cámara de video para la detección de los movimientos oculares y posteriormente se realizó procesamiento de imágenes. Para la detección de los movimientos de la cabeza se empleó un sensor (acelerómetro de 3 ejes) sujeto a un casco. Las pruebas se realizaron en una base móvil en la cual se colocó un segundo sensor (acelerómetro de 3 ejes) con el fin de realizar las pruebas mientras el sujeto se encontraba en movimiento. Los resultados muestran que es posible detectar los movimientos oculares y de la cabeza sin restricción en el desplazamiento del cuerpo, lo cual es de gran utilidad para la detección de problemas asociados a la perdida de equilibrio, especialmente bajo ciertas circunstancias, por ejemplo, cuando no existe punto de referencia.
Palabras clave—Acelerómetro, movimientos de la cabeza, movimientos oculares, reflejo vestíbulo-ocular, sistema vestibular.
I. INTRODUCCIÓN
Tres son los sistemas que nos permiten orientarnos en el espacio: el órgano de la visión, el aparato vestibular del oído interno y el sistema propioceptivo [1].
El ojo es un mecanismo de orientación altamente confiable cuando cuenta con los puntos de referencia apropiados. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, por ejemplo para un piloto en vuelo, se puede llegar a dificultar la interpretación de las señales visuales. Por otro lado, los canales semicirculares del sistema vestibular no son responsables de mantener el equilibrio, sin embargo, pueden detectar los movimientos de la cabeza. Se puede detectar la rotación en los tres planos debido a que cada uno de los tres canales semicirculares está orientado en diferentes planos. Las sensaciones de movimiento relativo y de posición relativa provienen de los perceptores que se encuentran en la piel, las articulaciones y los músculos. Los otolitos suministran información sobre la posición [1, 2].
La desorientación en vuelo se considera como una patología de importancia en la medicina aeronáutica que tiene su base en mecanismos fisiológicos. Una manera común de inducir respuestas vestibulares es por medio de movimientos naturales de la cabeza y el reflejo vestíbulo- ocular (VOR). Para el estudio del reflejo vestíbulo-ocular se suelen analizar parámetros como la velocidad de los movimientos oculares los cuales están coordinados con los movimientos de la cabeza, cuando se fija la atención en un objeto y la cabeza se mueve en dirección vertical,
horizontal, longitudinal, lateral o angular, se presenta un movimiento de compensación el cual rota los ojos en la dirección opuesta a la cabeza y con la misma magnitud, permitiendo que los ojos permanezcan fijos en un objeto que merece atención, a pesar de los movimientos rápidos de la cabeza y cuerpo [3, 4, 5]. Los movimientos de los ojos pueden ser influenciados por estimulación del sistema vestibular, pero también por entradas visuales y señales propioceptivas del cuello. Los núcleos vestibulares se hallan unidos directamente a los núcleos del tallo encefálico que interpreta las señales como movimiento [6, 7].
Para detectar los movimientos oculares comúnmente se hace uso de video-oculografía la cual es una técnica no invasiva que consiste en procesamiento de imágenes [8, 9]. El estudio de los movimientos de la cabeza es de vital importancia cuando se habla de la relación existente entre estos y el reflejo vestíbulo-ocular, o entre la relación entre cabeza – cuello.
De lo anterior surge el interés de estudiar los movimientos oculares, de la cabeza, su relación con el sistema vestibular para asociarlos a la detección de problemas como la desorientación en el espacio, movimientos involuntarios, postura, marcha y pérdida de equilibrio.
II. METODOLOGÍA
1) Posicionamiento de los sensores: Para la detección de los movimientos de la cabeza se fijó un acelerómetro en un casco sobre la cabeza del sujeto, frente al sujeto se colocó una cámara de video (a 28.5 cm aproximadamente) que grabó los movimientos oculares. La cámara de video se montó sobre una base móvil en la cual se fijó un segundo acelerómetro. A una distancia aproximada de 1.50 m se colocó una pantalla en la cual se proyectaban patrones que el sujeto debía de seguir mientras se realizaba la prueba. La Fig. 1 muestra el montaje final para la realización de las pruebas.
Fig. 1. Montaje final para la realización de las pruebas.
Metodología para el registro de los movimientos oculares y de la cabeza con
propósitos de diagnóstico del sistema vestibular.
G. Palomino-Roldán
1, E. Suaste-Gómez
1, A. Castañeda-Galván
21IE-Bioelectrónica, CINVESTAV, Ciudad de México, México 2UPIITA, IPN, Ciudad de México, México
MEMORIAS XXXIX CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA BIOMÉDICA
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2) Adquisición de datos y procesamiento: El procesamiento de las imágenes se realizó a través de una interfaz en LabVIEW, la cual permite enfocarse en el ojo del sujeto. Para la adquisición de los datos de ambos acelerómetros se utilizó el Arduino Uno como DAQ a través de una interfaz gráfica en LabVIEW, el procesamiento de los datos se llevó a cabo en Matlab para obtener el ángulo de desplazamiento de la cabeza así como las velocidades. La Fig. 2 muestra de manera gráfica la adquisición y procesamiento de datos.
Fig. 2. Adquisición y procesamiento de datos.
3) Pruebas: Las pruebas se realizaron con el sujeto sentado en la base móvil. Estas consistían en seguir un punto rojo que era proyectado en la pantalla el cual describía una figura conocida, mientras que la base móvil era sometida a movimientos cuasiperiódicos. La Fig. 3 muestra uno de los patrones que fueron proyectados durante las pruebas.
Fig. 3. Patrón proyectado durante las pruebas. III. RESULTADOS
A. Movimientos oculares
Para verificar que el seguimiento de los movimientos
Fig. 4. Posición vertical (arriba) y horizontal (abajo) de los movimientos en ambos ojos.
B. Movimientos de la cabeza
Para verificar que el seguimiento de la posición de los movimientos de la cabeza fuera el correcto, se realizó una prueba con el sujeto sentado en la base móvil sin desplazarla, se proyectó el patrón mostrado en la Fig. 3 para que el sujeto realizara el seguimiento. En la Fig. 5 se demuestra que el seguimiento obtenido por el acelerómetro es similar al patrón proyectado.
Fig. 5. Seguimiento de la posición de los movimientos de la cabeza.
C. Pruebas desplazando la base móvil
Se realizaron pruebas desplazando la base móvil de izquierda a derecha y de adelante hacia atrás, posteriormente, las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos se graficaron. En la Fig. 6 y la Fig. 7 se grafican las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos verticales con desplazamiento de la base móvil de izquierda a derecha y sus velocidades respectivamente.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 -4 -2 0 2 4
Posición de los movimientos verticales en ambos ojos
Gr ad os (° ) Tiempo (s) Ojo derecho Ojo izquierdo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -4 -2 0 2 4
Posición de los movimientos horizontales en ambos ojos
Gr ad os (° ) Tiempo (s) Ojo derecho Ojo izquierdo -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 -10 0 10 20 30 -20 -10 0 10 20 30 40 Grados-y (°) Grados-z (°) Gr ad os -x (° ) 0 5 10 15 20 25 Gr ad os (° ) Movimientos-Ojo Movimientos-Cabeza Movimientos-Base móvil
Fig. 7. Velocidades de las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos verticales con desplazamiento de la base móvil de izquierda a
derecha.
En la Fig. 8 y la Fig. 9 se observan las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos horizontales con desplazamiento de la base móvil de izquierda a derecha y sus velocidades respectivamente.
Fig. 8. Respuestas obtenidas de la posición de los movimientos horizontales con desplazamiento de la base móvil de izquierda a derecha.
Fig. 9. Velocidades de las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos horizontales con desplazamiento de la base móvil de izquierda
a derecha.
En la Fig. 10 y la Fig. 11 se exhiben las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos verticales con
desplazamiento de la base móvil de adelante hacia atrás y sus respectivas velocidades.
Fig. 10. Respuestas obtenidas de la posición de los movimientos verticales con desplazamiento de la base móvil de adelante hacia atrás.
Fig. 11. Velocidades de las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos verticales con desplazamiento de la base móvil de adelante
hacia atrás.
En la Fig. 12 y la Fig. 13 se observan las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos horizontales con desplazamiento de la base móvil de adelante hacia atrás y sus respectivas velocidades.
Fig. 12. Respuestas obtenidas de la posición de los movimientos horizontales con desplazamiento de la base móvil de adelante hacia atrás.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 -2 0 2 4 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Ojo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Cabeza 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s)
Velocidad - Base móvil
0 5 10 15 20 25 30 35 40 -15 -10 -5 0 5 10 15 Gr ad os ( °) Tiempo (s) Movimientos-Ojo Movimientos-Cabeza Movimientos-Base móvil 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -5 0 5 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Ojo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Cabeza 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s)
Velocidad - Base móvil
0 5 10 15 20 25 30 35 40 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Gr a d o s ( °) Tiempo (s) Movimientos-Ojo Movimientos-Cabeza Movimientos-Base móvil 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -1 0 1 Ve lo ci da d (m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Ojo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 Ve lo ci da d (m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Cabeza 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 Ve lo ci da d (m /s ) Tiempo (s)
Velocidad - Base móvil
0 5 10 15 20 25 30 35 40 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Gr a d o s ( °) Tiempo (s) Movimientos-Ojo Movimientos-Cabeza Movimientos-Base móvil
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Fig. 13. Velocidades de las respuestas obtenidas de la posición de los movimientos horizontales con desplazamiento de la base móvil de adelante
hacia atrás.
IV. DISCUSIÓN
En la Fig. 6 y la Fig. 8 se pueden observar respuestas muy similares a la que se obtiene en el reflejo vestíbulo- ocular, sin embargo, la amplitud de la posición de los movimientos de la cabeza tiende a ser mayor a diferencia del reflejo vestíbulo-ocular donde la amplitud es igual en un paciente sano. La amplitud detectada en la cabeza es mayor debido a que todas las pruebas se realizaron con el sujeto en movimiento, por lo cual la cabeza tiende a compensar los movimientos de la plataforma móvil para mantener la mirada y seguir el patrón proyectado.
En la Fig. 12 se observa que la amplitud de la posición de los movimientos de la cabeza y ojos es muy similar (reflejo vestíbulo-ocular), por otra parte, comparando la Fig. 7 y la Fig. 9 con la Fig. 11 y la Fig. 13 respectivamente, se observa que las velocidades de los ojos varían mayormente realizando las pruebas con desplazamiento de izquierda a derecha. Lo anterior se debe a que la cabeza recibe menos perturbación con desplazamientos de adelante hacia atrás que de izquierda a derecha, por lo cual los movimientos de la cabeza para compensar los movimientos del desplazamiento de la base móvil son mínimos, presentando a su vez menor variación en la velocidad de los ojos cuando las pruebas se realizan con desplazamiento de adelante hacia atrás.
De acuerdo a las velocidades obtenidas, se observa que la velocidad en la cabeza es mayor debido al desplazamiento de la base móvil y los movimientos requeridos para el seguimiento del patrón.
A partir de los registros obtenidos se puede determinar la velocidad de respuesta de los movimientos y la ganancia relacionando los ángulos del ojo y de la cabeza. Además, el sistema se puede adaptar para realizar pruebas que permitan inclinaciones para presentar movimientos más similares a
Se demuestra que el método propuesto para la detección de la posición de los movimientos con fines de diagnóstico del sistema vestibular es factible, especialmente para casos donde se requiere observar las respuestas con movimientos aleatorios o cuando no existe un punto de referencia, pruebas y registros que pueden ser de gran ayuda para áreas como la medicina de aviación, para observar las respuestas del sistema vestibular en los pilotos. Así mismo, se puede determinar la velocidad de respuesta de la posición de los movimientos.
Dado a que la base móvil no se inclinaba, no existe variación en la posición de los movimientos de la misma, sin embargo, el método para la detección de la posición de los movimientos se puede adaptar a un mecanismo que permita inclinaciones, las cuales serían detectadas por el acelerómetro colocado en la base móvil.
Estas pruebas pueden servir para la detección oportuna de la presencia de una patología vestibular como la desorientación en el espacio, movimientos involuntarios, postura, marcha y pérdida de equilibrio.
RECONOCIMIENTOS
Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por el financiamiento al presente trabajo a través del proyecto 141194.
BIBLIOGRAFÍA
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[2] John A. Kiernan. “The Human Nervous System an anatomical viewpoint” Wolters Kluwer, 9th edition. London, Canada, 2009. ISBN 978-0-7817-8256-2
[3] Doc 8984 Manual of Civil Aviation Medicine – 3rd edition. International Civil Aviation Organization – ICAO, 2012. [4] Wolfgang H Zangemeister. “Fixation suppression of the
vestibular ocular reflex and head movement correlated EEG potentials.” In book: Eye Movements from Physiology to Cognition, pp.247-256, 1987. DOI: 10.1016/B978-0-444-70113- 8.50037-0
[5] M. Rodenburg. “Coordination of head and eye position during fixation.” In book: Eye Movements from Physiology to Cognition, pp.211-218, 1987.
[6] Robert A. Moses. “Adler’s Physiology of the eye, clinical application” C.V. Mosby Company, 10th edition, 2004. USA. ISBN: 0-323-01136-5
[7] Gabirel M. Gauthier, L. Stark et al (1987) Adaptive Optimization of eye-head coordination with degraded vision. In book: Eye movements: from Physiology to Cognition, Publisher: Elsevier Science Publishers BV, Editors: J.K. O'Regan and A. Lévy- Schoen, pp.201-210.
[8] Fabiola M. Villalobos-Castaldi, Ernesto Suaste-Gómez. “A new spontaneous pupillary oscillation-based verification system.” Expert Systems with Applications 40:5352-5362, 2013.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 -2 0 2 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Ojo 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Cabeza 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 Ve lo c id a d ( m /s ) Tiempo (s) Velocidad - Base móvil
Resumen— La temperatura corporal es un signo vital que es importante medir con precisión. Un cuerpo sano mantiene su temperatura en un rango utilizando los mecanismos de termorregulación. Un número de enfermedades están acompañadas de cambios característicos en la temperatura. Así mismo, el curso de ciertas enfermedades se monitoriza mediante la medición de dicho parámetro. En este trabajo se presentan las etapas de fabricación y caracterización de una pulsera polimérica inteligente así como el diseño de un sistema de monitoreo continuo de la temperatura corporal desarrollado en LabView, el cual, es capaz de almacenar la información en una base de datos así como de activar una alarma en caso de que la temperatura supere los 38 °C, así, el personal médico ya no tendrá que medir manualmente la temperatura de los pacientes, además, se podrá hacer un análisis de los datos de almacenados. De este modo, se pretende una mejora en la calidad del servicio y los cuidados hospitalarios.
Palabras clave—materiales flexibles, monitoreo, pulsera, sensor, temperatura
I. INTRODUCCIÓN
La temperatura corporal es un parámetro fundamental que es importante medir con precisión. Un cuerpo sano mantiene su temperatura en un rango estrecho utilizando los mecanismos de termorregulación [1]. La temperatura media corporal normal se encuentra entre 36.1 ° C y 37.2 ° C [2]. La temperatura del cuerpo varía en función de diferentes factores como la edad, la actividad física y la hora del día [3]. Debido a que algunas enfermedades están acompañadas de cambios característicos en la temperatura del cuerpo, este parámetro es medido frecuentemente en los hospitales. Las enfermeras toman manualmente la temperatura del paciente desde una vez cada 15 minutos hasta una vez al día, sin embargo, esta tarea implica tiempo así como personal médico [4].
Hoy en día, hay equipos como cámaras termográficas que detectan los cambios en la temperatura corporal sin intervención humana, sin embargo, la adquisición de este tipo de dispositivos es costosa [5].
En la actualidad, los nuevos desarrollos en el campo de los materiales, han permitido la creación de dispositivos portátiles que modifican la forma en que el usuario obtiene información acerca de sí mismo, como la temperatura, la presión arterial y pulso. [6].
Recientemente, los polímeros conductores han llamado la atención en el área de materiales avanzados. Entre los polímeros conductores se encuentra el polipirrol, el cual, es
un material con aplicaciones comerciales debido a su estabilidad, facilidad de síntesis y alta conductividad. Algunas aplicaciones del polipirrol son: biosensores [7], sensores de gas [8], microactuadores [9], membranas funcionales, etc. [10].
Debido a esto, en este trabajo se presenta un sensor de temperatura corporal de bajo costo, basado en un polímero compuesto de polipirrol (PPy) y ácido poliláctico (PLA) en forma de pulsera para el monitoreo continuo de temperatura dentro de hospitales y centros de salud, el cual, incluye las etapas de fabricación y caracterización del sensor y el diseño de un sistema de monitoreo continuo de temperatura desarrollado en LabView.
II. METODOLOGÍA
1) Fabricación: Se disolvió ácido poliláctico flexible (PLA) en N, N- dimetilformamida (DMF) a 60 ° C. La concentración de la solución fue de 33% en peso. La solución se mezcló en un vórtex durante 5 minutos y se sonicó durante 10 minutos más. Posteriormente, se agregaron 0.15 gramos de PPy a la solución, la cual, se agitó a 60 ° C hasta que el PPy se dispersó completamente. El compuesto final se depositó sobre un sustrato de vidrio. El solvente (DMF) fue evaporado lentamente a temperatura ambiente durante 2 días. Una vez seca la muestra, se recortó un rectángulo de 18 cm de largo por 1 cm de ancho. Se le colocó cinta de velcro en cada uno de los extremos. Finalmente, se colocaron dos electrodos de cinta de cobre con una distancia de separación de 1 cm como se observa en la Fig. 1, los cuales se recubrieron posteriormente con cinta de aislar.
Fig 1. Colocación de los electrodos sobre la pulsera 2) Caracterización: La caracterización del sensor de temperatura se realizó utilizando un horno eléctrico desde 25_°C a 40°C. Se observaron cambios en la resistencia eléctrica de este compuesto de acuerdo con las variaciones de temperatura. La caracterización fue realizada por