Sistema óptico electrónico bio-realimentado por medio de señaleselectromiográcas.

Juan Diego Barco Castellanos

Director

Ing.German Yamhure Kattah, MSc

Ponticia Universidad JaverianaFacultad de Ingeniería

Departamento de Electrónica

1 de junio de 2018

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Índice general

1. Introducción 6

2. Descripción y alcance del proyecto 8

2.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.2. Objetivos especícos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2. Descripción del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Antecedentes 10

4. Marco Teórico 13

4.1. Electromiografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2. Sistemas bio-realimentados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.3. Acomodación y presbicia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5. Diseño 19

5.1. Diseño del sistema de adecuación y adquisición de la señal EMG . . . . . . . . . . . . . . . . 195.1.1. Amplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.1.2. Filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.1.3. Aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.1.4. Otras consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.1.5. Diagrama de bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6. Implementación 22

6.1. Implementación del sistema de adecuación de la señal EMG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.1.1. Electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.1.2. Amplicador completamente diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.1.3. Amplicador de aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.1.4. Amplicador de ganancia programable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.1.5. Simulación del circuito de adecuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.1.6. Diseño e implementación del circuito impreso de la etapa de adecuación . . . . . . . . 26

6.2. Implementación del sistema de adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.3. Procesamiento de las señales EMG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286.4. Lentes electrónicos ajustables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.5. Drivers de los lentes electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.6. Medición de distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.7. Cámara de grabación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.8. Desarrollo de la aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.8.1. Programación de la ganancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.8.2. Medición de distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.8.3. Procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.8.4. Control de la potencia óptica de los lentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.8.5. Generación de reportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.9. Interfaz gráca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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7. Análisis de resultados 45

7.1. Vericación de la medición de distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.1. Aumento continuo de la separación del objeto al sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.2. Disminución continua de la separación del objeto al sensor. . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.3. Variación instantánea y repentina de la separación del objeto al sensor . . . . . . . . . 45

7.2. Evaluación de la contrabilidad de los lentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467.2.1. Protocolo de pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467.2.2. Análisis de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

8. Conclusiones y recomendaciones 50

8.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

9. Anexos 51

Bibliografía 51

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Índice de guras

2.1. Diagrama de bloques general del trabajo de grado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1. Enfoque de unos lentes adaptativos para una distancia de (a) 360 cm, (b) 100 cm, (c) 33 cm,(d) 20 cm. Tomado de [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2. (a) Imagen visualizada para un lente LC con potencia 0. (b) Imagen visualidad para un lentenegativo. Tomado de [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1. Unidad motora (tomado de [3]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2. Musculos utilizados para la adquisición de señales EMG (tomado de [4]). . . . . . . . . . . . 144.3. PSD normalizada de la señal EMG del músculo frontal (tomado de [5]). . . . . . . . . . . . . 144.4. Posición ideal de un electrodo supercial: en medio de la zona de innervación(o unidad motora)

y el tendón [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.5. Tipos de conguraciones al ubicar los electrodos (tomado de [7]). . . . . . . . . . . . . . . . . 154.6. Efecto del parpadeo en la señales EMG adquiridas del músculo frontal durante estado de

reposo. (A) Adquisición bipolar. (B) Adquisición unipolar. Tomado de [5] . . . . . . . . . . . 164.7. Modelo eléctrico de la interfaz electrodo-piel. a) Electrodo de gel. b) Electrodo seco. (Tomado

de [8]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.8. Proceso de biorealimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.9. Rayos de luz incidentes de un objeto lejano(derecha) y de un objeto cercano (izquierda)[9] . . 174.10. Deterioro de la capacidad de acomodación del cristalino con los años [10]. . . . . . . . . . . . 184.11. Tiempo de acomodación del ojo humano (Tomado de [11]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.1. Diagrama de bloques del circuito de adecuación y adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

6.1. Diagrama de bloques de Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.2. Electrodos MA-420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.3. Circuito de adecuación simulado en OrCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.4. Respuesta en frecuencia de las diferentes etapas del circuito de adecuación. . . . . . . . . . . 276.5. Circuito de adecuación de la señal EMG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286.6. Movimientos de los músculos de la frente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296.7. Ubicación de los electrodos para llevar a cabo el registro de la señal EMG de los músculos de

la frente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306.8. Señal EMG registrada para los cuatro tipos de actividades musculares de la frente. . . . . . . 306.9. Características temporales calculadas para las señales EMG de cada uno de los 4 movimientos

de los músculos de la frente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326.10. Waveform length para diferentes tamaños de ventana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.11. Esquema de funcionamiento del lente EL-16-40-TC-VIS-20D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.12. Sensitividad S con respecto a la temperatura como función de la potencia óptica. . . . . . . 346.13. Lens Driver 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.14. Captura de pantalla de la página principal del Lens Driver Controller. . . . . . . . . . . . . 356.15. Conexión entre Labview, el Lens Driver 4 y los lentes [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.16. Panel de control del programa main - current en Labview [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.17. Sensor de distancia HC-SR04. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.18. Diagrama tiempos del sensor HC-SR04. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.19. Cámara Logitech C920. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.20. Respuesta paso del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

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6.21. Plantilla para la generación de reportes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.22. Registro de un nuevo voluntario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.23. Registro de un nuevo voluntario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.24. Reportes generados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.25. Interfaz gráca desarrollada en Labview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.1. Experimentos de la medición de distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467.2. Sistema mecánico que porta los lentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.3. Variación de la potencia óptica de los lentes por parte del usuario al querer obtener una imagen

con nitidez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.4. Potencia óptica y distancia obtenidos como función del tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

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Capítulo 1

Introducción

El ojo humano tiene la capacidad de visualizar con nitidez objetos que se encuentran tanto a distanciascercanas como lejanas. Esto lo realiza por medio del proceso de enfoque, llamado acomodación, que le permitecambiar su potencia óptica para poder enfocar objetos que se encuentran a diferentes distancias. En edadestempranas el rango de acomodación es de hasta 14 dioptrías, es decir, permite enfocar objetos localizadosa 7 cm de distancia mínima. No obstante, la capacidad de este sistema se va disminuyendo con la edad, demanera que a los 25 años el rango de acomodación se ha disminuido a 7 dioptrías, correspondientes a 14 cm,a los 40 años este ha bajado hasta las 3 dioptrías, correspondientes a 33 cm, y a los 60 se tiene una capacidadmenor a 1 dioptría al no poder enfocar a menos de 1 metro [13].

La pérdida de la capacidad de acomodación se llama presbicia y afecta al 90% de personas mayores de45 años . Según la base de datos de la CIA, aproximadamente el 38% de la población mundial es mayorde 45 años [14], por lo que hay un número signicativo de personas que presentan problemas de acomoda-ción. Adicionalmente, en Colombia el 6.4% de las consultas oftalmológicas tienen como motivo problemasrelacionados con la presbicia [15].

Por otro lado, los seres humanos reconocemos el mundo exterior en un 83,0% empleando la visión, en un11,0% utilizando el oído, en un 3,5% por el olfato, en un 1,5% mediante el sentido háptico y en un 1,0%empleando el gusto [16]. Esto reeja la importancia del sentido de la vista para el desarrollo de nuestraslabores cotidianas.

Uno de los métodos para tratar la presbicia es el uso de lentes progresivos que tienen una graduaciónprogresiva de su potencia óptica. De este modo, la parte inferior está ajustada para ver distancias cercanas,la zona central para distancias intermedias y la parte superior para distancias lejanas. Aunque los lentesprogresivos aumentan el rango de visión del usuario, lo limitan a usar una parte especíca del lente para verobjetos a una distancia determinada. Además, su máxima potencia óptica está preestablecida, por lo que conel tiempo deben ser reemplazados ya que el usuario tendrá cada vez menos capacidad de acomodación.

Basados en lo dicho anteriormente, se plantea el uso de lentes en los que se pueda variar la potencia ópticade estos de manera rápida y automática de acuerdo a la necesidad y voluntad del usuario. De esta forma, sepodrá usar toda el área efectiva del lente y con un solo par de estos lentes el usuario podrá reemplazar lasfuncionalidades perdidas por el deterioro del proceso de acomodación biológico.

Motivado en lo anterior, en el presente trabajo de grado se va a desarrollar un sistema bio-realimentadoque permitirá controlar a voluntad y automáticamente la potencia óptica de unos lentes electrónicos, endonde la actividad eléctrica de sus músculos va a ser la señal que controle la potencia que el usuario desee.Los músculos utilizados deben a ser diferentes a aquellos que se utilizan para el proceso de acomodación.

Adicionalmente, se va a llevar a cabo una plataforma en Labview que permita realizar investigaciones, demanera fácil y efectiva, sobre el comportamiento del ojo al utilizar el sistema desarrollado.

En la primera parte del trabajo de grado, en el capítulo 3, se va a revisar los antecedentes del presentetrabajo de grado. Se va a mencionar las diferentes tecnologías de lentes electrónicos con enfoque sintonizableasí como las diversas implementaciones de gafas con lentes ajustables que se han llevado a cabo. Posterior-mente, en el capítulo 4, se va a revisar el funcionamiento del ojo centrado en el proceso de acomodación, elproceso de bio-realimentación y un estudio sobre señales electromiográcas.

Como se requiere utilizar las señales electromiográcas del usuario, se va diseñar un circuito que permitaadecuarlas y adquirirlas. Este proceso se desarrollará en el capítulo 5, y en el capítulo 6 se llevará a cabosu implementación. Por otro lado, se van a extraer características de la señal EMG que permitan distinguirel deseo del usuario de variar la potencia óptica de los lentes. A partir de las características extraídas de

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las señales EMG, en el capitulo 6 se va a implementar un control de la potencia óptica de los lentes que lepermitirá al usuario ajustar su enfoque de acuerdo a su deseo.

Para poder controlar e integrar todos los componentes del sistema, se va a implementar una interfazgráca en Labview que a su vez se encargará de generar reportes de los experimentos realizados. Esta he-rramienta resultará de gran utilidad a los investigadores en las siguientes etapas del proyecto en el que seencuentra enmarcado este trabajo. En el capitulo 7 se va a diseñar y realizar experimentos para comprobarla controlabilidad de los lentes por medio de las señales EMG cuyos resultados se analizan en el capitulo 8.

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Capítulo 2

Descripción y alcance del proyecto

Este trabajo se encuentra enmarcado en un proyecto de investigación que pretende hacer avances en siste-mas bio-realimentados para el diseño de prototipos de lentes externos controlados a voluntad de un usuario.Presume el proyecto que en el corto plazo, existirán lentes de precios y tamaños adecuados para cumplir estafunción. Con el objeto de evaluar la viabilidad de este proyecto se requiere realizar un conjunto de experi-mentos que validen hipótesis de los investigadores para lo cual resulta muy útil contar con una plataformaque permita evaluar la controlabilidad, comodidad, etcétera, con personas voluntarias. Este trabajo de gradopretende dar un prototipo de laboratorio experimental que permita realizar dichos experimentos y obtenerde manera sistemática los resultados para los que se requiere cumplir los siguientes objetivos:

2.1. Objetivos

2.1.1. Objetivo general

Diseñar e implementar un sistema que permita controlar el punto focal de unos lentes ópticos ajustableselectrónicamente a partir de señales electromiográcas.

2.1.2. Objetivos especícos

1. Diseñar e implementar un sistema con al menos dos canales EMG que permitan adquirir señales elec-tromiográcas.

2. Extraer características básicas de las señales EMG que se relacionen la intención del usuario de variarla potencia óptica de los lentes.

3. Evaluar la controlabilidad de los lentes por medio de señales electromiográcas a partir de experimentosdiseñados.

4. Diseñar y realizar experimentos que comprueben que se está midiendo de manera sincrónica la distanciaal objeto y la potencia óptica de los lentes como función del tiempo.

5. Implementar una interfaz en un computador que permita al investigador interactuar con el sistema.

2.2. Descripción del proyecto

En el presente trabajo de grado se busca diseñar un prototipo de laboratorio que, por medio de señaleselectromiográcas (EMG), permita controlar la potencia óptica de unos lentes ajustables electrónicamente,lo que resultará en un sistema bio-realimentado. El diagrama de bloques que representa el modo de operaciónde este proyecto se muestra en la gura 2.1.

Para la implementación, se van a utilizar unos lentes cuya variación de la potencia óptica es función deuna corriente eléctrica. Junto con la córnea y el cristalino, los lentes van a formar un conjunto óptico queva a permitir la refracción de los rayos de luz incidentes que fueron reejados por el objeto observado. Estopermitirá que la imagen se forme adecuadamente sobre la retina en donde posteriormente se convertirá enestímulos eléctricos que el cerebro interpretará.

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Figura 2.1: Diagrama de bloques general del trabajo de grado.

Para que los lentes estén ajustados a una potencia óptica que permita la correcta visualización del objeto,se necesita que el usuario los controle por medio de alguna señal que indique el valor que debe tener estavariable. Así, se plantea el uso de las señales EMG de los músculos de la frente del usuario por ser unaforma aparentemente práctica para controlar la potencia óptica de los lentes. Estas serán captadas por medioelectrodos que producirán una diferencia de potencial proporcional a estas. Se llevará a cabo una adecuaciónde la señal eléctrica generada por medio de un circuito que aísle el equipo electrónico del voluntario y queademás la ltre para luego ser digitalizada.

La señal digitalizada será procesada de manera que tendrá la forma adecuada para ser la señal de referenciadel controlador. Para esto, se van a seleccionar características de las señales EMG que estén relacionadascon el deseo de la persona de variar el enfoque y a partir de sus valores se va determinar si el usuario deseadisminuir, aumentar o mantener la potencia óptica de los lentes.

Se va a implementar un sistema de control que tenga un tiempo de respuesta más rápido que el tiempode acomodación del ojo humano y su señal de salida será la referencia del driver que controlará la potenciaóptica de los lentes. Este a su vez entregará la corriente adecuada para controlar la bobina del actuadorde los lentes a partir de las señales EMG procesadas. Por otro lado, se va a implementar un sistema quepermita medir la distancia entre los lentes y el objeto observado. La medición de la distancia se obtendrásincrónicamente con la medición de la potencia óptica del lente.

Finalmente se llevará a cabo una interfaz que permita al investigador interactuar con el sistema. Estale va a permitir visualizar la distancia al objeto y la potencia óptica de los lentes, así como establecer unvalor inicial para esta última y ajustar las variables del control. Además, se va a capturar, por medio deuna cámara, la imagen que está visualizando el usuario con el objetivo de que sea una herramienta para darinformación adicional útil al investigador Esto implica que los datos obtenidos estarán sincronizados con lasimágenes capturadas. La interfaz va a permitir observar la información captada simultáneamente al desarrollodel experimento y registrar los datos obtenidos en un archivo de Excel.

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Capítulo 3

Antecedentes

En los últimos 40 años se han desarrollado diferentes tecnologías de lentes electrónicos a los que se lespuede modicar su potencia óptica [17]. Entre las principales tecnologías están los lentes de cristal líquido,desarrollados en 1977, lentes de membrana elástica, los lentes electrowetting y los dieléctricos, los cuales, apesar de presentar diferentes tecnologías y especicaciones, presentan un funcionamiento similar en el queson controlados tanto por la variación de una frecuencia como de un voltaje aplicado [17].

Los lentes electrónicos adaptativos son especialmente utilizados en aplicaciones oftalmológicas para tratarenfermedades del ojo humano en las que se necesita tener diferentes enfoques para poder tratar al tiempoenfermedades visuales como la presbicia, la miopía y la hipermetropía. Así, en el trabajo de Lin y Chen [1]se desarrollaron unos lentes de cristal líquido que pueden enfocar letras desde los 360 cm hasta los 20 cmde distancia, pudiendo así lograr tanto valores de potencia óptica positivas como negativas, de manera quepersonas con miopía y presbicia podían utilizar solo un par de estos lentes para solucionar sus problemas devisión, como se muestra en la gura 3.1.

Por otro lado, los lentes electrónicos adaptativos también han sido usados en aplicaciones de realidadaumentada, en donde se ajusta electrónicamente la proyección de la imagen virtual. En el trabajo Electricallyajustable location of a projected image in augmented reality via a liquid-crystal lens [2], al variar la potenciacon que se maneja el lente, la posición de proyección de la imagen virtual puede variar desde los 42 cm hastalos 360 cm. Estos lentes también funcionan con la tecnología de cristal líquido y permiten proyectar imágenesvirtuales para objetos que se encuentran a diferentes distancias, como se ilustra en la gura 3.2 en dondese compara la visualización de una imagen virtual y un objeto real para una potencia cero y una potenciapositiva del lente LC.

Actualmente hay diversas compañías que producen gafas con lentes ajustables, bien sea por ajuste manualo automático. Entre estas, se encuentran las desarrolladas por la compañía Eyejusters que permiten al usuarioajustar la prescripción en cualquier momento y lugar por medio de un selector dial ubicado en los lados delmarco [18]. Las personas mueven el dial hasta que encuentran el punto focal adecuado que le permite tener

Figura 3.1: Enfoque de unos lentes adaptativos para una distancia de (a) 360 cm, (b) 100 cm, (c) 33 cm, (d)20 cm. Tomado de [1].

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Figura 3.2: (a) Imagen visualizada para un lente LC con potencia 0. (b) Imagen visualidad para un lentenegativo. Tomado de [2].

una mejor visión. Esto permite que las personas no necesiten remitirse a una cita donde un especialistaque determine su prescripción adecuada. Adicionalmente, solo requieren comprar un par de lentes que iránajustando de acuerdo la capacidad de acomodación de su ojo.

Otro modelo de gafas con lentes ajustables diseñado por PixelOptics presenta un modo automático en elcual se usa un acelerómetro para determinar cuando la persona agacha la cabeza, lo cual generalmente indicaque el usuario se dispone a leer, y así variar el enfoque de los lentes de manera que le permitan realizar estaactividad [19]. Además, un equipo liderado por el profesor de la Universidad de Utah Carlos Mastrangeloy el estudiante doctoral Nazmul Hasan desarrolló unas gafas inteligentes que pueden ajustar el enfoque apartir de un sensor infrarrojo incrustado entre los dos lentes, el cual permite determinar la distancia desdelas gafas hasta el objeto visualizado. De esta manera, cuando el usuario observa un objeto, el sensor midela distancia y les indica a los actuadores cómo ajustar los lentes. Además, este ajuste lo pueden hacer enmenos de 14 ms [20]. Tanto el modelo diseñado por PixelOptics como el desarrollado por Carlos Mastrangelotienen la desventaja que el usuario no tiene el control total sobre la potencia óptica de los lentes. Así, en elprimer caso el usuario no podrá enfocar a distancias lejanas si agacha la cabeza o a distancias cercanas si latiene levantada y en el segundo caso el enfoque de los lentes dependerá completamente del objeto que se estéobservando y no de la necesidad especíca del usuario, que no necesariamente coinciden.

Finalmente, el ingeniero German Yamhure de la Ponticia Universidad Javeriana, Colombia, planteó laposibilidad de controlar unos lentes electrónicos por medio de las señales mioeléctricas del usuario. A diferenciade los demás modelos de gafas con ajuste automático mencionados, este diseño sí le permitirá al usuario tenertotal control de la potencia óptica de los lentes, tanto naturales como articiales, independientemente delentorno y de la posición de su cabeza. Para llevar a cabo esta idea, Yamhure planeó un proyecto sobre sistemasbio-realimentados para el diseño de prototipos de lentes externos controlados a voluntad de un usuario. En laprimera etapa, llevada a cabo en el trabajo de grado de Santiago Caicedo titulado Desarrollo de un sistemade control de grado continuo de enfoque en una cámara [21], se desarrolló un sistema que controlaba el gradode enfoque del lente de una cámara usando señales EMG de los músculos de la frente del usuario.

En la segunda etapa, en el trabajo de investigación de maestría titulado Evaluación de la mejora de laagudeza visual con un sistema bio-realimentado [22] llevado a cabo por Rafael Linero, se adquirió la actividadelectromiográca proveniente de los músculos de la frente, la cual estaba relacionada con el deseo del usuariode variar la potencia óptica de unos lentes electrónicos con enfoque sintonizable desarrollados por Optotune®.Si la amplitud de la señal EMG superaba cierto umbral, el sistema variaba la potencia óptica de los lentes.Por medio de un primer botón, el voluntario indicaba el sentido de la variación de esta cuando se detectabaactividad EMG, con un segundo botón podía reiniciar la potencia óptica de los lentes y con un tercer botónindicaba el momento en que veía con nitidez la imagen. Cabe resaltar que la potencia óptica de los lentes semodicaba por medio de drivers comprados a la empresa fabricante de los lentes. Se implementó un dispositivoque se ajustaba a la cabeza del usuario y sobre el cual se sostenían los lentes en una posición frontal a susojos, simulando el funcionamiento de unas gafas. Además, tenía una ranura en donde se acomodaba el driverque manejaba a los lentes y que permitía su conexión con estos. Se probó el funcionamiento del sistema pormedido del test de Snellen con voluntarios que presentaban ojos miopes y emétropes, en donde la potenciaóptica de los lentes se inicializaba en diferentes valores. Cabe resaltar que la variación de la potencia de loslentes se ajustó a valores discretos, de manera que esta sólo tomaba valores múltiplos de 0,25 dioptrías que

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corresponde a la forma comercial en que varía la fórmula de los lentes actualmente. Se concluyó que sí sepodía mejorar los errores de refracción relacionados con la disminución de la agudeza visual por medio deun sistema bio-realimentado con señales EMG y que los usuarios adquirieron mayor destreza al utilizar elsistema bio-realiementado a medida que realizaron más pruebas.

El presente trabajo de grado es la tercera etapa del proyecto del Yamhure y se va a usar los mismos lentesy los mismos drivers que en la etapa anterior. A diferencia del trabajo desarrollado por Lineros, la potenciaóptica de los lentes se controla totalmente por las señales EMG del usuario, de manera que los botones delcontrol del pasado trabajo fueron eliminados. Por otro lado, la variación de la potencia óptica no está limitadaa múltiplos de 0,25 dioptrías, sino qure el usuario tendrá la posibilidad de elegir desde variaciones muchomás pequeñas . Si se seleccionan pequeños valores de variación, el control de la potencia óptica se asemejaráa una función continua. Finalmente, se desarrolló una plataforma que permite, entre otras cosas, realizar yguardar experimentos de manera sencilla y adquirir la distancia al objeto que se está visualizando así comohacer grabaciones de video de los experimentos realizados.

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Capítulo 4

Marco Teórico

4.1. Electromiografía

La electromiografía es la rama que se encarga de la detección, análisis y uso de las señales eléctricas queemanan de los músculos esqueléticos. La señal eléctrica producida durante la activación del músculo, conocidacomo señal mioeléctrica, es producida por pequeñas corrientes generadas por el intercambio de iones a travésde membranas musculares y detectada con la ayuda de electrodos.

El movimiento del cuerpo humano es posible gracias a la coordinación entre los músculos y el cerebro.Cuando se requiere que los músculos realicen cierta actividad, el cerebro envía señales de exitación a travesdel sistema nervioso central. Esta conexión se realiza por medio de las unidades motoras las cuales son unaunión entre una neurona motora y las bras musculares como se muestra en la gura 4.1. Cuando la unidadmotora se activa, produce un potencial de acción de unidad motora [23]. Mientras se requiera que el músculogenere fuerza, el sistema nervioso central repite el proceso de activación continuamente produciendo trenesde potenciales de acción. Los trenes generados por neuronas activas se superponen para producir la señalEMG resultante. Entre más fuerza se quiera producir, la excitación por parte del sistema nervioso centralaumenta, de manera que más unidades motoras se activan. Esto resulta en altas amplitudes de señal EMG[5].

A partir de lo expuesto anteriormente, se puede inducir que el estudio de las señales EMG provee unaherramienta valiosa para medir y clasicar diferentes tipos de movimiento del cuerpo. De esta manera, sedecidió clasicar el movimiento de los músculos de la frente, encargados de generar las expresiones faciales,para indicar el deseo del usuario de variar la potencia óptica de los lentes. Esta decisión se justica en queestos músculos se encuentran cerca de los ojos, el usuario los puede mover con relativa facilidad y pocoesfuerzo, y su movimiento no interere con otras actividades cotidianas del usuario. En consecuencia, se va amedir y registrar las señales EMG producidas en mayor medida por el musculo frontal y en menor medida por

Figura 4.1: Unidad motora (tomado de [3]).

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(a) Musculo frontal. (b) Musculo prócer y currugador supercial.

Figura 4.2: Musculos utilizados para la adquisición de señales EMG (tomado de [4]).

Figura 4.3: PSD normalizada de la señal EMG del músculo frontal (tomado de [5]).

el músculo prócer y por el corrugador supercial, mostrados en la gura 4.2, los cuales son responsables degenerar las expresiones faciales [24]. Cabe aclarar que los músculos escogidos deben ser diferentes a aquellosque se encargan naturalmente del proceso de acomodación debido a que se busca independencia entre elsistema óptico natural y el electrónico, sumado a la gran dicultad que representaría adquirir la señal deestos músculos internos.

La amplitud de la señal EMG recticada del músculo frontal se encuentra entre 50 y 200 µV y casi latotalidad de su potencia se encuentra contenida en la banda de frecuencia de 10 a 250 Hz [5], como se muestraen la gura 4.3. También se puede observar que la mayor parte de la potencia se encuentra debajo de los 100Hz.

La actividad bioeléctrica de los músculos del ser humano es detectada con la ayuda de electrodos EMG,los cuales se dividen en superciales e insertados. Los electrodos superciales registran la actividad musculargenerada por los músculos que se encuentran cercanos a la supercie donde se posicionaron. Su funcionamientose basa en que los electrodos forman un equilibrio químico entre su supercie y la piel del cuerpo a travésde conducción electrolítica, de manera que la corriente puede uir hacia el electrodo. Por el contrario, loselectrodos insertados se introducen a través de la piel en el tejido muscular y registran directamente laactividad eléctrica que este genera. Aunque la electromiografía supercial (sEMG) no permite discriminarlas descargas eléctricas de músculos adyacentes, así como tampoco permite registrar la actividad de músculosinternos, en el presente trabajo de grado se decidió utilizar electrodos sEMG debido a su simplicidad yfacilidad de implementación ya que es una técnica no invasiva.

Para llevar a cabo un correcto posicionamiento de los electrodos se necesita tener en cuenta la arquitecturadel músculo, la cual se dene en términos de la disposición de las bras musculares relativa al eje donde segenera la fuerza [25]. A n de adquirir la mejor señal posible, el eje longitudinal de los electrodos debe ser

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Figura 4.4: Posición ideal de un electrodo supercial: en medio de la zona de innervación(o unidad motora)y el tendón [6]

(a) Conguración monopolar. (b) Conguración bipolar.

Figura 4.5: Tipos de conguraciones al ubicar los electrodos (tomado de [7]).

paralelo a la dirección de las bras musculares [6] y la distancia entre el centro de los electrodos debe ser entre1 y 2 cm. Por otro lado, para obtener máxima densidad de bras musculares y ,por ende, máxima amplituden la señal EMG, los electrodos deberán ser ubicados entre la unidad motora y el tendón del músculo yen ningún caso se deberán ubicar cerca del tendón o en el borde del músculo ya que la señal resultantepuede ser perturbada por los músculos adyacentes [6]. En la gura 4.4 se muestra un ejemplo del correctoposicionamiento del electrodo. Para el caso del músculo frontal, sus bras se encuentran orientadas de maneravertical por lo que el eje longitudinal de los electrodos se deberá ubicar en esta dirección.

Otro aspecto que se debe tener en cuenta a la hora de adquirir señales sEMG es la preparación de la piel.Con el n de obtener una buena calidad de señal, la impedancia de la piel debe ser disminuida. Para llevar acabo este propósito, las células muertas sobre la piel deben ser completamente removidas del lugar en dondese van a posicionar los electrodos. Finalmente, se recomienda limpiar la piel con alcohol con el objetivo deeliminar cualquier humedad o sudor sobre esta.

La ubicación de los electrodos se puede realizar a través de dos conguraciones: monopolar y bipolar. Enla conguración monopolar, sólo se usa un electrodo con respecto a un electrodo de referencia y la señal deeste se conecta a un amplicador referido a tierra. En oposición,en la conguración bipolar se conectan doselectrodos con la ayuda de un electrodo de referencia y las señales provenientes de las supercies detectoras seconectan a un amplicador diferencial. Estas conguraciones se ilustran en la gura 4.5. Aunque la conexiónmonopolar es más sencilla de realizar, esta detecta todas las señales eléctricas en la vecindad de la superciedonde se posiciona el electrodo, haciéndola más sensible a señales no deseadas. En contraparte, en la conexiónbipolar el amplicador diferencial suprime las señales de ruido que entran en modo común y amplica las queentran en modo diferencial, que son las de nuestro interés. Esta ventaja de la conguración bipolar se puedever reejada en la interferencia que se puede generar por el pestañeo al adquirir la señal EMG del músculofrontal. En este caso, aún teniendo el músculo frontal relajado, se puede detectar la señal EMG producidapor el músculo orbicular del ojo y elevador del párpado, encargados de la función de parpadear [5]. En lagura 4.6 se muestra la señal EMG registrada al pestañear mientras se tenía el músculo de la frente relajadopara las dos conguraciones. Se puede apreciar que para el caso monopolar se genera una señal con amplitudapreciable mientras que para el caso bipolar la señal generada es imperceptible.

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Figura 4.6: Efecto del parpadeo en la señales EMG adquiridas del músculo frontal durante estado de reposo.(A) Adquisición bipolar. (B) Adquisición unipolar. Tomado de [5]

Finalmente, la interfaz eléctrica entre la piel y el electrodo se puede modelar por el circuito mostrado enla gura 4.7, en donde se muestra el modelo para electrodos de gel y para electrodos secos.

Figura 4.7: Modelo eléctrico de la interfaz electrodo-piel. a) Electrodo de gel. b) Electrodo seco. (Tomado de[8]).

4.2. Sistemas bio-realimentados

La bio-realimentación es un proceso que le permite al individuo aprender a cómo cambiar su actividadsiológica con propósitos de mejorar su salud y su desempeño. Para lograr este propósito, los sistemas bio-realimentados cuentan con instrumentos precisos que permiten medir la actividad siológica y retroalimentarla información recolectada al usuario [26]. La presentación de esta información-en conjunción con cambios enel pensamiento, emociones y comportamiento- motivan al usuario a realizar cambios siológicos.

En los sistemas bio-realimentados, se le facilita a un sujeto la información procedente de algún procesobiológico que normalmente no es accesible para él mediante la utilización de aparatos electrónicos. De estamanera, a través de esta información el usuario puede llegar a aprender a controlar voluntariamente elfuncionamiento del proceso biológico[27].

Los tres componentes principales de la biorealimentación son (gura 4.8):

1. Registro de distintas respuestas o actividades siológicas por medio del empleo de instrumentos de granprecisión.

2. La facilitación de esta información al sujeto de forma rápida y precisa.

3. La ayuda a la persona para que aprenda, a través de esa información, a modicar su actividad siológicaregistrada con la nalidad de mejorar su salud.

Las respuestas siológicas o biológicas que es posible registrar en la actualidad son muy numerosas yvariadas según los diversos sistemas que componen al ser humano. Entre los principales se encuentran el

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Figura 4.8: Proceso de biorealimentación.

sistema nervioso central, el sistema nervioso autónomo y el sistema músculo-esquelético. Así, en el presentetrabajo de grado las señales eléctricas que controlan los músculos de la frente van ser las señales biológicasque se van a sensar. La función siológica que se desea mejorar es el proceso de enfoque por medio del usolentes electrónicos ajustables. En su deseo por lograr una imagen enfocada, el usuario va a variar la actividadeléctrica de sus músculos. De esta forma, a partir de la información que le están entregando sus ojos sobre lacalidad de la imagen que se está observando, el usuario aprenderá a generar las señales eléctricas adecuadasa los músculos de su frente para lograr una visualización nítida. Esto lo podrá realizar gracias a que elsistema electrónico le permitirá transformar las señales eléctricas de sus músculos en una señal que controlala potencia óptica de los lentes. Finalmente cabe resaltar que no es necesario que la señal biológica medidatenga relación con la función siológica que se desea mejorar, sino el proceso de bio-realimentación es el quepermite que haya una conexión entre estas dos actividades.

4.3. Acomodación y presbicia

El ojo es el órgano encargado de formar imágenes a partir de las señales lumínicas que capta. En este procesolos rayos de luz incidentes atraviesan el iris el cual controla la cantidad de luz que ingresa al ojo. Los rayosllegan al conjunto córnea-cristalino que se encargan de refractarlos, es decir, desvían su trayectoria paraque puedan ser proyectados en la retina en donde posteriormente se convertirá en estímulos eléctricos queel cerebro interpretará. Para que la imagen obtenida sea nítida, los rayos de luz que penetran al ojo debenenfocarse exactamente sobre la retina. La cantidad de refracción que debe realizar el ojo depende del ángulode incidencia de los rayos, de manera que los rayos de luz incidentes de un objeto cercano deberá refractarlosen mayor proporción que los rayos incidentes de un objeto lejano. Esto se muestra en la gura 4.9. El ojoes capaz de variar su índice de refracción por medio del cristalino el cual es un lente biconvexo elástico.Así, el cristalino tiene la capacidad de deformarse para lograr diferentes enfoques. El encargado de cambiarla forma del cristalino es el músculo ciliar.

Figura 4.9: Rayos de luz incidentes de un objeto lejano(derecha) y de un objeto cercano (izquierda)[9]

El proceso mediante el cual los rayos luminosos procedentes tanto de objetos cercanos como lejanos se

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Figura 4.10: Deterioro de la capacidad de acomodación del cristalino con los años [10].

Figura 4.11: Tiempo de acomodación del ojo humano (Tomado de [11])

enfocan con exactitud sobre la retina se llama acomodación y es controlado por el músculo ciliar. Así, si elmúsculo ciliar se contrae, el cristalino se hace más esférico y aumenta su poder de refracción, lo cual permiteenfocar la luz procedente de objetos cercanos. Cuando el músculo ciliar se relaja, el cristalino se hace menosesférico, disminuye su poder de refracción, lo cual nos permite ver con nitidez objetos lejanos. Este procesode acomodación del cristalino se mide en dioptrías, unidad que mide la potencia óptica de un lente.

La pérdida de capacidad de acomodación se llama presbicia, la cual ocurre en toda la población a partirde los 40 años. Esto se debe a que el músculo ciliar pierde movilidad por lo que el rango de potencias ópticasque maneja el cristalino disminuye. En edades tempranas el ojo humano tiene la capacidad de llegar hasta10 dioptrías de acomodación, pudiendo enfocar correctamente objetos que se encuentren a mínimo 7 cm; sinembargo, hacia los 40 años esta capacidad ha disminuido a tan solo 3 o 4 dioptrías, pudiendo enfocar objetosque se encuentren a mínimo 30cm. En la gura 4.10 se muestra el deterior de la capacidad de acomodacióncon respecto a los años de vida.

Finalmente, en la gura 4.11 se muestra el tiempo que tarda el ojo en pasar de 0 a 2,5 dioptrías. A partirde esta gráca se puede concluir que aproximadamente el ojo tiene la capacidad de variar 2,5 dioptrías porsegundo.

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Capítulo 5

Diseño

5.1. Diseño del sistema de adecuación y adquisición de la señal

EMG

El sistema de adecuación se encarga de acondicionar la señal eléctrica entregada por los electrodos de maneraque tenga las condiciones necesarias para ser procesada posteriormente. En consecuencia, las funciones deeste sistema son amplicar, ltrar y aislar la señal EMG proveniente de los electrodos.

5.1.1. Amplicación

La amplicación de la señal cumple dos funciones: aumentar la relación a ruido de la señal sensada e incre-mentar su resolución al momento de ser digitalizada. Para aumentar la señal a ruido se usan amplicadoresde instrumentación, los cuales rechazan las señales de ruido que entran en modo común y amplican lasseñales que entran en modo diferencial, como es el caso de la señal EMG entregada por los electrodos enconguración bipolar. El parámetro que cuantica la habilidad de un dispositivo de rechazar señales en modocomún se llama CMRR y, según [28], este valor debe estar entre 100 y 120 dB para adquirir adecuadamenteseñales sEMG. La amplicación se debe realizar lo más cerca posible al sitio en donde se genera la señal quese quiere adecuar para evitar el acople del ruido por medio de los cables que conectan a los electrodos con elamplicador. De esta forma, se va a usar un pre-amplicador que esté próximo a los electrodos y que cumplacon el CMRR especicado. Por recomendación de la Sociedad Internacional de Kinesiología Electrosiológica(ISEK), la impedancia de entrada del pre-amplicador conectado a los electrodos debe ser de mayor a 109Ω[29].

Por otro lado, para incrementar la resolución de la señal digitalizada se necesita amplicar la señalentregada por los electrodos de manera que la máxima amplitud de la señal resultante se acerque al rangodel ADC, encargado de la digitalización de la señal. En el marco teórico se mencionó que la señal EMG delmúsculo frontal tiene un amplitud recticada entre 50 y 200 µV y como se va a trabajar con un ADC conrango de 5 V, el circuito de adecuación debe tener una ganancia aproximada de 50.000.

5.1.2. Filtrado

Debido a que no todo el espectro de frecuencia contiene información relevante de la señal EMG, se requiereel uso ltros que anulen las componentes que se encuentren por fuera del ancho de banda de la señal sensada.Esto se justica en la medida de que estas componentes pueden afectar la calidad de la medición al añadirleruido. Por otro lado, al discretizar la señal analógica proveniente de los electrodos, aparece una réplicaespectral desplazada a la mitad de la frecuencia de muestreo que puede mezclarse con la señal deseada. Poreste motivo, se requiere la implementación de un ltro, llamado ltro anti-alias, que suprima las componentesespectrales que se encuentren a frecuencias superiores a la mitad de la frecuencia de muestreo.

Aunque en el marco teórico se mencionó que la mayor parte de la potencia de la señal EMG producidapor el músculo frontal se encontraba en el rango de frecuencias de 10 a 250 Hz, en las referencias [30], [31] y[32] se recomienda que el ancho de banda del circuito de adquisición sea de 20 a 500 Hz. Esto es debido a queentre el 90 y el 95% de la información de las señales sEMG se encuentra en este rango de frecuencias. Porotra parte, como las señales que se generan por el movimiento de los electrodos se encuentran en la banda

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de los 0 a 20 Hz [31], se estableció que el límite inferior del ancho de banda fuera de 20 Hz para anular suefecto.

Finalmente, se determina el orden del ltro anti-alias a partir de los bits requeridos, la frecuencia demuestreo y el ancho de banda del circuito. Como se requieren 12 bits, la relación entre la señal a 500 Hz ya la mitad de la frecuencia de muestreo debe ser de 72 dB. Debido a que los ltros de mayor orden son mascomplejos de realizar, se eligió una frecuencia de muestreo tal que el orden del ltro requerido fuera menoro igual a 3. Por consecuente, se escogió una frecuencia de muestreo de 20 kHz y un ltro de tercer orden.De esta manera, a 10 kHz(mitad del valor de la frecuencia de muestreo), la amplitud de la señal va a estaratenuada 75 dB con respecto a la amplitud de la señal a 500 Hz.

5.1.3. Aislamiento

Como el circuito de adecuación es un dispositivo energizado que estará conectado al cuerpo humano por mediode los electrodos, se necesita cumplir los requerimientos de aislamiento para poder asegurar una protecciónefectiva contra descargas eléctricas. Esto se hace con el n de evitar corrientes peligrosas para la salud delusuario que puedan circular desde el circuito de adecuación. En este orden de ideas, se decidió cumplir elestándar IEC 60601-1-2[33] en donde se establecen los requerimientos generales para la seguridad en el usode dispositivos médicos. En este estándar se indica que el equipo médico conectado al paciente debe tenerdos medios de protección contra descargas eléctricas provenientes de la línea de alimentación. Entre estos seencuentran aislamientos sólidos, espacios de aire y conexiones protectoras a tierra. Para el presente trabajo degrado se decidió usar un aislamiento sólido doble, el cual, según el estándar, debe poder soportar un voltajemínimo de 3000 Vrms. Adicionalmente, se va a utilizar baterías para energizar el circuito aislado conectadoa los electrodos, de manera que no se necesite implementar una fuente aislada de alimentación.

5.1.4. Otras consideraciones

Debido a que la mayor parte de sistemas de electrónicos funcionan con una única fuente de alimentación,se optó por diseñar la mayor parte del circuito de manera que trabajara con una sola fuente positiva de5V. Sin embargo, como no se quiere disminuir el rango de resolución del ADC, se decidió trabajar conamplicadores completamente diferenciales, los cuales presentan acople DC y tanto sus entradas como sussalidas son diferenciales.De esta forma, aunque la fuente de alimentación fuera de 5VDC, la señal diferencialpuede estar en un rango entre +/- 5V. En otro orden de cosas, como la amplitud de la señal EMG adquiridano tiene un valor determinista, se decidió utilizar una etapa de amplicación programable de manera que sepueda ajustar de acuerdo a la situación y a la persona que esté usando el dispositivo. Finalmente, se decidióenergizar los circuitos que están conectados al ADC con la fuente de alimentación del sistema de adquisición.

5.1.5. Diagrama de bloques

Teniendo en cuenta las especicaciones mencionadas en las secciones anteriores, se propuso el diagrama debloques mostrado en la gura 5.1 para llevar a cabo el circuito de adecuación y adquisición.

En la primera etapa se van a usar electros activos, los cuales tienen incorporado un pre-amplicador,para adquirir la señal EMG del músculo frontal. Como generalmente este tipo de electrodos se alimenta confuente positiva y negativa, se va a utilizar baterías de 9V junto reguladores de +/- 5 V para energizar el pre-amplicador. En la segunda etapa, la señal producida por el pre-amplicador será ltrada por un amplicadorcompletamente diferencial. Este tendrá incorporado un ltro pasa-alto a 14 Hz y un ltro pasa-bajo a 840Hz. Adicionalmente, este circuito se encargará de acoplar la señal de entrada a un voltaje DC de 2,5 V y laconvertirá a modo diferencial. La tercera etapa constará de un amplicador de aislamiento el cual cumplirácon el estándar IEC 60601 y dispondrá de un condensador a su entrada que actuará como ltro pasa-bajocon frecuencia de corte de 840 Hz. La batería positiva alimentará tanto el amplicador totalmente diferencialcomo la etapa de entrada del amplicador de aislamiento. La cuarta etapa contará con un amplicador deganancia programable, el cual tendrá a su entrada un ltro pasa-alto con frecuencia de corte de 14 Hz ya su salida un ltro pasa-bajo con frecuencia de corte de 840 Hz. De esta manera, al sumar la acción delos tres ltros pasa-bajos, se dispondrá de un ltro de tercer orden con frecuencia de corte de 500 Hz y alsumar la acción de los dos ltros pasa-altos se tendrá un ltro de segundo orden con frecuencia de cortede 20 Hz. Finalmente, la señal entregada por el amplicador de ganancia programable será digitalizada porel ADC para su posterior procesamiento. El amplicador de ganancia programable será energizado por lafuente de alimentación del sistema de adquisición. La ganancia de 50.000, especicada en la anterior sección,

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Figura 5.1: Diagrama de bloques del circuito de adecuación y adquisición

se distribuirá entre los diferentes amplicadores del sistema y, a excepción del pre-amplicador, todos losamplicadores utilizados serán totalmente diferenciales.

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Capítulo 6

Implementación

El sistema implementado se puede explicar por medio del diagrama de bloques mostrado en la gura 6.1.

Figura 6.1: Diagrama de bloques de Labview

A través de los electrodos se sensa la señal EMG de los músculos de la frente. Esta señal es acondicionadapor medio del circuito adecuación y digitalizada por el módulo de adquisición. La señal adquirida seráprocesada de manera que genere una señal que permite controlar la potencia óptica de los lentes de acuerdoal deseo del usuario. Para llevar a cabo esto, en el bloque de procesamiento se calcula el waveform length de laseñal EMG, algoritmo que se describe más adelante. A partir de dicho valor, el bloque de control decidirá siel usuario desea mantener, aumentar o disminuir la potencia óptica de los lentes. Posteriormente, a partir dela de la potencia inicial del lente y de la potencia óptica diferencial indicada por el bloque de control, el driverestablecerá una corriente que deforme el lente de manera que produzca la potencia óptica deseada. Esto seimplementará tanto para el lente izquierdo como para el derecho. Paralelamente, se registrará la medida dedistancia realizada por el sensor de ultrasonido y por medio de una cámara de video se estará grabando elexperimento realizado. Finalmente, se crea un informe en Excel en donde se guardan: la potencia óptica de loslentes, la distancia medida, la señal EMG adquirida y los datos generales del experimento como función deltiempo, además de la información personal del voluntario. El proceso de adquisición, procesamiento, controlde la potencia óptica, medición de distancia, grabación de video, generación de reportes y manejo de losdrivers se va a realizar a través del lenguaje de programación gráco de Labview.

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Figura 6.2: Electrodos MA-420

6.1. Implementación del sistema de adecuación de la señal EMG

Para llevar a cabo la implementación del sistema de adecuación se eligieron los componentes de cada una delas secciones del circuito de acuerdo a las especicaciones indicadas en la etapa de diseño.

6.1.1. Electrodos

Se usaron electrodos activos de la referencia MA-420 fabricados por Motion Lab Systems, mostrados en lagura 6.2, que presentan las siguientes características:

Pre-amplicación directa cercana a la fuente de la señal EMG.

Posee plano de tierra interno que provee inmunidad a ruido ambiental electromagnético.

Los conductores de señal y potencia se encuentran dentro de un cable blindado y aislado que permiteeliminar la interferencia proveniente de las líneas de alimentación AC.

Utiliza el conector Lemo macho de 4 puertos para conectar los conductores de señal y potencia lo queasegura una correcta conexión de estos cables.

Adicionalmente, los electrodos presentan las siguientes especicaciones:

Ganancia de 20±1% a 1 kHz.

Impedancia de entrada > 100 MW.

Ruido <1.2 uV RMS.

CMRR > 100 dB a 65 Hz.

Ancho de banda: 15 Hz a 2 kHz.

Rango de alimentación de ±5 a ±15 V.

Consumo de 2.4 mA por fuente.

Impedancia de salida de 10 kΩ.

6.1.2. Amplicador completamente diferencial

Se decidió usar la referencia THS-4531 fabricado por Texas Instruments el cual presenta las siguientes espe-cicaciones:

Voltaje de alimentación de 2.5 a 5 V.

Corriente de alimentación de 250 µV.

Voltaje del ruido de entrada de 10 nV/√Hz.

Salida Rail to Rail.

La ganancia de este circuito se estableció para que fuera 4.

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6.1.3. Amplicador de aislamiento

Para elegir el amplicador de aislamiento se hizo una comparación entre 3 diferentes referencias, que semuestra en la tabla 6.1:

Ref. Dif.Input

Dif.Output

Powersupply (V)

Vin(V)

Rin(kΩ)

CMRR(dB)

Isolationvoltaje(V)

Gain OutputNoise

ISO124 NO NO Bipolar±4.5- ±18

±12.5 200 - 1500 1 20 mVa 500kHz

AMC 1200q1 SI SI Single+4.5 5.5

±0.32 28 108 4200 8 3.1 mV

AMC 1311 NO SI Single +3 5.5

+2 1000 82.6 7000 1 220 µVa 100kHz

Tabla 6.1: Comparación de diferentes referencias de amplicadores de aislamiento.

Según el estándar IEC 60601, solo el amplicador AMC 1200q1 y el AMC1311 cumplen con el requisito devoltaje de aislamiento, el cual debe ser mayor a 3000 Vrms. Por otro lado, sólo el amplicador AMC 1200q1es completamente diferencial por lo que esta referencia fue la seleccionada.

6.1.4. Amplicador de ganancia programable

Se llevó a cabo una comparación entre 3 referencias para elegir el amplicador de ganancia programable.Esto se muestra en la tabla 6.2:

Ref. Dif.Input

Dif.Output

Powersupplyanalog(V)

Powersupplydigital(V)

Rin(kΩ)

CMRR(dB)

Forma decontrolar laganancia

Ganancia

LTC 6910 NO NO Bipolar±4.5-±18

±12.5 1-10 - 3 entradasdigitalesestáticas.

1, 2, 5, 10,20, 50, 100

PGA 281 SI SI Bipolar±1036

+2.7 5.5

1000 110 4 entradasdigitalesestáticas

0, 125, 1, 2,2.75, 4, 5.5, 8,11, 16, 22, 32,44, 64, 88,128, 176,

MAX9939 SI SI Single2.9 5.5

5 - 60 Registros que secomunican porprotocolo SPI

0, 2, 1, 10,20, 30, 40,60, 80, 120,

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Tabla 6.2: Comparación de diferentes referencias de amplicadores de ganancia programable.

Se decidió utilizar el amplifador MAX9939 debido a que era el único que era completamente diferencial yque además sólo necesitaba de una fuente de alimentación para funcionar.

6.1.5. Simulación del circuito de adecuación

Con los componentes seleccionados, se simuló el circuito el de adecuación en OrCAD. Se usó el modelo spicepara los amplicadores THS 4531 y para el AMC 1200q1, mientras que para el amplicador MAX 9939se llevó a cabo un circuito que se asemejara a su funcionamiento. El esquemático del circuito simulado semuestra en la gura 6.3.

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(a) Circuito de ltrado y de aislamiento.

(b) Circuito ganancia programable

Figura 6.3: Circuito de adecuación simulado en OrCAD

25

Se simuló la respuesta en frecuencia de las diferentes etapas del circuito de adquisición . Las grácasobtenidas se muestran en la gura 6.4. Adicionalmente, se registró las frecuencias de corte y la ganancia poretapa en la tabla 6.3.

EtapaFunción detransferencia Frecuencia de

corte inferior(Hz)

Frecuencia decorte superior

(Hz)

Ganancia (dB)

1: Filtro fullydierential

V out1+−V out1−V in 18 800 12

2: Amplicador deaislamiento

V out2+−V out2−V out1+−V out1− 0 864 18

3: Amplicador deganancia programable

V salida+−V salida−V out2+−V out2− 10 842 39

Total V salida+−V salida−V in 21 498 68

Tabla 6.3: Frecuencias de corte y ganancia de las diferentes etapas del circuito de adecuación

Como el pre-amplicador del electrodo tiene una ganancia de 20, la ganancia total del circuito de adqui-sición es de 50.237 (94dB), lo cual cumple con la especicación deseada.

6.1.6. Diseño e implementación del circuito impreso de la etapa de adecuación

Se diseñó el circuito impreso del sistema de adquisición utilizando Altium. El esquemático y el PCB-layoutse encuentran en el anexo 1. Al momento de realizarlo, se tuvo en cuenta las siguientes indicaciones:

El circuito se dividió en dos secciones por medio del amplicador de aislamiento: en la primera secciónse conecta el electrodo con el pre-amplicador al amplicador totalmente diferencial. La salida de este seconectaba a la entrada del amplicador de aislamiento. En la segunda sección, la salida del amplicadorde aislamiento se conecta al amplicador de ganancia programable.

Para mantener la barrera de aislamiento, se ubicó el amplicador de aislamiento de forma que sus pinesde tierra de entrada y salida estaban a una distancia mayor que la indicada por el fabricante. De estamanera, el área que se encontraba debajo del dispositivo estaba libre de cualquier material conductorpara cumplir el estándar IEC60601.

Se hizo una conexión estrella en las dos tierras del circuito para minimizar los efectos de ruido en tierra.

Se conectó la tierra digital y analógica por medio de un choker en un único punto. Esto se hizo con eln de evitar las corrientes parásitas digitales que pueden introducir ruido en la señal analógica.

Se utilizó un conector serie DB9 para las señales de salida y entrada de la segunda sección del circuito.Así, en este puerto se conectaba los dos pines de la señal analógica diferencial, la tierra analógica delcircuito, la tierra digital, las 3 señales del protocolo SPI que controlan la ganancia del amplicador deganancia programable y el voltaje de alimentación.

Se utilizaron dos conectores molex de dos pines para conectar las baterías a la primera sección delcircuito y un conector molex de 4 pines para conectar la alimentación y la señal de los electrodos. Estosse ubicaron de manera que no había posibilidad de conectar las baterías con la polaridad invertida.

En la gura 6.3 se muestra el circuito de adecuación realizado.Por último, cabe resaltar que se montaron dos circuitos de adecuación de la señal EMG, uno para cada

canal de entrada. De esta manera, se cumplió con el objetivo número 1.

6.2. Implementación del sistema de adquisición

Para llevar a cabo el proceso de adquisición de la señal EMG, que previamente fue acondicionada, se eligió unmódulo de adquisición de National Instruments. Esto se hizo con el propósito de adquirir la señal utilizando

26

(a) Respuesta en frecuencia total.

(b) Respuesta en frecuencia total.

(c) Respuesta en frecuencia total.

(d) Respuesta en frecuencia total.

Figura 6.4: Respuesta en frecuencia de las diferentes etapas del circuito de adecuación.

27

Figura 6.5: Circuito de adecuación de la señal EMG.

Labview, la plataforma de programación gráca que también se encargará, entre otras cosas, de controlar lapotencia óptica de los lentes. Se decidió utilizar el módulo NI-USB-6211 debido a que presentaba presentabauna frecuencia de muestreo superior a la especicada. Adicionalmente, este módulo presenta 4 puertos digitalesconectados a 2 contadores de 32 bits, los cuales eran necesarios para el funcionamiento del sensor de distanciaque trabaja por ultrasonido,

El fabricante del módulo de adquisición reporta las siguientes especicaciones:

16 entradas analógicas de 16 bits y 250 kS/s.

4 entradas y 4 salidas digitales.

2 contadores de 32 bits.

Energizado por USB.

Fuente de voltaje de 5 V para alimentar circuitos con hasta 50 mA.

Para adquirir la señal acondicionada se llevó a cabo un sobremuestreo con una frecuencia de 20 kHz yposteriormente se realizó una decimación.

6.3. Procesamiento de las señales EMG

Como se mencionó anteriormente, el usuario va a poder modicar la potencia óptica de los lentes de acuerdoa las señales EMG que se generen en los músculos de su frente. De esta manera, se planteó que realizaratres movimientos diferentes: tener la frente relajada para indicar que no se debe variar la potencia óptica,extenderla para indicar que se quiere disminuir la potencia óptica y contraerla para indicar que se quiereaumentar la potencia óptica. Estos movimientos se muestran de manera exagerada en la gura 6.6.

28

(a) Músculos de la frente relajados. (b) Músculos de la frente extendidos.

(c) Músculos de la frente contraídos.

Figura 6.6: Movimientos de los músculos de la frente.

Para analizar las señales EMG producidas por los tres tipos de movimientos de la frente, se diseñó elsiguiente experimento para adquirirlas:

1. Se ubican los tres terminales de un electrodo bipolar sobre la frente del usuario y se sujetan por medio deuna banda como se muestra en la gura 6.7. Los electrodos se ubican de tal manera que sus terminalesse encuentren no más allá de 5 cm de la linea media del plano coronal. Los dos terminales diferencialespor donde ingresa la señal se ubicaran contiguos a menos de 4 cm de distancia entre ellos y el terminalde referencia se ubicará en una posición cercana, pero no en el medio de los terminales diferenciales.Los electrodos pueden quedar en una ubicación no necesariamente centrada y por lo tanto su posicióncambiará de un individuo a otro. Por esta razón, se sugiere seguir la instrucción número 4.

2. Se ajusta la ganancia del amplicador programable a un valor de 20, de manera que se pueda utilizarel máximo rango de adquisición sin saturar los amplicadores.

3. Se adquiere la señal producida por los electrodos y se visualiza en la pantalla del computador utilizandouna frecuencia de muestreo de 20 kHz y un factor de decimación de 20.

4. Se deja la frente relajada y los terminales del electrodo se mueven suavemente hasta que la señalvisualizada tenga una amplitud menor a 300 mV. Esto se justica en que si los electrodos están malposicionados, el ruido de 60 Hz proveniente de la línea va a ingresar por sus terminales y por lo tantola señal visualizada al tener la frente relajada tendrá una amplitud superior a los 300 mV.

5. Se le pide al voluntario que realice uno de los tres movimientos de los músculos de la frente durante 5segundos.

6. Se registra la señal EMG producida por este movimiento durante el intervalo de 5 segundos y se guardaen un archivo de Excel.

29

Figura 6.7: Ubicación de los electrodos para llevar a cabo el registro de la señal EMG de los músculos de lafrente.

En este proyecto el experimento se repitió 35 veces para cada movimiento de los músculos de la frentey sólo con un solo voluntario. Adicionalmente, los experimentos del movimiento de contracción muscular sedividieron en dos tipos: contracción muscular leve y contracción muscular fuerte para un total de cuatroclases de movimientos diferentes. En la gura 6.8 se graca las señales EMG registradas para cada una delas cuatro actividades musculares.

(a) Señal EMG de los músculos de la frente relajados. (b) Señal EMG de los músculos de la frente extendidos.

(c) Señal EMG de los músculos de la frente contraídos demanera suave.

(d) Señal EMG de los músculos de la frente contraídos demanera fuerte.

Figura 6.8: Señal EMG registrada para los cuatro tipos de actividades musculares de la frente.

De la gura 6.8 se puede apreciar a simple vista que la amplitud de la señal registrada es diferente paracada uno de los cuatro movimientos. Esto da un indicio de que las características relacionadas con la amplitudde la señal EMG pueden servir para clasicar de manera correcta la intención del usuario. En [34] se proponeextraer las siguientes características temporales de las señales EMG:

1. Integrated electromyogram (IEMG): IEMG es el valor promedio de los valores absolutos de la señalEMG. Se calcula usando la siguiente fórmula:

30

IEMG = 1N

N∑k=1

|xk|

2. Cruces por cero (ZC): Cuenta el número de veces que la señal cambia de signo. Dadas dos contiguasmuestras xk y xk+1, los cruces por cero se calculan como:

ZC =

N∑k=1

f(x)

Donde

f(x) =

1 (xk > 0 y xk+1 < 0) o (xk < 0 y xk+1 > 0)

0 otherwise

3. Cambios de pendiente (SSC): Cuenta el número de veces que la pendiente de la señal cambia de signo.Dadas 3 contiguas muestras xk−1, xk y xk+1, el número de cambios de pendiente está dado por:

SSC =

N∑k=1

f(x)

Donde

f(x) =

1 (xk < x+1 y xk < xk−1) o (xk > x+1 y xk > xk−1)

0 otherwise

4. Waveform length (WL): Es la variación acumulativa de la señal EMG, la cual indica el grado de variaciónde esta. Está dada por:

WL = 1N

N−1∑k=1

|xk+1 − xk|

5. Varianza (VAR): Es la medida de densidad de potencia de la señal EMG. Está dada por:

V AR = 1N−1

N−1∑k=1

x2k

6. Skewness (S): La asimetría estadística (skewness) está dada por:

S = E(x−µ)σ3

Para cada una de las 35 señales registradas de los cuatro tipos de actividades musculares se sacaron las seiscaracterísticas temporales mencionadas. Posteriormente, se gracó el valor obtenido por cada característicapara cada movimiento y se compararon en una misma gráca. Esto se muestra en la gura 6.9.

De las grácas de la gura 6.9, se puede concluir que, para el presente caso, las características que mejordiferencian los diferentes tipos de movimiento son el waveform length, el IEMG y la varianza. Por otro lado, elcálculo de los cambios de pendiente permite diferenciar el movimiento relajado, contraído fuerte y contraídodébil, pero se equivoca al distinguir el extendido de los demás movimientos. El algoritmo de los cruces por cerosólo permite distinguir el movimiento relajado de los demás y la técnica de la asimetría estadística no permitedistinguir ningún actividad. A partir de los resultados obtenidos se decidió utilizar el waveform length comotécnica clasicadora debido a que fue la característica que, para el presente caso, permitió diferenciar mejorlos cuatro tipos de actividad y porque su implementación es sencilla de realizar y requiere poco procesamiento

31

(a) IMEG (b) Cruces por cero

(c) Cambios de pendiente (d) Waveform length

(e) Varianza (f) Asimetría estadística

Figura 6.9: Características temporales calculadas para las señales EMG de cada uno de los 4 movimientos delos músculos de la frente.

32

computacional. Esto permite implementarla en un sistema en línea como es el caso del presente trabajo degrado.

Como se requiere que el sistema tenga un tiempo de respuesta mayor a la velocidad de acomodación delojo, el sistema debe poder procesar el waveform length a una velocidad mayor que esta. Así, se analizó elwaveform length para diferentes tamaños de ventana, la cual indica el número de muestras, después de ladecimación, para realizar el cálculo de este parámetro. Los resultados se muestran el la gura 6.10 en donde sehace la comparación en escala de tiempo y no en número de muestras, siendo estas variables proporcionales.

(a) Ventana de 500 ms (b) Ventana de 100 ms.

(c) Ventana de 50 ms. (d) Ventana de 10 ms.

Figura 6.10: Waveform length para diferentes tamaños de ventana.

De las grácas de la gura 6.10 se puede concluir que a medida que disminuye la ventana, el sistemapierde capacidad de distinguir los movimientos de la frente. Por lo tanto, al buscar una mayor velocidad derespuesta, la clasicación del sistema se vuelve menos conable. Con este en mente, se deja al investigadorla opción de elegir la longitud de la ventana en la interfaz gráca de la aplicación.

El análisis preliminar de las señales EMG realizado en esta sección fue llevado a cabo con la ayuda deMATLAB y el código utilizado se encuentra en el anexo 3. Finalmente, se puede concluir que el objetivoespecíco dos fue cumplido con éxito en esta sección.

6.4. Lentes electrónicos ajustables

Se van a utilizar los lentes electrónicos sintonizables con referencia EL-16-40-TC-VIS-20D desarrollados porOptotune. Estos son lentes que tienen la capacidad de cambiar de forma. El núcleo que forma el lente contieneun uido óptico que está sellado por una membrana de polímero elástico, como se muestra en la gura 6.11.Un actuador electromagnético es usado para ejercer presión sobre el contenedor y que por consecuente cambia

33

la curvatura del lente, pasando de cóncavo a convexo. Al cambiar la corriente que uye a través del actuadorelectromagnético, la potencia óptica del lente es controlada.

Figura 6.11: Esquema de funcionamiento del lente EL-16-40-TC-VIS-20D.

El fabricante reporta las siguientes especicaciones [35]:

Potencia óptica -10 a +10 mmTipo de lentes plano-cóncavo o plano-convexo dioptrías

Tiempo de respuesta (típico a 30°C, paso de 0 a +/- 10 dpt) 7 msTiempo de estabilización (típico a 30°C, paso de 0 a +/- 10 dpt) 40 ms

Corriente nominal de control -250 a +250 mAVoltaje de alimentación (Vcc) 3.3 V

Potencia de consumo 0 a 1 WTransmisión de datos desde y hacia controlador Vía cable FPC Flex -

Tabla 6.4: Especicaciones del lente EL-16-40-TC-VIS-20D,

Al comparar el tiempo de respuesta del lente con el tiempo de acomodación del ojo se puede concluir queel lente responde mucho más rápido. Por último cabe mencionar que la potencia óptica de los lentes dependede la temperatura, como se muestra en la gura 6.12.

Figura 6.12: Sensitividad S con respecto a la temperatura como función de la potencia óptica.

6.5. Drivers de los lentes electrónicos

Se va a utilizar el driver Lens Driver 4 desarrollado por Optotune para controlar la corriente que circula por loslentes. El manual de los drivers se encuentra en [36], en donde el fabricante da las siguientes especicaciones:

Control de corriente de -290 mA a +290 mA en pasos de 0,07 mA.

34

Frecuencia de trabajo de 0,2 a 2000 Hz.

Alimentado por puerto USB (5V).

Comunicación I2C con los lentes para lectura del sensor de temperatura de estos.

Figura 6.13: Lens Driver 4.

Los drivers de los lentes se controlan por medio del protocolo de comunicación descrito en el manualde estos [36]. Sin embargo, para facilitar su uso Optotune dispone de un programa llamado Lens DriverController el cual se puede descargar en su página. El software permite controlar los lentes por medio dediferentes modos de operación:

Corriente.

Potencia óptica.

Señal análoga.

Señal sinusoidal.

Señal rectangular.

Señal triangular.

Se hace énfasis especialmente en el modo de Potencia Óptica ya que este permite controlar los lentes inde-pendientemente de la temperatura a la que se encuentren: Cuando los lentes se calientan, el uido que seencuentra adentro de estos se expande y ,por lo tanto, la potencia focal de los lentes decrece. La potenciadisminuye linealmente en una proporción aproximada de 0.67 dioptrías por cada incremento de 10 °C. Parapoder compensar este efecto, los lentes cuentan con un sensor de temperatura incorporado, el cual se comu-nica con los drivers por medio del protocolo I2C. Así, en el modo de Potencia Óptica los drivers utilizan lainformación proporcionada por medio del sensor de temperatura de los lentes y ajustan la corriente aplicadapara compensar las variaciones de la temperatura. De esta manera, se puede controlar la potencia de loslentes directamente sin depender de los cambios de temperatura que se presenten.

Una captura de pantalla de la página principal del software para controlar los lentes se muestra en lagura 6.14

Figura 6.14: Captura de pantalla de la página principal del Lens Driver Controller.

35

Adicionalmente, el fabricante permite la opción de comunicarse con los drivers por medio de Labviewcomo se muestra en la gura 6.15:

Figura 6.15: Conexión entre Labview, el Lens Driver 4 y los lentes [12].

Optotune dispone de diversos programas y librerías de Labview para controlar los lentes, los cuales sepueden descargar desde su página web. En el presente trabajo de grado se usó el programa llamado main -current el cual permite establecer una corriente DC en mA en los drivers y se ajustó para que interactuaracon los demás bloques del sistema. En la gura 6.16 se muestra el panel de control de este programa.

Figura 6.16: Panel de control del programa main - current en Labview [12].

36

6.6. Medición de distancia

De acuerdo a lo mencionado en el marco teórico con respecto al proceso de acomodación, la distancia a laque se encuentra el objeto observado está directamente relacionada con la potencia óptica de los lentes. Deesta manera, obtener la distancia a la que se encuentra el objeto es de suma importancia para poder llevar acabo las investigaciones pertinentes del proyecto.

En este orden de ideas, se decidió incorporar un sensor de distancia de la referencia HCSR04, mostrado enla gura 6.17, el cuál es un sensor de ultrasonido. Esta decisión está basada en que se busca medir distanciasde 5 a 300 cm y el sensor seleccionado tiene un rango de 2 a 400 cm. El fabricante reporta las siguientesespecicaciones:

Voltaje de alimentación de 5 V.

Corriente de alimentación de 15 mA.

Máxima frecuencia de trabajo de 40 Hz.

Ángulo de medida de 15°.

Precisión de 0,1 a 0,5 cm.

Figura 6.17: Sensor de distancia HC-SR04.

El sensor funciona de la siguiente manera: al pin de trigger se le suministra un pulso de 10 µs de duración.Esto hará que el módulo envíe una ráfaga de ultrasonido a 40 kHz y que ponga la salida Echo en alto. La señaldel Echo tendrá tendrá una duración que es proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto conrespecto al sensor. El diagrama de tiempos del sensor se muestra en la gura 6.18 Para calcular la distanciase usa la fórmula 6.1:

Distancia =AnchoPulso · 340m/s

2(6.1)

Figura 6.18: Diagrama tiempos del sensor HC-SR04.

37

6.7. Cámara de grabación

Se va a utilizar la cámara Logitech C920, mostrada en la gura 6.19, ya que esta cuenta con librerías que lepermite conectarse con Labview. El fabricante reporta las siguientes especicaciones:

30 resoluciones diferentes de grabación.

Alimentada por conexión USB.

Corrección automática de iluminación escasa.

Compresión de video H.264.

Figura 6.19: Cámara Logitech C920.

6.8. Desarrollo de la aplicación

Como el investigador requerirá controlar los circuitos electrónicos, el hardware utilizado y las funciones desoftware desarrolladas de manera cómoda y semi-automática, se requiere el desarrollo de una aplicación queintegre todos los componentes del proyecto y con la que se pueda interactuar por medio de una interfaz grácaamigable. De esta manera, esta plataforma deberá controlar el driver de los lentes, controlar el proceso deadquisición de datos, medir la distancia y generar los archivos con los resultados de los experimentos, entreotras funciones.

Se escogió Labview como la plataforma central del sistema debido a que es un software especialmentediseñado para aplicaciones que requieren pruebas, medidas y control con acceso rápido a información dedatos y hardware. Adicionalmente, Labview cuenta con los drivers de los lentes así como con el driver de latarjeta de adquisición, que está diseñada especialmente para trabajar con esta plataforma. También, en estaplataforma se pueden generar funciones de alto nivel y permite generar reportes de datos de manera sencilla.

De manera especíca la aplicación debe:

Adquirir la señal EMG acondicionada.

Establecer la ganancia del amplicador de ganancia programable.

Procesar la señal EMG adquirida.

Controlar la potencia óptica de los lentes a partir de la señal EMG procesada.

Ajustar la potencia óptica inicial del lente izquierdo y del lente derecho.

Grabar videos de los experimentos realizados y guardarlos.

Adquirir la distancia medida por el sensor de ultrasonido.

Generar reportes de los experimentos realizados.

38

D7 MSB D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 LSB

0 0 X G3 G2 G1 G0 1

Tabla 6.5: Registro de ganancia del amplicador MAX9939.

6.8.1. Programación de la ganancia

El amplicador MAX9939 tiene ganancia programable por medio del protocolo SPI. El amplicador tiene unainterfaz de sólo escritura que consiste de 3 pines: la señal del reloj, la señal de datos y la señal de selección dechip. Para inicializar la escritura al MAX9939, se manda a nivel bajo la señal de selección de chip. Los datosson adquiridos en el anco de subida del reloj y se escribe primero el bit menos signicativo. Cada escrituraconsta de 8 bits. Después de que el octavo bit ha sido enviado, la señal de selección en alto debe ser puestaen alto para que se actualice los registros internos. El MAX9939 dispone de tres registros: un registro dedesplazamiento y dos registros internos. El registro de desplazamiento recibe los datos y los transere a losregistros internos. Los dos registros internos son el registro de oset y el registro de ganancia. Para escribiral registro de ganancia se debe seguir el formato mostrado en la tabla 6.5.

Las señales SPI que controlan la ganancia del circuito se genera por tres salidas digitales del de módulode adquisición NI USB611. Como estas salidas son estáticas, no se va a poder trabajar con una frecuenciamuy alta. Sin embargo, la ganancia es un parámetro que no se va a cambiar constantemente por lo que estono genera una restricción. Por lo tanto, el reloj va a tener un periodo de 500 ms.

6.8.2. Medición de distancia

Labview se encargará de generar la señal de Trigger que activará la medición del sensor HCSR04, así comorecibirá la señal de Echo producida por el sensor y determinará su ancho de pulso. Para esto se utilizarondos pines digitales que están conectados a los contadores internos de la tarjeta.

6.8.3. Procesamiento

A partir de los datos obtenidos por el módulo de adquisición se va a calcular en línea el waveform length, datoque permitirá clasicar la voluntad del usuario. El investigador podrá decidir cuantos datos se van a usarpara calcular el waveform length, es decir, el tamaño de la ventana de tiempo de cálculo. Por cada dato nuevoque le llegue al bloque de procesamiento, este hará el cálculo respectivo del waveform length y borrará eldato más antiguo, asemejándose al funcionamiento de un ltro FIFO. El tamaño de la ventana del waveformlength establecerá el tiempo que se tarda el sistema en determinar la intención del usuario.

6.8.4. Control de la potencia óptica de los lentes

En el bloque de control se establece si se debe aumentar, disminuir o mantener la potencia óptica de loslentes. Para esto divide el rango del waveform length en 3 regiones:

1. Si el waveform length es menor que el límite inferior, se mantiene la potencia óptica actual de los lentes.

2. Si waveform length está entre el límite inferior y superior, se debe disminuir la potencia óptica actualde los lentes.

3. Si waveform length está mayor que el límite superior, se debe aumentar la potencia óptica actual de loslentes.

El investigador tiene la libertad de escoger el tamaño del incremento. Este se preestableció para que fuera 0,1dioptrías, de manera que el voluntario percibiera la variación de la potencia de los lentes como un procesocontinuo. Aumentar el valor del incremento permite que el sistema responda más rápido pero que el usuariopierda control sobre la variación de la potencia óptica de los lentes. De esta manera, la pendiente con quecambia la potencia óptica estará determinada por el incremento y por el tamaño de la ventana de acuerdo ala ecuación 6.2:

pendiente =Incremento

TamanV entana(6.2)

39

En el marco teórico se indicó que el ojo tenía una velocidad de acomodación aproximada de 2.5 dpt/s. Elsistema presente tiene un tamaño mínimo de ventana de 10 ms y el incremento no tiene restricción. Así, sise elige un tamaño de ventana de 50 ms y un incremento de 0,2 dioptrías, la velocidad de respuesta será de4 dpt/s. Por lo tanto, se puede concluir que el sistema tiene la capacidad de tener un tiempo de respuestamenor que el tiempo de acomodación del ojo. En la gura 6.20 se muestra la respuesta paso del sistema paraun tamaño de ventana de 50 ms y un incremento de 0,1 dpt. Para este caso la velocidad de respuesta es de2 dpt/s.

Figura 6.20: Respuesta paso del sistema.

6.8.5. Generación de reportes

A partir de los experimentos realizados, la plataforma diseñada en Labview genera automáticamente reportesen Excel. En la primera página de cada reporte se va a consignar la información del voluntario y los parámetroscon los que se adquirió la señal. Se diseñó una plantilla base para la primera página, mostrada en la gura6.21, que van a llenar todos los reportes generados.

Figura 6.21: Plantilla para la generación de reportes.

Para adquirir los datos del voluntario el sistema genera una ventana, mostrada en la gura 6.22 , en laque el usuario debe llenar los campos.

40

Figura 6.22: Registro de un nuevo voluntario

Se genera una ventana para registrar los datos generales del experimento, mostrada en la gura 6.23 , enla que el usuario debe llenar los campos.

Figura 6.23: Registro de un nuevo voluntario

En las siguientes páginas del informe se van a guardar los experimentos realizados en donde en la primerala se va a registrar la hora de inicio del experimento y en la segunda la hora de nalización. En las siguienteslas se van a guardar los datos de las variables medidas en el experimento y el investigador tendrá laposibilidad de hacerlo de tres formas distintas:

1. Guardar la señal EMG adquirida y el tiempo de adquisición.

2. Guardar la distancia medida, potencia óptica del lente izquierdo y del lente derecho y el tiempo en elque se registraron estos datos .

3. Guardar la señal EMG adquirida, distancia medida, potencia óptica de los lentes y el tiempo en el quese registró cada dato.

41

(a) Reporte tipo 1. (b) Reporte tipo 2.

(c) Reporte tipo 3.

Figura 6.24: Reportes generados.

Los tres tipos de reportes generados se muestran en la gura 6.24:Finalmente, si el investigador desea repetir el experimento con el mismo voluntario, los datos obtenidos

de este se guardaran en el mismo archivo en una hoja adicional.En el anexo 3 se encuentra el código de Labview del sistema y en el anexo 4 se encuentra el video que

explica el código desarrollado.

6.9. Interfaz gráca

Se desarrolló una interfaz gráca que le permitiera al investigador interactuar de manera sencilla y efectivacon el sistema. A su vez, esta es lo sucientemente exible para que el investigador pueda desarrollar diversosexperimentos al darle la libertad de ajustar hasta 12 diferentes variables que determinan el funcionamientodel sistema. Adicionalmente, la interfaz gráca facilita la generación de reportes, de manera que estos segeneran de manera automática al nalizar cada experimento. La interfaz gráca desarrollada se muestra enla gura 6.25.

1. Menú principal: Esta sección le permite al usuario eligir entre tres funcionalidades principales:

Visualización general: En esta opción el usuario adquiere en vivo las señales EMG, la distancia yla imagen de la cámara así como le permite observar el waveform length que se obtuvo al procesarla señal EMG. También le permite ver la clasicación de la intención del usuario y la potenciaóptica actual de los lentes.

Llevar a cabo un experimento: Al hacer clic en esta opción el sistema entra en modo experimento,en donde se pide la información del voluntario que va a llevar a cabo la prueba así como detallesdel experimento que se desea realizar.

Ajustar potencial inicial de los lentes: Le permite al usuario elegir la potencia inicial tanto dellente derecho como del lente izquierdo dado que frecuentemente los dos ojos de las personas noson exactamente iguales.

2. Conguración parámetros de adquisición: Esta sección le permite al investigador eligir el valor de lasvariables que determinan la funcionalidad del módulo de adquisición. Estas son:

Canal del módulo NI USB-6211 que va a adquirir la señal analógica.

42

(a) Interfaz gráca parte 1.

(b) Interfaz gráca parte 2.

Figura 6.25: Interfaz gráca desarrollada en Labview.

43

Frecuencia de muestreo.

Factor de decimación.

Tamaño del buer del circuito de adquisición.

Rango de voltaje de adquisición.

Ganancia del amplicador programable.

3. Gráca de la señal EMG: En esta gráca se muestra la señal EMG que está siendo adquirida por elmódulo de adquisición.

4. Parámetros de la gráca de la señal EMG: Le permite al investigador seleccionar la forma como deseaque se graque la señal EMG adquirida. Así, esta tiene un control que le indica a la gráca si ajustarautomática o manualmente la escala vertical como horizontal. Si se elige ajustarla manualmente, lepermite congurar el valor mínimo y máximo de las dos escalas.

5. Parámetros experimento: En esta sección el investigador puede controlar los diferentes parámetros delexperimento. Estos son:

Carpeta en la que se va a guardar los experimentos.

Incremento de la potencia óptica al realizar una clasicación.

Tamaño de la ventana para el cálculo del waveform length(WL).

Limite superior e inferior para llevar a cabo la clasicación de la intención del usuario según elvalor obtenido por el waveform length.

Adicionalmente, le permite observar el valor actual de las siguientes variables del sistema:

Waveform length.

Potencia óptica diferencial.

Potencia óptica total del lente izquierdo y derecho.

Distancia.

6. Gráca del waveform length y clasicación: En esta gráca se muestra el valor obtenido al calcularel waveform length de la señal EMG adquirida así como la clasicación que el sistema realiza delmovimiento muscular del voluntario.

7. Parámetros de la gráca del waveform length: Le permite al investigador seleccionar la forma comodesea que se graque el waveform length calculado. Así, esta tiene un control que le indica a la gráca siajustar automática o manualmente la escala vertical como horizontal. Si se elige ajustarla manualmente,le permite congurar el valor mínimo y máximo de las dos escalas.

8. Botones generales: El botón de Terminar acción le permite al investigador parar la rutina que se estáejecutando. De esta manera, al presionar este botón se para una de las siguientes acciones: visualizacióngeneral, ajustes de parámetros iniciales o se naliza el experimento. El botón de restaurar valores ini-ciales le permite al investigador establecer para cada lente su valor de potencia inicial que previamentefue declarado.

9. Conguración inicial de los lentes: Le permite al investigador ajustar el valor inicial de potencia ópticapara cada lente así como indicar a cual puerto USB están conectados.

10. Gráca de potencia óptica y distancia : En esta gráca se muestra el valor obtenido al calcular elwaveform length de la señal EMG adquirida así como la medición de la distancia realizada.

11. Video adquirido : En esta imagen se muestra el video que está grabando la cámara conectada a Labview.

12. Parámetros video adquirido: En esta región se ajustan las siguientes variables del proceso de grabaciónde video:

Carpeta en la cual se va a guardar el video.

Modo de video, es decir, la resolución con la que se va a grabar. .

Calidad con que se va a guardar el video.

Cantidad de frames por segundo con los que se va a guardar el video.

Con la interfaz diseñada se cumple el objetivo especíco número 5.

44

Capítulo 7

Análisis de resultados

En esta sección se diseñaron y se realizaron experimentos para vericar la medición de distancia y paraevaluar la controlabilidad de los lentes por medio de señales EMG.

7.1. Vericación de la medición de distancia

Se diseñaron experimentos para evaluar el desempeño del sensor de distancia. Se evaluó la respuesta delsensor para variaciones de distancia continuas así como para variaciones repentinas, de manera que se buscabaestablecer la capacidad del sensor para responder a diferentes tipos de experimentos.

7.1.1. Aumento continuo de la separación del objeto al sensor

1. Se ubicó un objeto con una área mayor a 1 m2 a una distancia de 4 cm del sensor , de manera que elsensor apuntaba al centro del objeto.

2. El objeto se fue alejando de manera continua en dirección perpendicular a la ubicación del sensor hastallegar a una separación cercana a los 2 m.

3. Se registró la medida entregada por el sensor.

7.1.2. Disminución continua de la separación del objeto al sensor.

1. Se ubicó un objeto con una área mayor a 1 m2a una distancia aproximada de 2 m del sensor , de maneraque el sensor apuntaba al centro del objeto.

2. El objeto se fue acercando de manera continua en dirección perpendicular a la ubicación del sensorhasta llegar a una separación cercana a los 4 cm.

3. Se registró la medida entregada por el sensor.

7.1.3. Variación instantánea y repentina de la separación del objeto al sensor

1. Se ubicó un objeto con una área mayor a 1 m2a una distancia aproximada de 10 cm del sensor, demanera que el sensor apuntaba al centro del objeto.

2. Se ubicó un segundo objeto con una área mayor a 1 m2 a una distancia aproximada de 140 cm delsensor y paralelo al objeto #1.

3. El objeto #1 se movió de manera repentina , de manera que el sensor quedaba apuntando al objeto#2. Esto se hizo con el objetivo de simular la respuesta paso del sensor.

4. El objeto #1 se volvió a ubicar en su posición inicial con un movimiento similar al del punto 4.

5. Se registró la medida entregada por el sensor.

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Los resultados de los tres experimentos realizados se muestran en la gura 7.1.

(a) Aumento continuo de la separación del objeto al sensor (b) Disminución continua de la separación del objeto al sen-sor.

(c) Variación instantánea y repentina de la separación del objeto al sensor

Figura 7.1: Experimentos de la medición de distancia

De la gura 7.1 se puede concluir que el sensor responde de manera correcta a variaciones de distanciacontinua así como para variaciones instantáneas.

7.2. Evaluación de la contrabilidad de los lentes

7.2.1. Protocolo de pruebas

Se diseñaron experimentos para evaluar la contrabilidad de los lentes por medio de señales EMG. De estamanera, los experimentos buscaban determinar si el voluntario era capaz de variar la potencia óptica de loslentes, por medio de las señales eléctricas de los músculos de su frente, para poder visualizar con nitidez unobjeto. Para esto se establecía una potencia inicial a cada lente que hacía que el voluntario viera el objetoborroso. El voluntario entonces debía generar las señales eléctricas en los músculos de su frente que permitieranvariar la potencia óptica de los lentes hasta obtener una imagen nítida. Adicionalmente se buscaba demostrarque se estaba obteniendo la distancia en la misma estampa de tiempo que la potencia óptica de los lentes. Elprotocolo de pruebas para realizar este experimento es el siguiente:

1. El voluntario no presentaba enfermedades oculares.

2. Se ajustó la ganancia del amplicador de ganancia programable a 20.

3. Se ubicó una hoja blanca tamaño carta a una distancia de 60 cm del voluntario y a la misma alturaque los ojos de este.

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4. La hoja tenía un texto escrito con fuente Arial 12.

5. Se ubicaron los terminales del electrodo sobre la frente del usuario y se acomodaron de manera que nose apreciara el ruido de 60 Hz de la línea en la gráca de señal EMG en la interfaz de Labview.

6. Se le pidió al voluntario que extendiera y contrajera su frente para determinar los límites de clasicacióna partir del cálculo del waveform length. Así, se buscaba que el sistema pudiera interpretar de maneraconable la intención del voluntario.

7. Se estableció una potencia óptica inicial de 5 dioptrías para cada lente. Este procedimiento se repitiócon una potencia inicial de -6 y de -5 dioptrias.

8. Se le pidió al voluntario que intentara variar la potencia óptica de los lentes al fruncir el ceño o al estirarsu frente hasta que lograra visualizar las letras de la hoja con claridad.

9. Cuando el usuario lograra ver con nitidez las letras de la página, el experimento nalizaba.

Para sostener los lentes en una posición ja con respecto a los ojos del voluntario, se utilizó el sistemamecánico mostrado en la gura 7.2. Además, se ubicó el sensor de distancia en el espacio de la frente.

(a) Vista frontal (b) Vista de perl.

(c) Posicionamiento del experimento

Figura 7.2: Sistema mecánico que porta los lentes.

Los experimentos realizados fueron llevados a cabo con un solo voluntario y los resultados obtenidos semuestran en la gura 7.3.

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(a) Potencia inicial de - 5 dioptrías, prueba 1. (b) Potencia inicial de - 6 dioptrías, prueba 2.

(c) Potencia inicial de 5 dioptrías, prueba 3. (d) Potencia inicial de 5 dioptrías, prueba 4.

Figura 7.3: Variación de la potencia óptica de los lentes por parte del usuario al querer obtener una imagencon nitidez.

7.2.2. Análisis de resultados

De los resultados obtenidos en la gura 7.3, se puede apreciar que el voluntario fue capaz de llevar los lentesa una potencia cercana a 0 en todas las pruebas. Esta potencia era la que le permitía ver el objeto con nitidezdebido a que no tenía enfermedades oculares. De esta manera, se puede concluir que el voluntario tuvo lacapacidad de controlar los lentes utilizando las señales eléctricas de los músculos de su frente por lo que secumplió el general del trabajo de grado y el objetivo especíco tres. En otro orden de ideas, cabe destacarque sólo se necesitó un canal de adecuación, es decir, un sólo electrodo, para determinar la voluntad delusuario de variar la potencia óptica del lente.Finalmente, en la gura 7.4 se puede apreciar que la distanciay la potencia óptica se obtuvieron de manera sincrónica, de manera que se cumplió con el objetivo especíconúmero cuatro.

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Figura 7.4: Potencia óptica y distancia obtenidos como función del tiempo.

49

Capítulo 8

Conclusiones y recomendaciones

8.1. Conclusiones

1. El voluntario que participó en los experimentos pudo controlar la potencia óptica de los lentes electró-nicos de acuerdo a su voluntad a partir de las señales electromiográcas de su frente.

2. El voluntario que participó en los experimentos sólo necesitó de un canal de adquisición de señalesEMG para poder controlar los lentes de acuerdo a su voluntad.

3. De los experimentos realizados, el waveform length fue la característica que mejor permitió distinguirla intención del usuario de variar la potencia óptica de los lentes.

4. El tamaño de la ventana del waveform length establece el tiempo que se tarda el sistema en determinarla intención del usuario.

5. Ventanas más cortas de waveform length implican tiempos de respuesta más rápidos pero tambiénmayor porcentaje de error en el clasicador de la intención el usuario.

6. El investigador tiene la facultad de determinar el incremento de la potencia óptica de los lentes cuandose lleva a cabo una clasicación. Mayores incrementos aumentan la velocidad de respuesta del sistemapero se reduce su controlabilidad.

7. Con el sistema implementado y los experimentos realizados se logró un tener un tiempo de respuestamás rápido que la velocidad de acomodación del ojo.

8. A partir de experimentos realizados, se pueden generar reportes automáticos que guarden los datos delas variables de los experimentos.

8.2. Recomendaciones

1. Implementar un ltro digital de 60 Hz de manera para que se pueda reducir la presión con que se debenajustar los electrodos contra la piel, ya que, si los electrodos no están bien acomodados, entra el ruidode la línea por sus terminales.

2. Aplicar inteligencia articial a la clasicación de la voluntad del usuario.

3. Contemplar la posibilidad de realizar el procesamiento de la señal en un microcontrolador.

4. Diseñar un sistema mecánico que permita mayor comodidad a la hora de utilizar el dispositivo.

50

Capítulo 9

Anexos

1. Esquemático y PCB del circuito de adecuación: https://drive.google.com/drive/folders/15F_4txmwtkdVXt0BkHjBRBuYc7JKsX2z

2. Código de MATLAB para extraer características de la señal EMG: https://drive.google.com/

drive/folders/1z2dH7-BNDf68sLj2kIQwg3fsEXMamBva

3. Código de Labiew del sistema implementado: https://drive.google.com/drive/folders/1Ze8YYYcKf0ZdN_0vpN6enlGODxB0jwgi

4. Video explicación del código de Labview: https://drive.google.com/drive/folders/1Ze8YYYcKf0ZdN_0vpN6enlGODxB0jwgi

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