Ingeniera Biomdica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOSESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRONICA

CURSO: INGENIERIA BIOMEDICATEMA: Electro-Oculograma (EOG)INTEGRANTES:Ccolque Churquipa Alexandercui: 20113524

AREQUIPA-PER2014B

I.-PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO1. LA SEAL EOG

1.1. INTRODUCCINLos potenciales bioelctricos del cuerpo humano no son determinsticos, es decir sus magnitudes pueden variar en el tiempo y operan dentro de un rango variable aunque todos los factores estn controlados. Los valores pueden variar de un individuo a otro de forma significativa aunque estos estn completamente sanos y las condiciones de adquisicin sean las mismas. El principal problema en la captacin de las seales bioelctricas viene dado por que stas tienen un valor muy pequeo en comparacin con otro tipo de seales elctricas con las que se acostumbra a trabajar en electrnica y el hecho que estn limitadas a un rango muy preciso de frecuencia. Estos dos factores hacen que a menudo se encuentren contaminadas de ruido que enmascara la seal al ser de amplitud muy superior al de la propia seal que se quiere registrar. Seguidamente daremos una concisa explicacin de los mecanismos de generacin de biopotenciales en el ojo humano, para tener toda la informacin posible con la que realizar el diseo del aparato, y veremos con ms detalle cuales son los problemas de captacin, centrados sobre la obtencin de la seal de EOG, y las estrategias de diseo que podemos seguir para eliminarlos o atenuarlos lo suficiente para que no entorpezcan la adquisicin de la seal sin daar informacin til.

1.2. GENERACIN DE LA SEAL ELECTROOCULOGRFICA.

El ojo es un rgano extremadamente complejo donde la principal fuente de seal bioelctrica se centra en la retina. sta est compuesta por millones de neuronas que tambin son llamadas fotorreceptores. Hay dos tipos de fotorreceptores especializados, los conos y los bastones; los conos para visin diurna y cromtica y los bastones para la nocturna. Los fotorreceptores son clulas de forma alargada polarizadas, en cuanto su forma y funcin, y segmentadas en subregiones sobre la retina con diferente papel funcional. Para el objeto del presente proyecto no interesa su fisiologa ni su funcionalidad pero existen diferencias de polarizacin entre ellas que pueden afectar al resultado del EOG. Los dos tipos de receptores tienen distinta sensibilidad elctrica a la luz y su polarizacin puede variar segn la intensidad de la luz con la que son excitados. A grandes rasgos, y sin entrar en la fotoqumica de estas clulas, en el fotorreceptor fluye una corriente elctrica 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 mxima cuando la retina no est iluminada directamente, est en reposo, se le ha denominado como corriente oscura

Corriente oscura en los fotorreceptores. [Urtubia, 1997] Detalle de los fotorreceptores presentes en la retina y la polarizacin 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 clula que sobresale de la retina, es negativa en relacin con la superficie posterior de la retina denominada banda sinptica, donde se realiza la sinapsis entre el fotorreceptor y el nervio ptico, que tiene un valor positivo. La diferente concentracin de clulas en uno u otro lado de sus membranas celulares constituyen un diferencial de potencial que genera un campo elctrico 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 crnea que sera electropositiva. Este potencial ha sido registrado mediante la colocacin de un electrodo en la crnea 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 elctrico Ocular. [Urtubia, 1997] Disposicin 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 mdicos colocados sobre la piel en las cercanas 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 polarizacin ms positiva respecto al electrodo del cual los ojos se alejan, que adquiere un potencial ms negativo. Esta diferencia de potencial se puede medir como una seal diferencial del movimiento de los ojos y su posicin. Este es el principio elctrico generador de la tcnica del EOG. Debido al carcter esfrico del dipolo ocular y la simetra de los ojos, el mismo principio es aplicable para captar los movimientos Verticales.

Captacin del EOG. a) Potencial del dipolo ocular respecto al movimiento de los ojos. b) Polarizacin de los electrodos.1.4. ELECTRODOS. DISPOSICIN Y CARACTERSTICAS.

Para el registro del movimiento vertical y horizontal se utilizan un total de 5 electrodos, 4 para el registro directo de la seal del EOG y uno de referencia. Para el registro horizontal, tambin llamado derivacin horizontal (DH), se sitan electrodos en las sienes. Para la derivacin vertical (DV) slo hay que cambiar la posicin 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 prpado inferior) como se puede apreciar en la figura.La diferencia de potencial en la DH, electrodos A-B, ser proporcional al movimiento horizontal de los ojos mientras que la DV, electrodos C-D, lo es respecto a la desviacin vertical de la mirada. El electrodo E es el de referencia. La seal del EOG varia aproximadamente en 20 V por cada grado de desviacin del ojo [Shackel, 67], siendo esta relacin lineal en movimientos angulares absolutos de hasta 30 de arco, con un error inferior a 2. [Young, 62][Robinson, 64][Enderle, 88] En las pruebas de EOG se suelen utilizar electrodos flotantes de Ag-AgCl y un gel electroltico 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. As, las condiciones de adquisicin se mantienen estables mientras el puente de electrolito mantenga el contacto entre la piel y el electrodo. El intercambio In-electrn se realiza entre el electrodo y el gel resultando en un potencial conocido como potencial de media celda.

Disposicin de los electrodos. Los electrodos A-B forman la derivacin horizontal (DH), para el registro horizontal, mientras que los electrodos D-C forman la derivacin vertical (DV), para el registro vertical. El electrodo E es de referencia.Aunque se disponga de un gel electroltico entre la piel y el electrodo existen potenciales DC presentes en la seal que debe ser considerado en la eleccin 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 mdicos comerciales que garantizan la generacin de un offset inferior a los admitidos por los estndares mdicos sobre equipos biomdicos, aunque es un dato a tener en cuenta en caso de que las condiciones de captacin 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 drmicos 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 ms adecuados. [ISCEV, 06]1.5. IMPEDANCIA DE LA INTERFAZ PIEL-ELECTRODO.

La impedancia de entrada al EOG debe ser lo suficientemente alta para transmitir correctamente la seal pero no tan alta como para atenuar significativamente sta. Cada interfaz piel-electrodo tiene una impedancia finita que puede variar segn muchos factores, temperatura de la piel, superficie de contacto del electrodo, piel grasa, etc.La impedancia de la piel puede ser reducida por abrasin mecnica. La parte ms externa de la piel, el Stratum Corneum, donde se concentran las clulas muertas y resecas de la piel, tiene una alta resistencia y efectos capacitivos. Para un 1 cm de piel, la impedancia del Stratum Corneum puede variar entre 200K a 1Hz a 200 a 1MHz. [Prutchi y Norris, 05]. La preparacin por abrasin de la piel puede reducir esta impedancia de 1 a 10K 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 estndar para la electrooculografa clnica (Draft V50) del ISCEV (International Society for Clinical Electrophysiology of Vision), indica que la impedancia entre cada par de electrodos no debe superar los 5k, medido con un tester mdico de impedancia de electrodos.1.6. CARACTERSTICAS DE LA SEAL DEL EOG.

Debido al alejamiento de los electrodos de la crnea, la impedancia de la piel y otros factores, el potencial registrado se ve atenuado y la seal del EOG oscila entre los 250 y 1000 V. El rango de frecuencias de la seal del EOG va de los 0 (cc.) a los 100Hz. Aunque los movimientos sacdicos se concentran en torno a los 30Hz. [ISCEV, 06] La seal tiene, idealmente, una forma cuadrada para los movimientos sacdicos y estticos (posicionamiento de la mirada), y forma de sierra cuando se efectan movimientos de seguimiento (MOL).

1.7. CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LA SEAL DE EOG.Aunque la mayor cantidad de informacin se obtiene en acoplamiento DC del amplificador para el registro de las scadas, se recomienda que el amplificador tenga un acoplamiento AC alternativo que elimine la componente DC cortando a 0.01Hz el ancho de banda de la seal para el registro sacdico, ya que se pueden dar altos offsets de entrada por la polarizacin de los electrodos o el movimiento de estos. En pacientes con Ataxia se pueden dar movimientos involuntarios espasmdicos que dificulten el registro, por ejemplo. Para el acoplamiento DC deber emplearse tcnicas de compensacin de offset que atenen o eliminen el producido por los electrodos.

Acoplamiento DC y AC. Si se corta a una frecuencia superior a 0.5Hz pueden aparecer sobre-picos que enmascaren scadas involuntarias, dificultando la identificacin de las mismas.En el registro AC aparece una pendiente entre scadas con un sobre-pico en su origen que puede ser confundida con un pico sacdico involuntario, si se aumenta la frecuencia de corte por encima de los 0.5Hz, el sobre-pico puede ser muy importante y dificultar la identificacin de las scadas involuntarias [ISCEV, 06]. As es conveniente que el acoplamiento AC del amplificador se realice con un filtro pasa altos con frecuencia de corte entre 0.01 0.5Hz.1.8. SISTEMA AMPLIFICADOR BIOMDICO DEL EOGEs siguiente paso en la tcnica de captacin del EOG es un amplificador de biopotenciales, que amplifique la seal y delimite al ancho de banda necesario para la correcta adquisicin de la seal electrooculogrfica.

Amplificador Biopotenciales. Esquema de un amplificador de EOG bsico.II.- DISEO E IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DEL EOG.Para elaborar el diseo del circuito de amplificacin existen dos grandes condicionamientos generales. Por un lado las condiciones tcnicas, tanto a las que se refieren sobre las especificaciones del proyecto como las que presenta la tcnica aplicada per se, que hemos aclarado anteriormente. Estas incluyen tanto las necesidades de adquisicin como acondicionamiento de la seal. Por otro lado se impone unas condiciones tcnicas sobre el diseo por motivos de seguridad y fiabilidad a travs de la normativa.Bajo esta doble perspectiva se explica en este captulo la solucin hardware para el amplificador EOG finalmente proyectada, tanto a nivel de diseo como de los componentes escogidos.DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESAMIENTO DE LA SEALLEDSSISTEMAS DE OP-AMPS COMPARADORESFILTRO NOTCHFILTRO PASA-BAJOAMPLIFICADOR

ELECTRODOS

ADQUISICIONAMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION

PROCESAMIENTO

VISUALIZACION

A) AQUISICION DE LA SEAL

1. EL ELECTRODO

En el desarrollo del modulo se utilzo electrodos de Ag-AgCl, tipo flotante con la finalidad de obtener la mejor adaptacin de la interfaz electrodo piel. Estos electrodos por sus caractersticas son diseados 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 nico camino conductor entere el metal y la piel es el gel o pasta electroltica, que forma un puente electroltico

Muestra del electrodo utilizado

2. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN BIOMDICO DE EOG.Para la correcta adquisicin de la seal del EOG necesitamos construir un bio-amplificador que acondicione la seal, amplificndola a la vez que elimina las seales de interferencia externas, con un esquema de bloques o etapas como el de la figura de abajo.La mejor solucin para realizar una amplificacin diferencial es mediante un amplificador de instrumentacin (INA del ingls INstrumentation Amplifier).

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

Amplificador de instrumentacin (equivalente) usando en el proyecto

Las principales caractersticas que debemos tener en cuenta a la hora de escoger un amplificador de instrumentacin adecuado para nuestra aplicacin son:

- La impedancia de entrada en modo comn (Zmc).

- La impedancia de entrada en modo diferencial (Zd).

- La relacin de rechazo en modo comn (CMRR).

- La relacin de rechazo frente variaciones de alimentacin (PSRR).

Este ltimo parmetro es importante para evitar el ruido ocasionado por el rizado en la lnea de alimentacin del integrado (Vcc); especialmente el de 100Hz introducido en la lnea de alimentacin por el rectificado de los 60Hz de red a corriente DC. Es una fuente de ruido que, aunque se pongan condensadores en la lnea de alimentacin para rectificar el rizado, conviene atenuar ya que puede arruinar todas las medidas tomadas para obtener una seal lo ms libre de interferencia posible en la interficie paciente-electrodo en lneas de red con muchas fluctuaciones y poco estables.

B) PROCESAMIENTO

1. FILTRO PASA BANDA

Para esta etapa se utiliz un filtro Butterworth de cuarto orden, cuya finalidad fue de asegurar que la seal electro-oculografica se encuentre dentro de un ancho de banda apropiado y no perder informacin de utilidad para el diagnstico de acuerdo a las normas mdicas. Esta se encuentra entre los 0.05 y 100Hz.La finalidad de limitar la seal capturada a este rango de frecuencias es evitar la interferencia que se producen por el contacto entre la piel y los electrodos,adems del movimiento del cable blindado conectado al amplificador de instrumentacin y el ruido de los equipos elctricos y/o electrnicos que se encuentran alrededor. Diagrama de conexin 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 amplificacin. Eliminando estas frecuencias aseguramos una alta ganancia del EOG.Con el filtro pasa alto se determino la frecuencia de corete inferior del sistemas de amplificacin del modulo y con el filtro pasa baja la frecuencia de corte superior de 100Hz.

2. FILTRO NOTCH

Una vez determinado el ancho de banda del sistemas amplificador, se tiene que eliminar el ruido producido por la red de alimentacin de energa elctrica. Se logr utilizando un filtro Notch. Este tipo de filtro se caracteriza por eliminar las seales de una frecuencia especfica de acuerdo al nivel de atenuacin especificada. Para eliminar el ruido inducido por la red elctrica sobre los 60Hz, se dise el filtro de cuarto orden centrado la frecuencia de atenuacin sobre los 60Hz.

Filtro selectivo Notch

3. AMPLIFICACION

En esta ltima etapa del procesamiento la seal obtenida tiene aun una pequea amplitud, la cual necesita ser manipulada para que alcance una amplitud comprendida entre -5 +5 V para poder ser entrada en en el sistema de OpAmps comparadores para la vizualsacion de sentido (leds).

Amplificador final

C) VISUALIZACION

D) CIRCUITO IMPLEMENTADO

1. ESQUEMATICO

2. BOARD

3. PLACA QUEMADA

4. CIRCUITO FINAL

III. RESULTADOS

VERTICAL:

HORIZONTAL

IV. MEJORAS Una de las mejoras seria el aumento en el grado de los filtros, un filtro de 8 orden sera lo ms eficiente. Se utilizara un amplificador de instrumentacin como el ad620 para poder mejorar la respuesta de la seal pues en este proyecto se dio un equivalente por motivos de economa. Se puede evitar el ruido de 60Hz utilizando para ello bateras para la alimentacin del proyecto.

V. CONCLUCIONES Concluimos que es posible poder construir un EOG muy cmodo (coste) a partir de amplificadores operacionales comunes. Es posible manejar las seales oculograficas para realizar un mouse (izq, der,arrib,abajo, stop) Con este proyecto se puede hacer avances en la ing. Biomdica para la ayuda de pacientes que no pueden comunicarse por medio de gestos ni movimientos (ataxia), pues estos podran comunicarse mediante seales con los ojos (escribir textos etc)

VI. BIBLIOGRAFA.

Libros y otra documentacin.

ENDERLE, J.. Observations on pilot neurosensory control perfomance during saccadic eye movements. Aviat Space Environ Med 59:309. 1988. KLOCKGETHER, T. Hereditary aaxias. In: Jankovic J, Tolosa E, eds Parkinson's Disease and Movement Disorders. Lippincott Williams and Wilkins, 4 Ed., Philadelphia, PA, 2002:553-564. KNAPP, BENJAMIN. Using the electrooculogram as a means for compuer control. Computer Engineering Department, University of California. USA. RESNA95. MINER (Ministerio de Industria y Energa). Gua para la Aplicacin de la Directiva del Consejo 89/336/CEE sobre la compatibilidad electromagntica. Fundacin para el Fomento de la Innovacin Industrial, 1998. PRUTCHI, DAVID; NORRIS, MICHAEL. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. John Willey & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005. ISBN:0-471-67623-3 (cloth) ROBINSON, D. A method of measuring eye movement using a scleral coil in a magnetic field. IEEE Trans. Biomed. Electron., vol 10,pp. 137-145, 1963. SHACKEL, B. Eye movement recording by electrooculography. Manual of phychophysiological methods. North-Holland Publishing, 1967. URTUBIA VICARIO, CSAR. Neurobiologa de la Visin. Barcelona, Edicions UPC, 1997. ISBN: 84-8301-356-8 VELZQUEZ PREZ, LUIS; GARCA ZALDIVAR, REYNALDO; N. SANTOS F.; PANEQUE HERRERA, MILENA; E. MEDINA H.; HECHAVARRA PUPO, RICARDO. Hereditary ataxias in Cuba. Historical, epidemiological, clinical, electrophysiological and quantitative neurological aspects [en Castellano]. Revista de Neurologa. N32, Viguera Editores S.L., Barcelona, 2001. t . t

Recursos Web.

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INDICE

1.LA SEAL EOG21.1. INTRODUCCIN21.2.GENERACIN DE LA SEAL ELECTROOCULOGRFICA.21.3.El EOG.41.4.ELECTRODOS. DISPOSICIN Y CARACTERSTICAS.41.5.IMPEDANCIA DE LA INTERFAZ PIEL-ELECTRODO.51.6.CARACTERSTICAS DE LA SEAL DEL EOG.61.7.CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LA SEAL DE EOG.61.8.SISTEMA AMPLIFICADOR BIOMDICO DEL EOG7II.- DISEO E IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DEL EOG.9A)AQUISICION DE LA SEAL101.EL ELECTRODO102.AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN BIOMDICO DE EOG.10B)PROCESAMIENTO111.FILTRO PASABAJA112.FILTRO NOTCH123.AMPLIFICACION13C)VISUALIZACION13D)CIRCUITO IMPLEMENTADO141.ESQUEMATICO142.BOARD143.PLACA QUEMADA154.CIRCUITO FINAL15III. RESULTADOS16IV. MEJORAS17V. CONCLUCIONES18VI. BIBLIOGRAFA.19Ingeniera biomdicaPgina 20