Dispositivo Portátil de Adquisición de Variables Físicas y

Fisiológicas para Ciclistas

Caussa Alonso, Francisco

Pfluger, Santiago

Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales – UNC, Argentina

francisco.caussa@gmail.com, santiagopfluger@hotmail.com

RESUMEN: El trabajo encuentra sus bases en el desarrollo de un dispositivo no invasivo

portátil para la medición de variables físicas y fisiológicas en ciclistas durante su

entrenamiento. A partir de tres sensores, un acelerómetro, un sensor de efecto Hall y un sensor

de oximetría, que almacena dicha información en una memoria SD, para su posterior análisis en

una PC, y poder obtener más información a cerca del rendimiento, que no sea solamente el

tiempo de una carrera. Las variables físicas a medir sobre el ciclista son: distancia, velocidad y

aceleración además de las variables fisiológicas como lo son: la saturación parcial de oxígeno

en sangre en forma no invasiva (oximetría de pulso) y la frecuencia cardíaca y respiratoria. De

modo tal que el entrenador pueda observar dichas variables, estudiarlas y así desarrollar un plan

de entrenamiento óptimo para el deportista.Los datos son referenciales en virtud de que el

prototipo no ha sido finalizado.

1. Introducción Conocer el estado fisiológico del ciclista es muy importante, ya que es necesario para alcanzar un

entrenamiento y una carrera óptima. Por lo tanto, mediante este dispositivo de adquisición de variables

físicas y fisiológicas para ciclistas, lo que se quiere lograr es conocer con mayor certeza en que

condiciones se encuentra dicho deportista, esto se logra mediante la medición de ciertas variables

fisiológicas como lo son la frecuencia cardíaca y respiratoria y la saturación parcial de oxígeno. De

modo tal de entrenarlo “al máximo”. Requiriendo una comparación de toda esta información con una

variable que no sea sólo el tiempo; lo que incluye dicho dispositivo es un sensor de aceleración con lo

cual se obtiene los valores de la aceleración propiamente dicha y mediante algoritmos matemáticos

obtenemos la velocidad y el desplazamiento. De esta forma se podrá evaluar las variables fisiológicas

(FR, FC y oximetría de pulso) y las variables físicas (distancia, velocidad y aceleración).

Una vez conocidos y estudiados todos estos parámetros se puede determinar un plan de

entrenamiento óptimo para el ciclista, para así obtener un mayor rendimiento.

El proyecto se basa en desarrollo de un dispositivo capaz de tomar las señales físicas y

fisiológicas antes mencionadas y adaptarlas adecuadamente para almacenarlas en una memoria y su

posterior análisis en una PC. Para esto, primero se llevará a cabo el sensado de estas señales, su

acondicionamiento en donde se filtrarán y amplificarán; y finalmente podrá ser descargada la memoria

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en una computadora, para ser procesada y mostrada correctamente con un software desarrollado para

tal fin, en donde se podrá observar los niveles de saturación parcial de oxígeno, frecuencia cardíaca,

frecuencia respiratoria además de distancia, velocidad y aceleración.

2. Frecuencia Respiratoria

Luego de un análisis de los diversos tipo de sensores presentes para la medición de la

frecuencia respiratoria, se llegó a la conclusión que los más aptos para deportistas son aquellos que

basan su funcionamiento en el principio de la pletismografía. Durante el ciclo respiratorio en donde la

inspiración, ingreso de aire a los pulmones, la caja torácica se expande para permitir el ingreso de aire

y durante la espiración, egreso del aire de los pulmones, el tórax se contrae. Mediante la colocación de

una faja que rodee el tórax se pueden medir dichas variaciones (variación representada mediante un

corte en la figura) y midiendo el tiempo transcurrido durante un ciclo completo se puede determinar la

frecuencia respiratoria.

Gráfico 1. Variación del tórax durante el ciclo respiratorio.

Para el diseño de la faja se tuvo en cuanta que el mayor porcentaje sea de material inelástico, el

cual no pueda sufrir alargamientos y en el lugar de sensado, sea de un material elástico para que se

concentre la mayor parte de la variación en dicha zona.La variación axial del tórax es determinada

mediante un sensor de proximidad, esta se encuentra en el orden del milímetro y se duplica para el caso

de una inspiración forzada. Por lo que se necesita un sensor pequeño, robusto y que pueda trabajar en

las condiciones en que un deportista se desenvuelve y que esto, no le produzca ruidos. Luego de

investigar y realizar numerosas pruebas se eligió un sensor de Efecto Hall. En donde se puede

observar el transductor en la imagen siguiente.

Gráfico 2. Sensor de efecto Hall.

Antes de comentar el funcionamiento propiamente dicho del sensor de Efecto Hall

explicaremos brevemente que se entiende por este; el efecto Hall es una diferencia de potencial

perpendicular a la dirección de la corriente, que se crea cuando se coloca el conductor en un campo

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magnético. El potencial de Hall está determinado por la necesidad de que el campo eléctrico asociado

debe compensar exactamente la fuerza magnética sobre una carga en movimiento, como se puede

apreciar en la imagen3.

Gráfico 3. Esquema representativo del efecto Hall.

Se puede decir que el sensor de Efecto Hall realiza un seguimiento preciso de los cambios en la

densidad del flujo magnético. Cada circuito de Efecto Hall integrado a su vez incluye un amplificador

lineal, y la etapa de seguidor emisor de salida en un solo chip. El modo de operación para un campo

magnético nulo (G=0) aplicado, da a la salida la mitad del voltaje de alimentación. Si se acerca al

sensor el polo sur de un elemento magnetizado, la tensión de salida sube. Si se acerca un polo norte, en

cambio, el voltaje de salida disminuye. En la operación, los niveles de tensión de

salida instantánea y proporcional dependen de la densidad de flujo magnético en el área

más sensible del dispositivo.

Finalmente se coloca el sensor (transistor de Efecto Hall) en la parte inelástica de la faja y un

imán en la zona elástica. De forma que ante las variaciones del tórax durante el ciclo respiratorio, a la

salida tenemos variaciones de tensión en función del mismo. Luego, un algoritmo se encarga de medir

el tiempo transcurrido durante el ciclo completo e interpolarlo a 60 segundos para así determinar la

frecuencia respiratoria. Además, cuenta con una visualización continua de modo de poder saber de

antemano el correcto funcionamiento del dispositivo. Esto se logra mediante la visualización en 5 leds

de la variación del ciclo respiratorio, a medida que se va expandiendo la caja torácica se va

incrementando el número de leds encendidos.

Gráfico 4. Foto de ciclista con el sensor de respiración correctamente colocado.

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En la imagen se puede apreciar el sensor de frecuencia respiratoria apropiadamente colocado

en donde se observa la faja inelástica, y dentro de la carcasa color negro, se encuentra la zona inelástica

con el sensor propiamente dicho (transistor de Efecto Hall), y el imán que en conjunto con la variación

del tórax durante el ciclo respiratorio permiten traducir dicha variación en niveles de tensión como se

puede observar a continuación.

Gráfico 5. Gráfica de la variaciones de la cavidad torácica en conjunto con la

variación de la frecuencia cardiaca.

La curva de arriba representa la variación de la cavidad torácica debido al ingreso y egreso de

aire. A su vez, se puede apreciar la gráfica que representa las variaciones de la frecuencia respiratoria,

calculada mediante un programa diseñado para tal fin. Brevemente se puede explicar el programa, en el

cual se transforman las transiciones del tórax en función del tiempo, a variaciones de frecuencia,

también en función del tiempo. En el mismo, mediante un algoritmo muy simple, se determinan los

máximos de la curva durante la respiración, y luego teniendo en cuenta que la frecuencia respiratoria es

la cantidad de respiraciones (inspiraciones y espiraciones) que se realizan en un minuto, calculando el

tiempo entre 2 (dos) máximos y extrapolando a 60 (sesenta) segundos se calcula la frecuencia

respiratoria.

3. Oximetría de Pulso Un oxímetro de pulso es el encargado de medir en forma no invasiva la saturación de oxígeno, o lo que

es equivalente, el oxígeno asimilado por el deportista.

3.1. Principio de Funcionamiento

Un oxímetro de pulso indica la saturación de oxígeno arterial y el puso del paciente, midiendo la

absorción de luz a dos longitudes de onda determinadas. Se utiliza un sensor descartable NELLCOR-

Compatible, el que utiliza para su sujeción velcro. El mismo está formado por 2 leds emisores, uno rojo

(valor) y otro infrarrojo (valor), los cuales, se encuentran conectados en anti paralelo. Y para sensor la

luz captada posee un fotodiodo.

3.2. Diseño de la etapa de acondicionamiento de la señal

Un fotodiodo es un diodo sensible a la energía lumínica. Una característica importante es que los

fotodiodos se deben polarizar en forma inversa.

La información técnica de los sensores así como la configuración de los pines de cada sensor

es muy reservada, en ningún manual técnico se ha logrado obtener detalles concretos y específicos de

los sensores, ni de sus voltajes de polarización. Se procedió a investigar la configuración de los pines y

de la corriente máxima admisible por los diodos.

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A continuación, se procede al diseño de cada una de las partes constitutivas de la etapa de

acondicionamiento de señal, detalladas en el diagrama en bloques. Cabe resaltar que todos estos

circuitos serán implementados sobre una placa de circuito impreso.

3.2.1 Diseño del conversor de corriente a voltaje. El fotodiodo produce corriente en el rango de 0-

800uA, dependiendo de la cantidad de luz incidente. Debido a que este rango es muy pequeño se

procede a la amplificación y conversión a voltaje.

Se realizo un estudio de las configuraciones y se resolvió implementar la configuración que

más adelante se muestra en conjunto con el sistema completo de acondicionamiento de señal.

Cabe resaltar que se utilizó un Amplificador Operacional OPA 350 por la alta impedancia

presente a la entrada debido a la utilización de tecnología FET, además de su alta ganancia, relación de

rechazo al modo común y bajo consumo, muy importante ya que se trata de un dispositivo portátil.

3.2.2. Diseño del filtro. Luego de la conversión de corriente voltaje se debe implementar un filtro que

elimine cualquier tipo de ruido presente en la señal, principalmente ruidos de alta frecuencia. Lo que

nos llevó a seleccionar un filtro adecuado para nuestros requerimientos. Un filtro pasa bajo butterworth

de primer orden con una frecuencia de corte de 4HZ. El circuito como se puede observar en la imágen

está formado por un circuito RC. Para el cálculo se utilizó la siguiente fórmula:

=1

2

Para una FC=4HZ y para un C=1uF

=1

2 × ×

=1

2 × 4 × 1 × 10

= 39,8Ω

El valor comercial mas próximo es de 39KΩ por lo que con este nuevo valor de resistencia

tenemos una frecuencia de corte, FC=4.08Hz.

3.2.3. Amplificador Final. Luego de haber filtrado la señal se procede a una etapa de amplificación

final que establezca niveles adecuados antes del ingreso al conversor Analógico-Digital. Dicho

amplificador debe tener una relación de rechazo de modo común (RRMC) muy alto.

Analizando estas características el amplificador de instrumentación representa una buena

solución para la etapa de amplificación.

El amplificador de instrumentación con entrada diferencial y salida única es uno de los

amplificadores más versátiles y más utilizados en el procesamiento de señales, debido a que presenta

una alta RRMC al utilizarse en combinación con circuitos integrados, además sonde bajo costo. El

amplificador proporciona una salida con base en la diferencia entre las dos entradas, multiplicadas por

un factor de escala. Se seleccionó el amplificador de instrumentación INA 122 debido a que presenta

las características de diseño antes expuestas y se alimenta con una fuente simple, lo que se simplifica a

la hora de diseñar la fuente, ya que se trata de un dispositivo portátil.

Gráfico 6. Esquemático del acondicionamiento

de señal.

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Gráfico 7. Variación de la concentración de la hemoglobina saturada en las arterias durante

el ciclo cariaco.

A continuación se puede observar las variaciones de concentración de hemoglobina saturada en

las arterias durante el ciclo cardíaco y mediante un algoritmo similar al antes mencionado para el

cálculo de la frecuencia respiratoria, se obtiene la frecuencia cardíaca.

4. Sensor de aceleración El dispositivo cuenta con un sensor de aceleración, el cual permite, como su nombre lo indica, la

adquisición de los parámetros de aceleración, y a través de cálculos y algoritmos la estimación de los

parámetros de velocidad y desplazamiento.

El sensor seleccionado ha sido el MMA7455L de freescalesemiconductors, este es un

acelerómetro de 3 ejes (ejes X, Y, Z) con salida digital (IIC o SPI) y configurable para 3 rangos de

aceleraciones distintos: +/-2g; +/-4g; +/-8g.

Cabe destacar que la selección de este sensor se basó estrictamente en el hecho de su configuración y

salida de datos digital. En nuestro caso, la comunicación se lleva a cabo a través del protocolo IIC.

4.1. Principio de Funcionamiento. El principio de operación consta de una superficie de células de

detección capacitiva (células g) y un acondicionamiento de señal contenida en un solo paquete. Se

puede modelar como un conjunto de vigas unido a una masa móvil central que se mueven entre haces

fijos. A medida que haya movimiento de la masa central, la distancia de estas a los haces fijos por un

lado, se incrementará en la misma cantidad que la distancia disminuye en las vigas en el otro lado. El

cambio en la distancia es una medida de la aceleración. Con la aceleración, la distancia entre las vigas

y los cambios de valor de cada condensador va a cambiar, (C = Aε / D).Donde A es el área de la viga, ε

es la constante dieléctrica, y D es la distancia entre las vigas.

Gráfico 9. Físico simplificado del transductor en conjunto con el diagrama en bloques del

funcionamiento del acelerómetro.

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A los datos de aceleración se los integró mediante un método de aproximación simple (método

trapezoidal), dividiendo el área bajo la curva de aceleración y sumando las pequeñas áreas para obtener

un gráfico con la velocidad del ciclista. Este método es recomendado por Freescale, aunque es

aproximado y se cometen pequeños errores. Se muestra el concepto y los errores que aparecen al usar

el método en la siguiente figura y las fórmulas utilizadas en las expresiones que siguen:

Gráfico 10. Método de integración.

Método de integración aproximada (área bajo la curva). El área amarilla generará velocidad

positiva y la verde velocidad negativa. Las áreas triangulares azules contienen un pequeño error

respecto de la curva de aceleración real, los cuales son despreciables en la medición final.

Donde Vn es la velocidad que se busca en el instante n y T≈10ms el período entre mediciones.

Aplicando el mismo método de integración a la curva de velocidad, obtenemos el desplazamiento.

Gráfico 11. Variación de la aceleración en conjunto con la velocidad y el desplazamiento.

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5. Microcontrolador Para nuestro desarrollo hemos optado por un microcontrolador capaz de operar y llevar a cabo tareas

especiales, tales como leer datos de un reloj en tiempo real, y comunicación en protocolo RS232,IIC y

SPI en forma nativa e integrada. Para esto implementamos un microcontrolador Atmel modelo

Atmega328, el cual posee todas estas cualidades, además de poseer una memoria de programación

superior a los 32Kbytes.

El programa principal del microcontrolador lleva a cabo las tareas de inicializar los sensores,

adquirir datos de los mismos y al mismo tiempo ir escribiendo en una tarjeta microSD los valores de

los mismos en un archivo de formato CSV (Valores Separados por Comas).

El programa está hecho en Processing, un lenguaje de programación y entorno de desarrollo

integrado de código abierto basado en Java, de fácil utilización, y que sirve como medio para la

enseñanza y producción de proyectos digitales.

Gráfico 11. Diagrama en bloques del programa del microcontrolador.

Cabe señalar que los sensores de frecuencia respiratoria y aceleración son autocalibrables y la

tarea del microcontrolador para con estos sensores basta con iniciarlos e ir registrando la información

de los mismos. A diferencia de estos, el sensor de oximetría necesita un apoyo extra por parte del

microcontrolador, ya que la señal se ve afectada por parámetros propios del ciclista tales como color de

la piel, porcentaje de lípidos subcutáneos, diámetro de la falange sobre la que se coloca el sensor, y

demás características. Estos factores modifican el nivel de la señal que se va registrando, logrando que

la misma llegue a niveles superiores o incluso produciendo al saturación del conversor analógico-

digital, o en caso contrario, muy debajo del rango admisible por dicho conversor. Es por ello, que

optamos por implementar un método que controle los niveles de la señal a registrar y a través de una

realimentación negativa asegurar que la misma se encuentre en rangos óptimos para su registro. Se

escogió un controlador PID (Proporcional Integrador Derivativo) digital, el cual encuentra su

funcionamiento en una subrutina del microcontrolador, la cual se encarga de sensar el nivel de la señal

a registrar, y adaptar la ganancia de una etapa a través de la modificación del valor de un

potenciómetro digital comunicado con el microcontrolador a través del protocolo SPI. Es importante

aclarar que el mismo todavía se encuentra en fase de desarrollo prueba y optimización.

Gráfico 12. Algoritmo de programación de PID digital en microcontrolador.

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6. Software GUI Para que sea posible la lectura y una apropiada interpretación de la información guardada en la tarjeta

de memoria, previamente adquirida a través de los sensores detallados, se desarrolló un software, cuya

función es, a través de algoritmos y funciones especialmente desarrolladas, leer la información

almacenada y generar gráficos y tablas que ayuden a la comprensión de la información.

El mismo ha sido desarrollado en la plataforma Visual Basic (.NET4) por la relevancia en el

empleo de funciones y librerías propias de MS Windows y la sencillez de poder realizar tablas y

gráficos apropiados, y que no puedan ser alterados durante la discriminación de los datos.

Gráfico 13. Visualizaciones de una vez conectada la MicroSD en la PC.

Una vez insertada la tarjeta SD, como se aprecia en las imágenes, aparecen 2 (dos) archivos, el

archivo CSV y el ejecutable desarrollado en MS Visual Studio, el mismo al ser ejecutado muestra una

pantalla donde se visualiza el progreso del análisis del archivo CSV y asegurando que no haya

información defectuosa.

A continuación, se imprime una imagen con todos los registros disponible en el archivo de

datos, que contiene iconos seleccionable, distinguidos por fecha y hora en el que fueron generados. Al

seleccionar uno de estos iconos, se genera una ventana con 2 (dos) gráficos. El superior muestra la

información de las variables físicas; aceleración, velocidad y desplazamiento. El inferior, muestra las

variables fisiológicas; frecuencia respiratoria, frecuencia cardiaca y saturación parcial de oxígeno.

Gráfico 14. Visualización de los datos adquiridos por el dispositivo

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7. Conclusión El área de desarrollo e innovaciones tecnológicas aplicadas al deporte, a pesar de ser

tan fascinante como la tecnología aplicada a la medicina, no se le ha dado el crédito que

merece, así como tampoco lo suficientemente dedicación y exploración del campo.

Creemos firmemente que es un área con muchos desarrollos y avances por venir. El dispositivo

que ideamos y desarrollamos mostró resultados positivos a la hora de poder contemplar aspectos que

un entrenador, deportista o profesional del área no puede ver a simple vista, o para los cuales es

necesario desarrollar test invasivos o en entornos que modifican sustancialmente las variables a ser

evaluadas, léase en ambientes en donde no hay modificaciones climáticas, del terreno y el entorno en

si. Al ser éste, un dispositivo portátil, permite que la actividad se lleve a cabo con total naturalidad, sin

perturbaciones mayores, ni limitaciones.

El mismo está diseñado para ser aplicado en Ciclistas, pero no necesariamente su

implementación esta acotada a esta rama deportiva. Con simples adaptaciones puede ser aplicado en

cualquier rama del deporte.

Nuestro deseo es que con nuestro proyecto, logremos dar el punta pie inicial e incentivar a otros

profesionales y estudiantes a investigar sobre este campo con el objetivo de lograr avances en este área

References [1] Sears, Zemansky y Young, Física Universitaria con Física Moderna. Volumen 2. Editorial Pearson. Año 2005

[2] Katsishiko, Ogata, Ingeniería de Control Moderna. Editorial Pearson. 4ta Edición. Año 2008

[3]Notas de Aplicación de algoritmos de integración para acelerómetros. Disponible en

http://www.freescale.com/files/sensors/doc/app_note/AN3397.pdf (Agosto de 2011)

[4] Hoja de Datos del microcontrolador Atmega328. Disponible en

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/8271S.pdf (Agosto de 2011)

[5] Hoja de Datos del acelerómetro triaxial digital MMA7455l. Disponible en

http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7455L.pdf (Agosto de 2011)

[6] Hoja de Datos del sensor de Efecto Hall. Disponible en

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/allegromicrosystems/3132.pdf (Agosto de 2011)

[7] Hoja de Datos de los amplificadores de instrumentación INA122. Disponible en

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina122.pdf (Agosto de 2011)

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