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SISTEMA AUTOMÁTICO DE ESTUDIO Y DIAGNOSTICO DEL SÍNDROME
DE DESORDEN METABÓLICO
Caldentey Juan José, Fumaroni Germán Ángel
Directores: Rivera, Raúl - Gemin, Walter
Ingeniería Electrónica
2012
Resumen
El siguiente trabajo contempla el diseño,
construcción y puesta en funcionamiento de un
sistema electrónico para el estudio y diagnostico del
síndrome de desorden metabólico.
Su funcionamiento se basa en un grupo de
sensores que posee el sistema, constituido por celdas
de carga para la medición de peso, cámara digital
para la medición de altura y perímetro abdominal y
electrodos de conductividad para la medición y
cálculo de los índices de masa libre de grasa,
porcentaje de grasa e índice de masa corporal.
Las funciones principales del sistema son:
adquisición, cálculo, registro y presentación de peso,
altura, perímetro abdominal, índice de masa corporal
(IMC), masa libre de grasa (MLG) y porcentaje de
grasa corporal. El fin del mismo consiste en brindar
una herramienta útil, integradora y de fácil manejo
para médicos clínicos, cardiólogos, endocrinólogos,
generalistas y toda especialidad de prevención
relacionada con el síndrome.
Como resultado final , el ensayo del equipo
reveló un alto grado de exactitud en las mediciones
de las distintas variables corporales mencionadas,
visualizadas y registradas en pantalla.
Introducción
Síndrome metabólico
El síndrome metabólico es un trastorno que
incluye la presencia de un grupo de factores de riesgo
específicos de enfermedad cardiovascular. El mismo
eleva en forma significativa el riesgo de desarrollar
diabetes, enfermedad cardíaca y/o accidente cerebro
vascular.
Descripción del Sistema
El desarrollo de este sistema se basó en una
balanza digital Omron HBF-400 disponible
previamente, utilizándose su celda de carga para la
medición del peso del paciente
Esta celda está compuesta de cuatro galgas
extensiométricas (strain gauge), dispuestas en una
configuración puente, donde cada galga es
básicamente una resistencia eléctrica que depende de
la deformación que sufre en base al peso aplicado.
La técnica de medición de altura y perímetro
abdominal se basa en la adquisición de imágenes
mediante una cámara digital conectada a una PC.
La composición corporal se obtiene
midiendo la caída de tensión que produce una
corriente alterna conocida aplicada entre dos puntos
determinados del organismo y calculando la
impedancia
compleja
correspondiente
o
bioimpedancia. El modelo electrico de la misma
consiste en una combinación resistiva capacitiva, que
contempla las conductividades para corriente
continua y altas frecuencias.
El cálculo de la bioimpedancia se basa en la
medición de la tensión que desarrolla la aplicación
sobre sus extremidades de una corriente de 800µA a
una frecuencia de 50KHz.
En estas condiciones es posible obtener una
medición de la masa libre de grasa, ya que a dicha
frecuencia, la corriente circula solo por la masa
magra y la masa grasa y adiposa funciona como un
aislante eléctrico.
Dicha MLG se calcula mediante una
ecuación empírica desarrollada en las investigaciones
de Kyle y Lukaski quienes evaluaron un muestreo
sobre unos 200 pacientes. La ecuación involucra
como variables al sexo, edad, altura, peso y la
impedancia del cuerpo humano, la cual se calcula en
la forma ya descripta.
Conocidas la masa total y la masa magra, se
calcula el porcentaje de grasa corporal.
El índice de masa corporal se calcula
mediante una ecuación que relaciona la altura y la
masa total.
Método Empleado.
Para el desarrollo de este Proyecto se dividió
al sistema en tres bloques bien diferenciados:
Bloque
Analógico:
comprende
la
trasducción de las variables peso y bioimpedancia.
Bloque Digital: abarca la adquisición de una
imagen que se utiliza para medir la altura y el
perímetro abdominal y una interface de adquisición
basada en un microcontrolador (PIC) para obtener
los valores de peso y bioimpedancia, digitalizarlos y
enviarlos a una PC.
Bloque de Procesamiento: realiza los
cálculos necesarios y muestra en pantalla los
resultados finales.
Bloque Analógico
Medición de Peso
Para la transducción del peso, se utilizan
celdas de carga, que al aplicarle una presión, dan
como resultado una variación de la resistencia que
entregan. Estas celdas se alimentan con una tensión
continua y generan una diferencia de potencial que
depende de la presión aplicada sobre ellas.
Asegurando la alimentación de estas celdas
con una tensión constante, se obtiene una tensión a la
salida del puente, cuyo valor varía linealmente al
peso aplicado sobre ellas.
Peso
Celda
de
Carga
Vs
Amplificador
Diferencial
V1
Amplificador
Ganancia A
Vb
Bioimpedancia
Esta técnica se basa en generar una corriente
senoidal de aproximadamente 800µA a una
frecuencia de 50KHz que es aplicada a las
extremidades del cuerpo humano mediante electrodos
sobre los cuales se mide la diferencia de potencial,
como se muestra en la siguiente figura.
800 µA
V
A partir de esta tensión se calcula la
impedancia que posee el cuerpo humano en la
medición del índice de masa corporal.
Para generar la corriente se utiliza un
circuito integrado ICL8038 que es un generador de
formas de ondas, que entrega una tensión senoidal y
luego se la transforma en una corriente senoidal
utilizando un amplificador operacional.
La corriente ingresa al cuerpo humano a
través de los electrodos y se obtiene la caída de
tensión como salida.
Se utilizan los electrodos de la balanza
Omron HBF 400 aprovechando la base de la misma.
Debido a que la tensión que entregan los
electrodos es de baja amplitud, se utiliza un
amplificador para obtener una mejor señal.
Hasta la salida del amplificador se manejan
tensiones y corrientes alternas de 50KHz, es por eso
que se introduce un detector de pico para tener una
tensión continua a la salida y dependiente de la
variación de la impedancia corporal.
Generador
de
Corriente
Is
Electrodos
Va
Amplif
.
Vb
Detector
de Pico
Bloque Digital
Adquisición de Imagen
Utiliza una cámara digital Web con
conexión USB a la PC la cual muestra una imagen en
pantalla que se utiliza para medir altura y perímetro
abdominal mediante la conversión de pixeles a
milímetros.
Microcontrolador
Las variables medidas en el Bloque
Analógico son tomadas por el PIC 18F2550 que
consta de un conversor analógico digital que
digitaliza estas variables analógicas y luego las envía
a la PC a través de la interface RS232.
Las necesidades mínimas requeridas para el
sistema de transmisión de datos adquiridos en forma
analógica son las siguientes:
 Dos entradas de tensión analógicas.
 Conversor Analógico Digital de 10 bits.
 Sistema de Transmisión Recepción de
interface RS-232.
Se utiliza el PIC 18F2550 que supera los
requerimientos del sistema a implementar, ofreciendo
versatilidad en la configuración y disponibilidad en el
mercado local.
Vd
Se utiliza el circuito integrado MAX232 que
adapta los niveles de tensión de RS-232 a niveles
TTL de la interface del PIC.
Captura de imágenes
Luego de introducir estos datos se activa la
cámara, mostrando los botones de captura de las
imágenes de frente y perfil.
Bloque de Procesamiento
Esta etapa es la encargada del proceso de los
datos que entrega el PIC y la cámara digital para
obtener el resultado final de las mediciones a través
de cálculos matemáticos y desarrollo de
programación en la plataforma C y Visual Basic 6.0.
El objetivo del software de aplicación es
seguir una secuencia de operaciones para obtener, de
forma automática, una medición del perímetro
abdominal, el peso y el porcentaje de grasa en el
cuerpo humano.
En base a la bibliografía principal de Kyle y
Lukaski y basando el desarrollo en datos
experimentales, se deduce que la MLG se calcula con
una ecuación empírica que depende de varios factores
como: edad, sexo, altura, peso y bioimpedancia como
muestra la siguiente ecuación.
MLG  1.1299
L2
 0.3605.Peso  0.08122.Edad  13.284.Sexo  K
R
Para la medición del peso, el software
interactúa con el PIC direccionando la entrada del
conversor A/D a la salida de tensión que entrega la
etapa de medición de peso y la envía a la PC en
forma de un dato ya promediado, este dato se ve
afectado por una constante para mostrar en pantalla el
valor real en la escala de Kilogramos aplicando la
transferencia del sistema de medición de peso y se
imprime en pantalla una vez que el dato se estabilice.
Automáticamente el software pasa a la etapa
siguiente del cálculo de bioimpedancia. Para ello
interactúa nuevamente con el PIC direccionando la
entrada del mismo hacia la salida de la etapa de
medición de bioimpedancia, y así enviar este dato a
la PC para ser afectado por una constante para lograr
un valor en unidades de impedancia.
Con estos datos obtenidos se procede al
cálculo de la MLG, el porcentaje de masa corporal y
del IMC, una vez estabilizados los datos, se
imprimen en pantalla.
Funcionamiento
Una vez instalado el sistema se procede a
ejecutar el software abriendo la pantalla principal.
El siguiente paso es introducir los datos:
Nombre, Edad y Sexo en forma manual por teclado.
Medición de Altura y Perímetro Abdominal
Una vez capturadas las imágenes de frente y
perfil se procede a tomar las medidas con el puntero
del mouse de la siguiente manera:
Para la medición de la altura, posicionar el
puntero del mouse sobre la referencia A y, con el
botón izquierdo presionado llegar a la referencia B,
soltar el botón y presionar el botón “Altura” de la
pantalla principal.
Para la medición del perímetro abdominal,
proceder de la misma manera utilizando las
referencias C - D y presionar el botón “Frente” de la
pantalla principal. Con las referencias E – F presionar
el botón “Perfil”. A continuación presionar el botón
“Perímetro”.
Medición Automática de Peso y Bioimpedancia
Para el procedimiento de medición de Peso
el paciente debe pararse descalzo sobre la balanza
aplicando el peso del cuerpo sobre los talones. El
operario debe presionar el botón “Peso” de la pantalla
principal y el paciente debe permanecer inmóvil
durante diez (10) segundos para que comience en
forma automática la medición del peso, masa libre de
grasa, porcentaje de masa corporal e índice de masa
corporal.
Resultados y conclusiones
Los resultados obtenidos cumplen con los
objetivos propuestos. Se diseñó e implementó un
sistema para medición de peso, bioimpedancia y
perímetro abdominal con interfase a PC, para
visualizar y registrar en pantalla o imprimir los
resultados del ensayo utilizados para el estudio y
diagnostico del Síndrome de Desorden Metabólico.
El desarrollo e implementación del proyecto
brindó a los autores experiencia en la implementación
práctica del diseño analógico, en relación al
transductor de peso y al de bioimpedancia, donde
debieron resolverse problemas de linealización de los
transductores.
Los dispositivos sensores de peso y los
electrodos de medición de bioimpedancia son de alto
costo, escasa disponibilidad local y difícil adquisición
fuera del país, por lo que se recurrió la utilización de
una balanza Omron HBF400 disponible. La
adaptación de este sistema, del cual se utilizaron las
celdas de carga para la medición de peso y los
electrodos especiales aplicables sobre la superficie de
la piel, permitió obtener la exactitud y resolución
requeridas.
El uso de imágenes capturadas por una
cámara digital de bajo costo (cámara web), permitió
obtener mediciones de perímetro abdominal con
exactitud, resultando una novedosa técnica de
medición no intrusiva.
El entorno gráfico le permite al usuario una
interacción intuitiva con el sistema, mediante una
interface sencilla, con los procesos de medición y
registro automatizados.
Bibliografia.
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Bioelectrical impedance analysis – Clinical
Nutrition (2004)
Talamante Luis “Proyecto de medición de
cantidad de agua corporal mediante
Bioimpedancia” 2003
Robert Patterson “Bioelectric Impedance
Measurements” Cap 53-1
E. Maldonado – A.Levra “Analizador de
Bioimpedancia” UNMdP 2005
“Electrodes and the measurements”
Lukaski HC. Methods for the assessment of
human body composition: traditional and
new. Am J Clin Nutr 1987; 46: 537-556.
Kyle UG, “Single prediction equation for
bioelectrical impedance analyses in adilts
20-94 aged. Nutrition 2001, 17.248-53”
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
Omron HBF-400 Manual de operaciones
Bronzino-Biomedical Engineering
Handbook 3rd Edition
Galgas extensiométricas http://www.forosdeelectronica.com/about35.
html
Celdas de carga - http://www.wimsystems.com/celdas-de-carga.html
Hoja de especificaciones de las celdas de
carga de Negri Quarantino & Ferraro S.A.
National Semiconductor. www.natinoal.com
MAXIM. www.maxim-ic.com
PIC18F2550 Microcontroller Data Book .
Microchip
ICL8038 Data Sheet
Visual Basic 6.0 Manual de programación