Julián Ferrer Guerra Departamento de Ciencias Económico - Administrativas Instituto Tecnológico de Celaya julian.ferrer@itcelaya.edu.

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1 Instrumentación de Variables Biométricas para el Análisis de Pruebas de Esfuerzo utilizando LabVIEW Juan José Martínez Nolasco Departamento de Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Celaya Luis Alberto Ruiz López Departamento de Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Celaya José de Jesús Zamora Arana Departamento de Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Celaya Agustín Vidal Lesso Departamento de Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico de Celaya Julián Ferrer Guerra Departamento de Ciencias Económico - Administrativas Instituto Tecnológico de Celaya julian.ferrer@itcelaya.edu.mx RESUMEN Este trabajo presenta una herramienta virtual obtenida a través de la instrumentación de variables biométricas para el análisis de pruebas de esfuerzo físico utilizando el software LabVIEW. La prueba de esfuerzo físico fue implementada utilizando una bicicleta montada en un sistema de rodillo. Los sensores utilizados para obtener las variables biométricas fueron: electrodos, LM35 y codificador óptico. ~22~

2 La etapa de filtrado para el arreglo de electrodos y la amplificación de la señal filtrada se realizó con amplificadores operacionales TL084 y con el amplificador de instrumentación AD620, respectivamente. Las señales que emiten los sensores, son recibidas por la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6009, la cual funciona como interfaz entre los sensores y el instrumento virtual implementado en LabVIEW. El software LabVIEW se empleó para capturar y procesar las señales provenientes de los sensores antes mencionados. El instrumento virtual desarrollado funciona como una herramienta capaz de monitorear la temperatura corporal, temperatura ambiente, señal eléctrica producida por el corazón. Con el monitoreo de estas variables el sistema genera los graficos del electrocardiograma, la frecuencia cardiaca, el porcentaje de esfuerzo físico, la velocidad, la distancia recorrida y el tiempo de prueba. El monitoreo de estas variables biométricas permite no sólo realizar una estimación cuantitativa de la condición física de cualquier deportista también permite realizar el monitoreo para diagnóstico y evaluación médica de cualquier persona. Palabras clave: Esfuerzo físico, LabVIEW, variables biométricas. 1. INTRODUCCIÓN La medición de la temperatura corporal y la frecuencia cardiaca son variables que informan de las condiciones fisiológicas de un paciente a un médico o especialista durante una prueba de esfuerzo físico. Con el tiempo ha cambiado la forma en que se miden estas variables; la instrumentación virtual ha sido fundamental para el desarrollo de nuevos aparatos de medición. Gracias al desarrollo acelerado de las computadoras, hoy en día es posible contar con instrumentos de medición más precisos que los tradicionales termómetros y electrocardiogramas con impresión en papel. Existen diferentes tipos de electrocardiógrafos, pulsímetros y velocímetros en el mercado para evaluar el corazón y la velocidad de los atletas durante una competencia o entrenamiento que van desde 350 pesos hasta aparatos sofisticados de 6,000 pesos de marcas ~23~

3 reconocidas internacionalmente como POLAR, CATEYE y Sigma. Algunos de estos monitores presentan un tiempo de respuesta lento por lo que pueden tardar hasta 5 segundos para medir la frecuencia del corazón o la velocidad de un atleta. Considerando que se requiere rapidez y precisión para medir estas variables, se diseñó un aparato que monitorea la frecuencia cardiaca y la velocidad de una manera rápida y precisa. A continuación se muestran los resultados obtenidos con un aparato capaz de medir la condición física de ciclistas durante una prueba de esfuerzo físico. Dicha prueba se hace midiendo la frecuencia cardiaca de la persona junto con su temperatura, la velocidad desarrollada, el kilometraje recorrido y calculando el porcentaje de esfuerzo físico, estas mediciones son registradas en un instrumento virtual con un costo relativamente más económico a los instrumentos comerciales mencionados anteriormente. Los beneficios de este aparato sobre los ya existentes son varios, los más destacados son que se puede comprobar de forma cuantitativa si los programas de entrenamiento de un ciclista son los adecuados. Otro punto importante es el registro de los entrenamientos en un documento, esto facilita el análisis estadístico que muestre el progreso de la condición física del ciclista [1-3]. 2. MARCO CONCEPTUAL Esfuerzo Físico Las pruebas de esfuerzo físico son una forma efectiva de conocer el desempeño cardiovascular de atletas de alto y medio rendimiento, estas pruebas se hacen midiendo el desempeño del corazón durante un ejercicio atlético controlado, además pueden poner en evidencia alteraciones cardiovasculares que no están presentes en reposo. El esfuerzo físico se calcula haciendo uso del valor de la magnitud obtenida de la frecuencia cardiaca, medida en latidos/minuto. La forma de calcularlo es diferente para hombres y para mujeres, en la ecuación 1 y en la ecuación 2 se presentan las ~24~

4 expresiones empleadas para obtener el esfuerzo físico en hombres y mujeres, respectivamente [4]. % de esfuerzoh = Frecuencia Cardiaca*100/(220 - Edad) (1) % de esfuerzom = Frecuencia Cardiaca*100/( (Edad)) (2) Un electrocardiograma (ECG) es un gráfico que muestra la actividad eléctrica del corazón para su análisis, se obtiene con un aparato llamado electrocardiógrafo que se conecta al cuerpo con electrodos. Instrumentación Virtual LabVIEW es una parte integral de la instrumentación virtual. Incorpora programación gráfica, conectividad y control de instrumentos, ambiente abierto, reduce costos, preserva inversiones, y puede ser ejecutado en diversas plataformas. Ofrece instrumentos virtuales de alta precisión y flexibles a mejoras o cambios. Para adquirir las señales de los sensores de temperatura, de velocidad y del corazón se usó la DAQ USB 6009 de National Instruments como interfaz entre los sensores y el instrumento virtual. Esta tarjeta de adquisición de datos presenta una frecuencia de muestreo de muestras por segundo, suficiente para un instrumento de medición para obtener la frecuencia cardiaca. 3. DESARROLLO El monitor de esfuerzo físico utiliza la medición de tres magnitudes para este propósito. La medición del ritmo cardiaco, la temperatura corporal y la velocidad desarrollada durante la prueba de esfuerzo. A partir de los valores de las magnitudes registradas se calculan datos adicionales que sirven al usuario para hacer de su conocimiento su desempeño físico. En la Figura 1 se presenta el esquema general utilizado para el monitor de pruebas de esfuerzo físico. ~25~

5 Monitor Preacondicionamiento de señales Adquisición de señales Panel frontal Procesamiento de la señal digital. Etapa de Instrumentación virtual Figura 1.- Esquema general del monitor de pruebas de esfuerzo físico. La señal cardiaca se obtuvo con el uso del triángulo de Eithoven que se muestra en la figura 2, el cual utiliza un electrodo en una posición cercana al corazón llamada precordial (punto de referencia) y un electrodo en cada extremidad RA, LA y LL (señales positivas), las tres señales fueron sumadas. La pierna derecha se conecta a tierra siguiendo la misma configuración [5]. La medición de la frecuencia cardiaca es la función principal del monitor de pruebas de esfuerzo físico y se alcanza con el uso del amplificador de instrumentación AD620 [6]. La ganancia del amplificador es de 1000 y se colocaron seguidores de voltaje para protegerlo y acoplar las señales como se muestra en la figura 2 [7]. La señal eléctrica cardiaca presenta ruido de baja frecuencia implícita proveniente del cuerpo, y ruido de alta frecuencia inherente al instrumento de medición, para eliminarlo se implementaron 2 tipos de filtros, uno analógico y otro virtual, esto porque durante la experimentación se detectó que los filtros virtuales no eran suficientes para eliminar el ruido eléctrico [8]. ~26~

6 Figura 2.- Sistema empleado para la medición de la señal cardiaca. Para la medición de la temperatura corporal se usó el circuito integrado LM35. Este circuito integrado funciona como sensor de temperatura con un bajo costo y una precisión de 0.5 C. El tiempo de respuesta del sensor de temperatura es adecuado para la aplicación actual, porque la temperatura corporal aumenta o disminuye a muy baja velocidad. Para acoplar la señal de salida del sensor de temperatura con la tarjeta de adquisición de datos se utiliza un amplificador operacional en configuración de seguidor de voltaje como se ilustra en la figura 3. La longitud del cable y el blindaje juegan un papel importante en el ruido inyectado al instrumento, es por esto que ambas características fueron ajustadas de forma experimental. ~27~

7 Figura 3.- Sistema de acondicionamiento de señal para la medición de temperatura. Como parte del medidor de esfuerzos se mide la velocidad a la que se corre durante toda la prueba. La velocidad se midió con un codificador óptico construido con un sensor infrarrojo y una etapa de acondicionamiento de la señal para ser tomada por la tarjeta de adquisición de datos. La figura 4 muestra el rodillo utilizado para montar la bicicleta y realizar la prueba. Figura 4.- Sistema de medición de velocidad. 4. RESULTADOS Se utilizó el monitor de esfuerzo cardiaco y desempeño físico con buenos resultados. La medición de la temperatura se realizó de ~28~

8 manera confiable basada en un error de solo 2%, el único defecto observado en sus características es la sensibilidad que tiene el sensor usado, el LM35 que tiene lenta respuesta a los cambios de temperatura. La velocidad fue la magnitud mejor medida, ya que la señal originalmente es digital, y no tiene problemas por ruido. Para esta magnitud, el único error que podría existir se generaría por la resolución del codificador. Las divisiones en la rueda para el codificador son 18, es decir, se tienen 18 pulsos por revolución, considerando una velocidad muy baja tal como 30 RPM, se tendría una revolución cada dos segundos, es decir 9 pulsos por segundo, la cual es una buena resolución para esta velocidad, Ahora bien, es muy difícil que durante una prueba se tenga que pedalear a una velocidad tan baja, así, conforme la velocidad aumenta, aumenta la resolución de la medición de la misma, no así la resolución de la posición, esta última es constante y es de 4.17in/pulso = 106mm/pulso. El registro del electrocardiograma aún presenta problemas de ruido de alta frecuencia que puede ser observado en la parte (A) de la figura 5, En él se pueden apreciar las partes importantes de un ciclo. Se sabe que es posible que la onda no sea visible en algunos ECGs, debido a su amplitud, dicha amplitud también puede variar de persona a persona y se atenúa después del filtrado de la señal, es por eso que solo algunas partes de la onda pueden ser vistas. ~29~

9 Figura 5. Graficas del monitor de esfuerzo cardiaco en el panel frontal de LabVIEW durante una prueba. 4. CONCLUSIONES Gracias a que los instrumentos de medición son de alta sensibilidad y confiabilidad, se puede asegurar que los registros obtenidos dan solución a la necesidad de monitorear de forma continua y dinámica parámetros de interés cuantificables en la prueba de esfuerzo. Los instrumentos virtuales simplifican la manera de medir diferentes variables en un solo instrumento. En este caso, el medir la frecuencia cardiaca, el porcentaje de esfuerzo, la velocidad, el kilometraje, la temperatura corporal y la ambiental en un monitor logra de manera satisfactoria realizar pruebas de esfuerzo físico. Las aplicaciones de este monitor se pueden adaptar a diferentes disciplinas deportivas gracias a la flexibilidad que ofrece la instrumentación virtual. El monitor cumplió las expectativas, sin embargo, aún faltan variables que son de interés para conocer numéricamente el desempeño físico de una persona, como lo son el consumo de ~30~

10 oxigeno, la potencia desarrollada durante la prueba, el consumo calórico. Afortunadamente el monitor se hizo pensando en su expansión a futuro, por lo que se le podrán añadir módulos una vez que sean desarrollados. BIBLIOGRAFÍA [1] P. Niño, O. Avilés, J. Saavedra, M. Orejuela, M. De La Hoz, Módulo de Adquisición para Pruebas de Esfuerzo Cardiovascular, (Universidad Antonio Nariño La Habana, Cuba, 2001), pp [2] D. Ballesteros, E. Harvey, A. Maya Sistema de trasmisión inalámbrica de señales ECG y de temperatura para ambientes hospitalarios (SINHO) (Grupo de investigación TIGUN. Universidad Militar Nueva Granada-Universidad Medellín), Colombia, Vol.4, 7, 2010, pp [3] L. Álvarez, R. Henao, E. Duque, Análisis de Esquemas de Filtrado Análogo para Señales ECG (Universidad Tecnológica de Pereira), España, 2007, pp [4] "New formula gives first accurate peak heart rate for women". Acceso: Junio-28. [5] "Lesson 1: The Standard 12 Lead ECG". Library.med.utah.edu. Acceso: 2009-Agosto-15. [6] "Analog Devices AD620 data sheet Rev H". Acceso: 2011-July. [7] "Operational amplifiers and linear integrated circuits". Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll. Prentice Hall, ~31~

11 [8] "Wireless Engineer vol. 7, 1930, pp "On the Theory of Filter Amplifiers"-S. Butterworth". ~32~