Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones

Desarrollo de un estimulador eléctrico transcraneal para monitoreo intraoperatorio

RESUMEN Los estimuladores eléctricos transcraneales son equipos médicos (o parte de estos) empleados en actos quirúrgicos que ponen en riesgo las vías nerviosas motoras para monitorizar su estado estructural y funcional. En el presente trabajo se diseñó el hardware electrónico de los bloques funcionales que componen un estimulador eléctrico transcraneal. Se programaron las tareas que debe desempeñar el microcontrolador que administra dichos bloques funcionales de manera que estos operen armónicamente. Se comprobó que el estimulador desarrollado es capaz de entregar pulsos rectangulares con amplitud de voltaje de hasta 1000 V e intensidad de corriente de 1 A, con errores inferiores al 5 % respecto a los valores teóricos esperados de todos los parámetros físicos medidos. El sistema diseñado inhibió la generación de estímulos ante la detección de un evento potencialmente peligroso. Estos resultados evidencian que los estímulos generados se corresponden con las características del equipo propuesto.

ABSTRACT The transcranial electrical stimulators are medical equipment (or part of medical equipment) used in surgical acts that put at risk the motor nerve pathways to monitor the structural and functional state of these nerves. In the present work we designed the electronic hardware of the functional blocks that make up a transcranial electrical stimulator. The relative tasks to the microcontroller were programmed. The developed stimulator is capable of delivering rectangular pulses with a voltage amplitude of up to 1000 V and current intensity of 1 A, with errors lower than 5 % regarding the theoretical values. The actuator system inhibited the generation of stimuli when detecting of a potentially dangerous event. These results show that the generated stimuli correspond to the proposed equipment characteristics.

Clasificador automático de imágenes de muestras de sangre basado en redes neuronales profundas

RESUMEN El tamizaje neonatal masivo es una prueba que se realiza a todos los recién nacidos para detectar y prevenir enfermedades congénitas, hereditarias y metabólicas que afectan el crecimiento y desarrollo normal del niño. Esta prueba consiste en realizar una pequeña punción en el talón del bebé para tomar unas pocas gotas de sangre y colocarlas en un papel filtro para ser analizadas en el laboratorio. Una de las etapas de este análisis es la evaluación de la calidad de las muestras basándose en elementos como la coloración de las muestras, el secado, la presencia de impurezas y la presencia de coágulos. Debido a que esta etapa requiere de elevada experiencia, agilidad y memoria visual de los especialistas, en ocasiones se llevan muestras al laboratorio que no brindan los mejores resultados por la baja calidad que presentan. Este trabajo presenta un estudio para desarrollar un clasificador automático basado en redes neuronales profundas que evalúe la calidad de las muestras de sangre analizadas. Este clasificador se basa en el reconocimiento de patrones asociados a los momentos de color y a las componentes de matiz, saturación y valor del brillo, extraídos de las imágenes de las muestras de sangre. Para esto se seleccionó una red neuronal profunda compuesta por dos autocodificadores profundos más un clasificador softmax, entrenada con ejemplos de imágenes de muestras de sangre, obteniéndose resultados satisfactorios en la validación del método con la clasificación correcta de las muestras sometidas a análisis.

ABSTRACT Massive neonatal screening is a test performed on all newborns to detect and prevent congenital, hereditary and metabolic diseases that affect the child's normal growth and development. This test consists of making a small puncture in the heel of the baby to take a few drops of blood and place them on a filter paper to be analyzed in the laboratory. One of the stages of this analysis is the quality evaluation of the samples based on elements such as the coloring of the samples, the drying, the presence of impurities and the presence of clots. Because this stage requires high experience, agility and visual memory of the specialists, sometimes samples are taken to the laboratory and they do not provide the best results due to the low quality they present. This paper presents a study to develop an automatic classifier based on deep artificial neural networks that evaluates the quality of the blood samples analyzed. This classifier is based on pattern recognition associated to the color moments and the HSV components, extracted from the images of blood samples. For this, a deep neural network formed by two deep autoencoders and a softmax classifier is trained with examples of images of blood samples, obtaining satisfactory results in the validation of the method with the correct classification of the samples submitted for analysis

Antena omnidireccional tipo arreglo colineal usando la técnica de microcinta para la banda ISM de 2,4 GHz

RESUMEN En la presente investigación se describe la obtención de una antena tipo arreglo colineal utilizando la técnica de microcinta. Para el cumplimiento de dicho objetivo fue necesario realizar un estudio sobre las antenas que se utilizan con mayor frecuencia en la banda ISM de 2,4 GHz; ampliamente empleadas para ofrecer servicio Wi-Fi. La motivación de la investigación se centra en el poco conocimiento que brindan las literaturas consultadas sobre antenas de fácil reproducción, ligeras pero a la vez robustas, y que además posean propiedades omnidireccionales en el plano azimut. Utilizando la técnica de microcinta fue posible lograr un prototipo de antena que supliera tales necesidades. Las distintas etapas del proceso de diseño, simulación, construcción y medición, desarrolladas durante la investigación son una muestra de que los resultados alcanzados fueron satisfactorios, siendo avalados por la obtención de la forma de radiación deseada y, según las mediciones realizadas, de un alto nivel de adaptación, demostrado en una Razón de Ondas Estacionarias (ROE) menor a 1,288 en la banda de trabajo; mientras que la impedancia mantiene su parte real cercana a 50 Ohm y la imaginaria próxima a cero.

ABSTRACT In the present investigation, the obtaining of an antenna type collinear arrangement using the microstrip technique is described. To fulfill this objective, it was necessary to carry out a study on the antennas that are most frequently used in the 2,4 GHz ISM band; widely used to offer Wi-Fi service. The motivation of the research focuses on the little knowledge provided by the literature consulted on easy-to-reproduce antennas, light but at the same time robust, and that also have omnidirectional properties in the azimuth plane. Using the microstrip technique it was possible to achieve a prototype antenna that would meet such needs. The different stages of the design, simulation, construction and measurement process developed during the investigation are a sample of the results achieved were satisfactory, being guaranteed by obtaining the desired form of radiation and, according to the measurements made, of a high level of adaptation, demonstrated in a Stationary Wave Ratio (ROE) of less than 1,288 in the work band; while the impedance keeps its real part close to 50 Ohm and the imaginary close to zero.

Sistema electrónico de accionamiento inalámbrico para discapacitados usando dispositivos Android

RESUMEN Recientemente se está usando un nuevo dispositivo electrónico que posibilita el uso de los sensores que tienen los “Smartphone” sin tener que utilizar el resto de los escudos de “Arduino”, llamándose dicha tarjeta “1Sheeld” y esto posibilita que se le añadan muchas prestaciones a la plataforma “Arduino”. El sistema que se propone tiene el objetivo de asistir a personas discapacitadas motoras y débiles visuales, para lo cual se han usado los sensores de un “Smartphone” para interactuar, a través de Bluetooth v4.0, con un dispositivo de hardware y software libre como el “Arduino” que junto con una APK que utiliza dos de los sensores de un dispositivo Andriod se puede accionar, remotamente, equipos y sistemas de una vivienda, luces, aire acondicionado, apertura de puertas, quipos electrodomésticos, etc.

ABSTRACT Recently new hardware device is using that we have the possibility to use the Smartphone` sensors without having to use the rest of the shields of "Arduino", this target is called 1Sheeld and this facilitates added many benefits to the platform "Arduino." The systems that we propose has the goal to support invalid people and weak visual people and for this reason the sensor of a Smartphone have been used for to impact, through Bluetooth v4.0, in a device with both, hardware and free software how the Arduino that join with the app that use tow sensors of android device, can to work, wirelessly, domestic devices, lights, air conditioning, opening of doors, etc.

Cancelación de Auto-Interferencia en Transceptores MIMO Full Dúplex

ABSTRACT The transceiver nonlinearities have recently been shown to limit the performance of in-band FD (Full-Duplex) devices. In this article, detailed modeling and mitigation algorithms of more critical of these nonlinearities, in order to obtain better SI (Self-Interference) cancellation performance are presented. In the transmitter side, we propose to applied DPD (Digital Predistortion) to both, transmit and cancellation chains in order to obtain output signals free from nonlinearities of RF components, and crosstalk effects, which allow better RF cancellation. In the receiver side, the nonlinearities of RF components are modeled and the residual SI that will experiment these nonlinearities will be mitigated by digital cancellation. Our proposed method, ''DPD cancellation'', provides one of the simple signal models of SI signal that takes into account more of RF components nonlinearities, and crosstalk effect between the transmitter chains in MIMO-FD (Multiple Input Multiple Output Full-Duplex) transceivers. In this paper, the effect of the phase noise has been considered in the transceiver architecture, which can be minimized by using the same local oscillator for transmitter, cancellation and receiver chains. The simulation results show that, our method, DPD cancellation, provides better SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) at the input of the detector at the receiver, when compared to others methods in literature. In this way, it can be considered as one of the promising methods for the practical implementation of FD transmission in the future wireless systems.

RESUMEN Recientemente se ha demostrado que las no-linealidades del transceptor imponen limitaciones en el rendimiento de los dispositivos FD (Full-Dúplex). En este artículo, elaboramos en detalle modelos y algoritmos de mitigación de las más críticas de estas no-linealidades con el objetivo de obtener mayor nivel de cancelación de la señal de auto-interferencia. Para el transmisor, proponemos de aplicar la predistorsión digital (DPD: Digital Predistortion) tanto en la cadena de transmisión como en la cadena de cancelación para obtener una salida sin no-linealidades de los componentes RF y sin efectos crosstalk, lo que permite mayor cancelación analógica RF. Para el receptor, las no-linealidades de los componentes RF son modeladas y la señal de auto-interferencia residual que experimentará esas no-linealidades será mitigada por la cancelación digital. Nuestro método,‘’DPD Cancelación’’ ofrece uno de los modelos más simples de la señal de auto-interferencia que toma en cuenta la mayor parte de las no-linealidades de los componentes RF y efectos de las interferencias (crosstalk) que ocurren entre transmisores de los transceptores MIMO-FD (Multiple Input Multiple Output Full-Dúplex). En ese trabajo, el efecto del ruido de fase del mezclador ha sido considerado en la arquitectura del transceptor, el cual se puede minimizar utilizando el mismo oscilador local para el transmisor, cadena de cancelación y el receptor. Los resultados de la simulación muestran que “DPD cancelación” permite obtener mayores valores de la relación señal interferencia más ruido (SINR) a la entrada del detector en el receptor, cuando se compara con otros métodos existentes en la literatura. Por lo que ese algoritmo puede ser considerado como uno de los métodos prometedores para la implementación práctica de la transmisión FD en los futuros sistemas inalámbricos.

Análisis del comportamiento de la ganancia de SFN para DTMB

RESUMEN En los últimos años se ha venido desplegando en Cuba el servicio de Televisión Digital Terrestre (TDT) de acuerdo con el estándar DTMB en su esquema para redes de múltiples frecuencias (MFN). Sin embargo, como parte de la evolución de esta tecnología, algunos países han migrado hacia el despliegue de redes de una sola frecuencia (SFN), pues este esquema provee un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. Estudios sobre SFN muestran que es posible con este esquema conseguir una distribución más homogénea de la calidad de la señal recibida y, además, las señales provenientes de transmisores diferentes pueden ser combinadas de forma constructiva para obtener una ganancia en la recepción. No obstante, algunos autores consideran que un aumento de la intensidad total de la señal recibida, no siempre se corresponde con una mejor recepción. Es por esto que se han considerado parámetros propios de la recepción como: relación señal a ruido (SNR) y razón de modulación errónea (MER), en lugar de la intensidad de la señal recibida para evaluar la ganancia. En este artículo se presenta un análisis, a partir de los resultados de mediciones de laboratorio, que permite caracterizar la ganancia de SFN (SFNG) para DTMB, considerando el parámetro MER como medida de la calidad de la señal recibida. Además, se presentan los resultados obtenidos de evaluar la capacidad de recepción de un receptor comercial en SFN con presencia de multitrayectos con valores de retardo cercanos a la duración del intervalo de guarda.

ABSTRACT During the last years, Cuba has been deploying the Digital Terrestrial Television service in accordance with the DTMB standard on its Multiple Frequency Network (MFN) mode. However, as part of the evolution of this technology, some countries had evolved toward the deployment of Single Frequency Networks (SFN). Studies on SFN show that is possible to get a more homogeneous distribution of the received signal quality and, besides, the different transmitter’s incoming signals might be combined in a constructive way to get a reception gain. However, a group of authors considers that an increasing on the received signal total intensity is not always in correspondence with a better reception quality. That’s why reception parameters like signal to noise ratio (SNR) and modulation error ratio (MER), have been considered to evaluate the gain, instead of signal strength. In this paper, it is presented an analysis, based on laboratory test results, that allow characterizing the SFN gain for DTMB standard where the MER parameter has been considered like a received signal quality indicator. Furthermore, the results of evaluating the reception capacity of a commercial receiver on SFN in the presence of multipath with near to guard interval length are presented.

Modelación de la ablación térmica por RF teniendo en cuenta la dependencia de las propiedades del tejido con la temperatura

ABSTRACT The outcome of radio frequency thermal ablation (RFTA) is significantly affected by the tissue electrical conductivity; thus, understanding the changes of this property during heating is fundamental to suitably model the medical procedure. In this work a reasonable procedure is proposed for selecting the appropriate experimental data of the temperature dependence of electrical conductivity for the simulation taking into account the heating rate at which the data was acquired and the power that will be delivered to the electrodes in the RFTA situation of interest, based on the computing of the time average of the heating rate in a representative point of the ablation zone. The numerical results confirmed that the use of lower frequencies (20 kHz) than currently used during RFTA (450 kHz) may result in preferential heating of the tumor and consequently in less damage on healthy tissue. Also, the effect on the computed thermal lesion size of three different models of the temperature dependence of electrical conductivity used for the simulation of a RFTA situation at 20 and 450 kHz, entailing the presence of three materials with different dielectric properties (normal liver tissue, tumor gel phantom and muscle saline phantom) was investigated. The results demonstrated that not only the initial (baseline) electrical conductivity is important in predicting the lesion size, but also it is the model of the temperature dependence of electrical conductivity.

RESUMEN El resultado de la terapia de ablación térmica por radiofrecuencia (RFTA) es significativamente afectado por la conductividad eléctrica del tejido; por eso la comprensión de los cambios de esta propiedad durante el calentamiento es fundamental para modelar adecuadamente el procedimiento médico. En este trabajo se propone un procedimiento razonable para seleccionar los datos experimentales apropiados de la dependencia de la conductividad eléctrica con la temperatura para la simulación teniendo en cuenta el ritmo de calentamiento a la que fueron adquiridos los datos y la potencia a suministrar a los electrodos en la situación de RFTA de interés, basado en la computación del promedio temporal de la velocidad de calentamiento en un punto representativo de la zona de ablación. Los resultados numéricos confirmaron que la utilización de frecuencias más bajas (20 kHz) que las actualmente en uso durante la RFTA (450 kHz) puede producir un calentamiento preferencial del tumor y por consiguiente menos daño en el tejido sano. También se investigó el efecto sobre el tamaño computado de la lesión térmica, de tres modelos diferentes de la dependencia de la conductividad eléctrica con la temperatura, usados para la simulación de una situación de RFTA a 20 y 450 kHz que acarrea la presencia de tres materiales con propiedades dieléctricas diferentes (tejido hepático normal, phantom gel del tumor y phantom salino del tejido muscular). Los resultados demostraron que no sólo la conductividad eléctrica inicial (la línea base) es importante para predecir el tamaño de la lesión, sino también el modelo de la dependencia de la conductividad eléctrica con la temperatura.

Ingeniería inversa de pizarra electrónica de béisbol, desarrollo de nuevas propuestas y aplicaciones

RESUMEN Las pizarras electrónicas se utilizan en los eventos deportivos como medios de control y visualización de la información. En la mayoría de los casos, estos equipos electrónicos se encuentran regulados por las federaciones deportivas internacionales correspondientes. En Cuba los principales estadios de béisbol, disponen de una pizarra electrónica profesional. Estas pizarras necesitan mantenimiento y reparación, sin embargo no existe la suficiente información del fabricante. Igualmente, el software facilitado por el fabricante para el control de estas pizarras no satisface las necesidades de los operadores. En este trabajo se realiza la ingeniería inversa a los distintos módulos de visualización de la pizarra, así como a los protocolos de comunicaciones. Como resultados, se dispone de los esquemas electrónicos, documentación del funcionamiento, así como de los protocolos de comunicaciones. Con estos resultados, se desarrollaron herramientas para pruebas de los módulos de visualización por separado y un nuevo software de control de la pizarra ajustado a las necesidades de los operadores. Adicionalmente se propone una mejor estructura y protocolo, con su respectiva aplicación de software, que reduce la complejidad de interconexión entre los módulos de visualización de la pizarra.

ABSTRACT Electronic scoreboard is used in sports events as means of control and visualization of information. In most cases, these electronic devices are regulated by the corresponding international sports federations. In Cuba, the main baseball stadiums have a professional electronic scoreboard. These scoreboards need maintenance and repair, but there is not enough information from the manufacturer. Likewise, the software provided by the manufacturer for the control of these electronic scoreboards does not satisfy the needs of the operators. In this work, the reverse engineering of the different modules of the scoreboard is carried out, as well as the communication protocols. As results, there are available the electronic schemes, documentation of the operation, as well as the communication protocols. With these results, tools were developed for testing the visualization modules separately and a new control software for the scoreboard adjusted to the needs of the operators. Additionally, a better structure and protocol is proposed, with its respective software application, which reduces the complexity of interconnection between the visualization modules of the scoreboard.