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Visión artificial mediante el coeficiente de correlación para exámenes de retinoscopía

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Academic year: 2020

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MASKAY 8(2), Nov 2018 Recibido (Received): 2018/10/28 ISSN 1390-6712 Aceptado (Accepted): 2018/11/26

DOI: 10.24133/maskay.v8i2.1059

75 MASKAY

Abstract—An automated system was designed and implemented to perform retinoscopy examinations using artificial vision with the correlation coefficient for the processing of retinal images. The technique of observation and experimentation was used to identify the necessary conditions involved in performing the retinoscopy examination. A mechanical, electronic and artificial vision system design was established for the selection and installation of the necessary components for the automation. For the operation of the automated system an algorithm of processing and comparison of images programmed in the LabVIEW software was developed; through a connection to the serial port, data is sent from the computer to the Arduino Uno development board, which controls actuators that are servomotors that direct the position of the lenses and effect the movement of the light beam of the retinoscope. For the automatic change of lenses, a suitable mechanical system was implemented in order to obtain a fixed image of the retina; a human machine interface (HMI) was created, which allows the operator to view the examination process in real time. With the implementation of the system the average time of the image comparison was determined, with the result that: eyes without ametropia were compared in 162,28 ms, myopia in 166,02 ms, with farsightedness in 170,7 ms and with astigmatism in 174,75 ms, reducing the time taken to perform the retinoscopy examination of 250 to 150 seconds equivalent to 40%. It was concluded that the time of comparison of the images increase in 2.44% while the sea was the refractive damage.

Index Terms— retinoscope, processing of retinal images, artificial vision, retinal images, retinoscopy examinations

Resumen—Se diseñó e implementó un sistema automatizado para realizar exámenes de retinoscopía empleando visión artificial con el coeficiente de correlación para el procesamiento de imágenes de la retina. Se empleó la técnica de observación y experimentación, para identificar las condiciones necesarias que intervienen en la realización del examen de retinoscopía, se estableció un diseño del sistema mecánico, electrónico y de visión artificial para la selección e instalación de los componentes requeridos para la automatización. Para el funcionamiento del sistema automatizado se desarrolló un algoritmo de procesamiento y comparación de imágenes programadas en el

H. Vallejo y J. Paucar son Docentes-Investigadores de la Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de Electrónica y Automatización de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Panamericana Sur Km 1 1/2, Riobamba – Ecuador.

O Martinez es Docente-Investigador de la Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Panamericana Sur Km 1 1/2, Riobamba – Ecuador.

software LabVIEW; a través de una conexión con el puerto serial se envía datos desde el computador hacia la tarjeta de desarrollo Arduino Uno la cual controla los actuadores que son servomotores que direccionan la posición de los lentes y efectúan el movimiento del haz de luz del retinoscopio. Para el cambio automático de lentes se implementó un sistema mecánico para obtener una imagen fija de la retina; se creó una interfaz hombre máquina (HMI), que permite al operador visualizar el proceso del examen en tiempo real. Se determinó el tiempo promedio de la comparación de imágenes, resultando que: ojos sin ametropía se comparan en 162,28 ms, con miopía en 166,02 ms, con hipermetropía en 170,7 ms y con astigmatismo en 174,75 ms, logrando reducir el tiempo promedio empleado para realizar el examen de retinoscopía de 250 a 150 segundos equivalente al 40%. Se concluyó que el tiempo de comparación de las imágenes incrementa en 2,44% mientras mayor sea el daño refractivo.

Palabras Claves— Retinoscopio, procesamiento de imágenes retinianas, visión artificial, imágenes retinianas, exámenes de retinoscopía

I. INTRODUCCIÓN

EGÚN la nota descriptiva N°282 de la Organización

mundial de la Salud se estima que en el mundo hay aproximadamente 285 millones de personas con discapacidad visual, de las cuales 39 millones son ciegas y 246 millones presentan baja visión [1].

En Ecuador mediante el Registro Nacional de Discapacidades realizado por el Ministerio de Salud Pública, se conoce que existe un total de 48695 personas que presentan una discapacidad de tipo visual [2].

La evolución de la visión artificial, desde que se inventó la fotografía ha intentado extraer características físicas de las imágenes. Como el análisis de radiografías que transformó la Medicina.

Muchas investigaciones se han centrado en, capturar la información visual del entorno físico para extraer características relevantes visuales [3], que utilizan principios ópticos de la fotorretinosciopia.

Instituciones oftalmológicas realizan el examen de retinoscopía mediante un dispositivo llamado retinoscopio que se sostiene en la mano, es una técnica que determina el error de refracción del ojo (Miopía, hipermetropía o astigmatismo) y determina si debe o no el paciente utilizar anteojos. Pero es una técnica manual en la que el oftalmólogo debe estar presente y cada prueba se lo realiza por separado [4].

El propósito de este estudio es automatizar el proceso para

Visión artificial mediante el coeficiente de

correlación para exámenes de retinoscopía

Artificial vision through the correlation coefficient for

retinoscopy examinations

Henry Vallejo, Jorge Paucar y Oswaldo Martínez

(2)

76 ex di un im ex

A.

tip re ca op

Fig

se

Fig

ilu fa so ve m co qu M m pr po ob

Fig

6

xámenes de señando el si n algoritmo mágenes de la

xamen.

Examen de

El examen d po directas:

tinoscopio y e aso contrario s puestas, se pue

g. 1. Tipos de so

El proceso m e puede observ

g. 2. Tipos de so

Para realiza uminación baj ctor importan ombras. Prime

ez ubicada se mientras mantie

on su retinosco ue se mueve Mientras analiz movimiento de rocede a su n ositivos o neg bservar en las

g. 3. Reflejo del

retinoscopía istema mecáni para el pro a retina con e

rinoscopía

e retinoscopía cuando el m el reflejo retin son sobras inve

ede observar e

ombra en retinosc

manual para re var en la Fig. 2

ombra en retinosc

ar el examen ja o penumbr nte para pode ro se realiza la

procede a la ene sus dos o opio procede

de manera h za los reflejo e los mismo neutralización gativos [7], las

Fig. 3, Fig. 4 y

ojo con miopía.

a utilizando ico - electrón ocesamiento y

el fin de mej

a se realiza m movimiento d

iano tiene la m ersas cuando p en la Fig. 1 [5]

opía.

ealizar el exam 2.

opía.

n es necesa ra, siendo el e er facilitar la

a acomodació fijación de su ojos abiertos

a la proyecció horizontal y os mediante os. Según es n mediante la s anomalías o y Fig. 5.

visión art nico y program

y comparació orar el proce

mediante somb el haz de lu misma direcció

presenta direc ].

men de retino

ario mantener estado de la l observación n de la person u vista en un

[6]. El exam ón de un haz vertical en e la observació sto, el exam a adición de obtenidas se p

tificial, mando ón de so del

bras de uz del ón. En ciones

scopía

r una luz un de las na, una punto, minador de luz el ojo. ón del minador lentes pueden

Fig.

Fig.

L dise

A.

P que mov obse

Fig.

E mec que lent

Fig.

B.

E Fig. tien com los m

4. Reflejo del oj

5. Astigmatismo

Las etapas a s eño electrónico

Diseño mecán

Para la proyec cuenta con vimiento reali ervar en la Fig

6. Mecanismo p

El cambio de canismo de ru tiene 18 divi tes positivas y

7. Mecanismo c

Diseño electr

El esquema de . 8, el elemen ne la función mponentes que

mismos.

jo con hipermetro

o mixto.

II. METO

seguir para el o y algoritmo

nico

cción del haz d actuadores, izado por la g. 6.

proyección haz de

e las lentes ueda, se puede

isiones en las negativas usa

cambio de lentes.

rónico

conexión elec nto central es n de maestro

e integran la p

opía.

ODOLOGÍA

l diseño son: de visión artif

de luz se dise servomotores muñeca del m

e luz.

oftálmicas se e observar en

que se encue adas en nuestro

ctrónico se pu s una tarjeta A

, se comunic laca y se enca

MASK diseño mecán ficial.

eñó un mecani s que replica médico, se p

e realiza con n la Fig. 7, m

entran las dist o sistema.

uede observar Arduino Uno ca con todos arga del contro

KAY nico,

ismo an el uede

n un misma tintas

en la que s los ol de

(3)

77

Fig

se I2 pe la co ter m m Ar lín se co eta de re D3 de se pe m m fu ele AT se m LM

C.

ob

7

g. 8. Diseño elec

Los terminale e conectan ent 2C mediante

ermite enviar y lectura del omunicación. La señal de rminales D4 mediante dos re

Los terminal módulo MP3 W rduino Uno p neas de comun De los termi eñales de contr ontrol van hac apa de control El terminal D e control de O

tinoscopio res La pantalla H 3 del Arduino e comunicació El Arduino N e encuentran

ermitiendo el mecanismos de mientras el co

unciones. La alimenta ectrónico, se TX, esta salid ervomotores, mediante el co

M317.

. Algoritmo d

El diseño c bservar en la F

ctrónico.

es A4 y A5 d tre sí para po las líneas SD y recibir órden

l sensor BH

l sensor de (SDA) y D5 esistencias de

les RESET, WTV020M01 s

permitiendo el nicación. inales D10 y

rol para subir cia los opto ac l y fuerza repr D12 y D13 del ON/OFF al di spectivamente HMI Nextion o Uno, misma ón serial TX/R Nano se encarg

conectados control de lo cambio de le ontrolador Ar ación para

da mediante l da es regulad y el foco d onversor de v

de procesamie

umple con l Fig. 9.

del Arduino U der establecer DA y SCL. nes entre los A H-1750 que

luz BH-1750 (SCL) de la 1K.

CLOCK, DA se conectan a l control del m

D11 del Ardu y bajar la me copladores, se resentada esta l Arduino Uno iodo laser KY

.

se conecta a as que funcion RX entre Ardui ga de los actu a las termin os servomotor entes y proyec rduino Uno

los compone la salida de 12 da a 5V y 9V del retinoscop voltaje LM25

ento de imágen

las siguientes

Uno y Arduino r una comunic

Esta comunic Arduinos, adem cuenta con 0 se conecta a comunicació ATA y BUS D4, D5, D6, D módulo desde uino Uno, sal esa, estas seña eparando con e

última por los o, manda las s Y-008 y al fo las terminales nan como las ino y la pantal uadores, mismo

nales D3, D4 res que muev cción del haz d

realiza sus entes del si 2V DC de la V para aliment

pio respectiva 596 y el reg

nes

s etapas, se o Nano

cación cación más de n esta a los ón I2C Y del D7 del e estas len las ales de esto la s relés. señales

co del s D2 y líneas lla. os que 4, D5 ven los de luz, demás istema fuente tar los amente gulador

puede

Fig.

1)

E proc med sens tene de 1

2)

M proc esca deta deta pue

Fig

Fig

Fig

Fig

3)

E siste imá ame P com com corr E grad las

9. Diseño electr

Adquisición d

El proceso in cede a adquir diante una cám sor de imagen er una mejor 12MP.

Pre- Procesam

Mediante la h cesa la image ala de grises, alles, mediant alles innecesar de observar en

g. 10.Figura origi

g. 11.Imagen esca

g. 12.Imagen con

g. 13.Imagen filtr

Comparación

En esta etapa s ema de gestió ágenes de las s

etropías. Para la com mplemento M mparación de

relación. El coeficiente

do de relación imágenes pr

rónico.

de Imagen

nicia con el rir la imagen mara digital G n de 1080p Fu

adquisición d

miento

herramienta V en RGB trans aplicando el b te un filtro d

rios [8]. El re n la Fig. 10, F

inal.

ala de grises.

brillo.

rada.

n

se utiliza el pr ón de base de sombras de la mparación d MathScript de imágenes est de correlació n entre dos var rocesadas y

ingreso del u n de las som Genius F100, q ull HD pixel C de imágenes c

Vision Assistan sformándola e

brillo necesari de mediana se esultado del m ig. 11, Fig. 12

rograma Micro datos, en el c a retina del oj e imágenes e LabVIEW. tá basado en ón es una téc riables aleator transformada

MASK usuario, lueg mbras de su r que cuenta co CMOS que ayu on una resolu

nt de Labview en una image

io para aclara e elimina ruid mismo se pued

2, Fig. 13.

osoft Access c ual se guardan o con las dist

se emplea El proceso el coeficient cnica que mid rias [9]. Al obt as en un arr

KAY o se etina on un uda a ución

w se n en ar los do y de se

como n las tintas a el o de te de de el tener reglo

(4)

78 bi im las

de m y m

di al la

y

do cá de el fil im ca m pr

eje de

8

dimensional, mágenes para c

s siguientes fó

a=

Covarianza: E e la primera m matriz, dividido

esto menos el matrices.

Desviación t ferencia entre cuadrado de l misma y el cu

Coeficiente d el producto de

onde x es un ámara, y es un e datos, i es el número de f las totales de l El diagrama mágenes, se p ada imagen son

En la Fig. 15 miopía, (b) proc

rocesamiento d

Se realizó un ecuta la comp e 50 datos por

se envían al calcular su coe órmulas.

11 12 1

21 22 2

1 2

n n n

a a a

a a a

a a a

     

  

x =

y=

Es la sumator matriz con su o para el núme

l producto de

1 1

n m

i j xy

m

= =

σ =

 

típica: Es ig e la sumatoria la matriz sobre uadrado de su

1

n

i j x

= σ =

 

1

n

i j y

= σ =

 

de correlación: e la desviación

r=

n arreglo bid n arreglo bidim

l número de fi filas totales de la matriz.

de flujo de puede observa n los datos de 5(a) se muestra

cesamiento de de un ojo astig III. RES na prueba para

paración de las r cada ametrop

l algoritmo d eficiente de co

13 1

23 2

3

m m

n nm

a a

a

     

 

  

,

1 1

n m i j i j

x

m n

= =

 

,

1 1

n m i j i j

y

m n

= =

 

ria del product

u correspondi ero total de ele las medias ar

(

xi j, yi j,

)

x m n

⋅ − ⋅

gual a la raí de todos los e el número to

media aritmét

( )

2

, 1

( )

m i j j

x x m n

=

− ⋅

( )

2

, 1

( )

m i j j

y y m n

=

: es la división n típica de cad

xy x y σ σ ⋅ σ imensional d mensional de l ila, j es el núm e la matriz y

l algoritmo d ar en la Fig.

entrada para i a el procesam e un ojo con H gmatismo.

SULTADOS determinar el s imágenes to pía visual. Est

de comparaci orrelación utili

to de cada ele iente de la se ementos de la ritméticas de l

y

íz cuadrada elementos ele otal de elemen

tica.

2

2

n entre la cova da matriz.

e la imagen la imagen de l mero de coluna

m es el núme de comparaci

14, las matric iniciar este pro miento de un oj Hipermetropía

l tiempo en el omando una m tos datos se to

ión de izando

(1)

(2)

(3) emento egunda matriz las dos

(4) de la evados ntos de

(5)

(6) arianza

(7) de la la base a, n es ero de ión de ces de oceso. ojo con

a y (c)

que se muestra maron

real de c com mos obse

L com algo

Fig.

Fig.

Fig.

lizando una m comparación. mandos Tick C

strar el valor d ervar en la Fig La ecuación ( mparación de

oritmo.

tiem p

14.Diagrama de

(a) 15.(a) Ojo con

Astigmatismo.

16.Medición del

medición del ti Se ingresó en Count [10], lo del tiempo de e

g. 16.

(8) muestra e imágenes c

po ejec=tiem p

flujo del algoritm

(b n Miopía, (b) O

tiempo de ejecuc

iempo de ejec una estructura os cuales se re ejecución de e el tiempo de cada vez qu

po saltiem p

mo de comparació

b)

Ojo con Hiperm

ción de la etapa de

MASK cución de la e

a de secuencia estan entre sí esa etapa, se p e ejecución d ue se ejecut

o ent

ón de imágenes.

(c) metropía, (c) Ojo

e comparación.

KAY etapa a, los para uede de la e el

(8)

(5)

79 es qu ra es en ten cu di m so va mu de am co In M (m E tí M (m M (m D e V d m C C d a R M M S C N c (9 9

Tomado los stadística desc ue es un nive azonable prob

stadístico SPSS n la Tabla I.

Los datos má niendo un má uánto se apar spersión están mayor para la H obre la forma ariación con re

IND

La media ar muestra el tiem e cada ametrop

TIEM Tiempo (ms 162,28 166,02 170,7 174,74

El tiempo d metropía se pu

Según la e omparación en

ndicador Ojo Media ms) Error ípico Mediana ms) Moda ms) Desviación estándar 1 Varianza de la muestra

11 Curtosis -Coeficiente de asimetría -Rango Mínimo Máximo Suma Cuenta Nivel de confianza 95,0%)

tiempos par criptiva con un

el habitual pa abilidad de a S se obtuvo lo ás representativ áximo de 2.8 p

rtan los valor ndar con respe Hipermetropía. de la distrib especto a la m

TA

DICADORES ESTAD

ritmética es e mpo promedio

pía [11].

TA

MPO DE COMPARAC

s) Am

de comparaci uede observar ecuación (9), ntre miopía y s

o Sano Miopí 162,28 166 1,4988 2,33 163 1 163 1 0,5984 16,50 2,3281 272,30 0,0390 0,48 0,5781 -0,08

44 140 1 184 2 8114 83

50 3,0120 4,68

ra cada amet n nivel de co ara hacer dec acierto, y util os siguientes re

vos como el e para Hipermet res de la med ecto a la media . La asimetría bución pudién media.

ABLA I

DÍSTICOS DE LA DE

el factor más en que se ejec

ABLA II

CIÓN SEGÚN LA A

metropía 1 S 2 M 3 H 4 A

ión de las i en la Fig. 17. la variació sano es:

ía Hipermetr ,02

336 2 164

164

016 20 057 404 864 3 852 1

77 125 202 301 50

897 5,7

tropía se util onfianza de 95 claraciones co lizando el so esultados mos rror típico son tropía que cua dia. Se obtuv a siendo igual y curtosis inf ndose observa

ETECCIÓN

importante y cuta la compa

AMETROPÍA

Sanos Miopía Hipermetropía Astigmatismo

imágenes seg ón del tiemp

ropía Astigma 170,7

2,8427 167 161

0,1010 14 4,0510 199 3,7100 -0 1,4617 0

114 131 245 8535 50

71264 4

lizó la 5.0 %, on una ftware strados n bajos antifica vo una lmente forman ar baja

ya que aración

gún la po de

de d A ame Fig. E tiem cual el ti L la re com com hipe U imá may E mom se p el u de l pixe E anál estu técn que mue dife atismo 174,74 1,9973 170 170 4,1230 9,4616 0,3974 0,2370 68 142 210 8737 50 4,0137 % varia

donde se obtien Aplicando esta

etropías se obt

17.Tiempo de co

VAR

Varia

En la Tabla III mpo de compar l indica que m iempo de comp

Los hallazgos etina del ojo e mo resultado l mparan en 16 ermetropía en Una explicació ágenes increm yor sea el daño Este estudio fu

mento de capt puede utilizar d utilizado en est

la imagen ree eles vecinos. En trabajos fu

lisis entre sim udio de costo nicas de detecc ayuden a m estre guías erentes campos

valor s ación

v =

nen un valor d a ecuación a tiene los siguie

omparación según TABL

RIACIÓN DE TIEMP

ación

3,74 4,68 4,04

promedio:

I, se muestra ración de imá mientras mayo mparación de la IV. DI

obtenidos en empleando el os siguientes 62,28 ms, co 170,7 ms y co ón para que el mente, es que o refractivo. ue limitado po

turar la image distintos filtro ta investigació mplazando ca uturos se pued militud de imá computacion ción de aspect mejorar los tie

para nuevas s.

sig valor ant valor sig

de variación ig cada una de l entes resultado

n la ametropía. LA III

PO ENTRE AMETRO

4 8 4

el promedio d genes con un r es el daño re as imágenes.

ISCUSIÓN

la comparació coeficiente d tiempos: ojos n miopía en on astigmatism l tiempo de co e el tiempo a or condiciones en de la retina, os. Siendo el fi ón debido a qu ada pixel por

de utilizar otr ágenes, pudie nales. Además tos como bord empos de res líneas de

MASK

100%

t

gual a 2.25% las variacione os. OPÍAS % variación 2 2 2 2

de la variación valor de 2.44% efractivo mayo

ón de imágene de correlación, s sin ametropí 166,02 ms, mo en 174,75 m

omparación d aumenta mien de iluminació , razón por la iltro de la med ue elimina el r la mediana de ros algoritmo endo realizars s de utilizar de de Sobel, Ca

spuesta y ade investigación

KAY (9)

es de

,25% ,74% ,32% ,44% n del %, lo or es es de , dan ía se con ms. de las ntras ón al cual diana ruido e los os en e un otras anny emás n en

(6)

80 MASKAY V. CONCLUSIONES

Se logró utilizar la visión artificial mediante el coeficiente de correlación para determinar ametropías en la retina del ojo, para ello se realizó el sistema mecánico, electrónico y el algoritmo necesario para el análisis de las imágenes. Se realizó un pre procesamiento de la imagen debido al ruido, utilizando el filtro de mediana para su corrección. En la comparación mediante el coeficiente de correlación se determinaron tiempos que aumentaban según el grado de cada ametropía. Obteniendo una variación de tiempo del 2.44%. El cambio de lentes corrige la refracción del haz de luz sea de sombras directas o inversas.

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