Medición de cantidad de agua corporal mediante bioimpedancia. Talamantes Montaño Luis Ricardo
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ÍNDICE RESUMEN. 1.-Agua 1.1 Contenido de agua en el cuerpo humano. 2.-Bioimpedancia. 2.1.- Características matemáticas de la bioimpedancia. 3.- Electrodos. Electrod os. 4.- Desarrollo. 4.1.- Obtención de la señal. 4.2.- Amplificador Amplificador de instrumentación. 4.3.- Filtro pasabanda. 4.4.- Conversión a Vcd. 4.4.1 Calibración. 4.5.- Convertidor analógico-digital. analógico- digital. 4.6.- Microcontrolador. Microcontrolador. 5.-UART 6.- Funcionamiento. 7.- Resultados y conclusiones. conclusion es. 7.1 Resultados. 7.2 Recomendaciones. Recomendacio nes. 8.- Referencias Bibliograficas.
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RESUMEN: La obtención de la cantidad de agua del cuerpo humano con respecto a su peso total, es un dato importante en el área de la medicina, específicamente en el área de la nutrición y de la medicina orientada al óptimo rendimiento de los deportistas. Este parámetro puede ser medido indirectamente mediante la bioimpedancia del cuerpo humano. Un bajo nivel de agua corporal provoca alteraciones en el organismo que disminuyen su buen funcionamiento físico y mental. En este trabajo se presenta una solución a la medición de la cantidad de agua en el cuerpo humano, mediante electrodos, un amplificador de instrumentación, elementos de filtrado para el acondicionamiento de la señal que se obtiene de los electrodos, el uso de un ADC y la utilización del microcontrolador Atmega8 fabricado por la compañía ATMEL, el cual recibe la información, la compara con una tabla y despliega el resultado en dos display de ánodo común, ese mismo dato es enviado a un UART, el cual convierte los datos de paralelo a serial, para su posterior uso en una pc, la programación de este microcontrolador se realiza en lenguaje ensamblador en AVR Studio 4.
1.- AGUA: El agua es el principio de todas las cosas. Está presente en las células del cuerpo y colabora en todas las funciones del organismo. Es vital para el ser humano, y adoptar hábitos que faciliten ese aporte de líquidos es fundamental para mantener la salud. El cuerpo humano no almacena el agua, por eso, la cantidad que perdemos cada día debe restituirse para garantizar el buen funcionamiento del organismo. Para cualquier persona sana, la sed es una guía adecuada para tomar agua, excepto para los bebés, los deportistas y la mayoría de las personas enfermas y ancianas. En estos casos, conviene programar momentos para ingerir agua. Un cuerpo hidratado tiene más del 50% de su peso en agua; el resto, se distribuye entre grasa, músculo y huesos.
1.1.- Contenido de agua en el cuerpo humano. El contenido de agua en el cuerpo está estrechamente relacionado con el peso, el sexo y la edad. Hay una relación inversa entre lo que pesamos y el agua que tiene nuestro organismo: tenemos menos agua cuanto mayor es nuestro peso. Esto se significa que las personas obesas tienen menos agua total en su cuerpo que las personas delgadas. Talamantes Montaño Luis Ricardo, Código; 300415863,
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La edad también marca la cantidad de agua del organismo, a medida que vamos cumpliendo años disminuye. Los recién nacidos tienen un 70% de su peso en agua, los adultos casi un 60% (figura 1) y los ancianos un 55%. Además, el hombre tiene más agua que la mujer. [1].
Figura 1. Porc entaje de agua corporal en el humano.
2.- Bioimpedancia. La impedancia bioeléctrica es una técnica utilizada para medir la composición corporal, basada en la capacidad que tiene el organismo para conducir una corriente eléctrica. La impedancia es la oposición de un conductor al flujo de una corriente alterna y la medida de la misma está compuesta por dos vectores, resistencia y reactancia . Estos parámetros físicos (resistencia y reactancia) dependen del contenido en agua y de la conducción iónica en el organismo. Son definidos de la siguiente forma: Resistencia (R), es la oposición del tejido al pase de la corriente (físicamente, la oposición de un conductor al paso de la corriente alterna) y Reactancia (Xc), es el otro efecto negativo sobre la conducción eléctrica y está descrito por el comportamiento como condensador de la membrana celular y depende de la frecuencia de la señal.
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2.1.- Características matemáticas de la bioimpedancia Fueron Nyober y colaboradores (1943) quienes demostraron que los volúmenes biológicos se podían relacionar con la Impedancia (Z). Matemá ticamente la Impedancia se expresa como: z = ( R 2 + Xc 2 ) 2
[1]
Donde Z= Impedancia; R= resistencia; Xc= reactancia. La reactancia varía dependiendo de la frecuencia, a valores muy altos o muy bajos es prácticamente nula. A frecuencias intermedias la transformación angular de la relación entre reactancia y resistencia (arc tang Xc/R) se denomina ángulo de fase. La reactancia se asocia con diversos tipos de polarización (separación de cargas o gradientes electroquímicos) que son producidos por membranas celulares y por interfases celulares. La reactancia hace que la corriente administrada se mantenga por debajo del voltaje y crea una fase que se representa geométricamente como el ángulo de fase (O) o el arco tangente de la relación Xc/R. Las relaciones geométricas entre impedancia, resistencia, reactancia ángulo de fase dependen de la frecuencia de la corriente administrada. A bajas frecuencias, la reactancia o efecto condensador de las membranas celulares es muy grande para permitir la conducción de la corriente a dentro de la célula. Como resultado la corriente es conducida sólo a través de los fluidos y electrolitos que bañan las células y órganos y en el espacio vascular. Cuando aumenta la señal de la frecuencia, la corriente penetra las membranas celulares produciendo un incremento de la reactancia, una disminución de la resistencia y un incremento del ángulo de fase. El efecto condensador llega a su pico máximo con el máximo valor de reactancia, pero a medida que la frecuencia continúa aumentando el efecto condensador se reduce y la reactancia disminuye. La impedancia corporal Z es igual a: Z = ρ L / A
[2]
Donde ρ es una constante que depende de la resistividad del conductor, L es la longitud y A el área. Por tanto Z= ρL/A lo cual se transforma (multiplicando por L/L el lado derecho de la ecuación) en: Talamantes Montaño Luis Ricardo, Código; 300415863,
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Z = ρL2/V,
[3]
Donde V es el volumen del conductor. Finalmente tenemos V= ρ L2 /Z
[4]
Como la magnitud de la reactancia es pequeña en relación con la resistencia y la resistencia es un mejor predictor de la impedancia que la reactancia, el volumen también puede ser expresado como: [2] V= ρ L2/R
[5]
La formula que mejor describe el agua corporal total (ACT) es: ACT = 0.59t 2 / R + 0.065 pc + 0.04
[6]
Donde: R=Resistencia (ohms), t = talla (cm), pc = peso corporal (Kg).[3]
3.- Electrodos.
Los electrodos utilizados son adhesivos desechables de plata/cloruro de plata (Ag/ClAg)(figura 2), de 10 mm de diámetro con agujero interior fabricados por la empresa instrumentación y Componentes,[4] similares a los usados en los electrocardiogramas, [5] Los cables utilizados son blindados para evitar cualquier ruido proveniente del ambiente que pueda influir en la correcta lectura de la señal del cuerpo.
Figura 2 .- Elect rodos de Ag/ClAg
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4.- Desarrollo. La conductividad eléctrica del cuerpo humano es mayor en el tejido magro (incluye músculos, huesos, órganos, sangre etc.), respecto al tejido adiposo, ya que el primero contiene prácticamente casi todo el agua y los electrólitos del cuerpo. En consecuencia, es sobre la masa magra que es posible medir la impedancia a partir del agua. La conductividad de componentes como la sangre o la orina es alta, la del músculo intermedia y la de huesos, grasa o aire es baja. Existe una menor resistencia al flujo de la corriente en regiones con una gran área transversal, como el tronco, mientras que la resistencia es mayor en zonas con menor área transversal, como los brazos. A 50 kHz se atraviesa la membrana celular y se determinan los compartimientos extra e intracelular equivalentes al ACT (agua corporal total). Generalmente se utiliza una intensidad de corriente de 800 µA. Para conocer la composición corporal, la estimación de la resistencia del cuerpo al paso de la corriente eléctrica debe transformarse. El principio básico es que la impedancia de un sistema geométrico depende de la longitud y configuración del conductor, de su área transversal y de la frecuencia de la señal. Para ello se considera que el cuerpo humano es como un cilindro. [3] Son estas propiedades las que ayudan al conocimiento de la cantidad de agua del cuerpo humano, conociendo la resistencia del cuerpo es posible sustituirla en la ecuación 6. En el siguiente diagrama a bloques, se muestra el funcionamiento general del medidor de agua total mediante bioimpedancia:
Diagr ama 1.- Proceso gene ral.
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Figura 3 .- circuito completo de la idea fundamental
4.1.- Obtención de la señal. La etapa que comprende la obtención de la señal se realiza mediante dos amplificadores operacionales configurados como fuentes de voltaje controladas por la corriente, las cuales obtienen dos voltajes con una pequeña diferencia, estos voltajes son la entrada de la siguiente etapa, el amplificador de instrumentación.
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Figura 4.- Obtención de la señal.
4.2.- Amplificador de instrumentación. Este amplificador se usa para medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial, se le llama también, amplificador transductor, amplificador de error y/o amplificador de puente. El amplificador de instrumentación se coloca en la etapa de entrada de un instrumento electrónico, se utiliza para aumentar la sensibilidad del circuito. Se diseña para usarse con señales de corriente directa o de corriente alterna. Es uno de los amplificadores más útiles, precisos y versátiles de que se dispone en la actualidad.[6]. Los voltajes V1 y V2 de la etapa anterior se conectan a las entradas del amplificador de instrumentación. Talamantes Montaño Luis Ricardo, Código; 300415863,
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Figura 5.- Amplificador de instrumentación
4.3.- Filtro pasabanda. La siguiente etapa consiste en el filtrado de la señal de salida del amplificador de instrumentación, esto se realiza mediante un filtro pasabanda, con una banda de frecuencias entre 45KHz a 55KHz, el propósito de este filtrado es el de eliminar el ruido existente en la señal. La siguiente figura muestra el filtro pasabanda (figura 6).
Figura 6.- Filtro pasabanda.
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4.4.- Conversión a Vcd. La salida del filtro pasabanda es acondicionada para que se obtenga una onda con un nivel entre -5 a 5 Volts, la amplitud de este voltaje varia directamente con el valor de la resistencia del cuerpo humano, mediante un amplificador diferencial con una salida offset de ese valor. esta señal es rectificada y convertida a un nivel de Vcd, dentro de 0 a 5 Volts, el circuito rectificador es el siguiente.(figura 7).
Figura 7 . Rectificador de ond a completa.
a)
b)
Figura 8.- a)Onda rectificada de 5Vpp . b)On da rectificada de 2.5Vpp..
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4.4.1 Calibración. La salida del rectificador indica el nivel de agua corporal del cuerpo, se calibra el instrumento con la tabla 1, en la cual se dividen los 5 volts en 10 partes, cuales representan 10% de agua corporal. VOLTS 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
PORCENTAJE DE AGUA CORPORAL 10 % BAJO NIVEL 20 % BAJO NIVEL 30 % BAJO NIVEL 40 % BAJO NIVEL 50 % BAJO NIVEL 60 % NIVEL OPTIMO 70 % NIVEL OPTIMO 80 % ALTO 90 % ALTO 100 % ALTO
BINARIO 00011001 00110011 01001100 01100110 01111111 10011001 10110010 11001100 11100101 11111111
HX 19 33 4C 66 7F 99 B2 CC E5 FF
Tabla 1. Calibración..
4.5.- Convertidor analogico-digital. El nivel de voltaje, ahora Vcd, se introduce a un convertidor analógico-digital ADC0804 (ADC), de 0 a 5 volts, el cual a su salida entrega un numero binario de 8 bits, su resolución es de 19.6mV (figura 8).
Figu ra 9.- ADC0 804.
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4.6.- Microcontrolador. La señal obtenida del ADC, (señal digital de 8 bits), entra por el puerto D del microcontrolador ATmega8, el cual compara el valor de entrada con una tabla introducida en la codificación, y saca el resultado por el puerto D, hacia un display de ánodo común.
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Figura 10.- Diagrama de f lujo.
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El display muestra a la salida una “bA” para indicar un valor bajo, una “O P” para un nivel optimo, y una “AL” para un nivel alto. Esto se observa en la tabla 2. Se multiplexa el puerto, D para poder observar el valor en los dos displays.
Figura 1 1. Microcontrolad or-
Conexión ADC Display
DISPLAY 1 a b c 1 1 0 0 0 0 0 0 0
d 0 0 1
e 0 0 0
f
g pd HEX SALIDA 1 0 0 1 $C1 b 0 1 1 $03 O 0 0 1 $11 A
DISPLAY 2 a b c 0 0 0 0 0 1 1 1 1
d 1 1 0
e 0 0 0
f
g pd HEX SALIDA 1 0 0 1 $11 A 0 0 1 $31 P 0 1 1 $E3 L
Tabla 2 .- Salida del Display.
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5.- UART Los datos provenientes del ADC son enviados a un UART son las siglas de "Universal Asynchronous Receiver-Transmitter" (en español, "Transmisor-Receptor Asíncrono Universal"). Se trata de un componente que utilizan ciertos sistemas digitales basados en microprocesador, para convertir los datos en paralelo, como los manda la CPU, en serie, con el fin de comunicarse con otro sistema externo. También realiza el proceso contrario, esto es, convierte los datos serie, recibidos de un sistema externo, en paralelo para ser procesados por la CPU. Esto con el fin de que ese dato pueda ser enviado a una pc, para la creación de una base de datos.[7]
6.- Funcionamiento. Las mediciones de bioimpedancia se realizan con el sujeto en decúbito supino sobre una superficie no conductora, con los brazos separados de tórax en un ángulo de 30° y las piernas separadas entre ellas 45°. Los electrodos fueron ubicados según el método tetrapolar ipsilateral derecho para minimizar la impedancia por contacto entre la piel y los electrodos, antes de colocar los mismos la piel se limpia con alco hol, los estimuladores se ubican en posición medial de las superficies dorsales de las manos y los pies, próximas a las articulaciones metacarpo y metatarsofalángicas. [8].
Figura 1 2.-Posicion
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7.- Resultados y conclusiones. 7.1 Resultados. La medición de la cantidad de agua en el cuerpo humano es un parámetro importante para muchos médicos, en especial para los profesionales de la nutrición. Este dispositivo es una alternativa de menor costo que los aparatos que se encuentran en el mercado. En este proyecto se pone practica los conocimientos adquiridos en la materia de Diseño con electrónica integrada, se puede observar que es necesario el uso de amplificadores operacionales en sus diversas configuraciones, como son, fuentes de voltaje controladas por corriente, amplificador de instrumentación, filtro pasabajas, y también el uso de diodos para la conversión de un Vac a un Vcd. Es importante también el uso del convertidor analogico-digital, para acondicionar la señal hacia el microcontrolador ATmega8, el cua l mediante su programación realiza la comparación de los valores de entrada con su tabla de referencia para después ser desplegada en un display. El proyecto cuanta con 12 circuitos integrados, (7 amplificadores operacionales, convertidor analógico-digital ADC0804, un microcontrolador ATmega8, 2 displays de a ánodo común y un UART, además de 4 diodos 4004GP)
7.2 Recomendaciones. Seria de gran ayuda para un nutriólogo, no solamente conocer la cantidad de agua corporal (ACT) mediante este dispositivo, si no también el conocimiento de la masa libre de grasa (MLG) y la masa grasa (MG), este es un punto importante de mejora del proyecto. Otro punto mas de mejora es el despliegue de la información, seria conveniente configurar un display de LCD, para una mejor presentación.
8.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] http://ideasana.fundacioneroski.es/discapacitados/es/01/tema/ [2] http://www.ugr.es/~jhuertas/EvaluacionFisiologica/Impedancia/impintro.htm [3] http://www.nutrinfo.com/jornadas_nutricion_deportiva_mexico/memorias/hidratacion.pdf [4] http://www.inycom.es/medicina/PDF/electrodos.pdf [5] http://www.memsocbio.sld.cu/habana2005/arrepdf/T068.PDF [6] http://proton.ucting.udg.mx/materias/ET201/index.html [7] http://es.wikipedia.org/wiki/UART [8] http://www.memsocbio.sld.cu/habana2003/Articles/T_0087.pdf
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