Un panorama de software y hardware para las ciencias y las ingenierias

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1 Un panorama de software y hardware para las ciencias y las ingenierias Diseño de fármacos con métodos computacionales > Dispositivos de adquisición de datos > Un tip fuera de este mundo > MIT y las investigaciones sobre cáncer > Ingeniería de software > La Platafoma de eeglab para matlab > LIMS para información de laboratorios > México ante la economía del conocimiento 4 junio-agosto/07

2 Analice, Depure, Genere. Durante los últimos 60 años, Tektronix le ha ayudado a resolver sus problemas de análisis, depuración y generación de señales para diferentes aplicaciones, como: pruebas de fabricación, control de calidad, diseño electrónico y automotriz hasta análisis de video, por mencionar algunos. Contamos con un amplio portafolio de productos adecuados a cada una de sus necesidades. Nuestras familias de productos cuentan con las innovaciones tecnológicas que, estamos seguros, harán su trabajo mucho más fácil. Nuevo! Conózcalo en ISA Expocontrol 2007 Stand Contáctenos (TEK) Osciloscopio de Señales Mixtas Serie MSO4000 Para mayor información visite: ó envie un a: 2007 Tektronix, Inc. All rights reserved. Tektronix products are covered by U.S. and foreign patents, issued and pending. TEKTRONIX and the Tektronix logo are registered trademarks of Tektronix, Inc. Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - página 2 Anuncio C 07]

3 junio-agosto/07 PORTADA: Visualización creada usando Chem3D mostrando un enlace inhibidor del sitio activo de una peptidasa del VIH, cortesía Nicole Dieh de Cambridgesoft, 100 CambridgePark Drive Cambridge, MA 02138, U.S.A. Editor Ejecutivo: Andrea Domínguez Medina. Editor Adjunto: Modesto Vázquez Coronel. Ilustración y Diseño: Cinthya Dominguez, Fernando Tapia Rodríguez. Colaboradores: Gustavo Vega Gama, Ricardo Hernández Pérez, Claudia Ivonne Domínguez, Gloria Ovalle Cabazos, Alex Eisenring. Cómputo Científico y Técnico S.A. de C.V. es una publicación Trimestral. Insurgentes Sur , Col. Tlacoquemécatl del Valle C.P México D.F. Tiraje 10,000 ejemplares. Año 1, No. 4. Edición junioagosto/07. Circulación gratuita entre suscriptores de los principales centros de investigación y manufactura en México. Prohibida la reproducción total o parcial del contenido de esta revista por cualquier medio electrónico o magnético con fines comerciales sin el permiso previo de los editores. Reserva de la Dirección General de Derechos de Autor: Certificado de licitud de título No Certificado de licitud de contenido No Autorización de Registro Postal: PP , Marca registrada ante el IMPI Los artículos publicados en esta revista reflejan opiniones de la exclusiva responsabilidad del autor Tel Fax Impresión R.R. Donnelley de México, S. de R.L. de C.V. Cerrada Galeana 26, Fracc. Ind. La Loma, Tlalnepantla, Edo. de México, Distribución: Sepomex. R. P. PP Applied for BPA membership w w w.cociente.com.m x fecha de solicitud: marzo 29, Por tada Aplicaciones exitosas del diseño de fármacos asistido por computadora. Para muchas enfermedades se conocen estructuras tridimensionales de potenciales sitios de acción de fármacos. En diversas ocasiones los cálculos computacionales han tenido un papel muy importante en la investigación de moléculas que se unen a estos blancos y que actualmente se encuentran en uso clínico. Por: Dr. Christopher J. Knors Industria Selección de Dispositivos de Adquisición de Datos. En general, cuando se habla de un sistema de DAQ basado en una PC, se pueden identificar 5 partes principales: la PC, el software, hardware de adquisición de datos, acondicionamiento de señales y los sensores. Por: Gustavo Valdés. de National Instruments Un tip Fuera de este mundo para el aprendizaje de las Matemáticas. Experto en matemáticas aplicadas, el profesor Chartier es un ardiente coleccionista de ejemplos de cómo aplicarlas de una manera diferente. Colaboración de Maplesoft. Academia MIT. Investigaciones sobre Cáncer con las Herramientas de MathWorks. Los investigadores y estudiantes del MIT, están explorando métodos para el diagnóstico del cáncer en sus primeras etapas. Por: Bill Wrbican y Janet Gess. Colaboración the Mathworks Ingeniería de Software. La aplicación de un enfoque sistemático, disciplinado y cuantificable al desarrollo, operación y mantenimiento del software; esto es, la aplicación de la ingeniería al software. Por Marcela J. Peñaloza Baez. DGSCA-UNAM Investigación La Platafoma de EEGlab para MATLAB. El paquete de EEGlab es muy útil en el campo de la Neurofisiología experimental, pero es particularmente útil en el campo clínico, específicamente la epilepsia. Por: J. Gustavo Vega Gama. Ser vicios LIMS para el manejo de información de laboratorios. Este software es el que se utiliza en laboratorios para administración de muestras, placas, usuarios, instrumentos y otras funciones como, la facturación y automatización del flujo de trabajo. Por: Christine Paszko México ante la Economía del Conocimiento. El conocimiento y la información han sido elementos decisivos en todos los modos de desarrollo, ya que el proceso de producción siempre se basa sobre cierto grado en el procesamiento de la información. Por: Mario Alberto Alvarado. Secretaria de Economía.

4 Editorial ecientemente me topé, en el periódico, con una nota sobre el discurso de la niña Carolina Aranda (10 años), ante el Secretario de Salud, José Ángel Córdova Villalobos. Me dió mucho gusto encontrar que una niña, de tan corta edad, esté preocupada por la divulgación de las ciencias y la tecnología en nuestro país. Entre otras cosas en su discurso, Carolina demandaba una biografía extensa de Guillermo Haro, astrónomo mexicano, reconocido internacionalmente y descubridor de los objetos Herbig-Haro, de estrellas, novas y supernovas, galaxias azules e innumerables estrellas ráfaga, así como del cometa Haro-Chavira, descubierto en 1954 en la región del Toro.Y además, uno de los fundadores, y director por muchos años, del INAOE (Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica). Y Carolina se pregunta: Por qué se apoya más al futbol que a los científicos? Por qué no existe una biografía de Guillermo Haro?... Carolina exige saber y tener acceso a una educación de excelencia; Carolina dice Me da pena que no apoyen a la ciencia, que cada vez le dan menos recursos a la UNAM, y finalmente cierra su discurso con la frase: Un país que no invierte en ciencia y educación siempre será un país pobre... Queremos un México Pobre?. Nosotros No. Que sea esta reflexión una invitación para participar en Cociente y en nuestro país, haciendo divulgación científica, que demuestre, de manera simple, clara y correcta, las maneras en que el conocimiento mejora nuestras vidas y nuestro entorno. Saludos cordiales, Los editores Noticias» Electrónica Flexible para Músculos Artificiales Investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign están desarrollando estructuras electrónicas flexibles capaces de dar lugar a dispositivos electrónicos que puedan doblarse, expandirse, y manipularse de otros modos. Estas estructuras flexibles podrían encontrar aplicaciones útiles en sensores, así como en dispositivos electrónicos integrables dentro de músculos artificiales o incluso de tejidos biológicos. Además de su impacto biomédico, la electrónica flexible es importante para la tecnología energética, donde se utilizaría en sensores flexibles y de alta precisión para detectar hidrógeno. Estas estructuras fueron desarrolladas a partir de un concepto creado por el científico Yugang Sun, de Argonne, y un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois dirigido por John A. Rogers. El concepto se basa en formar nanocintas semiconductoras monocristalinas en configuraciones geométricas estirables, valiéndose especialmente de los materiales y del tipo químico de superficies utilizados en su fabricación, y de su respuesta mecánica ante la aplicación de tensiones. El objetivo de este nuevo trabajo era generar un concepto junto con la tecnología subsiguiente, que permitiera producir circuitos electrónicos que se estiren como correas de goma y acordeones, lo que debiera conducir a fabricar cubiertas con sensores incluidos, para aeronaves y robots, e incluso una piel protésica para seres humanos. Con los grandes recursos de ese centro a su disposición, Sun planea extender su investigación para centrarse en las aplicaciones de otros sensores biológicos y químicos. Fuente: NC&T Más información: news html Taller Internacional de Hadroterapia. Cinvestav Zacatenco El pasado mayo se organizó el Taller Internacional de Hadroterapia, con el fin de discutir la viabilidad, metodología y directriz de un proyecto nacional en este rubro, y que da inicio a un programa de formación de personal especializado en la tecnología de aceleradores, así como del diseño y construcción de estos equipos, dado que el desarrollo de los aceleradores de protones e iones ligeros para el tratamiento de cáncer es actualmente muy intenso. El Taller está auspiciado por la Comunidad Europea a través del proyecto ALFA-HELEN, que tiene su cede en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) de Suiza, y que ha desarrollado en los últimos años el proyecto ALICE, un colisionador de hadrones capaz de reproducir el Big Bang, y en el que han contribuido científicos de 28 países. Entre las instituciones participantes en México se encuentra el Cinvestav. El proyecto ALICE (A Large Ion Collíder Experiment)es considerado el experimento más grande de la historia; participan en él más de mil científicos; la primera colisión está programada para el 1 de noviembre de 2007 Una muestra de las superficies flexibles desarrolladas. Foto: ANL Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

5 > noticias ]» Proyecto para Rediseñar Internet Nick McKeown Foto: Stanford Univerity Internet resulta tan fascinante para la mayoría de la gente que la usa, que a casi nadie se le ocurriría hacerse esta pregunta: Es realmente como la habríamos construido si pudiésemos diseñarla hoy de arriba a abajo, desde sus cimientos? Nick McKeown, profesor de ingeniería electrónica y ciencias de la computación en la Universidad de Stanford, está liderando el esfuerzo. Él ha hecho contribuciones substanciales al desarrollo de la tecnología de enrutadores (routers) en el corazón de la actual internet. Por su parte, el codirector de la iniciativa y profesor de ingeniería electrónica Bernd Girod ha sido pionero de la distribución de contenidos multimedia en internet, contribuyendo directamente a los estándares para codificación de video digital. También comparten esta visión de un diseño radicalmente nuevo de una infraestructura global de comunicaciones, varios departamentos de ingeniería que han formalizado acuerdos para realizar investigaciones científicas dentro de este ambicioso proyecto. Patrocinándolos, están conocidas compañías, incluyendo Cisco Systems, Deutsche Telekom Laboratories y NEC. McKeown y sus colegas ya han identificado y comenzado a trabajar en cuatro direcciones que constituyen la filosofía inicial de investigación del proyecto. Algunos de estos esfuerzos están materializándose en el desarrollo de prototipos que ya permiten presagiar como podría ser una nueva internet. Un primer ejemplo es un prototipo de una red inalámbrica de 400 usuarios llamada Ethane y ubicada en el Edificio Gates de Ciencias de la Computación. Comienza con la prohibición de todas las comunicaciones. Los administradores simplemente tienen que comenzar a abrir los canales apropiados dentro de la organización mientras la seguridad es el estado que reina por defecto. En otra dirección, los científicos están trabajando para revisar y mejorar la interacción entre los enrutadores cercanos a las orillas de internet, en las cuales los usuarios se conectan a ella, y los enrutadores que gobiernan la columna vertebral de las comunicaciones de internet. El proyecto tiene por meta reemplazar los grandes enrutadores en la columna vertebral, con conmutadores ópticos de alta eficiencia que serían más flexibles y receptivos a las demandas de los enrutadores en las orillas. Esto podría permitir a los proveedores de servicios de internet obtener el ancho de banda exacto que requieren justo cuando sus usuarios lo necesiten. Fuente: NC&T Más información: Experimento Pionero en Robótica Médica Miniaturizada Unos 40 años después del estreno del clásico del cine de ciencia-ficción Viaje Fantástico, unos investigadores han alcanzado un gran logro tecnológico en el campo de la robótica médica, que recuerda en algunos aspectos a lo que dicha película mostraba. Se ha conseguido por vez primera guiar, en vivo y mediante un sistema computarizado de control, un microdispositivo no sujeto por cable alguno, dentro de una arteria, a la velocidad de 10 centímetros por segundo. Este logro es obra de expertos del Laboratorio de Nano-Robótica del Departamento de Ingenier ía Informática de la Academia Politécnica de Montreal, y del Instituto de Ingeniería Biomédica. Bajo la dirección del Profesor Sylvain Martel, catedrático de Investigación en Desarrollo, Construcción y Validación de Micro / Nanosistemas, y en colaboración con investigadores del Centro Hospitalario de la Universidad de Montreal (CHUM), el equipo de la Politécnica inyectó, impulsó y controló con éxito por medio de software especial un prototipo de vehículo, no unido a cable alguno, dentro de la arteria carótida de un animal vivo colocado dentro de un equipo clínico de resonancia magnética (MRI). La nave intracorporal utilizada es una esfera ferromagnética de 1,5 milímetros de diámetro. Animados por estos resultados, los miembros del equipo del Laboratorio de Nano-Robótica de la Politécnica están trabajando actualmente en reducir el tamaño del dispositivo de manera que, en sólo Sylvain Martel. Foto: Academia Politécnica de Montreal algunos años, los nuevos vehículos puedan navegar dentro de vasos sanguíneos más pequeños. La inyección y el control de los nanorrobots dentro del cuerpo humano, que contiene aproximadamente cien mil kilómetros de vasos sanguíneos, es una estrategia prometedora que puede permitir realizar intervenciones médicas a blancos en el cuerpo que durante mucho tiempo han resultado inaccesibles mediante el uso de instrumentos médicos más convencionales, como los catéteres. En colaboración con sus asociados, los investigadores de la Politécnica han comenzado a desarrollar varios tipos de micro y nanodispositivos para nuevas utilidades, tales como la aplicación de medicamentos en la ubicación exacta de un tumor, y el diagnóstico de alta precisión, empleando biosensores capaces de navegar por el interior del cuerpo. Se han solicitado patentes para este método de monitorización y guiado de dispositivos en tiempo real para cirugías mínimamente invasivas empleando la MRI. La comercialización de la tecnología le ha sido confiada a Gestion Univalor, una organización cuya misión es comercializar los descubrimientos realizados por los investigadores en la Universidad de Montreal, y de algunas otras instituciones canadienses. Fuente: NC&T Más información: w w w.cociente.com.m x

6 > noticias ]» Un Nanogenerador de Energía Eléctrica sin Problemas de Abastecimiento u otras fuentes de energía externas. Los nanogeneradores aprovechan las propiedades piezoeléctricas y semiconductoras de las nanoestructuras de óxido de zinc, que producen pequeñas cargas eléctricas cuando se doblan. Zhong Lin Wang, profesor en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales del Instituto Tecnológico de Georgia, y Xudong Wang, Jinhui Song y Jin Liu, miembros de su grupo, esperan que con la debida optimización, su nanogenerador pueda producir hasta 4 vatios por centímetro cúbico, basándose en un cálculo para un solo nanocable. Eso sería suficiente para suministrar energía a Unos investigadores han demostrado nanodispositivos de muy diverso tipo, incluyendo un prototipo de generador, de tamaño biosensores implantados en el cuerpo, sensores nanométrico, que produce corriente continua para monitorización medioambiental e incluso de manera constante, utilizando para ello nanorrobots. la energía mecánica producida por fuentes Como el óxido de zinc no es tóxico y medioambientales tales como ondas de resulta compatible con el cuerpo, los nuevos ultrasonido, vibraciones mecánicas o el flujo nanogeneradores podrían estar integrados en de la sangre. los dispositivos biomédicos implantables para Basados en conjuntos ver ticalmente medir de modo inalámbrico el flujo de la sangre alineados de nanocables de óxido de zinc y la tensión arterial dentro del cuerpo. movidos dentro de un novedoso electrodo, También podrían encontrar aplicaciones los nanogeneradores podrían proporcionar más cotidianas. Por ejemplo: si usted tuviera una nueva forma de alimentar los dispositivos un dispositivo de este tipo en sus zapatos, de tamaño nanométrico sin utilizar baterías al caminar podría generar su propia corriente Zhong Lin Wang. Foto: GIT LabVIEW de National Instruments proporciona soporte para Windows Vista National Instruments, uno de los líderes globales en el diseño gráfico de sistemas, ha anunciado la disponibilidad de una nueva versión de LabVIEW, la plataforma gráfica del diseño para prueba, control y desarrollo de sistemas embebidos, para su utilización con Windows Vista. NI LabVIEW incluye tanto el entorno de desarrollo en PC como el software de aplicación relacionado, incluyendo los módulos LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA. NI ha lanzado también nuevos drivers necesaria para alimentar sus pequeños dispositivos electrónicos de bolsillo. Cualquier cosa que haga moverse a los nanocables dentro del generador puede emplearse para generar energía eléctrica. La fuerza necesaria para moverlos es muy pequeña. Fuente: NC&T Más información: news-room/release.php?id=1326» Generacion más fácil de Electricidad con Celulas de Combustible Microbianas Un ánodo de fibra de carbono desarrollado por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, hará posible aprovechar las células de combustible microbianas para la producción de electricidad a gran escala. Además, un cátodo especial, adaptado a partir de equipamiento existente de tratamiento de aguas residuales completará el circuito. Estos ánodos de fibra de carbono son, estructuralmente, cepillos, y pueden ser producidos por los fabricantes de éstos, en cualquier tamaño o forma deseada. Son conductores eléctricos muy baratos de confeccionar y suministran una gran área superficial para adherir la biopelícula bacteriana. Las células de combustible microbianas funcionan a través de la acción de bacterias que pueden pasar electrones al ánodo de la célula. Los electrones fluyen desde el ánodo a través de un cable al cátodo, produciendo una corriente eléctrica. En el proceso, las bacterias consumen la materia orgánica de las aguas residuales y limpian el agua. El nue- vo método utiliza las bacterias que existen de manera natural en las aguas residuales; no requiere de ninguna cepa bacteriana especial o condiciones medioambientales inusuales. Los investigadores demostraron previamente que las células de combustible que empleaban un papel de fibra de carbono como ánodo y un papel de fibra de carbono con catalizador de platino como cátodo, podían producir electricidad y agua limpia a partir de las aguas residuales. Sin embargo, a escala comercial ese sistema no era práctico. Mientras que el ánodo tipo cepillo puede sumergirse en las aguas residuales, el cátodo debe tener un lado expuesto al oxígeno del aire para funcionar. Los investigadores se decantaron por los tubos de membrana usados actualmente en operaciones de tratamiento de aguas residuales. Disponibles en el ámbito comercial, existen en diversos tamaños que van mayormente desde 180 a 240 centímetros de longitud. Estos tubos de membrana no son conductores de electricidad, pero los investigadores los pintaron con pintura de grafito conductor y agregaron un catalizador basado en el cobalto. Un beneficio adicional de la célula de combustible microbiana es que, mientras genera electricidad, limpia las aguas residuales, algo que normalmente requiere del consumo de energía. Fuente: NC&T Más información: news/resources/releases/2007/blade.html La célula de combustible, junto al cátodo y el ánodo especiales. Foto: Bruce Logan, Penn State Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

7 para el hardware de 32 y 64 bits con soporte para las versiones de 32 y 64 bits de Windows Vista. Por primera vez, NI está ofreciendo controladores embebidos de PXI con Windows Vista pre-instalado como sistema operativo predeterminado. NI presenta el software Sound and Vibration Measurement Suite 5.0 para realizar medidas interactivas basadas en software National Instruments ha anunciado el lanzamiento de NI Sound and Vibration Measurement Suite Version 5.0, el nuevo» Nuevo Sensor Detecta Sucedaneos Gaseosos de Armas Químicas en 45 Segundos Usando láseres y diapasones, unos investigadores del PNNL han desarrollado una técnica de detección de armas químicas que promete igualar o superar los requisitos de detección química (actuales y en desarrollo) para la defensa y la seguridad públicas. La técnica, denominada QPAS, ahora está lista para el desarrollo de prototipos y la realización de las pruebas de campo. software interactivo para el análisis del sonido y vibraciones que incluye NI Sound and Vibration Assistant. El software Sound and Vibration Measurement Suite 5.0 es la colección de herramientas de análisis y proceso de la señal más completa de National Instruments para aplicaciones de ruido, vibraciones, sonidos estridentes (NVH: Noise, Vibration and Harshness); supervisión del estado de máquinas y pruebas de audio. El software Sound and Vibration Measurement Suite 5.0 trabaja los productos LabVIEW y Dynamic Signal Acquisition (DSA) y proporciona capacidades avanzadas de análisis para las pruebas de medida usando la adquisición y el análisis integrados. Una parte del sensor, junto a una moneda para demostrar su pequeño tamaño. Foto: PNNL El PNNL ha demostrado la capacidad de la técnica QPAS para detectar a sucedáneos de varios gases que atacan al sistema nervioso. En una prueba, los investigadores emplearon el DIMP, compuesto químico similar al gas sarín. Mediante QPAS, se detectó al DIMP en niveles inferiores a una parte por cada mil millones en menos de un minuto. El minúsculo nivel resulta similar al producido por la evaporación de una gota de DIMP líquido en un volumen de aire que llenaría más de dos piscinas de dimensiones olímpicas. La técnica QPAS es sumamente sensible y selectiva, puede ser miniaturizada y resulta útil para trabajar sobre el terreno, explica Michael Wojcik, científico investigador del PNNL. El láser, los diapasones y otras tecnologías necesarias para la QPAS, son tan simples, y sin embargo tan robustos, que el desarrollo ulterior es una inversión de bajo riesgo y estamos ansiosos por llevarla al próximo nivel. El instrumento se basa en el Láser Sensor Foto-Acústico y en los láseres infrarrojos de cascada cuántica (o QCLs). La LPAS es una forma muy sensible de espectroscopia de absorción óptica, donde un haz láser pulsado crea una breve absorción en una muestra de gas, que a su vez produce una señal acústica muy pequeña. Un diminuto diapasón de cuarzo funciona como un micrófono para grabar la onda de sonido resultante. Los investigadores del PNNL emparejaron múltiples QCLs con diapasones, permitiendo el examen simultáneo de una sola muestra a muchas longitudes de onda infrarrojas. Debido a esta facilidad de acceso y al hecho de que el QPAS es casi inmune a la interferencia acústica, el nuevo sistema tiene el potencial para ofrecer una sensibilidad y una selectividad químicas extraordinarias. Parte de la investigación se realizó en colaboración con la Universidad Rice, de Houston, Texas, donde se originó una parte de la tecnología QPAS. Fuente: NC&T Más información: Hacia una Electrónica de Plástico La investigadora holandesa Paulette Prins ha demostrado que los plásticos no tienen por qué ser siempre peores conductores que los semiconductores actuales. Esto abre las puertas para una próxima revolución en la electrónica de consumo: teléfonos móviles, reproductores de MP3, y otros dispositivos que, entre otras prestaciones, sobrevivirán a las caídas. Imagínelo. Dispositivos electrónicos domésticos que no se rompen si se dejan caer accidentalmente, aparatos con pantallas flexibles que se pueden enrollar, y productos mucho más baratos. Hasta ahora no era más que un sueño. El factor limitante eran los chips en tales dispositivos. Estos necesitan conducir la electricidad, y los chips de plástico no tenían éxito en esta tarea. La conducción en los plásticos era veces menor que en la actual generación de semiconductores. Prins ha demostrado que ciertos plásticos especialmente desarrollados pueden conducir la corriente tan bien como los semiconductores existentes. Un grupo alemán de investigadores reconstruyó las cadenas. Formaron un polímero con una estructura relativamente fija, como una escalera de mano. Prins hizo un empleo ingenioso de esto. Se encontró que este polímero conduce la corriente veces mejor que lo mostrado previamente en otros plásticos. La combinación de simulaciones y técnicas avanzadas hace única la investigación de Prins. Ella bombardeó el material con electrones de un acelerador de partículas, lo que le permitió estudiar las rápidas reacciones en el plástico con una exactitud de 100 microsegundos. Como consecuencia, determinó la conductancia de los polímeros midiendo la absorción de microondas. Esto evitó la necesidad de usar electrodos. Tales electrodos alteran frecuentemente las mediciones. Fuente: NC&T Polímero reconstruido para aumentar su conductividad. Foto: NWO Más información: nsf/pages/nwoa_6z3c6y_eng?opendocument > noticias ] w w w.cociente.com.m x

8 > adquisición de datos ] Selección de dispositivos de Adquisición de Datos Más allá de las especificaciones del A/D Por: Gustavo Valdés Figura 1. Componentes básicos de un sistema de adquisición de datos Componentes de un Sistema DAQ En general, cuando se habla de un sistema de DAQ basado en una PC, se pueden identificar 5 partes principales: la PC, el software, hardware de adquisición de datos, acondicionamiento de señales y los sensores. Las características de cada uno de estos componentes determinarán en parte el desempeño adecuado del sistema. Por ejemplo, la PC debe contar con un buen procesador o suficiente memoria RAM para poder transferir y procesar continuamente todos los datos adquiridos, de lo contrario la velocidad máxima de lectura se limitará. El software de aplicación debe ser poderoso para analizar y presentar la información correctamente al usuario, y flexible para poder evolucionar conforme cambien las necesidades de la aplicación. Por otro lado, una elección correcta de los sensores y el acondicionamiento de señales es clave para manipular y preparar la señal antes de ser digitalizada a través de etapas de filtrado de ruido, amplificación, excitación de voltaje o corriente, etc. Al momento de elegir el hardware de DAQ, debe de considerar varias especificaciones para asegurar que el hardware de medición sea capaz de cumplir con los requisitos de la aplicación. De manera general, las características más obvias son la resolución, la máxima velocidad de muestreo, el número de canales, el precio, y la disponibilidad de algún tipo de software controlador o driver para comunicarse con el equipo. Estas características parecen suficientes para configurar y comprar un dispositivo de DAQ; sin embargo, existen otras que son cruciales cuando se trata de aplicaciones de alta velocidad, niveles de voltaje peligrosos, muchos canales o integración con otras tareas como control de movimiento o visión. Algunas son el mecanismo de muestreo de las entradas analógicas, el aislamiento eléctrico del dispositivo, el bus de comunicación con la PC, la facilidad de uso del controlador, y otras. Conocer cómo cada una de estas características afecta el rendimiento total del sistema DAQ es clave para realizar una compra adecuada de equipo. Especificaciones de las entradas analógicas Las especificaciones de la entrada analógica sirven para determinar tanto las capacidades como la precisión del dispositivo de DAQ. Las especificaciones más básicas son: el número de canales, la máxima velocidad de muestreo, la resolución y el rango de entrada. El número de canales analógicos de entrada se especifica en número de entradas diferenciales, así como entradas de terminal sencilla. Por ejemplo, una tarjeta de DAQ puede tener 8 canales diferenciales o 16 canales de entrada de terminal sencilla. Las entradas de terminal sencilla (o single-ended) están todas referenciadas a una terminal de tierra común. Es recomendable utilizar este tipo de entrada analógica cuando las señales de voltaje son mayores a 1 V, las terminales de la fuente de la señal son menos a 5 metros y todas las entradas comparten la misma tierra. Si las señales no cumplen con los criterios anteriores, se recomienda utilizar los canales de entrada en modo diferencial. Con entradas diferenciales, cada entrada tiene su propia referencia a tierra; de esta forma, los errores por ruido se reducen debido a que el ruido captado normalmente por una sola terminal se cancela entre las terminales. Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

9 El convertidor analógico-digital, o A/D, es uno de los componentes principales en un dispositivo de adquisición de datos. Su función es la de digitalizar las señales continuas del mundo real en señales digitales discretas que la computadora puede entender. La máxima velocidad de muestreo de un A/D determina qué tan rápido ocurren las conversiones. A mayores velocidades de muestreo, se adquieren más datos en un periodo de tiempo y por lo tanto se representa mejor la señal original. Para aplicaciones de múltiples canales, existen dos arquitecturas principales de los A/Ds para adquirir las señales: muestreo multiplexado o simultáneo. Más adelante discutiremos las características y ventajas de cada una de estas arquitecturas. Otra de las características del A/D en un dispositivo de DAQ es su resolución. La resolución es el número de bits que el A/D utiliza para representar la señal analógica. A mayores resoluciones, mejor será la detección en los cambios mínimos de voltaje de la señal. Para ilustrar mejor este concepto, considere la onda sinusoidal y su representación digital de la Figura 2. En este caso, se tiene un A/D de 3 bits que divide el rango analógico en 2 3 escalones, equivalente a 8. Cada división se representa por un código binario entre 000 y 111. Como se aprecia en la gráfica, la representación digital no es una buena reproducción de la señal analógica original ya que pierde información en la conversión. Sin embargo, al incrementar la resolución de 3 a 16 bits, el número de códigos disponibles en el A/D aumenta de 8 a 65,536 y permite tener una representación digital más precisa de la señal analógica. Actualmente, los dispositivos o tarjetas de adquisición de datos incluyen A/Ds de 16 bits para las aplicaciones más comunes; para aplicaciones que requieren de analizar señales dinámicas, como sonido o vibración, es recomendable utilizar dispositivos con A/Ds de 24 bits. Finalmente, también hay que considerar el rango y la ganancia del A/D al momento de especificar un dispositivo de adquisición de datos. El rango se refiere a los niveles de voltaje máximos y mínimos que el A/D puede cuantificar. La ganancia se entiende como un multiplicador que sirve para ajustar la señal de entrada al rango definido. Es preferible que los dispositivos de adquisición de datos cuenten con diferentes rangos y ganancias configurables por el usuario. Esta flexibilidad permite igualar el rango del A/D con la señal de entrada, y de esa manera poder detectar de una mejor manera los cambios mínimos en el voltaje. Son las tres características antes mencionadas, resolución, rango y ganancia, las que se utilizan para determinar el cambio mínimo de voltaje detectable por el dispositivo de adquisición de datos. La manera más sencilla para determinar los cambios mínimos es a través de la siguiente ecuación: Imagine una tarjeta de adquisición de datos comercial de 16 bits con un rango configurable de 0 a 10 V o de -10 a 10 V y una ganancia configurable de 1, 2, 5, 10, 20, 50 o 100. Si se selecciona un rango de 0 a 10 V y una ganancia de 100, el cambio mínimo de voltaje detectable por la tarjeta sería de: Esta tarjeta, que detecta cambios de 1.5 μv, es suficiente para aplicaciones que no requieren de alta velocidad de muestreo pero sí capacidad para leer señales en el rango de microvoltios, como señales de voltaje mínimo desde termpares. Mecanismo de muestreo Para configurar un sistema de adquisición de datos de múltiples canales, es importante no sólo considerar la máxima velocidad de muestreo y el número de canales, sino también el mecanismo de muestreo de los canales ya que éste también determinará la velocidad de lectura de los canales de entrada y la precisión del dispositivo de DAQ. En términos generales, se pueden identificar tres mecanismos para el muestreo de los canales analógicos: multiplexado, simultáneo con sample and hold (SSH) y simultáneo con múltiples A/Ds. A continuación se describirá cada uno de ellos y sus áreas de aplicación. Arquitectura multiplexada Una arquitectura multiplexada es aquélla en la cual solamente se cuenta con un convertidor analógico-digital y un amplificador para todos los canales. Para cubrir todas las entradas, el dispositivo de DAQ utiliza un multiplexor, que barre todos los canales y arroja una única salida a la vez. La primera parte de la Figura 3 muestra de manera general esta configuración. Una característica de este tipo de arquitecturas es que la velocidad máxima de muestreo que se especifique en el dispositivo de DAQ se debe dividir entre el número de canales muestreados. Por lo tanto, si tiene una tarjeta de 500 ks/s y se están muestreando 5 canales, la velocidad máxima por canal será de 100 ks/s. Además, con esta arquitectura debe tomar en cuenta que habrá un pequeño desfase entre los canales ya que el multiplexor tiene que conmutar entre las entradas. Por lo tanto, las aplicaciones ideales para este tipo de arquitecturas son aquellas de un número de canales mediano o grande y que no requieren de muy altas velocidades de muestreo (con un máximo alrededor de 1 millón de muestras por segundo por canal) ni sincronización precisa entre todos los canales, como mediciones de temperatura, presión, humedad o voltajes cualquiera. Una alternativa para lograr muestreo simultáneo a través de sistemas multiplexados es utilizando la Figura 2. Onda sinusoidal digitalizada con 3 bits de resolución. Figura 3. Mecanismos para lecturas analógicas: multiplexado, SSH, y múltiples A/Ds. > adquisición de datos ] w w w.cociente.com.m x

10 > adquisición de datos ] Figura 4. El costo de los A/Ds se ha reducido en los últimos 15 años. arquitectura de simultaneous sample and hold o SSH. Como se muestra en la segunda sección de la Figura 3, en esta arquitectura se cuenta con un pre-amplificador y un circuito de retención SHH antes del multiplexor. En este caso, cada circuito SSH constantemente está registrando el valor de la señal de entrada antes de las lecturas. Justo antes de que se realice el muestreo, el dispositivo de adquisición de datos retiene simultáneamente el valor de voltaje de los circuitos SSH mediante un condensador interno. Posteriormente, el multiplexor y el A/D muestrean todos los canales en orden y liberan los circuitos SSH para que continúen registrando las entradas. Utilizando este mecanismo, los voltajes de entrada son simultáneos aún y cuando el muestreo propiamente sea de forma secuencial. Históricamente, la arquitectura SSH fue popular hace más de 10 años por ser una alternativa económica para lograr muestreo simultáneo en sistemas de muchos canales, ya que contar con un A/D dedicado por canal elevaba mucho el costo del dispositivo de DAQ. Sin embargo, la circuitería adicional de SSH añade retrasos (de hasta un 30%) y tiempos de establecimiento a las señales, por lo que la máxima velocidad de muestreo del sistema se degrada. Es por ello que mecanismos multiplexados, con o sin SSH, son mejores para realizar mediciones de señales de DC, como temperatura, tensión/esfuerzo, presión estática, etc., y no señales dinámicas como vibración y sonido. El tercer mecanismo más popular para dispositivos de adquisición de datos es el de múltiples A/Ds. Múltiples A/Ds permite lograr mayores velocidades de muestreo por canal, mejor precisión dinámica y menor complejidad en los circuitos. Como se puede apreciar en la tercera parte de la Figura 3, esta arquitectura no requiere de multiplexores para enrutar todos los canales a un solo A/D y no depende de circuitería SSH para lograr un muestreo simultáneo. La ausencia de estos componentes simplifica la ruta que deben seguir las señales para llegar al A/D y permite optimizar el circuito para realizar mediciones tanto de DC como de señales dinámicas. Con esta arquitectura es posible muestrear las señales de entrada de manera independiente (a velocidades distintas) o de manera simultánea a alta velocidad. Además, la velocidad máxima de muestreo no se divide entre el número de canales de entrada. Este tipo de arquitecturas es ideal para aplicaciones donde se necesita tener altas velocidades de muestreo y mediciones 100% simultáneas; ejemplos de estas aplicaciones son medición de sonido de micrófonos, o medición de señales de vibración en aplicaciones de mantenimiento predictivo de maquinaria. Gracias a que los costos de los A/Ds se han reducido en los últimos 15 años en casi un 75% (ver Figura 4), actualmente es factible y económico adquirir dispositivos de DAQ que cuenten con un A/D por canal. Aislamiento En muchas aplicaciones industriales donde se miden señales de voltaje, corriente, temperatura, presión, tensión y flujo, es común encontrar elementos que pueden dañar los sistemas de medición y perjudicar las mediciones como voltajes peligrosos, señales transitorias, voltajes de modo común y referencias a tierra fluctuantes. Para solucionar o prevenir estos problemas, los sistemas de medición para aplicaciones industriales deben contar con aislamiento eléctrico. El aislamiento separa eléctricamente las señales del sensor, que pueden estar expuestas a voltajes peligrosos, del plano del sistema de medición. De esta forma, el aislamiento protege contra todas las situaciones mencionadas: protege al equipo de medición, usuario, y los datos contra picos de voltaje; mejora la inmunidad al ruido; remueve los diferentes lazos de tierra; y rechaza mejor el voltaje de modo común. Un sistema de medición aislado cuenta con planos de tierra separados para la parte de entradas analógicas y la conectividad con el resto del sistema. De esta forma, la terminal de tierra de las entradas analógicas puede operar a niveles de potencial de voltaje diferentes a la tierra del sistema ya que es una terminal que está flotada. El aislamiento requiere que las señales sean transmitidas a través de la barrera de aislamiento sin tener ningún contacto eléctrico directo. Para implementar esta transmisión, existen tres componentes comúnmente utilizados: diodos emisores de luz, o LEDs, condensadores, e inductores. Los principios de operación de cada uno de estos componentes son la base para las tres tecnologías principales de aislamiento: óptico, capacitivo, y acoplamiento inductivo. > Aislamiento óptico: Uno de los métodos más comunes para implementar aislamiento. Utiliza un LED junto con un foto-detector para transmitir las señales a través de la barrera de aislamiento utilizando luz. El foto-detector recibe la luz transmitida por el LED y la convierte a la señal original. Un beneficio de esta tecnología es su inmunidad al ruido eléctrico y magnético; sin embargo, su velocidad de transmisión está limitada por la velocidad de conmutación del LED, disipa mucha potencia, y el LED se puede desgastar con el tiempo. > Aislamiento capacitivo: Se basa en el campo eléctrico formado por la carga en uno de los platos del condensador. Esta carga se detecta a lo largo de la barrera de aislamiento y genera un nivel de carga en el plato opuesto proporcional a la señal medida. Entre sus ventajas está su inmunidad al ruido magnético y las velocidades de transmisión superiores al aislamiento óptico. Este tipo de aislamiento es sensible a ruido eléctrico. 10 Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

11 > Aislamiento de acoplamiento inductivo: Basado en el principio de operación de los inductores. Este principio determina que una bobina de cable o alambre con un flujo de corriente generará un campo magnético que puede inducir a su vez un voltaje y corriente en otra bobina próxima dependiendo de la razón de cambio de corriente en la primera bobina. El aislamiento inductivo utiliza un par de bobinas separadas por una capa de aislamiento. Este tipo de aislamiento ofrece velocidades de transmisión similares al capacitivo, sin embargo es susceptible a interferencia por campos magnéticos externos. Existen dos maneras para implementar el aislamiento en un sistema de DAQ, dependiendo de su posición en relación con los A/Ds, como se muestra en la Figura 5: > adquisición de datos ] > Aislamiento analógico: Se implementa antes que la señal sea digitalizada por el A/D. Es el mejor método cuando agrega acondicionamiento de señales externo a un dispositivo de DAQ que no cuenta con aislamiento. Además, sirve para proteger al A/D y otros circuitos analógicos de sobre-voltajes. > Aislamiento digital: Se implementa después que la señal es digitalizada por el A/D. Esto permite colocar al A/D lo más cercano posible a la señal analógica original, lo cual mejora el rendimiento. Comparado con el aislamiento analógico, sus componentes son más económicos y ofrece velocidades de transmisión superiores. La protección de los A/Ds y circuitos analógicos de sobre-voltajes se realiza a través de circuitos reguladores de corriente y voltaje. En general, aquellas aplicaciones que requieran de conectividad con diferentes sensores especializados utilizando un solo dispositivo de adquisición de datos de propósito general se beneficiarán de utilizar un acondicionamiento de señales que cuente con aislamiento analógico. Aquellas aplicaciones que requieran de entradas analógicas de bajo costo y alto desempeño se beneficiarán de utilizar aislamiento digital. Figura 5. El aislamiento se puede implementar de manera analógica o digital. Bus de comunicación con la PC El propósito principal de un bus de comunicación es enviar comandos y datos entre el dispositivo de medición y una unidad central, como una PC, o entre diferentes dispositivos, como tarjetas insertables. Hoy en día, existe una gran variedad de buses de comunicación disponibles para dispositivos de DAQ: desde buses antiguos, como GPIB o serial hasta buses populares externos como USB y Ethernet, terminando con buses internos de muy alta velocidad como PCI y PXI Express. La elección del bus de comunicación en el dispositivo de DAQ dependerá mucho de las características de la aplicación donde se utilizará. En cuestiones de velocidad de transferencia, un bus de comunicación se puede definir por dos características: el ancho de banda y la latencia. El ancho de banda mide la velocidad a la cual los datos son enviados a través del bus, regularmente en megabytes por segundo, o MB/s. Un mayor ancho de banda es importante para aplicaciones donde se trabaja con formas de onda complejas o señales de RF. La latencia mide el retraso en la transmisión de datos a través del bus. Una menor latencia introducirá menos tiempo de retraso entre los datos que son transmitidos desde un extremo de comunicación hasta que son proce- Fig 6. Latencia vs ancho de banda para buses de comunicación w w w.cociente.com.m x 11

12 > adquisición de datos ] sados en el otro extremo. Haciendo una analogía, si se comparan estas características con una autopista, el ancho de banda corresponde al número de carriles y la velocidad máxima de manejo, mientras que la latencia se representa por el retraso de las rampas de entrada y salida de la autopista Figura 6. > El bus USB (Universal Serial Bus) ha sido muy popular en los últimos años para conectar dispositivos periféricos. Esta popularidad ya no solo se limita a teclados, cámaras digitales o reproductores de MP3, sino que además está presente también en los dispositivos de DAQ. En su más reciente especificación, Hi-Speed USB, este bus alcanza velocidades de hasta 60 MB/s, lo que lo convierte en una alternativa atractiva para aplicaciones de adquisición de datos a velocidades medias. Además, los puertos USB actualmente se pueden encontrar prácticamente en cualquier PC de escritorio o laptop, por lo que un dispositivo que tenga este bus es ideal para sistemas que requieren de hardware portátil y autodetectable. > Los buses PCI y PCI Express son los mejores en cuanto a sus especificaciones de ancho de banda y latencia. El bus PCI tiene un ancho de banda de 132 MB/s por segundo que es compartido entre todos los dispositivos conectados, mientras que PCI Express tiene 250 MB/s dedicados en su implementación más básica de por uno (x1). Estos buses, así como USB y Ethernet, tienen la ventaja que se encuentran en todas las PCs de escritorio y servidores. Debido a sus características de gran ancho de banda, estos buses son ideales para dispositivos de adquisición de datos de alto rendimiento que transmiten una gran cantidad de datos a alta velocidad para su procesamiento en el procesador. > El bus Ethernet es tradicionalmente utilizado para aplicaciones en red. En su especificación 100BaseT tiene un ancho de banda teórico de 12.5 MB/s, mientras que en su especificación Gigabit Ethernet 1000BaseT aumenta a 125 MB/s. Sin embargo, hay que tomar en cuenta que éste es un ancho de banda compartido por lo que su rendimiento se afecta conforme se agregan dispositivos a la red. Debido a su habilidad para crear redes distribuidas, este bus es ideal para dispositivos de DAQ que necesitan estar distribuidos en grandes distancias o van a desempeñar monitoreo remoto. Como se aprecia, existen diferentes buses de comunicación que se pueden aprovechar en los dispositivos de adquisición de datos. Dependerá de las características de distancia, portabilidad, y velocidad de transferencia la decisión de cuál es el bus ideal. Software controlador y facilidad de uso en software Otro factor a considerar en la selección de un dispositivo de DAQ es la disponibilidad y facilidad de uso de su driver, o software controlador. El controlador es la capa de software que permite la comunicación con el hardware desde el software de aplicación en la PC. El controlador permite al usuario indicar al hardware de adquisición de datos cuáles son los parámetros bajo los cuales debe operar (como el rango o la velocidad de muestreo) además de indicarle las operaciones que debe realizar (configurar la memoria de entrada, leer uno o múltiples canales, etc.). Uno de los beneficios de contar con un controlador es que previene al ingeniero de programar a nivel de registro o enviar comandos complicados de manera manual para acceder a las funciones del hardware. Comúnmente el controlador es uno de los factores que menos considerado al momento de elegir un dispositivo de DAQ; sin embargo, un software controlador intuitivo y con acceso completo al hardware es crucial para asegurar un rápido desarrollo de la aplicación de medición. En una encuesta a ingenieros realizada por National Instruments, se determinó que 25% del costo total de desarrollo de un sistema está dado por el desarrollo del software. Representaría poca utilidad contar con un dispositivo de adquisición de datos muy económico o muy poderoso, si el controlador está limitado. Es por ello que software controlador con asistentes interactivos para configuración y autogeneración de código así como aplicaciones de prueba para verificación y calibración del hardware son claves para reducir el tiempo de desarrollo de las aplicaciones y facilitar el diagnóstico de posibles problemas con el hardware. C Conclusión Gran parte del éxito y el funcionamiento de una aplicación de medición depende del hardware de DAQ que se utilice en ella. Un dispositivo de DAQ no se debe ver sólo desde la perspectiva de precio, número de canales y velocidad de muestreo. Los ingenieros de procesos, pruebas o instrumentación deben de tomar en cuenta características adicionales como la arquitectura, aislamiento, y el software controlador para asegurarse que el hardware no sólo cumplirá con los requerimientos actuales de su aplicación, sino que además será útil conforme ésta cambie en el futuro. Sobre el autor Gustavo Valdés es egresado de la carrera de Ingeniería en Sistemas Electrónicos por el ITESM Campus Monterrey. Comenzó a trabajar en National Instruments en el 2003, donde se desempeñó como Ingeniero de Aplicaciones por dos años, dando soporte a línea de productos principales de la empresa (software, adquisición de datos, control y automatización industrial). En Julio del 2005 ingresó al departamento de Mercadotecnia para México y América Latina, donde se desempeña como Ingeniero de Mercadotecnia para la región. 12 Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

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14 El Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) integra las investigaciones sobre el cáncer con las herramientas MathWorks Tools, tanto en laboratorio, como en el salón de clases EL RETO Para identificar con mayor precisión a las proteínas que señalan la presencia de cáncer, los investigadores del MIT y de la Escuela de Medicina de Harvard «incluyendo a los doctores Alterovitz, Marco F. Ramoni, e Isaac S. Kohane» requerían de un procedimiento que pudiera combinar los resultados de espectometría de masas (MS, por sus siglas en inglés) con la información que se tiene del modo en el que las proteínas interactúan. Los datos arrojados por las espectometrías de masas MS incluyen crestas y valles característicos, que pueden ser analizados para distinguir los componentes moleculares de una muestra. Los investigadores necesitaban herramientas para procesar esta información y para construir un modelo lo suficientemente sofisticado que les permitiera representar las interacciones proteínicas. Debíamos analizar los datos de las MS, los cuales incluyen millones de puntos «explica el Dr. Alterovitz» también necesitábamos un modelo biológico en red de las interacciones de las moléculas, hacer cálculos estadísticos y otros análisis de las proteínas en la red, y combinar todo esto con los resultados de la espectometría. Paralelamente a esta investigación, el Dr. Alterovitz también inauguró y dirigió un nuevo curso al que llamó: bio-informática y proteómica: un método basado en la solución de problemas de ingeniería (Bioinformatics and Proteomics: an Engineering Problem - Solving Based Approach), al cual atendieron, tanto estudiantes de nivel superior, como post-graduados de primer y segundo año, mediante el cual quería generalizar el uso de una serie de herramientas, que fueran fáciles de aprender, lo cual les permitiría a los alumnos tener acceso a la información generada por las investigaciones que se estaban llevando a cabo en ese momento. Dado que teníamos limitaciones de tiempo, no queríamos perderlo teniendo que enseñarle a los alumnos un nuevo lenguaje, -explica- necesitábal diagnóstico temprano del cáncer en sus primeras etapas puede mejorar las expectativas de supervivencia del paciente enormemente. Por ejemplo, para las pacientes diagnosticadas con cáncer de ovarios -que suele ser identificado sólo después de haber avanzado hasta la tercera o cuarta fase - las posibilidades de supervivencia a cinco años se incrementan, de menos del 50, a casi un 95%, si se les diagnostica en la primera o segunda etapa. Los investigadores y estudiantes del Instituto de Tecnología de Massachusets (MIT, por sus siglas en inglés) están explorando métodos para el diagnóstico del cáncer en sus primeras etapas basados en el examen de las proteínas en la sangre. Mediante MathWorks tools, estos científicos pueden identificar las concentraciones e interacciones de las proteínas que se saben presentes exclusivamente en pacientes con cáncer, en búsqueda de algún procedimiento que permita su detección temprana. Los estudiantes usan MathWork tools, tanto para aprender, como para contribuir con los efuerzos del equipo investigación, adquiriendo los conocimientos y la experiencia necesaria que más tarde sevirá de guía para futuros avances biomédicos. En bio-informática, las investigaciones con más de dos años de antigüedad ya son consideradas anticuadas. Con MathWorks tools, es posible involucrar a los estudiantes en las investigaciones de punta que nuestro equipo está llevando a cabo en este mismo momento -dice el Dr, Gil Alterovitz, miembro HIN de informática biomédica (NIH Biomedical Informatics Fellow) de la División MIT/Harvard de Ciencias de la Salud y Tecnología- MathWorks tools le permite a los estudiantes e investigadores del equipo, ya sean graduados en ingeniería o biología, enfocarse en la investigación sin perder el tiempo elaborando programas. 14 Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

15 mos alguna herramienta con la cual la mayoría de los estudiantes ya estuvieran familiarizados y que fuera fácil de aprender, tanto para los biólogos, como para los ingenieros. LA SOLUCIÓN Los investigadores del MIT usan MathWorks tools para realizar avances en bio-informática y proteómica, y sus estudiantes la emplean para obtener experiencia directa en estos campos. En el laboratorio. El Dr. Alterovitz y su equipo de investigación usaron MATLAB para desarrollar un modelo en red de las interacciones proteínicas, el cual consistía de más de 20,000 nodos y 100,000 puntas. Cada nodo en la red representaba una masa asociada con una proteína, y cada punta, las interacciones entre los nodos. Los investigadores también usaron MATLAB para visualizar los datos, los resultados del ploteo, y para acceder a la información compartida con otros investigadores biomédicos en diferentes bases de datos. Dado que los datos de espectometría de masas (MS) se asemejan a la serie de crestas y valles que se observan en el registro de voz o sonido, los investigadores pueden emplear las técnicas de interpretación de señales para procesar la información. Los investigadores del MIT usaron la caja de herramientas de interpretación de señales Signal Processing Toolbox para procesar la información de espectometría de masas (MS) y aplicaron filtros para eliminar el ruido y los datos irrelevantes, lo cual les permitió concentrarse en un conjunto mucho más manejable. Las herramientas de bio-informática Bioinformatics Toolbox le permitieron al equipo obtener información de las proteínas desde una variedad de fuentes en el Internet, rápidamente; utilizando esta caja de herramientas tanto para calcular los pesos moleculares y obtener secuencias de aminoácidos y otras propiedades de proteínas específicas, como para buscar y bajar información de las bases de datos accesibles mediante MATLAB. Los investigadores del MIT utilizaron la caja de herramientas estadísticas Statistics Toolbox para calcular las propiedades de la red, incluyendo el poder de las leyes de distribución e interconectividad, empleando los modelos para calcular el número de proteínas en una muestra y usándo esta caja de herramientas, tanto para simplificar la adecuación de la curva, como para generar distribuciones exponenciales, gamma, y negativas binómicas. La investigación realizada por este equipo de trabajo generó millones de puntos de datos de espectometría de masas MS, a partir de cientos de pacientes. Sin embargo, dado que los datos de cada paciente eran independientes, la tarea de procesar la información resultaba idónea para ser ejecutada en paralelo, y mediante la caja de herramientas de distribución informática Distributed Computing Toolbox y del motor de distribución computacional, MATLAB Distributed Computing Engine, el equipo fue capaz de procesar sus algoritmos MATLAB al mismo tiempo que realizar un enorme cúmulo de cálculos. El equipo analizó las espectometrías de masas MS independientemente, cada una en un procesador diferente. - Siguiendo este método, además de reducir significativamente el tiempo de cálculo, la caja de herramientas del Distributed Computing Toolbox nos permitió programar rápidamente, pues en vez de tener que aprender programación distributiva, utilizamos nuestro código MATLAB, que ya teníamos, ejecutándolo en paralelo, mediante las herramientas del Distributed Computing Toolbox. El equipo también se valió del punto de vista distributivo (distributed approach) para acelerar el cálculo estadístico y para potenciar las propiedades de la red, dividiéndola en segmentos y ejecutando todas las tareas en paralelo. En el salón de clase. Para el curso de proteómica y bio-informática, el Dr. Alterovitz y sus colegas instructores escogieron MA- TLAB debido a su fácil empleo, compatibilidad con otras herramientas, y a su capacidad para presentar conceptos con niveles de abstracción cada vez mayores. Cerca del 90 por ciento de la clase ya había utilizado MATLAB dice el Dr. Alterovitz- todos comenzaron a manejarlo inmediatamente, incluso quienes carecían de experiencia, debido a que no es necesario saber programación para poder usarlo. Adicionalmente, MATLAB les ofreció a los estudiantes un medio de fácil acceso para vincularse con las investigaciones de vanguardia conducidas por el MIT y Harvard. El planteamiento pedagógico del curso se basó en la teoría detrás de esta metodología, involucrando el Nuevos métodos para trasnformar redes biomoleculares complejas (izquierda) en presentaciones abstractas (derecha) que facilitan el descubrimiento y la identificación de sus componentes internos w w w.cociente.com.m x 15

16 Usando MATLAB para el análisis y la generación de redes biológicas en investigaciones interactivas por medio de gafas estereoscópicas de 3-D, reconocimiento de voz, y head tracking Típicamente, en lo que se interesan los investigadores no es en la programación, sino en los resultados. MATLAB nos permite pensar en un nivel superior de abstracción, sin tener que perder tiempo desarrollando, probando, depurando, y graficando. Como resultado, podemos llegar a las conclusiones de nuestras investigaciones mucho más rápidamente Dr. Gil Alterovitz, Massachusetts Institute of Technology and Harvard University El Dr. Alterovitz presenta en biomolecular networks uso de un conjunto limitado de conceptos y ejemplos, a los cuales se les fue añadiendo gradualmente complejidad. Explica el Dr. Alterovitz: MATLAB respalda diversos niveles de complejidad de manera intrínseca, mediante diferentes niveles de abstracción. Al principio, los alumnos corren el código y visualizan los resultados; y después pueden explorar, actualizar, e incluso integrar el código con otros lenguajes de programación para refinar detalles. El libro de texto también refleja el punto de vista de este procedimiento a nivel biológico: los alumnos primeramente utilizaron las herramientas MathWorks tools para analizar la información básica de las secuencias de ADN; luego, progresaron en la expresión de datos más complejos, como proteínas, hasta eventualmente llegar a las interacciones entre proteínas y otras moléculas, mediante el modelo de una red. LOS RESULTADOS > Educación integrada a la investigación: con MATLAB podemos ofrecerle a los estudiantes el código más novedoso junto con los últimos resultados de las investigaciones de mi equipo y de otros grupos de trabajo anota el Dr. Alteroviz- de tal manera que, con la experiencia que consiguen, los alumnos pueden incluso ayudar al equipo de investigación y contribuir con nuestro esfuerzo. > Tiempo de cálculo reducido en un orden de magnitud: Mediante el método distribucional aplicado al código MATLAB, llevamos a cabo nuestro análisis en un conjunto de computadoras y pudimos reducir el tiempo de cómputo exponencialmente, de una semana a mucho menos que un día. Esto ha sido crucial debido al hecho que enfrentábamos una fecha límite de entrega para una conferencia, y los resultados jugaban un papel crítico para que nuestro trabajo fuera aceptado. dice el Dr. Alterovitz. > Obtención de premios en investigación: Después de terminar el curso, un estudiante de biología comenzó a trabajar, el siguiente semestre, en mi grupo de investigación y obtuvo un premio del programa del MIT para oportunidades de investigación escolar. Gracias al MATLAB pudo rápidamente hacerse muy productivo, obteniendo resultados a tiempo como para competir por el premio dice el Dr, Alterovitz- de otra manera, esto no habría sido posible. Para obtener más información sobre el Instituto Tecnológico de Massachusetts, visite: EL RETO Optimizar los métodos de diagnóstico de cáncer mediante la identificación de proteínas y el análisis de sus interacciones. LA SOLUCIÓN El empleo de las herramientas MathWorks tools para permitir que, tanto los investigadores como los estudiantes, analicen los datos de espectometría de masas, modelen las interacciones de proteínas complejas, y visualicen los resultados. Resultados > Educación integrada a la investigación > Tiempo de cómputo reducido en un orden de magnitud > Obtención de un premio en investigación Áreas de Aplicación > Academia > Desarrollo de algoritmos > Bio-tecnología médica y farmacéutica > Análisis de datos > Computación distributiva Productos Empleados > MATLAB > Signal Processing Toolbox > Bioinformatics Toolbox > Statistics Toolbox > Distributed Computing Toolbox > MATLAB Distributed Computing Engine Información Adicional: 16 Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

17 w w w.cociente.com.m x página 17 Anuncio E 17

18 Visualizacion en tercera dimensión (EEGlab-Matlab) Por: J. Gustavo Vega Gama Figura 1. Hans Berger y Primeros registros de la actividad alfa posterior ans Berger 1 fue el primer médico alemán en los inicios del siglo 20 que introdujo por primera vez el estudio de la actividad eléctrica cerebral conocida como electroencefalografía, la técnica que se empleaba consistía en utilizar amplificadores analógicos para la adquisición de la señal analógica de muy pequeña amplitud, hablamos de millonésimas de voltios (microvoltios), que a diferencia de la señal electrocardiográfica que se encuentra dentro del orden de las milésimas de voltio (milivoltios) requiere de una amplificación enorme con la utilización de filtros muy potentes. En el tiempo de Hans Berger la amplificación de la señal electroencefalográfica se reducía a unos cuantos canales que registraban la actividad alfa en las regiones posteriores del cerebro (fig1). La evolución de este procedimiento científico y de utilidad en la clínica neurológica ha sido impresionante, los amplificadores han evolucionado en su complejidad y se han reducido en volumen, el análisis de la señal, ya no sólo se reduce a la inspección visual que no deja de ser un arte sino que ahora es susceptible de manejo con algoritmos muy complejos que permiten determinar el origen de un evento en tres dimensiones, de tal suerte que los elementos eléctricos funcionales pueden extrapolarse a su base anatómica cerebral. Hay por otra parte dentro de toda esta revolución tecnológica el surgimiento de software estadístico de procesamiento de la señal analógica, que presenta avances impresionantes en 18 Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07]

19 > eeglab para matlab ] el terreno de la psiquiatría, pero este tema será tocado en el próximo número de la revista. Cuando se trabaja en el campo clínico y hay restricciones de orden económico, se tienen que inventar soluciones creativas de bajo costo, los equipos digitales actuales aunque son pequeños y manuales son cajas negras muy costosas, sin embargo, los aparatos analógicos de los noventas y finales de los ochenta, son algunos de ellos extraordinariamente finos en la adquisición de la señal eléctrica cerebral, son el equivalente de la relojería suiza clásica, quien tiene uno de esos instrumentos difícilmente se deshará de él, salvo por razones de espacio o de urgencia. El problema es que, quien no este familiarizado en el campo de la adquisición y procesamiento de datos analógicos para su conversión digital, experimentará en el momento actual grandes limitaciones y no pasará de ser un artista del análisis visual «por otra parte indispensable». Volviendo al tema, de inventarse soluciones económicas, el comprar una tarjeta analógico digital puede significar un gran ahorro que tiene varias repercusiones, entre otras, la señal en lugar de ser vista en el polígrafo que implica uso de papel y tinta es vista en el monitor de la computadora con algún programa adecuado. Se pueden crear soluciones simples con el mismo software que incluyen las tarjetas analógicodigitales o con paquetes como LABview, se adquiere la señal analógica y ésta se guarda en código ASCII, que resulta prácticamente universal para algunos programas, que pueden bajarse gratuitamente de Internet como es el caso de LORETA y de EEGlab 3 que opera desde Matlab. El paquete de EEGlab es muy útil en el campo de la Neurofisiología experimental, pero es particularmente útil en el campo clínico, específicamente la epilepsia, EEGlab aplica algoritmos que se destinan al análisis de componentes independientes (ICAs), de la misma forma que estos algoritmos desmenuzan componente por componente de una matriz de sonido o de una imagen, también lo hacen con la señal eléctrica cerebral, la adquisición de 25 a más De izquierda a derecha: primeros electroencefalógrafos analógicos de dos canales, los equipos analógicos de los años 90 y equipos digitales actuales. w w w.cociente.com.m x 19

20 > eeglab para matlab ] Actividad epiléptica focal (localizada) Envolvente de la espiga (EEGlab-Matlab) página 20 Anuncio F de 100 canales convierte la señal en una matriz y luego separa los componentes, uno por uno permitiendo ver el origen probable de un evento anormal e inclusive separar aquellas señales que corresponden a artificios o frecuencias que no son señal electrocerebral. La actividad eléctrica cerebral tiene su origen en la suma de todos los potenciales post-sinápticos de la corteza cerebral, esta modulada desde estructuras profundas que han llegado ha considerarse como marcapasos 4 éstos, determinan la presencia de diferentes bandas de frecuencia. La irrupción de potenciales anormales, que se generan en zonas funcionalmente anómalas, da como resultado la descarga paroxística, que generalmente tiene un correlato clínico con las crisis epilépticas, EEGlab tiene la particularidad de ubicar el origen de la descarga anormal, lo cuál es relevante en el manejo de las crisis epilépticas, situar el origen de las descargas y el tipo de las mismas, implica decidir sobre el manejo farmacológico y es muy importante cuando se decide dar tratamiento quirúrgico. C Referencias: [1] Berger [2] ch/keyinst/newloreta/loreta01.htm [3] edu/eeglab/ Sobre el Autor: Dr. J. Gustavo Vega Gama Neurología EEG digital y Mapeo Cerebral Celaya, Gto., México 20 Cómputo C i e n t í f i co y Té c nico [ junio - agosto - 07] página 20 Anuncio G

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