Desarrollo de instrumentación portátil microcontrolada en el ámbito de la salud y el deporte
- Autores: Isidoro Ruiz García
- Directores de la Tesis: Pablo Escobedo Araque (codir. tes.), Miguel A. Carvajal Rodriguez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2024
- Idioma: español
- ISBN: 9788411954365
- Número de páginas: 178
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Sofía Martínez-García (presid.), Antonio Martínez Olmos (secret.), Carlos García-Nuñez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y la Comunicación por la Universidad de Granada
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
Motivación y objetivos Un microprocesador es un circuito integrado que actúa como la unidad central de procesamiento (CPU) de una computadora. Este componente es fundamental para ejecutar las instrucciones de los programas informáticos, gestionando las operaciones básicas de aritmética, lógica, control y entrada/salida. Los microcontroladores trabajan junto a otros tipos de componentes y circuitos electrónicos, normalmente conectados a través de una placa de circuito impreso (PCB). Esta combinación de microcontrolador, conexiones y periféricos o sensores desempeña un papel clave en el control, la supervisión y el funcionamiento de diversos tipos de sistemas.
Cabe destacar que el estudio objeto de esta tesis doctoral profundizará en tres campos aparentemente distintos: la investigación sobre dispositivos semiconductores como sensores dosimétricos en radioterapia, del uso de sensores inerciales aplicados a la monitorización deportiva y las plataformas microfluídicas para la monitorización de flujos en sustratos celulósicos. A pesar de que estas áreas puedan parecer a priori inconexas, la motivación subyacente a esta investigación surge de un hilo conductor común: la búsqueda de soluciones innovadoras para la detección de diversos parámetros mediante plataformas microcontroladas en el ámbito de la atención sanitaria. Los objetivos de esta tesis pueden dividirse entre los tres temas antes mencionados, aunque comparten muchas similitudes. En general, se han diseñado, desarrollado, fabricado y validado plataformas sensoras de bajo coste, portátiles y basadas en microcontroladores.
El primer objetivo de la tesis consiste en el desarrollo de un nuevo sistema de dosimetría basado en el trabajo previo realizado en el seno de nuestro grupo de investigación. Esto implica la adaptación del sistema desarrollado para su uso con otros dispositivos sensores (como fotodiodos), así como la implementación de los correspondientes algoritmos de compensación térmica necesarios para un funcionamiento preciso durante los procesos de dosimetría en vivo.
La motivación tras el desarrollo de esta plataforma sensora es clara: La radioterapia es una de las técnicas actuales más eficientes para tratar tumores sólidos, por lo que resulta esencial garantizar que la energía absorbida sea suficiente para eliminar las células tumorales, pero sin que supere un determinado nivel umbral para evitar el riesgo de provocar daños en los tejidos sanos. Por lo tanto, en los tratamientos de radioterapia es obligatorio controlar con gran precisión la dosis administrada (energía absorbida por unidad de masa). Para realizar esta medición, los sensores dosimétricos más comunes (cámaras de ionización y diodos PN y PIN de silicio fabricados específicamente para la detección de radiación ionizante) producen una corriente de salida proporcional a la tasa de dosis absorbida, que se monitoriza mediante electrómetros especializados. Como medida dosimétrica se suele proporcionar la carga total generada por la radiación obtenida mediante la integración de la corriente inducida por la radiación. También se utilizan en este campo los transistores MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Fiel Effect Transistor) fabricados con ciertos procesos específicos que les confieren una sensibilidad especial y una mayor resistencia a la radiación; son los llamados RADFET (RADiation Field Effect Transistor).
El segundo de los objetivos es el desarrollo de un sistema sensor microcontrolado basado en el uso de unidades de medida inerciales (IMU) para la monitorización de la actividad física y deportiva. Estos dispositivos permitirán el estudio de la técnica, ayudando así a mejorar el rendimiento y previniendo posibles lesiones. A lo largo de los años, se han propuesto diferentes sistemas y metodologías para supervisar el rendimiento de los deportistas, así como su ejecución técnica. Entre las más utilizadas se encuentra el análisis de vídeo y el uso de sistemas globales de navegación por satélite (GNSS). Las IMU, en cambio, presentan varias ventajas con respecto a sus predecesoras. Su bajo coste, pequeño tamaño y versatilidad han causado un aumento significativo en la utilización de estos dispositivos para la monitorización de diferentes deportes, así como en estudios del movimiento y posturales.
El último objetivo consiste en desarrollar una plataforma analítica completa basada en tecnología microfluídica capilar sobre sustratos celulósicos y textiles. La microfluídica y la evolución observada en las tecnologías asociadas a su desarrollo han sido determinantes en el progreso en el campo de los sistemas de análisis total (MicroTAS), también conocidos como Lab-on-a-chip (LOC). Este sistema debe incorporar materiales actuadores que respondan a diferentes estímulos, incluyendo los de tipo fotosensible, electrosensible y quimiosensible. Como resultado, operaciones como la mezcla, interrupción o ralentización del flujo para facilitar reacciones químicas o separaciones, la disolución y transporte de reactivos encapsulados, la inmovilización de reactivos y las inyecciones o diluciones secuenciales, podrán llevarse a cabo. Esto permitirá realizar análisis más complejos, hasta ahora inalcanzables.
Resultados y conclusiones Expuestos los objetivos y la motivación de los diferentes estudios realizados, a continuación se resumen los resultados obtenidos en esta tesis por compendio organizados de forma similar a los objetivos.
El sistema dosimétrico desarrollado se basó en un microcontrolador de la familia PIC del fabricante Microchip, en concreto el PIC18F46K42. Este dispositivo destaca por su potente núcleo de procesamiento, capaz de ejecutar instrucciones complejas con alta precisión y eficiencia, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren respuestas en tiempo real. Incluye numerosos periféricos integrados, como interfaces UART, SPI e I2C, facilitando la conectividad con dispositivos externos y sensores. Además, el PIC18F46K42 ofrece un ecosistema robusto de herramientas de desarrollo y software, lo que permite simplificar el desarrollo y prototipado de aplicaciones.
En dosimetría con diodos y fotodiodos, el parámetro de interés es la corriente inducida por la radiación. Para medirla, es necesario realizar una conversión intensidad-voltaje mediante un amplificador operacional con una resistencia de realimentación. Esta señal se filtra (con un filtro RC) y digitaliza mediante un conversor analógico-digital externo. Teniendo en cuenta los componentes empleados y la incertidumbre experimental, se obtuvo una resolución de 200 pA. Además del amplificador de transimpedancia, se incluyó una fuente de corriente a la unidad lectora para polarizar los diodos y fotodiodos, permitiendo medir la tensión en directa (Vgamma). Esta modificación se realizó para poder medir la temperatura de los sensores gracias a la relación de Vgamma con la temperatura. El efecto de la temperatura en las mediciones dosimétricas es una limitación importante de los dosímetros de estado sólido, lo cual tiene especial relevancia en el caso de los dosímetros basados en fotodiodos PIN, en los que la corriente de oscuridad depende exponencialmente de la temperatura.
Esta plataforma se empleó en la primera publicación incluida en el compendio para caracterizar diferentes fotodiodos y fototransistores como sensores dosimétricos [¿ref?]. Para ello, se aplicó un ciclo de irradiación escalonado que incluía valores de tasa de dosis de 0.81 a 4.87 cGy/s, alcanzando una dosis absorbida total de 21.4 Gy. Los resultados experimentales del fotodiodo PIN de Si BPW34S mostraron una sensibilidad de (13.9 ± 0.5) nC/cGy, una reducida dependencia de la sensibilidad con la tasa de dosis, y una alta linealidad de la corriente con la tasa de dosis media e instantánea. Como conclusión de esta primera publicación, el fotodiodo PIN de silicio BPW34S resulta ser un candidato fiable para la determinación de la tasa de dosis y la dosis absorbida en la piel en irradiaciones típicas de tratamientos de radioterapia, para el cual se ha medido una pérdida de sensibilidad por debajo del 2% hasta 21.4 Gy.
En la segunda publicación que se incluye como resultado de la tesis por compendio, se presenta un método de compensación térmica basado en la propia estructura del diodo, sin necesidad de un sensor o dispositivo externo. Durante la irradiación, el fotodiodo se conmuta periódicamente de polarización inversa a polarización directa para determinar la temperatura del dispositivo. Esta medición se basa en la dependencia lineal entre la temperatura y la tensión directa del diodo. El procedimiento propuesto redujo la incertidumbre debida a la deriva térmica en un factor de 7.5.
Además de la caracterización descrita anteriormente, para completar el estudio del sensor elegido como dosímetro de haces de fotones, se llevó a cabo una caracterización de la dependencia angular del fotodiodo BPW34S, donde se encontró una dependencia máxima de la sensibilidad del 35.3%. Para solventar este problema se propuso una solución basada en una estructura sensora tridimensional: Un cubo de seis caras con un fotodiodo en cada cara, donde todos los fotodiodos se conectaron en paralelo, consiguiendo así reducir al 10.6%. la dependencia angular.
Siguiendo con la caracterización del fotodiodo BPW34S como sensor dosimétrico, se estudió su respuesta ante haces de protones de 5.36, 70, 150 y 230 MeV. Los resultados obtenidos para la energía más baja no fueron satisfactorios. Sin embargo, para las otras tres energías estudiadas se obtuvo una sensibilidad calculada como la relación entre la carga generada por la radiación ionizante y la dosis suministrada de (0.32x + 3.81), (0.31x + 2.68) y (0.36x + 5.78) µC/Gy, respectivamente.
Posteriormente, se estudió la respuesta de cuatro modelos de diodo frente a rayos gamma de alta tasa (365.17 Gy/min). En este caso, la sensibilidad obtenida para los diferentes modelos testeados osciló entre 101.0 y 66.9 µC/kGy con una degradación máxima del 1.4%.
Para terminar con la caracterización de sensores dosimétricos, se caracterizó y estudió el RADFET VT06 de Varadis (Cork, Ireland) como sensor para haces de protones. Aquí se usó la unidad lectora desarrollada previamente en nuestro grupo de investigación, y se realizaron caracterizaciones ante diferentes energías: 1, 2, 3, 151.23 y 230 MeV. Los resultados mostraron una dependencia de la sensibilidad con la energía, obteniendo sensibilidades de 0.68, 0.79, 0.92, 1.10 y 1.14 mV/Gy, respectivamente.
Continuando con el segundo objetivo, se desarrolló una plataforma microcontrolada basada en el uso de unidades de medida inerciales. Los principales componentes de la placa electrónica son el microcontrolador SAMD21G18 de arquitectura ARM Cortex-M0+, que sirve de columna vertebral para multitud de tareas que requieren capacidades de procesamiento fiables y de alta velocidad, junto con la unidad de medida inercial MPU-9250, que integra magnetómetro, giróscopo y acelerómetro de 3 ejes cada uno. Todo ello, alimentado por batería y a una frecuencia de muestreo de 112 Hz, ofrece una autonomía superior a 10 horas.
En la tercera publicación presentada como resultado de la tesis, se emplea este sistema para analizar la técnica durante la práctica de esquí alpino. En el esquí es importante conocer cómo acelera e inclina los esquís el esquiador durante el giro para evitar lesiones y mejorar la técnica. El objetivo de este trabajo fue validar el sistema para detectar la inclinación y aceleración de los esquís. Para ello se colocó la plataforma desarrollada en cada esquí, detrás de la bota del esquiador, y se obtuvieron los datos de orientación y actitud de los esquís (balanceo, cabeceo y guiñada). Esta información se comparó con los datos recogidos por un sistema de referencia 3D-cinemático basado en vídeo para validar su funcionamiento, obteniéndose el coeficiente de correlación entre 0,9959 y 0,922. Además, los resultados demuestran que el sistema basado en IMU propuesto puede proporcionar datos fiables con baja deriva.
Finalmente, dentro del campo de la microfluídica, se ha desarrollado y evaluado una plataforma sensora que consiste en un par de electrodos metálicos paralelos colocados debajo de la tira de papel que transporta el líquido por capilaridad. A medida que la tira de papel se humedece, la capacidad eléctrica entre estos electrodos se modifica, lo que permite una medición precisa y en tiempo real del flujo capilar sin necesidad de cámaras de vídeo ni sensores de flujo externos. Para ello se empleó el sensor capacitivo AD7746, que mide el cambio de capacidad controlado por un Arduino Nano, el cual posee el microcontrolador ATmega 328. El sensor capacitivo tiene un rango de 8 pF con una precisión de 4fF. Este rango puede ajustarse mediante un desplazamiento (offset) para situarse en torno a los valores de capacidad deseados. En este caso se empleó el ATmega 328 debido a la cantidad de información, librerías y recursos disponibles.
Este sistema dio como resultado la cuarta publicación del compendio, en la que se presenta el desarrollo del mismo. La monitorización precisa y en tiempo real del proceso de absorción de líquidos es esencial para permitir un control preciso del flujo en dispositivos microfluídicos, mejorando así su rendimiento y utilidad. Sin embargo, la mayoría de las estrategias existentes de monitorización del flujo requieren instrumentación externa que suele ser voluminosa e inadecuada para sistemas portátiles.
El rendimiento de la plataforma de monitorización capacitiva se evaluó para diferentes soluciones acuosas (agua purificada y solución de NaCl 1 M), varias geometrías de tiras de papel y varias válvulas químicas a medida para la retención del flujo (barreras a base de quitosano, cera y sacarosa). La validación experimental arrojó un error relativo a escala real del 0.25%, lo que se tradujo en un error de capacidad absoluta de ± 10 fF. En cuanto a la reproducibilidad, la incertidumbre máxima fue inferior a 10 nl/s para la determinación del caudal. Además, los datos experimentales se compararon y validaron con análisis numéricos mediante simulaciones eléctricas y de dinámica de flujo en medios porosos.
