Tesis de marco julio bareño

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Tesis de grado para optar al titulo de Ingeniero electrónico en computación. El tema es la obtención de señales ECG o electrocardiograma en roedores de forma no invasiva

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UNIVERSIDAD YACAMBÚ

VICERECTORADO ACADÉMICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

SISTEMA DE CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE LAS SEÑALES ECG

DE ROEDORES PARA SER UTILIZADOS EN LA INVESTIGACIÓN

MÉDICA.

Autor(a): Br. Bareño Angulo, Marco Julio

Tutor(a): Ing. María Alejandra Mora

Cabudare, Abril 2011.

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UNIVERSIDAD YACAMBÚ

VICERECTORADO ACADÉMICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

SISTEMA DE CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE LAS SEÑALES ECG

DE ROEDORES PARA SER UTILIZADOS EN LA INVESTIGACIÓN

MÉDICA.

Trabajo presentado como requisito parcial para optar al grado de ingeniero

electrónico en computación.

Autor(a): Br. Bareño Angulo, Marco Julio

Tutor(a): Ing. María Alejandra Mora

Cabudare, Abril 2011.

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ACTA DE APROBACIÓN DEL TUTOR

En mi carácter de Tutor del Trabajo de Grado titulado SISTEMA DE

CAPTURA Y ANÁLISIS DE LAS SEÑALES ECG DE ROEDORES PARA

SER UTILIZADOS EN INVESTIGACIÓN MÉDICA presentado por el bachiller

Marco Julio Bareño Angulo, titular de la Cédula de Identidad N° V-16.531.664, para

optar al título de Ingeniero Electrónico en Computación, considero que dicho trabajo

reúne los requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la presentación pública

y evaluación par parte del Jurado Examinador que se designe.

En la ciudad de Cabudare, ______ de abril de 2011.

Ing. María Alejandra Mora

C.I. V- 13.965.692

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DECLARACION DE AUTORIA

Quien suscribe, Marco julio Bareño Angulo, titular de la cedula de Identidad No.

16531664, hace constar que es el autor del trabajo de grado, titulado: SISTEMA DE

CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE LAS SEÑALES ECG DE

ROEDORES PARA SER UTILIZADOS EN INVESTIGACIÓN MÉDICA, el

cual constituye una elaboración personal realizada únicamente con la dirección del

tutor de dicho trabajo, Ing. María Alejandra Mora, En tal sentido, manifiesto la

originalidad de la conceptualización del trabajo, interpretación de los datos y la

elaboración de las conclusiones, dejando establecido que aquellos aportes

intelectuales de otros autores se han referenciado debidamente en el texto del mismo.

En la ciudad de Cabudare, ______ de abril del año dos mil once (2011)

Marco Julio Bareño Angulo

C.I. 16531664

vi

DEDICATORIA

Primero que todo a Dios todo poderosos por permitirme venir a este mundo y

llenarme de todas las personas que me rodean. Mi Dios eres como el sol para un

ciego, que aunque no pueda verlo puede sentir su calor y toda su fuerza.

Quisiera dedicar este trabajo de grado especialmente a mi sobrino Carlito sin

“s” como es él, que me enseño que la palabra adiós en realidad es un hasta luego

camuflajeado y de tiempo indefinido, que la carne la marchita el tiempo pero que los

recuerdos son eternos en nuestros corazones, que una persona puede mover al mundo

180 grados aun teniendo 4 años y que definitivamente cuando un niño toma tu

meñique por primera vez para que lo pasees un rato mientras se duerme en verdad

está tomando tu mano para toda la vida. Eres el súper héroe de todos nosotros y como

tal sé que me cuidaste y ayudaste a completar esta meta. Gracias súper héroe bojo.

A mis padres Tito Julio Bareño y Mirna Angulo que siempre me brindaron

todo su apoyo y dedicación incondicional me enseñaron que ser padres es para toda la

vida además para toda la vida también su amistad confianza y amor.

A mi tía Mariela por depositar en mi tantas cosas buenas y por cuidarme

siempre como si aun tibiera un año, tía madrina eres mi segunda mama aquí en este

mundo sin ninguna discusión.

A mis hermanos la Nena, Irene y Alejandro que siempre estuvieron brindado

su apoyo y recibiendo los tropiezos que se reciben a lo largo de la carrera.

A mi pana Amado Castro le dedico este logro, a él y a su familia, este título es

para los dos mi pana, lo comparto contigo así como tu compartiste algo tan

importante conmigo, parte de tu vida.

Y por último a todos los profesores que me permitieron tener el honor de

compartir con ellos durante este ciclo de aprendizaje y que estoy seguro es un

felicidad para ellos cada vez que uno de sus alumnos lo completa.

vii

AGRADECIMIENTOS

Primero que todo a Dios sobre todas las cosas por brindarme las herramientas

necesarias para lograr este reto, sobre todo las herramientas espirituales, por

fortalecerme con cada una de las pruebas que puso en mi camino y por las que sigue

poniendo. A la divina pastora ya que cada vez que la veo me llena de cosas buenas y

de energía como a una copa vacía.

Una vez alcance a leer en un libro y un pensador muy importante dijo “Si he

logrado ver más allá que otros hombres es porque he estado parado sobre los hombros

de dos gigantes”. Para mi estos gigantes son mis familiares y amigos muchas gracias

por todas las cosas buenas que me han brindado.

A mis padres Tito Julio Bareño Marín y a Mirna Coromoto Angulo de Bareño

por darme el don de la vida y permitirme vivirla de la mejor manera posible

llenándome de sus enseñanzas y experiencias.

A mis hermanos Mirla, Alejandro e Irene por compartir conmigo la vida junto

a mis padres, también a mi prima Mariela Ines que es como otra hermana para todos

nosotros y a todos mis familiares que siempre estuvieron aportando su granito de

arena de forma desinteresada, simplemente apoyo de familia.

A todos mis amigos los de la universidad y los de la vida, en especial a mi

amiga Yanmari Cardinale que siempre fue la luz de emergencia cuando todo quedaba

a obscuras y el combustible de reserva cuando a mi motor no le quedaba más, muchas

gracias por ayudarme tanto, por tanto tiempo que me dedicaste y tanto apoyo que me

brindaste y que a pesar de todos mis tropiezos siempre fuiste la que me dijo “no

importa levántate y sigue intentando por arriba por debajo por la izquierda o por la

derecha”. A mis amigos de la infancia Juan Antonio Cubero, Alba Bailoni, Juan Jose

Cubero, Hernan Ran, Gabriel Bravo, Juan Carlo Gimenez, Armando Cheng, Manuel

Bernal, Armando “El Father” Martinez y Joeli Suares. Si mis hermanos son los

amigos que Dios escogió para mi, mis amigos son los hermanos que escogí por mí

mismo, no muchas personas pueden contar a sus amigos en una sola mano, gracias

por permitirme ser uno de esos pocos.

viii

A mis amigos de la universidad que me ayudaron a completar mi carrera con

su apoyo, explicaciones, comidas, colas, copiar clases entre otras cosas, porque el que

diga que hizo su carrera universitaria solo y sin ayuda de nadie, simplemente estudio

para político, no hay otra explicación. Quiero agradecerle a Fernando Gutierrez,

Rafael Caldera, Fabiola Alcala, Fernando Vera, Albis Nieves, Alvenis Nieves, Victor

Guillen, Edixon Vargas, Froilan Rivero, David Gintoli “El papa”, Nestor Bracale,

Omar Rincon, Manuel Gonzalo y todos aquellos que conocí a lo largo de la carrera y

me disculpan si omití alguno pero tengo la dicha de decir que eran muchos y no me

llegan todos en este momento, muchas gracias.

ix

INDICE GENERAL

Pág.

ACTA DE APROBACION DEL TUTOR……………………….. III

DECLARACION DE AUTORIA………………………..………..

DEDICATORIA……………………………………………………

AGRADECIMIENTOS....................................................................

IV

V

VI

ÍNDICE GENERAL………………….……………………………. VII

LISTA DE GRÁFICO……………………………………………... VIII

LISTA DE CUADROS……………………………………….……. IX

RESUMEN…………………………………………………………. X

INTRODUCCIÓN…………………………………………………. 1

OBJETIVOS………………………………………………………... 4

ESTUDIOS PREVIOS……………………………………………... 5

REVISIÓN DOCUMENTAL Y ELECTRÓNICA………………. 8

Electrodo……………………………………………………… 8

Animales de laboratorio………………………………………. 8

Roedor……………………………………………………… 8

Ratas Sprague Dawley……………………………………… 9

Electrocardiograma………………………………………….. 10

Ondas ECG……………………………………………..….. 11

Onda P…………………………..………………………….. 12

Onda Q………………………..……………………………. 13

Onda R………………………………………….………….. 14

Onda S…………………………..………………………….. 15

Intervalo PR…………………………………..……………. 18

Intervalo QT……………………………………………….. 18

Segmento ST……………………………………………….. 19

Derivaciones…………………………………………………. 20

Amplificador de instrumentación…………………………….. 21

Filtro pasa banda…………………………………………….. 22

x

Filtro notch………………………………………………….. 23

Microcontrolador……………………………………………. 25

Reloj de tiempo real DS1307……………………………………. 25

Lenguaje de programación……………………............................ 26

Protocolo I2C………………………………………………… 27

Transmisión serial………………………………………………. 28

Transmisión asíncrona………….................................................. 29

Transmisión síncrona…………….............................................. 29

Puerto serial……………..…………………………………… 31

TL-082……………………………………………………….. 33

TL-084……….……………………………………………….. 34

LF-353 y LF-347……………………………………………….. 34

Fotoplestimografia………………………………………………. 35

Frecuencia cardiaca………………….......................................... 35

DESARROLLO DEL TRABAJO DE GRADO……………………. 36

Diagrama modular……………………………………………… 37

Módulo de adquisición no invasivo……………………………… 37

Módulo selector de derivaciones……………………………….. 38

Módulo de adquisición de la señal……….…………………….. 41

Módulo de fotopletismografía…………………………………. 47

Módulo I2C…………………….……………………………… 49

Módulo de Memoria………………...…………………………. 51

Módulo de tiempo……………………………………………… 52

Módulo de control…………………………………………… 54

Módulo de la comunicación…………………………………… 56

Módulo de la programación…………………………………… 58

Módulo de alimentación………………………………………. 62

CONCLUSIÓN……………………………………………………… 65

RECOMENDACIONES…………………………………………. 66

REFERENCIAS………………………………………………….. 67

xi

ANEXO………………….…………………………………………… 70

LISTA DE GRÁFICOS

GRÁFICO Pág.

1 Ratas Sprague Dawley………………………………………… 10

2 Ondas del ECG, y las distintas formas………………………… 12

3 Onda P…………………………………………………………… 13

4 Onda Q………………………………………………………….. 14

5 Onda R………………………………………………………….. 14

6 Ondas S………………………………………………………….. 15

7 Onda T………………………………………………………….. 16

8 Intervalo PR……………………………………………………. 17

9 Intervalo QRS…………………………………………………… 18

10 Intervalo PP…………………………………………………………… 18

11 Intervalo QT……………………………………………………. 19

12 Taquicardia Sinusal……………………………………………. 19

13 INA-126………………………………………………………… 22

14 Filtro pasa banda………………………………………………… 23

15 Filtro pasa banda………………………………………………… 24

16 DS1307 …………………………………………………………... 26

17 Diagrama de bus I2C ………………………………………… 28

18 iFT232………………………………………………………… 32

19 Esquemático del iFT232……………………………………… 33

20 Integrado TL-082………………………………………………. 33

21 Integrado TL-084……………………………………………….. 34

22 Integrado LF-353 y LF-347……………………………………. 35

23 Diagrama modular ………………………………………………. 37

24 Multiplexor 4052……………………………………………. 39

25 Multiplexor 4052……………………………………………… 40

xii

26 Multiplexor 4052………………………………………………... 40

27 Etapa amplificador de instrumentación……………………… 43

28 Etapa filtro pasa banda ………………………………………… 44

29 Etapa filtro notch ………………………………………………. 45

30 Etapa amplificador……………………………………………….. 46

31 Esquema AT24C512……………………………………..……… 51

32 Esquema DS1307…………………………………………………. 53

33 Esquema Modulo de control ……………………………………. 55

34 Esquema IFT232……………………………………………….. 57

35 Diagrama de flujo de bajo nivel ………………………………… 59

36 Diagrama de flujo de alto nivel ………………………………… 61

37 Esquema Alimentación..……...………………………………… 62

38 Integración de los módulos………………..…………………… 63

xiii

LISTA DE CUADROS

CUADRO Pág.,

1 Pruebas y resultado del módulo de adquisición no invasivo………………. 38

2 Pruebas y resultado del módulo selector de derivaciones…………………. 41

3 Pruebas y resultado del módulo de adquisición de la señal……………….. 47

4 Pruebas y resultado del módulo I2C……………………………………… 50

5 Pruebas y resultado del módulo de memoria………………………………. 52

6 Pruebas y resultado del módulo reloj……….……………………………… 53

7 Pruebas y resultado del módulo de control & modulo de interfaz usuario… 56

8 Pruebas y resultado del módulo de Comunicación………………………… 57

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UNIVERSIDAD YACAMBÚ

VICERRECTORADO ACADÉMICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

Línea de investigación: Tecnologías en el área de la salud.

SISTEMA DE CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE LAS SEÑALES ECG

DE ROEDORES PARA SER UTILIZADOS EN LA INVESTIGACIÓN

MÉDICA

Autor: Marco julio Bareño Angulo.

Tutor: Ing. María Alejandra Mora.

Año: Abril de 2011.

RESUMEN

Este trabajo tiene como propósito la construcción y diseño de un dispositivo

capaz de tomar las señales electrocardiográficas de ratas de la cepa Sprague Dawley

utilizadas en la investigación médica y graficarlas. El prototipo es un sistema portátil

que puede operar sin estar conectado al PC, los datos se almacenaran en una memoria

a la espera de ser descargados y graficados por el PC. De igual forma se puede

adquirir la señal al estar conectado al PC y se graficara de igual forma.

La conexión con el PC es vía USB, lo que hace la conexión posible con casi

cualquier computador sin la necesidad de utilizar otro tipo de periféricos más

especializados y que necesitan de una configuración mas especifica, solo hace falta

instalar los controladores.

Para la captura de la señal de los animales, se construyó una jaula especializada

que gracias a su diseño acomoda al roedor de tal forma que sus patas mantendrán

siempre contacto con los sensores a pesar de los posibles movimientos del animal.

Descriptores: Rata Sprague Dawley, electrocardiograma no invasivo,

graficacion de señales ECG, derivaciones bipolares.

1

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de una sociedad está íntimamente relacionado con la calidad de

vida que esta les pueda proveer a sus miembros. Esta calidad de vida está

condicionada por varios factores como lo son: las fuentes de alimentos, las fuentes de

trabajo, espacios de recreación, pero sin duda, el más importante de todos es el sector

de la salud.

En la actualidad los avances que se obtienen en la salud, han dado pie al

desarrollo de vacunas, de tratamientos preventivos y curas para enfermedades que

antes eran una sentencia de muerte, de hecho hoy en día hay muchas enfermedades

que están extintas y cepas de virus que solo viven en laboratorios para experimentar

con ellas y que hace 100 años eran la principal causa de muerte. Todo esto se traduce

en que la expectativa de vida es superior a la de hace algunos años y que a medida

que estos avances persisten, esta expectativa seguirá avanzando.

Todas estas mejoras se deben a la investigación biomédica, la misma se basa en

animales como sujetos de prueba para el desarrollo de drogas, fármacos y

tratamientos que se encuentran en etapa de prueba antes de probar su efectividad en

humanos, el problema y dilema con el que se enfrenta esta importante rama de la

medicina es que al momento de realizar sus experimentos en animales, estos corren el

riesgo de resultar lastimados o incluso perecer en el experimento, lo que ha dado pie a

que surjan grupos de activistas por los derechos de los animales que proponen

abiertamente eliminar o en su defecto reducir drásticamente la experimentación con

animales.

En el estado Lara también se cuenta con un departamento dedicado a la

investigación biomédica, este se encuentra a cargo de La Universidad Centro

Occidental Lisandro Alvarado (UCLA), bajo el nombre de Departamento de

Bioquímica. En este departamento constantemente se están desarrollando

experimentos para probar nuevas drogas y fármacos y como sujetos de prueba se usan

animales.

2

Casi de forma exclusiva los animales usados por el departamento de bioquímica

para sus experimentos son las ratas de tipo “Sprague Dawley”, las que comúnmente

son llamadas, ratas de laboratorio. Estas son usadas debido a la ventaja que presentan

sobre otros especímenes, su fácil manipulación, fácil mantenimiento, inteligencia y

estados de ánimo estable son algunas de estas características, además todos estos

especímenes son proporcionados por el Instituto Venezolano de Investigaciones

Científicas (IVIC), es ahí donde los roedores son criados bajo las más estrictas

normas, haciéndolos ideales para cualquier experimento dentro del campo de la

investigación médica.

Uno de los experimentos más comunes y de mayor importancia para el

desarrollo de nuevos medicamentos, consiste en probar fármacos en las ratas y luego

monitorear su señal cardiaca para ver el efecto y las reacciones de dichos fármacos en

los animales. El monitoreo de la señal cardiaca se realiza mediante el uso de un

electrocardiógrafo de uso veterinario, usando una técnica de tipo invasiva, la

efectividad de este proceso no se cuestiona; sin embargo, presenta problemas, uno de

estos es que la vida del animal no tiene ninguna garantía, esto supone no solo la

pérdida del espécimen y su necesaria reposición sino también una acumulación de

desechos orgánicos ya que por ser considerado material de riesgo biológico, no se

puede desechar fácilmente sino que debe pasar por ciertos protocolos de higiene y

seguridad. Otro inconveniente seria que los electrodos usados son de tipo aguja, estos

son insertados directamente en el corazón del animal para obtener la señal, lo que

condiciona el experimento a que se debe anestesiar a el animal antes de tomar su

señal cardiaca, a pesar de que se usa una tabla para anestesiarlo dependiendo de su

peso y edad, no desaparece por completo el riesgo de que los resultados obtenidos se

vean afectados por la anestesia usada para tranquilizar a el animal.

Los resultados arrojados tendrán un grado de confiablidad mucho mayor ya

que se garantiza que se está analizando la señal que emite el roedor bajo los únicos

efectos de la sustancia que se está probando y no de alguna otra como podrían ser

tranquilizantes y anestésicos.

3

También reducirá el tiempo empleado para la captura y análisis de la señal de

los animales debido a que solo seria inyectar la sustancia a analizar y colocar el

roedor en la plataforma, sin necesidad de anestesiarlo para luego hacer las incisiones

necesarias para poder colocar los electrodos tipo aguja en el corazón del animal, lo

que permitirá que se analicen y tomen una mayor cantidad de muestras, lo que es muy

útil en los experimentos controlados.

El prototipo está orientado a capturar las señales de ratones de laboratorio

solamente, no contempla otros animales a pesar de que hay una gran variedad de

especies que se usan en la investigación médica.

4

OBJETIVOS

General

Desarrollar un sistema de captura y almacenamiento de las señales ECG de

roedores para ser utilizados en investigación médica.

Específicos

Diseñar una jaula adaptada especialmente para el roedor y que permita tomar la

señal cardiaca del animal de forma no invasiva.

Diseñar un circuito capaz de alternar entre las distintas señales emitidas por las

extremidades del roedor con el fin de obtener las tres derivaciones bipolares.

Implementar una etapa de acondicionamiento capaz de adecuar y depurar la

señal proveniente de los electrodos para obtener la señal cardiaca del roedor.

Desarrollar un dispositivo para que el usuario interactúe con el sistema cuando

el mismo no esté conectado al PC.

Implementar una etapa de comunicación y control entre el sistema de captura de

las señales y entre el Software de alto nivel contenido en el PC.

Elaborar un software de alto nivel que pueda controlar el dispositivo desde el

computador y graficar las señales obtenidas.

Implementar un sistema de alimentación que satisfaga las necesidades

energéticas del sistema.

Diseñar un módulo para fotopletismografía capaz de mostrar las pulsaciones

por minuto del roedor de forma no invasiva.

5

ESTUDIOS PREVIOS

A continuación se presentan trabajos desarrollados con anterioridad que

guardan relación con este proyecto, que permiten obtener una visión más amplia de la

investigación.

Díaz (2007), en su trabajo de grado titulado Sistema De Monitoreo Cardiaco

Por Telemetría diseñó y construyó módulos portátiles que permitían monitorear las

funciones cardíacas de pacientes, utilizando para la transmisión de los datos la

telemetría. Cada módulo permitía mostrar en el monitor de un computador la señal

del electrocardiograma de cada paciente conectado, con el fin de monitorear su

corazón mientras se ejercita. Para ello utilizó el módulo ECG CSN 601, con sus

respectivos electrodos que fueron conectados al paciente, con el objeto de obtener las

señales del corazón. La transmisión de los datos la realizó vía Bluetooth. De este

trabajo resulta interesante la trasmisión de los datos que posteriormente serían usados

por el software de alto nivel, además del uso de las tarjetas ECG CSN 601 que

mandan dentro de su protocolo los datos de frecuencia cardiaca y el ST el cual indica

el estado del paciente en cuanto al estado de su arritmia cardiaca.

Por otro lado, Castaño (2008) realizó un estudio utilizando ratas, que luego

pudo ser dirigido para la creación de fármacos en seres humanos. Su titulo es: Caja

de Motilidad para el Estudio de Ansiedad en Ratas Sprague Dawley, y se basa en

poder contar el número de movimientos que realiza el animal de un cuadro a otro y el

número de veces que éste se alza con la finalidad de estudiar el comportamiento de la

rata producto del suministro de una enfermedad o droga. Está dirigido a todos

aquellos centros de investigación como universidades dedicados al descubrimiento de

nuevos fármacos, los cuales han sido probados anteriormente en ratas, para luego ser

procesados y aplicados en seres humanos. Es un equipo de bajo costo económico ya

que sus componentes son nacionales y el material de la caja es madera, la cual es de

fácil acceso; además, logra resultados óptimos reduciendo los niveles de error en el

experimento. Las variables objeto de estudio fueron: posición de la rata en la caja,

número total de movimientos realizado por la rata y número total de alzadas realizado

6

por la rata. De aquí resulta útil la caja de motilidad, la cual contiene al roedor,

también de éste trabajo se pueden obtener importantes aportes en la parte de

monitoreo del animal y de los sensores que se usaron para tal fin.

En el mismo orden de ideas Moreno crea un sistema de monitoreo de la presión

arterial de varias personas a través de la mensajería de texto, utilizando un sensor de

presión arterial (ASIC), que posee la propiedad de que por cada medición puede

censar tanto la presión sistólica, diastólica y presión media. Cabe destacar que hizo

uso del PIC16F877, además de otros componentes para realizar las operaciones de

medición y envío de los datos. A simple vista se observa que este antecedente es de

gran aporte para el trabajo a plantear ya que se realiza la transmisión de una variable

médica. La investigación presentada contribuirá al trabajo de grado a realizar por

cuanto crea un sistema de monitoreo de la presión arterial donde cada medición puede

censar tanto la presión sistólica, diastólica y presión media. Su trabajo se tituló:

Sistema de Monitoreo de Presión Arterial por Medio de Mensajes de Textos.

Finalmente, otro estudio relacionado con el monitoreo de señales en el cuerpo

humano es el de Giménez (2007), cuyo trabajo de grado se titulo Dispositivo

Electrónico Inteligente para la Medición de la Fuerza Cardiaca a Través del

Computador. Tal estudio estaba conformado por dos partes, la primera por el

microcontrolador PIC16F877; así como circuitos encargados de tomar la señal

proveniente de tres electrodos instalados en el pecho del paciente, que luego la

amplificaban y la llevaban a los niveles de trabajo del microcontrolador; una vez

obtenida la señal el microcontrolador se encargaba de procesarla y enviarla al

computador; igualmente se encargaba de aumentar o disminuir la velocidad de una

trotadora de acuerdo a los datos que recibía desde la maquina. Para la obtención de la

señal se implementó un bioamplificador con amplificadores operacionales TL082. Y

la segunda consistía en un software de alto nivel elaborado en DELPHI, debido a que

tiene la característica de procesar señales en tiempo real, se tomaban los datos

provenientes del PIC16F8777 desde el puerto serial, los graficaba y almacenaba junto

a los datos del paciente en una base de datos, una vez finalizada la prueba se procedía

a analizar los datos obtenidos para determinar un posible diagnostico. De este estudio

7

es un importante aporte la parte del bioamplificador ya que las señales que se tomarán

de los roedores son muy débiles y tienen mucho ruido, también resulta muy útil el

módulo donde se regula la velocidad de una trotadora externa de acuerdo a lo que

diga el módulo de control así como también el software que usa debido a que es

capaz de procesar datos en tiempo real, además del modo que maneja el

microcontrolador PIC16F877 que es el mismo utilizado en el prototipo.

Todos los trabajos nombrados anteriormente, aportan importantes bases

teóricas para así, llevar un desarrollo ordenado y sustentado del prototipo. A su vez

sirven de guía para la utilización de diferentes componentes electrónicos.

8

REVISIÓN DOCUMENTAL Y ELECTRÓNICA

Para llevar a cabo el estudio, es necesario tener claros los conceptos y toda la

terminología manejada en esta investigación, así como es necesario revisar las teorías

y explicaciones que sirven como fundamento, para experimentar con cada uno de los

elementos que hace posible el logro de los objetivos.

Electrodos

Existen muchos tipos de electrodos y por ende muchas definiciones para estos

dependiendo de su utilización y uso, pero de una forma muy general y según el

contenido de naturaleza educativa (2011), un electrodo es, un conductor eléctrico a

través del cual puede entrar o salir una corriente eléctrica en un medio, ya sea una

disolución electrolítica, un sólido, un gas, un cuerpo o el vacío. Otra definición

orientada más hacia la parte médica es la que nos ofrece página de HHMI (Howard

Hughes Medical Institute), Fino conductor aislado, excepto en su extremo, que está

ubicado ya sea cerca o dentro de una célula nerviosa. Puede registrar las señales

generadas por la actividad eléctrica de las células o puede ser usado para estimular la

actividad de las células.

Animales de laboratorio

Según Nomura, del Instituto Central de Animales de Laboratorio en Kawasaki

(Japón): "El animal de laboratorio definido es aquel que, primero; es engendrado y

producido en condiciones controladas, segundo; mantenido en un entorno controlado,

tercero; que posee claros antecedentes genéticos y microbiológicos y cuarto; que

existe una comprobación sistemática de estos antecedentes".

Roedor

El orden Rodentia ha sido el más exitoso de todas las ramas de mamíferos.

Actualmente hay entre 2000 y 3000 especies de roedores. Se reconocen fácilmente

por la presencia de un único par de incisivos superiores de crecimiento continuo con

9

una gruesa capa de esmalte en la parte delantera. Los machos poseen un hueso

peneano y las hembras útero doble. Incluye familias tan conocidas como ardillas,

ardillas voladoras, marmotas, castores, ratones con abazones, hamsters, lemmings,

ratones, ratas.

Ratas Sprague Dawley

Entre los animales utilizados para experimentos de laboratorios los roedores

son los más usados por las particulares características que estos ofrecen. Dentro de

los roedores existe una cepa en particular que es especial para el tipo de experimentos

desarrollados dentro de las instalaciones del departamento de bioquímica de la UCLA

y estas son las conocidas como ratas Sprague Dawley. Según la pagina web de la

universidad de costa rica en la división de laboratorio biológico, La rata Sprague

Dawley, es de usos múltiples, utilizada ampliamente en la investigación médica. Su

principal ventaja es su tranquilidad y facilidad de manejo. Esta cepa de rata fue la

primera producida por las Granjas Sprague Dawley (más tarde para convertirse en

Compañía de Animales Sprague Dawley) en Madison, Wisconsin. Las instalaciones

de cría de los especímenes se adquirieron por primera vez por Gibco y luego por

Harlan (ahora Harlan Sprague Dawley) en enero de 1980.

El tamaño promedio de la camada de la rata Sprague Dawley es de 10,5. El peso

corporal de adultos es de 250-300g para las hembras, y 450-520g para los machos. La

vida útil típica es 2,5-3,5 años. Estas ratas suelen tener mayor relación de cola para la

longitud del cuerpo en comparación con otras cepas de rata.

10

Grafico 01, Ratas Sprague Dawley

http://lebi.ucr.ac.cr/images/stories/gal7/ib_p010_0_13.jpg

Electrocardiograma

La Electrocardiografía o electrocardiograma, no es más que un procedimiento

diagnóstico con el que se obtiene un registro de la actividad eléctrica del corazón. Los

primeros estudios sobre la corriente eléctrica que se origina en el corazón datan de

finales del siglo XIX, y se basaban en la utilización de un electrómetro capilar. Pero

no fue hasta principios del siglo XX cuando el médico holandés Willem Windhoven

desarrolló el galvanómetro de cuerda o alambre, impulsando, de esta manera, el

desarrollo de la electrocardiografía. El electrocardiógrafo consta de un galvanómetro,

un sistema de amplificación y otro de registro. Las contracciones rítmicas del corazón

están controladas por una serie ordenada de descargas eléctricas que se originan en el

nodo sinusal de la aurícula derecha y se propagan a los ventrículos a través del nodo

aurícula ventricular y del haz de His (un haz de fibras neuromusculares). Mediante

electrodos aplicados en varias regiones del cuerpo se puede obtener, tras

amplificarlas, un registro de estas descargas eléctricas (transmitidas por los tejidos

corporales desde el corazón hasta la piel). Este registro se llama electrocardiograma

(ECG). La aguja del galvanómetro sólo se desplaza hacia arriba o hacia abajo.

11

Cuando la corriente eléctrica que está registrando un electrodo va en la

dirección del mismo, lo que se registra en el electrocardiograma es una onda positiva,

es decir un desplazamiento de la aguja del galvanómetro hacia arriba; por el

contrario, si lo que está registrando el electrodo es una corriente eléctrica que se aleja

de él, lo que se obtendrá en el registro es una onda negativa, por el trazado que

origina la aguja del galvanómetro al desplazarse hacia abajo.

El electrocardiograma es el registro gráfico de las variaciones de potencial

eléctrico de la actividad del corazón (fibras miocárdicas), en un tiempo determinado.

Estas variaciones se captan con los electrodos a nivel de la superficie de la piel, y a

través de los conductores llega al electrocardiógrafo que mide las potenciales de

acción del corazón y lo registra.

Afirma Magdalena (2006), que un electrocardiograma es un procedimiento

sencillo y rápido que registra la actividad eléctrica del corazón. Se utiliza para medir

el ritmo y la regularidad de los latidos, así como el tamaño y posición de las aurículas

y ventrículos, cualquier daño al corazón y los efectos que sobre él tienen las drogas.

El ECG es frecuentemente usado en el diagnóstico de las enfermedades

cardiacas congénitas de los niños. El electrocardiograma normal del neonato presenta

algunas diferencias respecto al del adulto.

Ondas ECG

Es una señal de respuesta a una técnica no invasiva con el propósito de realizar

exploraciones en el sistema cardiovascular humano. Está compuesto de un conjunto

de formas de onda que resultan de la despolarización y re polarización auricular y

ventricular e indica la conducción de impulsos eléctricos a través del corazón, con el

tiempo en abscisas y la tensión eléctrica en ordenadas, mediadas en milisegundos y

milivoltios, respectivamente. La amplitud (mV) de una señal ECG, está entre 0.02-

5.0, y su rango de frecuencia (Hz) debe estar entre 0.05-100. Específicamente, en un

ECG se reconocen tres componentes elementales: las ondas P, QRS y T, como se

muestra en la Grafico 2.

12

Gráfico 02. Ondas del ECG, y las distintas formas.

(Tomado de Díaz, 2007)

Onda P

Después de la pausa, el nodo AV se encuentra estimulado y se inicia el impulso

eléctrico que se dirige hacia abajo por el haz de His y las ramas del mismo. A medida

que éste se va alejando, se produce la llamada Despolarización ventricular.

Es irreconocible en un ECG normal. Dicha onda representa la despolarización

de ambas aurículas. Cuando no se vea la onda P, es porque existe un ritmo sinusal, y

siempre debe ser positiva en DI Y DII y negativa en AVR.

• Primera onda del ciclo electro cardiográfico.

• Sístole eléctrica y mecánica de ambas aurículas.

• De forma redondeada.

• Esta onda suele ser en la mayoría de los casos monofásica.

• Su eje suele coincidir con el segmento QRS.

• Puede tener dos componentes difásicos (+/-) en las siguientes derivaciones:

D1, VL, D3, VF.

• Duración: 100 mseg.

13

• Voltaje: 2,5 mV.

• Al crecer una cavidad Aumenta el voltaje y su duración varía en función de su

eje. Ver grafico 3.

Grafico 03. Onda P.

(Tomado de Díaz, 2007)

Onda Q

Es la deflexión negativa inicial resultante de la despolarización ventricular, que

precede una onda R.

• Anchura en las derivaciones D1, aVL, V5 y V6 no superior a 40 mseg.

• Está vinculada a la necrosis miocárdica.

• A menudo esta onda suele no visualizarse en el ECG, cuando existe siempre

es la primera en el complejo QRS. Ver gráfico 3.

14

Gráfico 04. Onda Q.

Departamento de Ciencias Fisiológicas (Tomado de Díaz, 2007)

Onda R

Es la primera deflexión positiva durante la despolarización ventricular. Voltaje

entre 6-8mmV, como máximo 25mmV (casos excepcionales). TDI: Tiempo de

medición intrínseco de este tiempo es el resultado que se encuentra entre Zenir

(principio de R) y Nadir (final de R). - En la derivación V5 el TDI ≤ 45mseg. Ver

gráfico 5.

Gráfico 05. Onda R.

(Tomado de Díaz, 2007)

15

Onda S

Es la segunda deflexión negativa durante la despolarización ventricular.

Características de esta onda:

• No siempre presente.

• En las precordiales derechas: se detecta la onda S cuando se produce el

alejamiento del gran vector del ventrículo izquierdo. En V5, y V6: el resultado de los

terceros vectores de las porciones cardíacas pósterobasales. Ver gráfico 06.

Grafico 06. Ondas S.

(Tomado de Díaz, 2007)

Onda T

Es la deflexión lenta producida por la repolarización ventricular.

• Deflexión positiva o negativa, se dibuja suavemente tras el segmento ST.

• Repolarización ventricular, de modo que se le pueda volver a estimular.

• Inscripción más lenta y asimétrica.

• Es positiva en las derivaciones D1, D2, VL, a VF, V3, V6. 15

• Negativa en las derivaciones de V1 a V4.

• Esta onda aparece al final del segmento ST.

• Posee una polaridad positiva en todas las derivaciones. Aunque surgen

excepciones en las derivaciones VR, V1 y D3. Ver gráfico 7.

16

Grafico 07. Onda T.

(Tomado de Díaz, 2007)

Onda U

Pequeña deflexión positiva obtenida tras la onda T.

• Inscripción de pequeño voltaje.

• Deflexión de muy bajo voltaje.

• Misma polaridad que onda T, pero sólo en las derivaciones de D4 y D5.

• La amplitud de dicha onda suele ser de 0.3.2mm

Intervalo PR

Características relevantes:

• Isoeléctria entre el final de P e inicio de QRS.

• El trazado de este segmento debe superponerse a la línea isoléctrica.

• Inicio de la actividad auricular hasta la despolarización ventricular.

• Al final de la Onda P existe un período de inactividad eléctrica, este período

representa el retraso fisiológico sufrido por el estimulo hasta que llega al nodo AV.

• Duración: entre 120 y 220mseg. Ver gráfico 8.

17

Grafico 08. Intervalo PR.

(Tomado de Díaz, 2007)

Intervalos QRS

Contracción ventricular. Características relevantes.

• Despolarización ventricular, es decir, Sístole eléctrica.

• Se pueden añadir dos conceptos más:

Corazón vertical: AQRS está situado a 90 C.

Corazón horizontal: AQRS a más de 0 C.

• Impulso eléctrico que se aleja del nodo AV y pasa a fibras de Purkinje y a las

células del miocardio. Éstas fibras, transmite el impulso eléctrico a las células del

miocardio, produciendo la contracción simultánea de los ventrículos.

• Se produce la actividad eléctrica que conlleva a la estimulación de los

ventrículos.

• En este intervalo se produce una inflexión de mayor voltaje.

• La duración de este intervalo es de 60 y 100 mseg.

• El eje AQRS varía ampliándose con la edad.

• Recién nacido: Duración menor. Oscilación +120 C.

• Ancianos: Duración mayor. Oscilación -10 C.

• Adulto-joven: Oscilación entre +40 C y 60 C. Ver gráfico 9

18

Grafico 09. Intervalo QRS.

(Tomado de Díaz, 2007)

Intervalos PP

Distancias entre dos ondas P sucesivas, si el ritmo es regular debe medir los

mismos que el intervalo RR. Ver gráfico 10.

Grafico #10. Intervalo PP.

(Tomado de Díaz, 2007)

Intervalo QT

Distancias desde el inicio de la onda Q hasta el final de la onda T, mide la

actividad eléctrica ventricular. El QT varia con la frecuencia cardíaca y por eso debe

ser corregido, valor normal de 350 – 400msg. Ver gráfico 11.

19

Grafico 11. Intervalo QT.

(Tomado de Díaz, 2007)

Segmento ST

Pausa producida después de QRS.

• Deflexión positiva, negativa e isoeléctrica que une QRS con la onda.

Se muestran cambios en la repolarización de la taquicardia. Para saber cómo

podemos medir el segmento ST. Ver grafico 12.

Gráfico 12. Taquicardia Sinusal.

Tomadas del Departamento de Ciencias Fisiológicas (Díaz, 2007)

.

• Nivelado de la línea isoeléctrica:

- Suele supradesnivelarse con la bradicardia y la vagotonía.

- Sufre un declive en el nivel, es decir, se infradesnivela con la

taquicardia.

20

• Aumentos de 2mm ó inferiores a 1mm en relación a la isoeléctrica, esto suele

darse por trastornos isoquémicos miocárdicos.

• Desde el final del complejo QRS (punto J) hasta el inicio e onda T.

• Medida del ST, según el desplazamiento de J con respecto a la línea

isoeléctrica.

Derivaciones

La curva electrocardiográfica presenta distintas morfologías dependiendo del

lugar dónde se coloque el electrodo explorador; estos lugares corresponden a las

distintas derivaciones. Las ondas ECG son la expresión de la despolarización y

repolarización del corazón y pueden ser tanto como positivas o negativas

dependiendo de si el electrodo explorador (situado en las distintas derivaciones) está

en la cabeza o la cola del vector de despolarización o repolarización.

Como el corazón es un órgano tridimensional, es necesario conocer la

proyección de los vectores representativos de la actividad eléctrica en dos planos,

frontal y horizontal, para asegurarse del camino que siguen, es por ello que se deben

obtener distintos ángulos, los cuales permiten conocer los detalles y la orientación de

las fuerzas eléctricas generadas por el corazón; estos diferentes ángulos corresponden

a las diferentes derivaciones.

Así, en el ECG convencional se utilizan derivaciones del plano frontal que son

tres bipolares, las cuales recogen la actividad eléctrica entre dos puntos del cuerpo

humano (D1, D2, D3 o I, II y III), tres monopolares, que recogen la actividad

eléctrica entre un punto del cuerpo humano y un punto llamado cero que está en el

centro del corazón (VR, VL y VF), y derivaciones del plano horizontal, que son seis

derivaciones monopolares (V1 a V6). Todas las derivaciones tienen una parte

positiva, que es donde está ubicado el electrodo explorador, y una negativa. En otras

palabras, se puede considerar que a cada derivación le corresponde una línea de

derivación, que va desde el lugar donde está ubicada la derivación hasta la zona

opuesta, pasando por el centro del corazón.

Cada una de las líneas de derivación se divide en dos mitades: la positiva, que

es la próxima al polo positivo (lugar desde donde se registran las fuerzas eléctricas) y

21

la negativa, que es la próxima al polo negativo (lugar opuesto al polo positivo). Se

puede considerar que el límite de las dos mitades es el centro del corazón.

Amplificador de instrumentación

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de

amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de

entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). La operación que realiza es la

resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Su utilización es común en

aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por

ejemplo, el electrocardiograma), para minimizar el error de medida.

El INA126 es un amplificador de instrumentación de precisión para la

adquisición precisa, tiene un bajo nivel de ruido en el diferencial de la señal de

adquisición. El diseño de sus dos amplificadores operacionales proporciona un

excelente desempeño con muy bajas corrientes parasitas (175μA/channel). Esto,

combinado con un amplio rango de voltaje de funcionamiento de ± 1.35V a ± 18V,

los hace ideal para sistemas de instrumentación de adquisición de datos. La ganancia

se puede ajustar desde 5 V / V para 10000V / V con una sola resistencia externa. Sus

circuitos de entrada proporcionan una baja tensión de offset (250μV max) y un

excelente rechazo de modo común. La ganancia viene dada por la siguiente fórmula,

𝐺 = 5 +80kΩ

Rg

22

Grafico 13. INA-126

(Tomada del manual del fabricante 2011)

Filtro pasa banda

Un filtro pasa banda es un filtro que posee dos frecuencias de corte, llámense f1 y

f2, este tipo de filtro solo dejara pasar las frecuencias que estén comprendidas en este

rango, y las demás las rechazara, en la grafico 14 puede apreciarse el grafico muestra

el comportamiento de este tipo de filtros. Al principio, los filtros estaban compuestos

únicamente por elementos pasivos, es decir, resistencias, condensadores e

inductancias. Sin embargo, la aparición del amplificador operacional ha traído

consigo una mejora notable en la fabricación de los filtros, ya que se ha podido

prescindir de las inductancias. La mejora conseguida con el cambio de inductancias

por amplificadores operacionales es apreciable en lo que se refiere a respuesta,

aprovechamiento de la energía (menor disipación), tamaño y peso, ya que las

inductancias no se pueden integrar en un circuito y, por tanto, son elementos discretos

con un tamaño considerable.

23

Grafico 14. Filtro pasa banda

Filtro Notch

Un filtro notch, o filtro rechaza banda, o filtro elimina banda, es un tipo de filtro

cuya función es eliminar las señales que estén comprendidas entre sus frecuencias de

corte. Pueden implementarse de diversas formas. Una de ellas consistirá en dos filtros,

uno paso bajo cuya frecuencia de corte sea la inferior del filtro elimina banda y otro

paso alto cuya frecuencia de corte sea la superior del filtro elimina banda. Como

ambos son sistemas lineales e invariantes, la respuesta en frecuencia de un filtro banda

eliminada se puede obtener como la suma de la respuesta paso bajo y la respuesta paso

alto (hay que tener en cuenta que ambas respuestas no deben estar solapadas para que

el filtro elimine la banda que interese suprimir), ello se implementará mediante un

sumador analógico, hecho habitualmente con un amplificador operacional.

Ver gráfico 15.

24

Grafico 15. Filtro pasa banda

Filtro pasa bajo

Un filtro pasa bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de

las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de dos

terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada

cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a

la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene

que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier

configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de

transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.

25

Microcontrolador

Según Microchip Technology Incorporated (2011), se denomina

microcontrolador a un dispositivo programable capaz de realizar diferentes

actividades que requieran del procesamiento de datos digitales y del control y

comunicación digital de diferentes dispositivos.

Los microcontroladores poseen una memoria interna que almacena dos tipos de

datos; las instrucciones, que corresponden al programa que se ejecuta, y los registros,

es decir, los datos que el usuario maneja, así como registros especiales para el control

de las diferentes funciones del microcontrolador.

Los microcontroladores se programan en Assembler y cada microcontrolador

varía su conjunto de instrucciones de acuerdo a su fabricante y modelo. De acuerdo al

número de instrucciones que el microcontrolador maneja se le denomina de

arquitectura RISC (reducido) o CISC (complejo).

Los microcontroladores poseen principalmente una ALU (Unidad Lógico

Aritmética), memoria del programa, memoria de registros, y pines I/O (entrada y/0

salida). La ALU es la encargada de procesar los datos dependiendo de las

instrucciones que se ejecuten (ADD, OR, AND), mientras que los pines son los que

se encargan de comunicar al microcontrolador con el medio externo; la función de los

pines puede ser de transmisión de datos, alimentación de corriente para el

funcionamiento de este o pines de control específico.

Reloj de tiempo real DS1307

Es un reloj de tiempo real exacto, el cual automáticamente, mantiene el tiempo

y la fecha actual, incluyendo compensación para meses con menos de 31 días y saltos

de año. El DS1307 es un dispositivo de 8 pines al que se le conecta un cristal de

cuarzo estándar, de bajo costo, a 32.768kHz entre los pines 1 y 2 para proveer tiempo

base exacto. Opcionalmente se le puede conectar al pin3, baterías de respaldo de 3

voltios, asegurando que se mantendrá el tiempo a la fecha aunque esté desconectada

la fuente de tensión del circuito principal. El circuito integrado automáticamente

26

detecta que se ha removido la energía en el circuito principal y se conectan las

baterías de respaldo cuando es requerido.

Posee un muy bajo consumo de energía, cuando el circuito trabaja en modo

batería, en condiciones normales de temperatura y humedad, esta podría durar hasta

10 años. Ver grafico 17

Grafico 16 DS1307

Lenguaje de programación

Un lenguaje de programación es un lenguaje que puede ser utilizado para

controlar el comportamiento de una máquina, particularmente una computadora.

Consiste en un conjunto de símbolos y reglas sintácticas y semánticas que definen su

estructura y el significado de sus elementos y expresiones.

Un lenguaje de programación permite a uno o más programadores especificar

de manera precisa sobre qué datos una computadora debe operar, cómo deben ser

estos almacenados y transmitidos y qué acciones debe tomar bajo una variada gama

de circunstancias. Todo esto, a través de un lenguaje que intenta estar relativamente

próximo al lenguaje humano o natural, tal como sucede con el lenguaje léxico. Una

característica relevante de los lenguajes de programación es precisamente que más de

un programador puedan tener un conjunto común de instrucciones que puedan ser

comprendidas entre ellos para realizar la construcción del programa de forma

colaborativa.

27

Los procesadores usados en las computadoras son capaces de entender y actuar

según lo indican programas escritos en un lenguaje fijo llamado lenguaje de máquina.

Todo programa escrito en otro lenguaje puede ser ejecutado de dos maneras:

• Mediante un programa que va adaptando las instrucciones conforme son

encontradas. A este proceso se lo llama interpretar y a los programas que lo hacen se

los conoce como intérpretes.

• Traduciendo este programa al programa equivalente escrito en lenguaje de

máquina. A ese proceso se lo llama compilar y al traductor se lo conoce como

compilador.

Protocolo I2C

Es un estándar que facilita la comunicación entre microcontroladores, memorias

y otros dispositivos con cierto nivel de "inteligencia", sólo requiere de dos líneas de

señal y un común o masa. Fue diseñado por Philips y permite el intercambio de

información entre muchos dispositivos a una velocidad aceptable, de unos 100 Kbits

por segundo, aunque hay casos especiales en los que el reloj llega hasta los 3,4 MHz.

La metodología de comunicación de datos del bus I2C es en serie y

sincrónica. Una de las señales del bus marca el tiempo (pulsos de reloj) y la otra se

utiliza para intercambiar datos.

SCL es la línea de los pulsos de reloj que sincronizan el sistema.

SDA es la línea por la que se mueven los datos entre los dispositivos.

GND común de la interconexión entre todos los dispositivos

"enganchados" al bus.

Las líneas SDA y SCL son del tipo drenaje abierto, es decir, un estado similar

al de colector abierto, pero asociadas a un transistor de efecto de campo (o FET). Se

deben polarizar en estado alto (conectando a la alimentación por medio de resistores

"pull-up") lo que define una estructura de bus que permite conectar en paralelo

múltiples entradas y salidas.

Las dos líneas del bus están en un nivel lógico alto cuando están inactivas. En

28

principio, el número de dispositivos que se puede conectar al bus no tiene límites,

aunque hay que observar que la capacidad máxima sumada de todos los dispositivos

no supere los 400 pF. El valor de los resistores de polarización no es muy crítico, y

puede ir desde 1K8 (1.800 ohms) a 47K (47.000 ohms). Un valor menor de

resistencia incrementa el consumo de los integrados pero disminuye la sensibilidad al

ruido y mejora el tiempo de los flancos de subida y bajada de las señales. Los valores

más comunes en uso son entre 1K8 y 10K.

Grafico #17 Diagrama de bus I2C

Transmisión serial

El concepto de transmisión serial es sencillo. El puerto serial envía y recibe

bytes de información, un bit a la vez. Aún y cuando esto es más lento que la

comunicación en paralelo, que permite la transmisión de un byte completo por vez,

este método de comunicación es más sencillo y puede alcanzar mayores distancias.

Por ejemplo, la especificación IEEE 488 para la comunicación en paralelo

determina que el largo del cable para el equipo no puede ser mayor a 20 metros, con

no más de 2 metros entre cualesquier dos dispositivos; por el otro lado, utilizando

comunicación serial el largo del cable puede llegar a los 1200 metros. Esto se afirma

en http://redesvelez.tripod.com/tserial.htm. En este caso, los n bits que componen un

mensaje se transmiten uno detrás de otro por la misma línea.

A la salida de una máquina, los datos en paralelo se convierten los datos en

serie, los mismos se transmiten y luego en el receptor tiene lugar el proceso inverso,

29

volviéndose a obtener los datos en paralelo. La secuencia de bits transmitidos es por

orden de peso creciente y generalmente el último bit es de paridad.

En aspecto fundamental de la transmisión serie es el sincronismo,

entendiéndose como tal al procedimiento mediante el cual, transmisor y receptor

reconocen los ceros y unos de los bits de igual forma.

El sincronismo puede tenerse a nivel de bit, de byte o de bloque, donde en cada

caso se identifica el inicio y finalización de los mismos. Dentro de la transmisión

serial existen dos formas:

Transmisión asíncrona

Es también conocida como Star/stop. Requiere de una señal que identifique el

inicio del carácter y a la misma se la denomina bit de arranque. También se requiere

de otra señal denominada señal de parada que indica la finalización del carácter o

bloque.

Generalmente cuando no hay transmisión, una línea se encuentra en un nivel

alto. Tanto el transmisor como el receptor, saben cuál es la cantidad de bits que

componen el carácter. Los bits de parada son una manera de fijar qué delimita la

cantidad de bits del carácter y cuando se transmite un conjunto de caracteres, luego de

los bits de parada, existe un bit de arranque entre los distintos caracteres.

A pesar de ser una forma comúnmente utilizada, la desventaja de la transmisión

asincrónica es su bajo rendimiento, como en los casos en que el carácter tenga 7 bits

ya que para efectuar la transmisión se requieren 10. O sea que del total de bits

transmitidos sólo el 70% pertenecen a datos.

Transmisión síncrona

En este tipo de transmisión es necesario que el transmisor y el receptor utilicen

la misma frecuencia de clock (reloj interno de los dispositivos con esta

características) en ese caso la transmisión se efectúa en Bloques, debiéndose definir

dos grupos de bits denominados delimitadores, mediante los cuales se indica el inicio

y el fin de cada bloque.

30

Este método es más efectivo por que el flujo de información ocurre en forma

uniforme, con lo cual es posible lograr velocidades de transmisión más altas. Para

lograr el sincronismo, el transmisor envía una señal de inicio de transmisión mediante

la cual se activa el clock del receptor. A partir de dicho instante, transmisor y receptor

se encuentran sincronizados.

Otra forma de lograr el sincronismo es mediante la utilización de códigos auto

sincronizantes, los cuales permiten identificar el inicio y el fin de cada bit. En los

canales de comunicación existen tres tipos de transmisión.

Simples

En este caso el transmisor y el receptor están perfectamente definidos y la

comunicación es unidireccional. Este tipo de comunicaciones se emplean usualmente

en redes de radiodifusión, donde los receptores no necesitan enviar ningún tipo de

dato al transmisor.

Dúplex o Semi-duplex

En este caso, ambos extremos del sistema de comunicación cumplen funciones

de transmisor y receptor y los datos se desplazan en ambos sentidos pero no

simultáneamente. Este tipo de comunicación se utiliza habitualmente en la interacción

entre terminales y un computador central.

Full Dúplex

El sistema es similar al dúplex, pero los datos se desplazan en ambos sentidos

simultáneamente. Para ello, ambos transmisores poseen diferentes frecuencias de

transmisión o dos caminos de comunicación separados, mientras que la comunicación

semi-duplex necesita normalmente uno solo. Para el intercambio de datos entre

computadores este tipo de comunicaciones son más eficientes que las transmisiones

semi-duplex.

31

Puerto serial

Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre ordenadores y

periféricos en donde la información es transmitida bit a bit enviando un sólo bit a la

vez, en contraste con el puerto paralelo que envía varios bits a la vez entre el puerto

serie y el puerto paralelo.

En los PC hay conectivos DB9 macho, de 9 pines, por el que se conectan los

dispositivos al puerto serie. Los conectores hembra que se enchufan tienen una

colocación de pines diferente, de manera que se conectan el pin 1 del macho con el

pin 1 del hembra, el pin2 con el 2, etc.

IFT232

El convertidor iFT232 es un convertidor de bus USB a puerto SERIAL RS232

con niveles de tensión TTL, el cual, puede ser utilizado en una gran cantidad de

aplicaciones junto a los microcontroladores PIC®, Atmel®, motorola®, Parallax™ y

cualquier otro fabricante de microcontroladores existentes en el mercado actual. Es

excelente a la hora de disponer de una conexión a puerto serial, sobre todo en la

actualidad que los computadores personales tipo portátiles no la tienen disponible.

Con el iFT232 se soluciona este problema, ya que, usted puede utilizar un puerto del

tipo USB desde su PC ya sea portátil y/o de escritorio y conectarlo directamente a

UART de su microcontrolador. La tarjeta iFT232 se comportará como un puerto

serial virtual RS232 tipo COM y usted podrá utilizar todos los recursos de

programación para puerto serial de los cuales usted dispone.

El convertidor iFT232 tiene dimensiones de 4.0 cm de longitud x 1.6 cm de

ancho, del tamaño de un PENDrive®, es una herramienta poderosa, sólida y bien

construida, pensada para resistir un trato duro y aún así brindar un acabado

profesional. En el grafico 12 podemos apreciar la vista frontal así como también la

vista posterior del iFT232, a continuación se da la descripción de dicho grafico.

1. Conector para puerto USB del iFT232 tipo B mini 5P.

2. LED indicador de Alimentación / TX de UART.

3. Conector estándar de 6 Polos 0.1” separación para conexión con protoboard.

32

Grafico #18. iFT232.

Características del iFT232

Se puede conecta de forma sencilla a cualquier protoboard para

trabajar con los PIC™.

Capacidad de generar un puerto virtual serial COM para

conexión al microcontrolador.

Interfaz serial estándar lista para conectar directamente al PC

No requiere fuente de poder externa, ya que, se alimenta de

propio puerto USB, puede suministrar hasta 300 ma máximos al PIC™

y a su circuitería externa.

Totalmente compatible con los compiladores de Microchip™,

MPLAB®, Mikroelectronika®, Proton®, MBASIC®, CCS® y

PBASIC® entre otros.

33

Grafico #19. Esquemático del iFT232.

Tomado de la documentación del fabricante (© ROSO Electric Supply)

TL-082

El TL-082 es un integrado que en su interior posee dos amplificadores

operacionales, los integrados pertenecientes a esta familia (TL-08) poseen entradas de

tipo JFET, esta es su principal característica pero las que destacan a esta familia de

integrados de otras con entradas JFET son las siguientes, posee un bajo consumo de

corriente, también cuenta con un amplio modo de rechazo común, también puede

trabajar con un amplio rango de voltajes diferenciales, tienen una alta impedancia de

entrada y una compensación interna de frecuencia, baja polarización de entrada y un

bajo nivel de corrientes de offset. Ver grafico #22

Grafico 20. Integrado TL-082

Autor: Marco Bareño 2011

34

TL-084

Este integrado tiene las mismas características que el TL-082 en lo único que se

diferencia de este, es en su interior el TL-082 tiene solo 2 amplificadores

operacionales y el TL-084 tiene 4. Ver grafico #23.

Grafico 21. Integrado TL-082

Autor: Marco Bareño 2011

LF-353 y LF-347

Estos integrados comparten las mismas características, la única diferencia está

en que el 353 tiene solo 2 operacionales en su interior y el 347 tiene 4. Ver grafico

#24.

Esta serie de operacionales cuenta con características especiales que los hacen

ideales para usarlos en filtros, este tipo de integrados presentan un alto modo de

rechazo común, alta impedancia en su entrada, son operacionales de alta velocidad y

tienen entradas duales JFET, también tienen una entrada recortada interna de voltaje

de offset, usando una tecnología patentada por esta familia de integrados (BI-FET

II™ technology).

35

Grafico #22. Integrado LF-353 y LF-347

Tomado del manual del fabricante.

Fotopletismografía

El fotopletismógrafo consta de un diodo que emite haces de luz infrarroja y

un foto-sensor. Como la sangre total es más obscura que el color rojo y cercana a la

luz infrarroja que rodea los tejidos, el grado en el cual el haz de luz se atenúa, es

proporcional a la cantidad de sangre presente.

Frecuencia Cardiaca

La frecuencia cardiaca se define como las veces que se late corazón por

unidad de tiempo. Normalmente se expresa en pulsaciones por minuto. Es un valor

muy importante en el deporte y la medicina ya que nos dice numéricamente,

objetivamente y rápidamente las adaptaciones al ejercicio o a la administración de

drogas y medicamentos que se están produciendo en el deportista o paciente.

36

Desarrollo del trabajo de grado

Debido a que investigaciones realizadas anteriormente han desarrollado

sistemas similares de captura y procesamiento de la señal ECG, también se han

desarrollado sistemas de monitoreo de de valores en animales de laboratorio tanto de

forma invasiva, como no invasiva.

Para llevar a cabo la realización de esta investigación se apoyo en un estudio

previo y de esta manera obtener las bases fundamentales para el diseño y

construcción del prototipo, esta se realizó a través de las siguientes búsquedas:

tutoriales en internet, investigaciones de estudios previos donde se extraen la

información más substancial para el progreso del trabajo; una vez recolectada toda la

información necesaria para el diseño del prototipo se pone en camino el plan de

desarrollo del proyecto.

Para el diseño del prototipo se realizó en módulos, donde cada uno de ellos

depende necesariamente uno del otro.

37

Diagrama modular

Grafico 23. Diagrama modular

Autor: Marco Bareño (2011)

Módulo de adquisición no invasivo

Esta etapa está conformada principalmente por el diseño de una caja especial

que contiene los sensores que tomarán las señales necesarias de cada una de las

extremidades del animal para después ser enviada a los módulos restantes y poder al

final de proceso armar la señal ECG. La jaula se diseñó de forma tal que el roedor al

entrar en la caja quedara inmóvil, dejándole como única opción posicionar sus patas

en cada uno de los sensores correspondiente para cada extremidad, así mismo la caja

cuenta con paneles móviles que en caso de ser necesarios se pueden ajustar alrededor

de la cola y del cuello del animal para inmovilizarlo por completo. Otra ventaja que

presenta la caja es que los sensores se pueden mover de arriba hacia abajo, esto con el

objetivo de ajustarse mejor a el punto donde el animal tenga más apoyadas sus

Amplificador de Instrumentación

Filtro pasa banda

Filtro Notch de 60Hz

Sumador de offset

TECLADO LCD

RELOJ MEMORIA

Software de alto nivel

Modulo de multiplexado

38

extremidades además de facilitar su manipulación para el mantenimiento que estos

puedan necesitar. Este sistema móvil también se hace muy útil a la hora de que el

tamaño de los especímenes varié mucho y sea necesario un ajuste para la correcta

toma de la señal del nuevo ejemplar.

Cuadro 1: Pruebas y resultado del módulo de adquisición no invasivo

Módulo de multiplexado

Las señales con las que se trabajara en este prototipo son las llamadas bipolares,

estas señales son tres, formadas cuando se combinan tres extremidades distintas al

momento de pasar por el amplificador de instrumentación. La primera derivación o

derivación I se forma con la pata izquierda delantera y pata derecha delantera, la

segunda derivación o derivación II la forman la pata derecha delantera y la pata

izquierda trasera y por último, la tercera derivación o derivación III la forma la

combinación de la pata izquierda delantera y la pata izquierda trasera, para todos los

39

casos, la pata derecha trasera es usada como referencia o tierra. Es esta etapa del

prototipo, la encargada de darle continuidad a la señal proveniente de cualquiera de

las extremidades del animal, para así obtener la derivación que este solicitando el

módulo de control.

Este módulo está formado principalmente por un multiplexor 4052, este tipo de

multiplexor es idóneo para esta tarea ya que posee varias entradas, ocho divididas en

2 grupos, por donde se introducirán las señales de las extremidades del animal y dos

salidas que irán después de ser seleccionadas por el módulo de control a la entrada del

amplificador de instrumentación, una a la entrada positiva y la otra a la negativa, este

es el comienzo de la etapa de adquisición de la señal. Otra de las razones para el uso

de este integrado es que posee 2 selectores para seleccionar la señal y que se pueden

controlar de forma digital escogiendo entre 4 posibles opciones. Ver grafico 26.

Además las entradas de este integrado procesan tanto señales analógicas como

digitales, al no poseer elementos como las bobinas que tiene un relé, generan menos

ruido, además de ser mas económica la implementación de estos ya que con solo un

integrado de pueden obtener las tres derivaciones.

Grafico 24. Multiplexor 4052 Autor: Marco Bareño 2011

40

Grafico 25. Multiplexor 4052

Autor: Marco Bareño 2011

Grafico 26. Multiplexor 4052

Autor: Marco Bareño 2011

41

Cuadro 2: Pruebas y resultado del módulo selector de derivaciones

Módulo de adquisición de la señal

Este es uno de los módulos más críticos e importantes del prototipo, si bien se

puede decir que el módulo de control es el cerebro, el mismo puede ser considerado

el corazón del proyecto. Es este módulo el encargado de finalmente recibir la señal

del roedor, ya que hasta este punto no se le ha dado ningún tipo de tratamiento,

adecuarla y acondicionarla para que pueda ser procesada por el modulo de control, la

calidad y exactitud de la señal depende casi por completo del mismo. Básicamente

consta de cuatro etapas, en la primera se encuentra el amplificador de

instrumentación, un amplificador especialmente diseñado para aplicaciones médicas,

en el irán conectadas por sus entradas positiva y negativa la señal previamente

seleccionada de las extremidades para obtener la derivación que se necesite. Luego le

sigue la segunda etapa formada por el filtro pasa banda, es este filtro el que dejará

PRUEBAS RESULTADOS

MÓDULO SELECTOR DE MULTIPLEXADO

•Se hizo un arreglo de distintos voltajes y señales y se colocaron en las entradas del 4052, luego se probaron las combinaciones de la tabla de la verdad, se alimentó el integrado con Vcc y tierra.

•Se repitió la prueba alimentando con Vcc, tierra y Vee mucho menor a tierra

•El cambio de los voltajes era el esperado según la tabla de la verdad sin embargo las señales que tenían una parte negativa se veían afectadas, distintas a sus correspondientes en las entradas.

•Las señales de las salidas fueron las esperadas.

42

pasar la banda de frecuencia en la que se encuentra la señal cardiaca de los roedores,

estudios y pruebas previas demuestran que estas señales se encuentran entre las

frecuencias de 0,05 Hz a 150Hz. Posteriormente se encuentra la tercera etapa,

formada por un filtro notch, este es un tipo de filtro rechaza banda pero que rechaza

de forma exclusiva los 60 Hz, esto con la intención de evitar el ruido proveniente de

todos los aparatos conectados a la red eléctrica y que pueden afectar a el diseño,

como por ejemplo las lámparas fluorescentes. Y por último se tiene la cuarta etapa,

formada por un último amplificador hecho a base de amplificadores operacionales,

este amplificador de encargará de amplificar una vez más la señal para hacerla más

adecuada para su posterior procesamiento por parte del microcontrolador, y además le

sumará un nivel DC a la señal para eliminar las componentes negativas que esta

pueda tener antes de entrar al módulo de control.

El amplificador de instrumentación lo forma un integrado llamado INA-126,

este cumple muy bien su función ya que posee una gran impedancia de entrada y una

pequeña corriente de polarización, también ofrece un amplio rango de voltajes

diferenciales así como un elevado modo de rechazo común lo que hace que el ruido

en las señales se atenúe aun más, pude amplificar hasta mil veces la señal con solo

variar una resistencia entre las patas 1 y 8.

Las señales provenientes de los multiplexores entrarán en los pines positivos y

negativos respectivamente, las veces que se amplificara la señal viene determinada

por la siguiente formula 𝐺 = 5 +80kΩ

Rg, por los pines 7 y 4 entraran los voltajes de

alimentación diferenciales, de 9v y -9v, el pin 5 es la referencia que para este caso irá

a tierra y el 6 la salida que será el inicio de la siguiente etapa.

43

Grafico #27. Etapa amplificador de instrumentación

Autor: Marco Bareño (2011)

Luego en la segunda etapa se tiene el filtro pasa banda, La señal obtenida se

ingresa al filtro pasa banda, lo que asegura que esté dentro de la banda especificada

por las normas médicas, que está entre los 0.05 Hz y 150 Hz. Estudios realizados

demuestran que señales arriba de 150 Hz, en el caso de los roedores, no son

cardiológicas y además, filtrando frecuencias menores de 0.05 Hz se elimina una

diferencia de potencial entre los electrodos y la superficie de la piel del animal que

alcanzan niveles de hasta 300mV y que pueden llegar a saturar los circuitos del

amplificador. Eliminando estas frecuencias se asegura una alta ganancia de la señal y

no del ruido.

En este circuito la resistencia R1 y el capacitor C1 actúan como filtro pasa altos

y el valor de estos elementos define la frecuencia de corte inferior (FL), de 0.05 Hz.

La expresión empleada para calcular estos valores es la siguiente: 𝐹𝐿 =1

2𝜋∗𝑅1∗𝐶1

44

La resistencia R2 y el capacitor C2 por el contrario, forman el filtro pasa bajo

requerido, definiendo la frecuencia de corte superior (FH) de 150Hz. Los valores de

R2 y C2 se encuentran a partir de la siguiente expresión: 𝐹𝐻 =1

2𝜋∗𝑅2∗𝐶2

La amplificación que obtiene la señal en esta etapa de filtrado, se la puede

calcular anulando los capacitores involucrados. Se puede realizar esta acción debido a

que en las frecuencias de operación el capacitor C2 es equivalente a un cortocircuito

y el capacitor C1 es equivalente a un circuito abierto. Entonces el circuito se reduce a

un amplificador no inversor cuya señal de salida se expresa de la siguiente manera:

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 +𝑅2

𝑅1 ∗ 𝑉𝑖𝑛 Con este circuito además de restringir la banda de frecuencia

se amplifica aun más la señal.

Grafico #28. Etapa filtro pasa banda

Autor: Marco Bareño (2011)

En esta tercera etapa el filtro Notch. Se determina el rango de frecuencias para

la señal, lo que queda es ingresar esta señal a un filtro Notch, debido a que la

45

presencia del ruido en el registro de biopotenciales es prácticamente inevitable. Este

tipo de filtro se caracteriza por eliminar señales de una frecuencia específica. En este

proyecto se trata de eliminar el ruido inducido por la red eléctrica y demás aparatos

como luces, computadores, y otros dispositivos que funcionan con la red eléctrica

doméstica de 60Hz. Entonces se implementa el filtro Notch para una frecuencia de

60Hz, eliminando de esta manera las señales de ruido producidas por esta frecuencia

que distorsionan la señal electrocardiográfica.

En la grafico 4 se muestra el filtro Notch utilizado, en el cual el valor de R1 es

igual a R2; y el valor de RV1 es la mitad de estos. De la misma forma el valor de los

capacitores C1 y C2 es el mismo y el valor del capacitor C3 es la suma de C1 y C2.

La siguiente expresión determina el valor de la frecuencia que se desea eliminar:

𝐹𝑂 =1

2𝜋∗𝑅1∗𝐶2

Grafico 29. Etapa filtro notch

Autor: Marco Bareño (2011)

Por último la cuarta etapa, la señal obtenida hasta ahora necesita ser manipulada

para que alcance una amplitud comprendida entre 0v y 5v, para poder digitalizarla

46

con el ADC que posee el microcontrolador, que acepta como entrada sólo señales que

estén comprendidas entre esos valores. Esto se logra con un amplificador sumador

que se muestra en la figura #29. Se suma un voltaje DC se obtiene una señal positiva

con ganancia para asegurar que esté entre 0v y 5v.

Grafico #30. Etapa amplificador

Autor: Marco Bareño (2011)

47

Cuadro 3: Pruebas y resultado del módulo de adquisición de la señal.

Módulo de Fotopletismografía

Este módulo tiene como objetivo capturar de forma no invasiva la frecuencia

cardiaca del animal, definida en pulsaciones por minuto o PPM y mandarlas al

módulo de control para poder ser visualizadas en la pantalla LCD.

La justificación de esto es que hay veces en que los expertos quieren saber

las variaciones que ha tenido el animal en su frecuencia cardiaca después de que se

les suministró cierto fármaco

Este módulo se elaborará basándose en el principio de que la sangre al ser

atravesada por un haz de luz roja de alta intensidad, dependiendo del volumen de

esta, obscurece su color, estos cambios pueden ser entonces detectados por una foto

resistencia. El volumen de la sangre que pasa a través de una extremidad o de alguna

parte del cuerpo aumenta y disminuye en función del ritmo cardiaco. El módulo de

adquisición no invasiva cuenta con un led rojo de alta intensidad y de una foto

resistencia en el lado opuesto de este, estos dispositivos serán ubicados en un

48

mecanismo tipo pinza que rodee la pata del roedor. Las variaciones que detecte la

fotoresistencia irán a un comparador que tendrá un voltaje de referencia para

comparar las variaciones en la fotoresistencia, estas variaciones después pasarán por

una etapa de adecuación para ser llevadas a pulsos de 5 voltios en su estado alto y 0

voltios en su estado bajo para que puedan ser interpretados por el microcontrolador.

49

Módulo I2C

Este módulo está formado por todos aquellos integrados que trabajen con el

protocolo I2C que es un protocolo síncrono que trabaja con 2 hilos para varios

componentes, cada dispositivo que trabaje con este protocolo posee una dirección que

lo diferencia de los demás, es de esta forma como ellos por decirlo de una manera

escuchan la orden del maestro y en caso de que la orden coincida con alguno, será

este el que procesará y ejecutará la instrucción, algunos dispositivos tienen una

dirección determinada como el DS1307 pero en el caso de memorias en las cuales

pueden haber varias conectadas, vienen con un selector de direcciones que

llevándolos a tierra o Vcc pueden ser escogidos a conveniencia para diferenciarse

unas con otras. Con la implementación de este protocolo se pueden tener varios

componentes a dos líneas, estos componentes serán los esclavos y serán controlados

por un maestro que en este caso será el módulo de control. Algunas definiciones a

tener en cuenta son las siguientes:

SDA (System Data): Por la cual viajan los datos entre los dispositivos.

SCL (System Clock): Por la cual transitan los pulsos de reloj que

sincronizan el sistema.

GND (Masa): Interconectada entre todos los dispositivos "enganchados"

al bus.

Maestro (Master): Dispositivo que determina la temporización y la

dirección del tráfico de datos en el bus. Es el único que aplica los pulsos

de reloj en la línea SCL. Cuando se conectan varios dispositivos

maestros a un mismo bus la configuración obtenida se denomina "multi-

maestro".

Esclavo (Slave): Cualquier dispositivo conectado al bus incapaz de

generar pulsos de reloj. Reciben señales de comando y de reloj

proveniente del dispositivo maestro. Se pueden conectar hasta 128

dispositivos, que son los dispositivos seleccionados por el maestro

mediante 7 bits (dirección del esclavo)

50

Bus Desocupado (Bus Free): Estado en el cual ambas líneas (SDA y

SCL) están inactivas, presentando un estado lógico alto. Únicamente en

este momento es cuando un dispositivo maestro puede comenzar a hacer

uso del bus.

Comienzo (Start): Sucede cuando un dispositivo maestro hace

ocupación del bus, generando esta condición. La línea de datos (SDA)

toma un estado bajo mientras que la línea de reloj (SCL) permanece

alta.

Parada (Stop): Un dispositivo maestro puede generar esta condición

dejando libre el bus. La línea de datos toma un estado lógico alto

mientras que la de reloj permanece también en ese estado.

Cuadro 4: Pruebas y resultado del módulo I2C

51

Módulo de memoria

Este módulo está conformado por una memoria serial de 512 bytes, el integrado

utilizado fue el AT24C512, la función de esta memoria es ir almacenado los datos

provenientes del roedor y que ya han sido tratados por el módulo de adquisición y

digitalizados y procesados por el módulo de control. El aporte de este modulo al

proyecto es que gracias a él para recibir los datos no sea necesario que el prototipo

esté conectado a la PC ya que en caso de no estar conectado este igual tomara los

datos de la señal pero los almacenara en la memoria para que posteriormente cuando

se conecte a la PC estos datos puedan ser descargados y graficados. Otra ventaja es

que en la ausencia de electricidad el sistema puede seguir trabajando con todos sus

componentes ya que tiene el uso baterías.

Grafico 31. Esquema AT24C512

Autor: Marco Bareño

52

Cuadro 5: Pruebas y resultado del módulo de memoria

Módulo de tiempo

Este módulo está formado por el integrado DS1307, que es un reloj en tiempo

real, este al igual que la memoria está conectado al bus I2C y es el encargado de

proporcionar la hora exacta a la que fue tomada la señal del roedor, este dispositivo

cuenta con una batería de 3.2V que en condiciones de temperatura y humedad

normales podría mantener funcionando al reloj hasta por 10 años consecutivos una

vez que se detecte la ausencia de alimentación, de igual manera para que la hora no

pierda exactitud el usuario mediante el alto nivel podrá sincronizar la hora de el reloj

de tiempo real con la hora del PC. La obtención de los datos de este integrado se hace

mediante el módulo de control, estos datos como la hora, minutos, segundos, mes, día

de la semana, año entre otros; se encuentran almacenados en registros del integrado y

que son solicitados mediante el módulo de control para posteriormente ser procesados

por este y enviados en la trama correspondiente junto con los datos de la señal tomada

del animal a la memoria o a el PC dependiendo del caso.

53

Grafico 32. Esquema DS1307

Cuadro 6: Pruebas y resultado del módulo reloj

54

Módulo de control

Este módulo está conformado principalmente por el microcontrolador

PIC18F4550, este módulo se encarga de digitalizar la señal proveniente del módulo

de adquisición, también este modulo es el encargado de enviar las ordenes necesarias

para que le modulo de selección de derivación haga los cambios necesarios para

obtener la derivación que se desea. También este módulo hace la función de maestro

para el control de los dispositivos que trabajan con el protocolo I2C, como lo son la

memoria y el reloj de tiempo real. De igual manera es el que hace el intercambio de

información entre el PC de forma síncrona mediante el estándar RS232 que usa el

dispositivo IFT232. Por otra parte en este modulo es donde se arman las tramas de

comunicación necesarias para enviar la información almacenada en la memoria,

cuando se trabaja desconectado de la PC, o la que se obtiene en tiempo real que es

cuando se cuenta con la PC y el software de alto nivel encargado de graficar y de

llevar un registro de la señal y del animal con el que se esté experimentando. De igual

forma controla la información que se visualiza en la LCD que es la comunicación con

el usuario en modo portátil y recibe del teclado la información que el usuario quiera

transmitirle al sistema en este mismo modo.

55

Grafico 33. Esquema Módulo de control

56

Cuadro 7: Pruebas y resultado del módulo de control & modulo de interfaz usuario

Módulo de comunicación

El módulo de comunicación es el que se encarga de establecer una interfaz

entre el módulo de control y la PC, para esto utiliza una comunicación síncrona

usando el estándar RS232 que es con el que trabaja el integrado IFT232, este

integrado se conecta mediante USB a cualquier puerto del PC y seguidamente

mediante un software que este trae incluido la PC lo reconoce como un puerto serial

virtual, por ejemplo el comm1. La comunicación con el microcontrolador del módulo

de control se lleva a cabo conectando los pines RX al TX del microcontrolador y el

TX al RX del microcontrolador.

57

Grafico 34. Esquema IFT232

Cuadro 8: Pruebas y resultado del módulo de Comunicación.

58

Módulo de programación

Diseño de software de bajo nivel

El software en bajo nivel está dividido en varios módulos diferentes los cuales

realizan el trabajo en forma descentralizada y así obtener mejor rendimiento de

procesamiento. La interfaz de usuario el programa se inicia cargando las variables y

registros y configurando los diferentes módulos periféricos del microcontrolador

como el USART y el convertidor analógico digital (ADC). Una vez cargado el

programa se verifica el modo de trabajo, el cual puede ser modo PC o modo teclado,

en el caso de ser el primer el microcontrolador se pone en modo recepción en su

puerto de comunicación serial síncrono y espera las instrucciones que el PC le envíe

por medio del software de alto nivel y usado tramas ajustadas a un protocolo de

comunicaciones previamente establecido. En este punto hay varias opciones y puede

ser que el usuario quera ajustar la hora del DS1307, en este caso con un botón de

envío se manda la hora que este cargada en el sistema, el microcontrolador procesa

esta trama y la carga en los registros correspondientes del DS1307. En caso de que se

quiera descargar la información almacenada en la memoria, luego de recibir la trama

se leen los datos escritos en la memoria serial y se envían a través del modulo de

comunicación a el PC. Otro caso sería que se reciba la trama de graficación, en este

caso se revisa la información contenida en la trama y en base a esto se selecciona la

derivación configurando el integrado 4052, se activa el ADC del microcontrolador y

se siguen enviando datos respetando la solicitud del usuario. El microcontrolador

estará escuchando hasta que se salga del modo PC que lo hará automáticamente al

cerrar el software de alto nivel o al presionar una de las teclas del teclado programada

para tal fin.

Por otra parte si se selecciona el modo teclado, aparecerán una serie de menús

en la LCD del sistema que guiarán al usuario a través de todas las funciones del

dispositivo, luego de que el usuario haya aceptado las opciones del menú se activara

el ADC del microcontrolador y se enviará esta información a la memoria acompañada

de la hora que se haya extraído del DS1307, luego el sistema regresará al inicio del

menú donde nuevamente se pregunta por el modo de trabajo.

59

Grafico # 35. Diagrama de flujo de bajo nivel

60

Diseño de software de alto nivel

Está compuesto por una interfaz, por medio del cual el usuario controla el

prototipo, esta interfaz se desarrolló en Visual Basic, que es el ambiente de desarrollo

de interfaz de usuario, el cual contiene herramientas para crear interfaces gráficas

para aplicaciones. Con este software se puede graficar en tiempo real así como

también graficar la información que este almacenada en la memoria serial del

sistema, además de mostrar las coordenadas de la gráfica en los ejes X y Y

respectivamente.

De una manera general este programa consta de un cuerpo principal, (la interfaz

antes mencionada) en donde se espera que ocurra un evento (acción por parte del

usuario) y de procedimientos que ejecutan las distintas acciones seleccionadas. Cabe

destacar que el cuerpo principal del programa está implícito dentro del lenguaje, ya

que, ésta es una de sus principales características, es un lenguaje orientado a eventos,

es decir, cuando no se está ejecutando ninguna acción, el programa está

aparentemente detenido, sin embargo, siempre está chequeando la ocurrencia de

cualquier evento, una vez que este ocurre, se enlaza con la rutina que ejecuta dicha

solicitud.

Inicialmente el programa inicia en su modo presentación, este despliega una

imagen para el usuario y dentro de esta dos frames que contienen las opciones

principales del programa donde el usuario podrá escoger de una forma más minuciosa

y presentable el modo en el que desea trabajar y adquirir la señal. En la opción

información, el usuario escogerá que derivación desea tomar, y el tiempo que desea

tomarla, así como también la opción de visualizar en tiempo real, en la parte de

configuración se encuentran las opciones de descargar y borrar memoria, así como

también sincronizar el reloj de tiempo real DS307 con la hora del equipo, esto debido

a el pequeño error que este presenta y que hace que cada cierto tiempo de atrase, cabe

destacar que todos los relojes se atrasan, la diferencia está en la frecuencia con la que

lo hacen.

61

Grafico 36. Diagrama de flujo de alto nivel

62

Módulo de Alimentación

El módulo de alimentación se construirá en base a una estructura la cual

soportará los elementos a ensamblar y los alimentará mediante el uso de baterías de 9

Voltios, estas estarán conectadas a un integrado llamado Regulador de Voltaje

LM7805 el cual tiene la función de regular el nivel de voltaje a 5 Voltios, en la salida

del LM7805 se conecta un condensador de 100nF que cumple la función de eliminar

ruidos indeseables lo cual es ideal para alimentar el microcontrolador y el resto de los

elementos electrónicos de este proyecto.

Grafico 37. Esquema Alimentación

63

Integración de los módulos

Grafico 38.

Autor: Marco Bareño (2011)

Este esquemático, que es el modelo final, es el resultado de varias pruebas

basadas en su mayoría en ensayo y error, en pruebas y resultados y la respectiva

corrección para obtener algún valor deseado, algunas de las pruebas y modificaciones

se describen a continuación.

La primera prueba que se efectúo fue la de conectar a la rata al sistema, el

resultado fue una señal muy pequeña en amplitud y con cierta componente de ruido,

para corregir esto se decidió amplificar aun más modificando la resistencia del

amplificador de instrumentación, el resultado de esto fue que la señal se amplificaba

junto con el ruido, esto es algo crítico y determinante en este tipo de sistemas. Luego

con la ayuda de un osciloscopio digital, el cual posee una función muy útil para este

tipo de pruebas y es la de mostrar mediante un grafico las componentes de frecuencia

que se encuentran presentes en la medición, y estas eran las de 60 Hz junto cónsul

armónicos, la solución para esto fue la de usar otro filtro notch para producir un notch

de segundo orden, luego de visualizar nuevamente la gráfica se aprecio que aun había

una fuerte componente de 60 Hz sin embargo luego de poner un tercer notch se pudo

X1

CRYSTAL

D7

14

D6

13

D5

12

D4

11

D3

10

D2

9D

18

D0

7

E6

RW

5R

S4

VS

S1

VD

D2

VE

E3

LCD1LM016L

R1

1k

1 2 3

4 5 6

7 8 9

0 #

1 2 3

A

B

C

D

KP1

MODDLL=KEYPAD

X2FREQ=32768Hz

D1R6

330

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA3/AN3/VREF+5

RA4/T0CKI/C1OUT/RCV6

RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT7

RA6/OSC2/CLKO14

OSC1/CLKI13

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA33

RB1/AN10/INT1/SCK/SCL34

RB2/AN8/INT2/VMO35

RB3/AN9/CCP2/VPO36

RB4/AN11/KBI0/CSSPP37

RB5/KBI1/PGM38

RB6/KBI2/PGC39

RB7/KBI3/PGD40

RC0/T1OSO/T1CKI15

RC1/T1OSI/CCP2/UOE16

RC2/CCP1/P1A17

VUSB18

RC4/D-/VM23

RC5/D+/VP24

RC6/TX/CK25

RC7/RX/DT/SDO26

RD0/SPP019

RD1/SPP120

RD2/SPP221

RD3/SPP322

RD4/SPP427

RD5/SPP5/P1B28

RD6/SPP6/P1C29

RD7/SPP7/P1D30

RE0/AN5/CK1SPP8

RE1/AN6/CK2SPP9

RE2/AN7/OESPP10

RE3/MCLR/VPP1

U10

PIC18F4550

VBAT3

X11

X22

SCL6

SDA5

SOUT7

U12

DS1307

BAT13V R5R7

SCL6

SDA5

WP7

A12

A01

U2

AT24C512

3

2

1

84

U4:A

LM358N

5

6

7

84

U4:B

LM358N

3

2

1

84

U5:A

LM358N

5

6

7

84

U5:B

LM358N

R8

100k

R1010k

C1220nF

1.0 LDR1LDR

C2

470nF

R1110k

R91k

C3

33uF

R12510k

R13

160k

C4470nF

R14

100k

R1510k

R16

22k

C51uF

R1747k

C61nF

R18

22k

R19

220k

R20

10k

D21N4733A

R21

1k

3

2

1

411

U1:A

LF347

5

6

7

411

U1:B

LF347

10

9

8

411

U1:C

LF347

U1:A(V+)

U1:C(V-)

PATA DELANERA IZQUIERDA

PATA TRASERA IZQUIERDA

PATA DELANTERA DERECHA

PATA TRASERA DERECHA

X012

X114

X215

X311

Y01

Y15

Y22

Y34

A10

B9

INH6

X13

Y3

U11

4052

3

2

RG18

RG21

4

7

6

REF5

U3

INA122

C7

470nF

C8

470nF

R225.6M

R235.6M

50%

RV110k

R24

5.1k

R25

10k

3

2

1

411

U6:A

LF347

C9

220nF

C10100nF

R26

12k

5

6

7

411

U6:B

LF347C11

470nF

R27

12k

C12

220nF

C13

220nF

R286.2k

R29

6.2k

10

9

8

411

U6:C

LF347C14

470nF

R30

6.2k

C15

220nF

C16

220nF

R313k

12

13

14

411

U6:D

LF347

R32

10k

R33

10k

R34

1k

R351k

D31N4148

D41N4148

D51N4148

R3610k

VI1

VO3

GN

D2

U77805

C173.3unF

C18100uF

D6

1N4148

D71N4148

R37

1.8k

Vdd

J1

J2

J3

J4

J5

R38

470

R3910k

C191nF

Vdd

Vdd

J6Tx

J7Rx

C20100nF

64

ver que se estaba sobre filtrando la señal ya que la redondeaba en sus picos, la posible

explicación a esto es que la superficie de contacto de las patas del roedor es

aproximadamente del 10% de la superficie total del sensor lo que produce que el resto

del sensor capte las señales electromagnéticas presentes en el ambiente, además de

esto juega en papel importante la baja intensidad de la señal del roedor en

comparación con otros mamíferos así como también el hecho que los sensores con los

que se contó tenían bastante tiempo de uso por lo que el materia conductivo que los

envolvía, un baño de plata, estaba prácticamente desprendido de estos, la solución

final fue implementar una caja de Faraday y conectar la superficie conductiva que la

envolvía a masa, esto bajo tanto la incidencia del ruido que se opto por eliminar el

último filtro notch y así se evitaba también el exceso de filtrado que modificaba la

señal.

65

Conclusiones

El desarrollo de este sistema permitió demostrar como la electrónica día a día se

va fusionando con otras ciencias y ramas de estudio para facilitar el trabajo de estas.

Cada vez se puede ver como la optimización y automatización de equipos y procesos

por parte de la electrónica, más que una comodidad se convierte en una necesidad

debido a las mejoras en cuanto precisión, manejo, disminución de costos,

disminución de tiempo para llevar a cabo una tarea e implementación de soluciones

que sin el aporte de la electrónica sería difícil por no decir imposible ejecutarlas.

Con un buen estudio sobre el comportamiento de los roedores en espacios

estrechos y un buen aprovechamiento, configuración y uso de los componentes que se

vieron en este trabajo de grado, es posible capturar una señal cardiaca muy precisa sin

necesidad de anestesiar a el animal o usar métodos que ponen la vida del animal en

riesgo.

Con el uso de métodos de adquisición no invasivos se evita la acumulación y

posible contaminación biológica producto de la muerte de los roedores, además se

evita la crítica y posible sanción por parte de grupos simpatizantes de los derechos de

los animales, que cada vez son más y más escuchados por la sociedad civil.

Con el uso del sistema implementado se logra capturar una señal cardiaca sin la

presencia de sustancias anestésicas como el pentobarbital que son capaces de viciar la

señal que se esté estudiando.

Se ha podido demostrar que la implementación de este sistema se puede

trabajar mejor con el animal, causando menos traumas como es la alteración de la

conducta que hace que el sistema nervioso trabaje de forma inadecuada, así como

también la recopilación de buena información sin incluir el error humano presente en

el experimento, debido a que ya no se necesita tener contacto directo con el animal.

66

Recomendaciones

Con el propósito de mejorar las funciones y las capacidades del prototipo, se

hacen las siguientes recomendaciones:

Rediseñar el la caja de adquisición no invasiva de tal forma que pueda ser

adaptada a otras especies que son usadas también para la experimentación medica.

Invertir en sensores nuevos sin desgaste y si es posible que esten hecho con

materiales mas conductivos como el oro, ya que la señal de este tipo de animales es

muy baja.

Se recomienda conectar sensores de presión, temperatura, de frecuencia

respiratoria para obtener unos resultados y reportes más completos sobre la

experimentación a realizar.

También se recomienda la utilización de un DSPIC para la implementación de

filtros auto regulables mediante el uso de transformadas de furrier.

Migrar el alto nivel a otro lenguaje de programación más robusto como Java,

para así aumentar sus funciones y capacidades, como podría ser que después de

capturar la señal se envíe a un servidor para ser revisada en cualquier momento por el

usuario vía internet.

Siguiendo la línea anterior se podría implementar un sistema experto para que

emita un diagnostico en base a la señal obtenida.

67

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[Consulta: 2009, Julio 09].

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70

71

Introducción

El propósito de este manual es dar al usuario los conocimientos necesarios para la

buena manipulación del prototipo, para evitar un mal funcionamiento en el futuro.

Objetivos

Suministrar al usuario toda la información necesaria para el manejo del

sistema.

Mostrar las posibles fallas técnicas al usuario si se llegase a presentarse por

una mala manipulación.

Tutelar al usuario durante la instalación del sistema.

Indicar las especificaciones técnicas del equipo.

Descripción el sistema

El sistema de captura y almacenamiento de la señal ECG de roedores para ser

utilizados en la investigación médica, es una estación de trabajo portátil cuyo objetivo

es capturar las señales ECG de ratas Sprague Dawley utilizadas en la investigación

médica, de forma no invasiva y sin requerir de anestésicos. El sistema está dividido

en dos unidades principales, una móvil y una local, la primera es la que el usuario

puede trasladar con facilidad de un lugar a otro y que tiene una jaula especializada

para inmovilizar a el roedor y ajustar los sensores a la posición de sus patas, anexo a

esta estructura se encuentra un modulo que brinda una interacción con el usuario a

través de una pantalla LCD y que le permite seleccionar la forma en que desea

capturar la señal que este necesite, asignándole un código a el roedor, escogiendo el

tiempo de captura y derivación de la señal, estos datos serán almacenados en una

memoria y después cuando se conecten a la unidad local serán descargados a esa para

su visualización. La unidad local es un software de alto nivel desarrollado de Visual

Basic versión, es un lenguaje muy amigable, con este software se podrá poseer total

control del sistema de adquisición de la señal, así como también llevar un registro en

una base de datos de los experimentos realizados y los resultados obtenidos a modo

de comentario por parte del especialista, así mismo se podrá visualizar la grafica en

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modo continuo o modo discreto, esto como requerimiento de los especialistas para un

mejor estudio de las señales obtenidas de los sujetos de experimentación. La conexión

entre el sistema y el equipo donde esté instalado el alto nivel será vía cable USB, lo

que lo hace totalmente adaptable y universal.

Especificaciones Técnicas

Alimentación:

Dos baterías de 9V DC para la estación de trabajo portátil.

Fuente de alimentación AC 110V 60Hz para la PC donde esté instalado el alto

nivel

Manejo de la estación de trabajo portátil

El sistema cuando trabaja en modo portátil es capaz de adquirir las señales con

las mismas especificaciones que se le podrían asignar mediante el software de alto

nivel. Una vez que el roedor es introducido en la jaula que contiene los electrodos, se

enciende el sistema y de aquí en adelante bastara con seguir las instrucciones que se

proyectan en la pantalla de la LCD. El primer mensaje en aparecer será “Seleccione

el modo de trabajo”, seguidamente aparecerá un segundo mensaje que dirá “1_modo

PC 2_Modo teclado”, para trabajar en el modo portátil se deberá presionar la tecla

que tiene impreso el número 1 del teclado, luego un nuevo mensaje solicitara el

código del roedor, en este punto el usuario ingresara el numero que este le asigne al

código de la rata en dos dígitos es decir que si se desea marcar el numero 1, se deberá

escribir 01, después de este mensaje el sistema solicitara la confirmación del numero

seleccionado, en caso de que no aparezca el numero que usuario quiso ingresar, puede

presionar la tecla correspondiente a la palabra “NO” para que se regrese nuevamente

al menú donde se pregunta por el código de la rata. Los mensajes siguientes siguen la

misma filosofía, numero de dos dígitos y después de ingresar el número se solicitara

la confirmación por parte del usuario con acepción del último mensaje donde se pide

se introduzca la derivación a obtener, en este caso basta con presionar un solo digito,

73

pero de igual forma se solicitara la confirmación. Luego de confirmar ese último

mensaje, el sistema tomara la señal seleccionando le derivación correspondiente y el

tiempo asignado por el usuario, esta información será almacenada en la memoria y a

la espera de que se descargue para ser visualizada por el software de alto nivel. Luego

el menú se posicionara nuevamente en selección de modo de trabajo.

Manejo de la estación de trabajo fija (Software de alto nivel)

Para entrar a esta función el procedimiento es muy similar al anterior, se

enciende la estación portátil, pero la diferencia está en que una vez hecho esto, se

conecta mediante el cable USB a cualquier puerto de la PC. Ya en este punto deberá

aparecer en el menú de la LCD la opción para seleccionar el modo de trabajo, en vez

de entrar a la opción modo teclado, se ingresa a la opción modo PC, a partir de este

punto todo el control será por el software de alto nivel. Se ingresa al programa de alto

nivel.

El programa presenta una pantalla muy amigable en la cual aparece un menú de

opciones desplegadas en la parte superior del programa por el cual el usuario se podrá

desplazar por todas las opciones que tiene a disposición. Ver figura 35

74

Imagen principal alto nivel

En la barra de menú, esta la opción información, donde el usuario escogerá

que derivación desea tomar, y el tiempo que desea tomarla, así como también el

código de la rata y la fecha de la muestra.

La parte de configuración es la encargada de establecer los parámetros necesarios

para una toma exitosa de los valores o una descarga efectiva de los datos

almacenados en la memoria del sistema portátil, algunas de estas opciones son, los

puertos a los cuales se estará conectando con la PC, sincronización, borrar memoria y

modo tiempo real

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Introducción

Usualmente los dispositivitos electrónicos no requieren características

especiales, es por ello que el mantenimiento preventivo del sistema no implica un

gran trabajo, por el contrario es relativamente sencillo pero cabe destacar que de igual

forma es recomendable hacerle un mantenimiento en forma periódica, aunque el

sistema no lo necesite en este momento.

Este manual tiene como plan brindarle con fáciles consejos diferentes formas

de mantener su equipo en perfecto estado además de capacitarlo para detectar

pequeños errores capaces de resolver por cuenta propia.

Mantenimiento Preventivo

El objeto de este mantenimiento es llevar por una serie de pasos al

usuario para que se mantenga en óptimas condiciones el prototipo y evitar

fallas o daños en un futuro y alargar la vida útil del mismo

Llevar y mantenerlo mientras no se use, el prototipo a un sitio limpio,

sin polvo.

Verificar que la alimentación este desconectada.

Después de realizar las pruebas necesarias siempre se debe limpiar las

láminas de contacto para prolongar su utilidad.

Limpiar preferiblemente con papel higiénico el prototipo.

Mantenimiento Correctivo

En esta sección se refiere a resolver fallas comunes que pueden surgir en el prototipo.

El sistema no enciende

Verificar la carga de la batería.

Verificar la continuidad de los cables de la batería.

El sistema enciende pero no muestra la señal

Verificar el voltaje.

Verificar el voltaje en los módulos de control.

Verificar la correcta conexión del cable USB.

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No recibe la imagen en la Laptop

Verificar la carga en la batería.

Verificar el voltaje en los módulos de control.

Cierre y abra de nuevo el software.

Verificar que las patas del roedor estén haciendo contacto con

los electrodos.

Instrucciones de Seguridad

Estas instrucciones están hechas para que el usuario no manipule de una

manera inadecuada el sistema y le ocasione algún daño irreparable.

Siempre que el prototipo no se esté utilizando guardarlo en un lugar limpio y

taparlo, para que evite la acumulación de polvo.

Si el sistema posee una falla que no se encuentra en el manual correctivo,

llamar a servicio técnico.