medicion. El amplificadorde instrumentacion utilizado es elAD620, de AnalogDevices R©, cuyas principales caracterısticas se indicanel la tabla (I).El diagrama de pines del amplificador de instrumentacionAD620 se muestra en la figura (4); este amplificadornecesita de una unica resistencia para determinar la

1Obviamente abriendo el circuito entreR3 y Rx.

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Caracterıstica valor unidades

Ganancia 1 a 1000 – –Offsetin 50 µV

Drift 0.6 µV/oCOffsetout 0.28 µV

TABLA I. Caracterısticas del amplificador de instru-mentacionAD620.

ganancia de la senal de salida, esta ganancia se calculacon la ecuacion (6).

G =49,4kΩ

RG

+ 1 (6)

La resistenciaRG, se conecta entre los pines 1 y 8del amplificador de instrumentacion. El pin 5 debe irreferenciado, en este caso, a tierra (GND).

FIGURA 4. Configuracion de pines para el amplificadorde instrumentacionAD620.

Una vez la senal esta acondicionada, se la digitaliza parasu tratamiento, que en este caso es una etapa de filtradodigital.El filtro implementado es un filtro pasabajas de segundoorden, cuya funcion de transferencia es:

G(s) =1

1 + 2ξτs+ τ2s2(7)

Donde:

τ : constante de tiempo.

ξ : factor de amortiguamiento.

s : operador de Laplace.

Cuando trabajamos en tiempo contınuo, el operadorcomunmente utilizado para hallar funciones de trans-ferencia es la transformada de Laplace, sin embargocuando digitalizamos la senal, ocurre una transformaciondel espacio contınuo al espacio discreto, al proceso decambio de una senal continua a discreta se le conocecomomuestreo.

Se puede considerar el proceso de muestreo como la mul-tiplicacion de dos funciones: unax(t) continua yδT (t)definida como una funcion impulso unitario. Matematica-mente se expresa:

x∗(t) = x(t)δT (t) (8)

Dondex∗(t) es la senal digital impulso y:

δT (t) =

∞∑

k=0

δ(t− kT ) (9)

SiendoT el periodo de muestreo yk ∈ Z.Esto quiere decir que para cada tiempoT la senalx∗(t)tomara el valor correspondiente ax(T ).Es obvio quex∗(t) es discontinua, por lo que se necesitaun operador que la haga continua, este proceso lo lleva acabo elretenedor, que, como su nombre lo indica, retienela senal en un valorx∗(T ) entre muestreos consecutivos,es decir:

h(kT + t) = x∗(kT ) (10)

Para0 ≤ t < T , siendoh(t), la funcion digitalizadaescalonada.La funcion de transferencia del retenedor, depende desu orden. En operaciones de digitalizacion de senalesse utiliza el retenedor de orden cero, cuya funcion detransferencia es:

GH0(s) =

1− e−Ts

s(11)

Tenemos entonces:

H(s) =

(

1− e−Ts

s

)

X∗(s) (12)

Por comodidad en los calculos tomamos la transformadaz de la ecuacion (12):

H(z) = Z

[

1− e−Ts

s

]

X(z)

H(z) = (1− z−1)Z

[

1

s

]

X(z)

H(z) = (1− z−1)1

1− z−1X(z)

H(z) = X(z) (13)

Ahora podemos centrarnos en la implementacion delfiltro digital de segundo orden.Los filtros de segundo orden se caracterizan por tener uncoeficiente de amortiguamiento, en nuestro caso, para las

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altas frecuencias, la funcion de transferencia de un filtrode paso bajo mejorado en tiempo discreto es:

G(z) = k1 + z−1

1− az−1(14)

La cual, normalizada en el origen, podemos programarlamas facilmente si la expresamos como una ecuacion endiferencias:

h(k) = ah(k − 1) + bx(k) + cx(k − 1) (15)

donde:

b =

(

1− a

2

)

c =

(

a− 1

2

)

(16)

La respuesta del filtro se muestra en la figura (5), el cualse diseno para una frecuencia de corte de 1.5 kHz.

0 600 1200 1800 2400 3000 3600

0

0.25

0.50

0.75

1.00

[ Hz ]

[ % Senal ]

FIGURA 5. Curva de respuesta del filtro.

III . INTERFAZ AL COMPUTADOR

La conversion analogica–digital y el filtrado de la senalse realizan en un mismo dispositivo; el microcontroladorPIC18F4455 de Microchip R©, el cual ademas nos da laopcion de comunicacion serialRS232 y USB 2.0.

A. Comunicacion serial

La comunicacion serial esta basada en el envıo y recep-cion de bits, uno a uno. Obviamente es mas lenta quela comunicaion paralela, pero la ventaja es que aumentaenormemente la distancia de comunicacion.

1. Protocolo RS232.RS232 (EstandarANSI/EIA 232) es el conector serial quese encuentra en los computadores IBM compatible, seutiliza para conectar dispositivos a mas de 15 metroscon una velocidad de transmision no mayor a 9.6 kbps.La conexion es sencilla cuando la comunicacion esasıncrona y unidireccional, ya que solo se requieren doshilos de conexion: el transmisor (Tx) y la referencia(GND). El conector para serial (COM) es de nueve pines(fig. 6) y se debe realizar una conversion de senal deTTL

del 18F4455 a RS232, utilizando el integradoMAX232de Maxim R©.

FIGURA 6. Conexion del pic18F4455 al puertoRS232.

Para mejorar la calidad de la senal, el pin numero 1 delconectorDB9 debe ir conectado al neutro o chasis deldispositivo.2. Protocolo USB.USB es el acronimo deUniversal Serial Bus y puedealcanzar velocidades de transmision de hasta 480 Mbpsa una distancia maxima de 5 metros en configuracionhigh speed.La comunicacion se realiza identificando paquetes de

FIGURA 7. Conexion delpic18F4455 al puertoUSB.

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informacion. El proceso es, basicamente, el siguiente.Inicialmente el dispositivo se encuentra en modo deespera hasta recibir un paquetetoken, el cual indicaque tipo de transaccion se va a realizar, luego se envia elpaquetedata el cual posee la informacion de el dato atransmitir, luego se envıa el paquetehandshake el cualse encarga de hacer el reconocimiento de la transaccionrealizada y por ultimo el paquetestart of frame elcual indica el comienzo de un nuevo envıo.El conector es de cuatro cables (tabla II) y se escoge elmodo de transmision mediante reistencias pull–up.

Pin Color Funcion

1 rojo Vbus2 blanco D

−

3 verde D+

4 negro GND

TABLA II. Descripcion de pines en el conectorUSB.

En la figura (7) se muestra la conexion del18f4455 aun puertoUSB 2.0 en configuracionfull speed.El dispositivo montado con comunicacionRS232 semuestra en la figura (8), conectado a un PC portatil.

FIGURA 8. Dispositivo de medida conectado a un com-putador portatil.

IV . CONCLUSIONES

Cuando se realiza una medicion electrica, o que esterelacionada con este tipo de magnitud, hay que teneren cuenta ciertos criterios para que la medida sea lomas precisa posible, entre los que estan un aislamientoelectrico del paciente para evitar fugas de corriente entreel sensor y el dispositivo.

Se debe tener presente que los objetos metalicos oque emitan campos magneticos fuertes alteran unpoco la medicion ya que afectan –sobre todo esteultimo– al dispositivo de procesamiento, en este caso el

microcontroladorPIC18F4455.

El proceso de filtrado debe realizarse siempre que elsensor este retirado del dispositivo de tratamiento de lasenal, ya que los cables conductores son suceptibles ala interferencia electrica y magnetica.

La filtros digitales aventajan a los filtros hardware yaque estos ultimos son mas suceptibles al ruido electrico,magnetico y/o termico debido a que su elaboracioninvolucran mas componentes fısicos.

Gracias a las ventajas de trabajar con la transformadazen tiempo discreto, la implementacion de filtros digitales(FIR, IIR) es muy sencilla pudiendose implementar filtrosde orden superior con muy pocas lıneas de codigo.

El uso de microcontroladores en tratamiento de senalayuda a minimizar espacio y errores debido a ruidoo interferencias y permite en un mismo dispositivola implementacion de protocolos de comunicacional computador personal, lo que da ventaja sobre lossistemas analogicos.

Cabe anotar que no se pretende verificar ni desmentirla veracidad del proceso de electroacopuntura de Voll,si no acoplar la tecnologıa en la adquisicion de datosy tratamiento de senal a un proceso de diagnostico noortodoxo.

V . AGRADECIMIENTOS

El autor quiere expresar sus agradecimientos a losingenieros de sistemas Ing. Jorge Giraldo, Ing. JorgeGalindez, Ing. Jesus Munoz, Ing. Roberto Erazo y al Ing.Carlos Alberto Cobos por la colaboracion en el disenodel software de adquisicion y presentacion de datos ypor la oportunidad de pertencer al grupoEAV MOBILE

DIAGNOSTIC campeon andino y finalista mundial delconcursoImagine Cup promovido porMicrosoft R©.

BIBLIOGRAFIA

[1] IRWIN, David. Analisis basico de circuitos en inge-nierıa. Pearson Educacion, Mexico, 1997.

[2] ANGULO, Jose. et. al.Microcontroladores avanza-dos. Thomson, Espana, 2006.

[3] OGATA, Katsuhiko.Sistemas de control en tiempodiscreto. Prentice Hall, Mexico, 1996.

[4] Making sense of the USB standard.[www.beyondlogic.org ]. On line, 4/10/2007.