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Diseño y Ensamble de un Oxímetro Retinal
Por:
Ernesto Hernández Sánchez. Ingeniero Mecatrónico
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de:
MAESTRO EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS BIOMÉDICAS.
En el:
Instituto Nacional de Astrofísica,
Óptica y Electrónica. Marzo 2019:
Tonantzintla, Puebla.
Supervisada por:
Dr. Carlos Gerardo Treviño Palacios. Investigador titular “C” del INAOE
©INAOE 2018 Derechos Reservados
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes mencionando la fuente.
Le doy gracias a Dios por dejarme concluir este ciclo en mi vida con salud y en compañía de mi familia:
A mi amada esposa, Gabriela, a mi madre Guadalupe Sánchez;
mis hijos Uriel y Edgar;
a mi tía Rosa Beatriz;
a mis Hermanos José Javier, Mariana y Guadalupe;
y a mis sobrinos Emiliano, Miguel y Jorge
AGRADECIMIENTOS:
Mi más sincero agradeciendo al Dr. Carlos Gerardo Treviño Palacios por
sus enseñanzas, apoyo, paciencia y confianza por haberme aceptado y formar parte
de su grupo de trabajo en este proyecto.
A mis sinodales, los Doctores Jorge Castro, Luis Enrique Sucar y
Francisco Javier Renero por sus comentarios, correcciones y sugerencias en la
revisión de este trabajo.
A la Dra. Perla Carolina García Flores y al Ing. Amado Torres Muñoz que
son parte del Laboratorio para Análisis Dimensional y Fabricación de Prototipos 3D
con alta Precisión por sus asesorías e interés mostrado en la culminación de este
prototipo.
Al claustro de Ciencias y Tecnologías Biomédicas por haberme dado la
oportunidad de pertenecer a este posgrado, por brindar e impartir su conocimiento
y por el tiempo dedicado en la elaboración de este programa.
A la dirección del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
por habernos dado el apoyo monetario por medio de la beca de ayudantía, para
realizar y concluir este programa.
Al Dr. José Luis Hernández Rebollar, por brindarme la confianza para
seguir utilizando espacios asignados a GTM.
Al Ing. Eduardo Ramos Valdez, por su amistad y conversaciones que me
ayudaron a dar forma al diseño de este prototipo.
i
RESUMEN
La retinopatía diabética está caracterizada por lesiones que modifican la
configuración de la retina, debido a cambios en su flujo sanguíneo que puede
llegar a influenciar el suministro de oxígeno en el metabolismo retiniano. La
oximetría de retina permite detectar cambios en la saturación de oxígeno en
venas y arterias de pacientes diabéticos con retinopatías. El propósito
fundamental es el de construir un oxímetro a bajo costo que permita realizar la
medición de la reflectancia en la retina, ayudando a un rápido tamizaje en la
detección de la retinopatía diabética.
La diabetes es una complicación que afecta en México aproximadamente a 14
millones de personas en edad productiva. De estos aproximadamente el 50%
desarrollara una retinopatía, de los cuales el 40% tendrán ceguera
eventualmente, es decir, se estima que 2.8 millones de personas quedaran
ciegas por retinopatía diabética, que podría ser retrasada mediante una
intervención con láser. El realizar las pruebas oftalmológicas a una población
<oftalmólogos calificados.
La utilización de esta tecnología de impresión 3D en la manufactura de piezas
de precisión como lo son monturas ópticas, monturas de detectores para la
recolección de datos y una carcasa que contenga el arreglo óptico para el
desarrollo de este prototipo, ayuda a tener un elemento relativamente de
rápida fabricación y con esto, pruebas de campo en un corto tiempo,
obteniendo una retroalimentación entre el usuario y el diseñador, acelerando
el desarrollo de un producto final. La elaboración de instrumentos clínicos
como el que se propone en este proyecto pretende generar un impacto en la
sociedad y una expansión en el ámbito de la instrumentación biomédica.
ii
ABSTRACT
Diabetic retinopathy is characterized by lesions that modify the configuration of
the retina, due to changes in its blood flow that can influence the oxygen supply
in the retinal metabolism. Retinal oximetry makes it possible to detect changes
in oxygen saturation in veins and arteries of diabetic patients with retinopathies.
The main purpose is to build an oximeter at a low cost that allows the
measurement of the reflectance in the retina, helping rapid screening in the
detection of diabetic retinopathy.
Diabetes is a complication that affects approximately 14 million people of
productive age in Mexico. Of these approximately 50% will develop retinopathy,
of which 40% will eventually be blind, that is, it is estimated that 2.8 million
people will be blinded by diabetic retinopathy, which could be delayed by laser
intervention. Performing ophthalmological tests on a population of 14 million is
virtually impossible given the resources and number of qualified
ophthalmologists.
The use of this 3D printing technology in the manufacture of precision parts
such as optical frames, detector frames for data collection and a housing
containing the optical arrangement for the development of this prototype, helps
to have a relatively element Fast manufacturing and with this, field tests in a
short time, obtaining feedback between the user and the designer, accelerating
the development of a final product. The development of clinical instruments
such as the one proposed in this project aims to generate an impact on society
and an expansion in the field of biomedical instrumentation.
iii
ÍNDICE RESUMEN ................................................................................................................................... i
ABSTRACT .................................................................................................................................. ii
ÍNDICE .......................................................................................................................................iii
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................... v
1. CAPITULO: INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1
1.1 Motivación ................................................................................................................ 1
1.2 Planteamiento del Problema .................................................................................... 3
1.3 Justificación ............................................................................................................... 4
1.4 Objetivo General ....................................................................................................... 4
1.5 Objetivos Específicos................................................................................................. 4
1.6 Hipótesis.................................................................................................................... 5
1.7 Diseño Metodológico y Técnicas de Investigación. .................................................. 5
2 CAPÍTULO: OXIMETRÍA ...................................................................................................... 8
2.1 Historia ...................................................................................................................... 8
2.3 Oximetría de Pulso .................................................................................................... 9
2.4 Aplicaciones. ............................................................................................................. 9
2.5 Características Óptica de la Oximetría. ................................................................... 11
2.6 Principio de la Técnica NIRS para la Oximetría ....................................................... 13
2.7 La Teoría Detrás Oximetría de Pulso ....................................................................... 16
2.8 Usando la Relación de Razones para Determinar la Saturación de Oxigeno .......... 18
3 CAPITULO: RETINA .......................................................................................................... 21
3.1 Historia .................................................................................................................... 21
3.2 Anatomía y Funciones de la Retina ......................................................................... 21
3.3 Retinopatía .............................................................................................................. 23
3.4 Retinopatía diabética no proliferativa .................................................................... 24
3.5 Retinopatía Diabética Proliferativa ......................................................................... 25
3.6 La Oximetría Para Detección de la Retinopatía Diabética ...................................... 25
4 CAPITULO: OXÍMETRO PREVIO ....................................................................................... 28
4.1 Oxímetro por lente de contacto. ............................................................................ 28
4.2 Evolución de las configuraciones del Oxímetro. ..................................................... 29
iv
4.3 Dispositivos de señal y adquisición de datos .......................................................... 31
5 CAPÍTULO: COMPONENTES Y PROPUESTA DE DISEÑO. .................................................. 33
5.1 DISEÑO .................................................................................................................... 33
5.2 COMPONENTES ....................................................................................................... 34
5.3 PROPUESTA DE DISEÑO .......................................................................................... 40
6 CAPITULO: CONCEPTUALIZACIÓN DEL DISEÑO .............................................................. 45
6.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO Y MONTURAS ÓPTICAS ..................................... 45
6.2 MONTURAS ÓPTICAS .............................................................................................. 48
6.3 DISEÑO DE CARCASA O CUERPO ............................................................................. 61
6.4 ENSAMBLE VIRTUAL DE OXÍMETRO RETINAL ......................................................... 70
6.5 PROBLEMÁTICAS A CONSIDERAR EN EL ENSAMBLE. .............................................. 79
7 CAPITULO: FABRICACIÓN DEL OXÍMETRO RETINAL ........................................................ 81
7.1 IMPRESIÓN 3D ........................................................................................................ 81
7.2 MONTURAS DE COMPONENTES ÓPTICOS. ............................................................. 83
7.3 ENSAMBLE ............................................................................................................... 87
8 CAPITULO: PRUEBAS Y RESULTADOS .............................................................................. 90
8.1 Introducción ............................................................................................................ 90
8.2 Comunicación de oxímetro con la computadora. ................................................... 90
8.3 Análisis teórico de la iluminación dentro del ojo. ................................................... 91
8.4 Metodología del experimento. ............................................................................... 93
8.4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN. ...................................... 94
8.4.2 PRUEBAS DE CAMPO. ...................................................................................... 95
8.5 ESCALAMIENTO DE LAS MEDICIONES DEL PROTOTIPO .......................................... 97
CONCLUSIÓN ......................................................................................................................... 102
ANEXO PIEZAS ÓPTICAS ........................................................................................................ 104
ANEXO PIEZAS OXÍMETRO .................................................................................................... 112
ANEXO ENSAMBLES .............................................................................................................. 140
REFERENCIAS ......................................................................................................................... 152
v
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2-1 MÉTODOS DE OXIMETRÍA, POR TRANSMITANCIA Y REFLECTANCIA. DIGITEXMEDICAL. (2019). PULSE OXIMETER [IMAGE]. RETRIEVED FROM HTTPS://BLOG.DIGITEXMEDICAL.COM/2012/03/30/HOW-DOES-A-PULSE-OXIMETER-WORK/ ..... 10
FIGURA 2-2 ESPECTROS DE ABSORCIÓN DE LAS COMPONENTES DE LA HEMOGLOBINA. SANGRE NO OXIGENADA (DESOXIHEMOGLOBINA: HHB) Y LA SANGRE OXIGENADA (OXIHEMOGLOBINA: HBO2) OMLC. (1999). OPTICAL ABSORPTION OF HEMOGLOBIN [IMAGE]. RETRIEVED FROM HTTPS://OMLC.ORG/SPECTRA/HEMO .................................................................................... 12
FIGURA 2-3 REPRESENTACIÓN DE TRANSMITANCIA DE LUZ POR LA HEMOGLOBINA OXIGENADA Y DESOXIGENADA POLARIDAD.ES. (2015). PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL OXÍMETRO PARA MONITORIZACIÓN DEL PULSO [IMAGE]. RETRIEVED FROM HTTPS://POLARIDAD.ES/MONITORIZACION-SENSOR-PULSO-OXIM ........................................... 12
FIGURA 2-4 LEY DE BEER-LAMBERT ........................................................................................... 14 FIGURA 2-5 REPRESENTACIÓN DEL FENÓMENO DE ABSORCIÓN, REFLECTANCIA Y TRANSMITANCIA. 15 FIGURA 2-6 COEFICIENTE DE EXTINCIÓN VS LONGITUD DE ONDA [11] ........................................... 19 FIGURA 3-1 CAPAS DE LA RETINA. [14] C. GUYTON, CAPAS DE LA RETINA. 2011. ......................... 22 FIGURA 3-2 COMPARACIÓN DE VISTA NORMAL EN EL LADO IZQUIERDO Y DEL LADO DERECHO ESTA LA
VISTA POR UNA PERSONA CON RETINOPATÍA DIABÉTICA. CLÍNICA REFRACTIVA NAVEX, ESCENA VISTA POR UNA PERSONA RETINOPATÍA DIABÉTICA. 2019.. ...................................... 25
FIGURA 3-3 LESIONES POR RETINOPATÍA [1]RETINOPATÍA DIABETICA. 2016. DIABÉTICA. ............... 26 FIGURA 4-1 SECCIÓN TRANSVERSAL LA LENTE DE CONTACTO HÁPTICA ADAPTADA Y SONDA DE
OXÍMETRO DE PULSO [20]J. DE KOCK, AND L. TAMSSENKO, REFLECTANCE PULSE OXIMETRY MEASUREMENTS FROM THE RETINAL FUNDUS. 1993. .......................................................... 28
FIGURA 4-2 OXIMETRO ZILIA [15]ZILIA., OXIMETRO OCULAR ZILIA. 2019. ..................................... 29 FIGURA 4-3 LA CONFIGURACIÓN MÁS SIMPLE PARA UN OXÍMETRO OCULAR. EN ESTA
CONFIGURACIÓN, LAS FUENTES DE LUZ Y EL DETECTOR ESTÁN ÓPTICAMENTE EN EL MISMO PUNTO. ............................................................................................................................. 30
FIGURA 4-4 CONFIGURACIÓN DEL OXÍMETRO RETINAL. EN EL PRIMER PROTOTIPO PORTÁTIL, TODOS LOS ÓPTICOS LOS COMPONENTES SE MONTAN INDIVIDUALMENTE EN UNA TABLETA CUADRADA DE 8 PULGADAS DE ANCHO ................................................................................................. 30
FIGURA 4-5 LA SEGUNDA VERSIÓN ERA UN SISTEMA DE JAULAS, QUE PERMITÍA UNA MEJOR PORTABILIDAD Y UNA MEJOR CONSERVACIÓN DE LA ALINEACIÓN DE LOS COMPONENTES ÓPTICOS. .......................................................................................................................... 31
FIGURA 5-1 SISTEMA ÓPTICO SIMPLIFICADO. ............................................................................... 34 FIGURA 5-2 LENTE BICONVEXA LB1761 -B [20] LENTE BICONVEXA LB1761-B. 2019. .................... 35 FIGURA 5-3 LENTE ASFERICA AL2520-B .................................................................................... 36 FIGURA 5-4 ESQUEMÁTICO DE CUBO DIVISOR DE HAZ. ................................................................. 37 FIGURA 5-5 CUBO DIVISOR DE HAZ CCM1-BS014/M EN SU CARCASA. [23]CUBO DIVISOR DE HAZ
CCM1-BS014/M. 2019. ................................................................................................... 37 FIGURA 5-6 LOS DIODOS EMISORES DE LUZ LED680L. [23] LED680L - 680 NM. 2019. ................ 38 FIGURA 5-7 FOTODIODO FDS100. [24] FDS100 - SI FOTODIODO. 2019. .................................... 39 FIGURA 5-8 CAPACIDAD DE RESPUESTA EN FUNCIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA. ........................... 40 FIGURA 5-9 DIAGRAMA DE BLOQUES DE OXÍMETRO. .................................................................... 41 FIGURA 5-10 LUPA DE RELOJERO. .............................................................................................. 42 FIGURA 5-11 PROPUESTA DE DISTRIBUCIÓN ÓPTICA DE OXÍMETRO. .............................................. 43
vi
FIGURA 6-1 SE MUESTRAN LAS DIMENSIONES EN MILÍMETROS DEL OXÍMETRO RETINAL SOBRE LAS VISTAS LATERALES. ............................................................................................................ 46
FIGURA 6-2 SE MUESTRAN LAS DIMENSIONES EN MILÍMETROS DEL OXÍMETRO RETINAL SOBRE LAS VISTAS SUPERIOR Y FRONTAL. ............................................................................................ 46
FIGURA 6-3 VISTAS ISOMÉTRICAS DEL OXÍMETRO. ....................................................................... 47 FIGURA 6-4 MONTURAS DEL SISTEMA ÓPTICO DEL OXÍMETRO RETINAL. ........................................ 47 FIGURA 6-5 EYECUP WASH, DEL LADO DERECHO SE PUEDEN OBSERVAR LAS DIVISIONES QUE SE
REALIZARON PARA QUE LA PIEZA FUERA IMPRESA CON DISTINTOS GRADOS DE DUREZA Y FLEXIBILIDAD. .................................................................................................................... 48
FIGURA 6-6 PRIMERA EYECUP. .................................................................................................. 49 FIGURA 6-7 CABEZA HUMANA REPRESENTADA EN SOLIDWORKS LAS MEDIDAS MOSTRADAS SON EN
MM. ................................................................................................................................... 49 FIGURA 6-8 COLOCACIÓN DE LA EYECUP EN EL MODELO, VISTA TRANSVERSAL. DE IZQUIERDA A
DERECHA SE MUESTRAN LOS CAMBIOS REALIZADOS AL DISEÑO DE LA EYECUP. ..................... 50 FIGURA 6-9 VISTA FRONTAL DE MODELO CON EYECUP. ................................................................ 50 FIGURA 6-10 CORTE FRONTAL DE EYECUP. SE MUESTRAN LOS DOS TIPOS DE MATERIALES
UTILIZADOS. ...................................................................................................................... 51 FIGURA 6-11 CORTE LATERAL DE LA MONTURA CLAMPED FLANGE (ILUSTRACION DEL K. SCHWERTZ
FIELD GUIDE TO OPTOMECHANICAL DESIGN AND ANALYSIS BELLINGHAM, WASH.: SPIE PRESS, 2012) [16]. CORTE TRANSVERSAL DE MONTURA “CLAMPED FLANGE” ................................... 53
FIGURA 6-12 CORTE TRANSVERSAL DE LA MONTURA PROPUESTA “A” ES EL RADIO EXTERIOR DE LA SECCIÓN EN VOLADIZO. “B” ES EL RADIO INTERNO DE LA SECCIÓN EN VOLADIZO. ................... 53
FIGURA 6-13 RETEN PARA MONTURA. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS QUE CONFORMAN AL RETEN. .............................................................................................................................. 54
FIGURA 6-14 CELDA, DE IZQUIERDA A DERECHA SE MUESTRA EL CORTE TRANSVERSAL, VISTA ISOMÉTRICA Y CORTE FRONTAL DE LA CELDA. ...................................................................... 55
FIGURA 6-15 EXPLOSIVO DE ENSAMBLE DE MONTURA ÓPTICA. ..................................................... 55 FIGURA 6-16 S1LM05 – TIPO DE CUERDA SM1, MONTURA FABRICADA EN ALUMINIO PARA EL DIODO
TO-5( REPRESENTACIÓN EN SOLIDWORKS). ....................................................................... 56 FIGURA 6-17 ENSAMBLE DE CELDA Y DETECTOR. DE IZQUIERDA A DERECHA VISTA ISOMÉTRICA Y
CORTE TRANSVERSAL. ....................................................................................................... 57 FIGURA 6-18 PORTA REJILLA VISTA ISOMÉTRICA. ........................................................................ 58 FIGURA 6-19 PÉTALO. ............................................................................................................... 59 FIGURA 6-20 REJILLA. ............................................................................................................... 59 FIGURA 6-21 VÁSTAGO. ............................................................................................................. 59 FIGURA 6-22 PROCESÓ DE ENSAMBLE DEL DIAFRAGMA. .............................................................. 60 FIGURA 6-23 ENSAMBLE DE CUBO Y DETECTOR. ......................................................................... 61 FIGURA 6-24 PARTE INFERIOR EN VISTA ISOMÉTRICA SUPERIOR E INFERIOR. ................................ 63 FIGURA 6-25 PORTA EYECUP. ................................................................................................... 64 FIGURA 6-26 RETEN DE PERILLA. ............................................................................................... 64 FIGURA 6-27 EXPLOSIVO DEL MECANISMO DE ENFOQUE. ............................................................. 64 FIGURA 6-28 ENSAMBLE DE PORTA EYECUP. ............................................................................... 65 FIGURA 6-29 PORTA LENTE DE CAMPO. ...................................................................................... 66 FIGURA 6-30 PARTE MEDIA. ....................................................................................................... 67 FIGURA 6-31 MANGO DE OXÍMETRO. DE IZQUIERDA A DERECHA SE OBSERVA VISTA LATERAL, CORTE
TRANSVERSAL PARA VISUALIZAR EL CANAL POR DONDE PASA EL MAZO DE CABLES Y POR ULTIMO LA VISTA ISOMÉTRICA. ........................................................................................................ 68
FIGURA 6-32 PARTE INFERIOR O BASE. ....................................................................................... 68 FIGURA 6-33 TAPA SUPERIOR. ................................................................................................... 69 FIGURA 6-34 TAPA LATERAL, SECCIÓN MEDIA. ............................................................................ 69
vii
FIGURA 6-35 TAPA DE ELECTRÓNICA. ......................................................................................... 70 FIGURA 6-36 BASE PERNOS Y BARRENOS. .................................................................................. 71 FIGURA 6-37 UNIÓN DE LA PARTE MEDIA CON LA BASE. SE OBSERVA UNA AMPLIACIÓN DE LA UNIÓN
ENTRE ESTAS PIEZAS. ........................................................................................................ 72 FIGURA 6-38 UNIÓN BASE Y MANGO. ENCERRADO EN UN ÓVALO SE OBSERVA UNA AMPLIACIÓN DE LA
UNIÓN DE LAS PIEZAS. ........................................................................................................ 72 FIGURA 6-39 UNIÓN PARTE SUPERIOR CON SUB-ENSAMBLE DE PARTE MEDIA Y BASE. SE OBSERVA A
DETALLE LOS PERNOS QUE SE UTILIZAN PARA LA FIJACIÓN DE ESTAS PIEZAS. ........................ 73 FIGURA 6-40 VISTAS DE CARCASA SIN TAPAS. ............................................................................. 73 FIGURA 6-41 INSERCIÓN DE MONTURA CON CARCASA. COLOCACIÓN DE LA LENTE ASFÉRICA DENTRO
DE LA CARCASA ................................................................................................................. 74 FIGURA 6-42 COLOCACIÓN DE FOTODETECTOR DE MEDICIÓN Y LENTE DE ENFOQUE...................... 74 FIGURA 6-43 ANCLAJE DEL DIVISOR DE HAZ. ............................................................................... 75 FIGURA 6-44 COLOCACIÓN DE RETÍCULA EN CARCASA. EN EL LADO IZQUIERDO SE CORTE DE
CARCASA PARA LA VISUALIZACIÓN DE LA RETÍCULA. ............................................................. 75 FIGURA 6-45 LENTE DE CAMPO. ................................................................................................. 76 FIGURA 6-46 DIVISOR DE HAZ CON FUENTES DE ILUMINACIÓN. ..................................................... 76 FIGURA 6-47 DIVISOR CON DIAFRAGMA. ..................................................................................... 77 FIGURA 6-48 UNIÓN TAPA LATERAL Y DIVISOR DE HAZ. ................................................................ 77 FIGURA 6-49 TAPA SUJETA A CARCASA. ...................................................................................... 78 FIGURA 6-50 ENSAMBLE COMPLETO DE OXÍMETRO RETINAL. ....................................................... 78 FIGURA 6-51 OXÍMETRO Y MODELO. ........................................................................................... 79 FIGURA 7-1 MONTURA IMPRESA Y ENSAMBLADA. ......................................................................... 83 FIGURA 7-2 VISTA FRONTAL Y POSTERIOR DE MONTURA CON DETECTOR YA EN SU POSICIÓN. ........ 84 FIGURA 7-3 IRIS DE PRUEBA E IRIS VERSIÓN FINAL. ...................................................................... 85 FIGURA 7-4 TAPAS DE LA CARCASA, TAPA SUPERIOR, TAPA DE ELECTRÓNICA, TAPA LATERAL Y
MANGO. ............................................................................................................................ 86 FIGURA 7-5 BASE Y PARTE MEDIA DE LA CARCASA, MATERIAL VEROWHITE. .................................. 87 FIGURA 7-6 PARTE SUPERIOR Y SISTEMA DE ENFOQUE. ............................................................... 87 FIGURA 7-7 SISTEMA DE MEDICIÓN ENSAMBLE SUPERIOR. ........................................................... 88 FIGURA 7-8 UNIÓN ENTRE IRIS Y EL DIVISOR DE HAZ. ................................................................... 88 FIGURA 7-9 SUCESIÓN DE ESTADOS DEL ENSAMBLE FINAL. .......................................................... 89 FIGURA 8-1 COMUNICACIÓN DE PROTOTIPO CON DAQ. ............................................................... 91 FIGURA 8-2 SECCIONES DE ILUMINACIÓN EN EL INTERIOR DEL GLOBO OCULAR AL ABRIR O CERRAR EL
IRIS. EN LÍNEAS ROJAS SE MUESTRAN LOS RAYOS PRINCIPALES CUANDO EL IRIS ESTA ABIERTO EN SU TOTALIDAD Y EN LÍNEAS AMARILLAS SON LOS RAYOS PRINCIPALES CUANDO EL DIAFRAGMA ESTÁ EN SU MÍNIMA APERTURA. LAS LÍNEAS AZULES SON LOS RAYOS MARGINALES QUE ENFOCAN EN LA RETINA PARA FORMAR IMAGEN. ........................................................... 92
FIGURA 8-3 ESQUEMÁTICO DEL OJO Y DISTANCIAS DEL OBJETO AL OJO. ....................................... 92 FIGURA 8-4 DIÁMETROS DE ILUMINACIÓN EN LA RETINA, SEGÚN LA APERTURA DEL DIAFRAGMA. ..... 93 FIGURA 8-5 INTERFAZ OJO DERECHO. ......................................................................................... 94 FIGURA 8-6 LED ROJO ENCENDIDO. ESTO ES LO QUE VE EL PACIENTE AL REALIZAR EL ESTUDIO. .... 94 FIGURA 8-7 INTERFAZ OJO IZQUIERDO. ....................................................................................... 95
1
1. CAPITULO: INTRODUCCIÓN
El desarrollo de tecnología para la creación de instrumentos clínicos, capaces
de diagnosticar afecciones en una etapa temprana y tener un tratamiento
oportuno de forma no invasiva, es de los retos más grandes que se enfrenta
la comunidad científica abocada a la salud. El prototipo de instrumento de
diagnóstico que se presenta pretende pertenecer este tipo de tecnologías.
La biomédica, en entorno institucional, ha intentado mejorar los indicadores de
atención poniendo la ciencia y la tecnología médica al servicio de la atención
en pacientes con afecciones crónico-degenerativas, como lo es la diabetes
mellitus y los trastornos multiorgánicos que provoca la diabetes con el tiempo.
Sin embargo, en las últimas décadas se ha incrementado exponencialmente
el número de pacientes diagnosticados con diabetes, de las complicaciones
generadas por este padecimiento es la retinopatía diabética siendo una de las
complicaciones más graves, debido a que el inadecuado control de los niveles
de glucosa limita la oxigenación de las células oculares, lo cual deteriora la
circulación sanguínea en la retina alterando su función.
La diabetes es una complicación que afecta en México aproximadamente a 14
millones de personas en edad productiva. De estos aproximadamente el 50%
desarrollará una retinopatía, y el 40% de estos tendrán ceguera eventualmente
[1], es decir, se estima que 2.8 millones de personas quedaran ciegos por
retinopatía diabética, que podría ser retrasada mediante una intervención con
láser. El realizar las pruebas oftalmológicas a una población de 14 millones de
personas para evaluar cual está en riesgo es prácticamente imposible dados
los recursos y numero de oftalmólogos calificados. Por poner un ejemplo en el
2000 se publicó en el “ÓRGANO DE DIFUSIÓN CIENTÍFICA DE LA
2
ACADEMIA MEXICANA DE CIRUGÍA un artículo titulado: Estrategia de
Detección Masiva de Retinopatía Diabética. El día D en el Hospital Juárez de
México” se necesitaron de 51 personas para llevar a cabo este evento y de los
cuales solo 24 eran personal médico entre optometristas, oftalmólogos y
residentes de medicina interna, los cuales valoraron 692 pacientes en un solo
día [2]. Resultando en una carga de trabajo muy grande sólo para un evento
especial. Aun que un médico que maneje a un paciente diabético sepa que
debe enviarlo al oftalmólogo, si no existe la oportunidad para una referencia
eficiente quizá no solicite la valoración de todos sus pacientes.
La retinopatía diabética está caracterizada por lesiones que modifican la
configuración de la retina, debido a cambios en su flujo sanguíneo que puede
llegar a influenciar el suministro de oxígeno en el metabolismo retiniano. La
oximetría de retina permite observar mediante el manejo de imágenes de
fondo de ojo un cambio en la saturación de oxígeno en venas y arterias en
pacientes diabéticos con retinopatías. El propósito fundamental es el de
construir un oxímetro a bajo costo que permita realizar la medición por medio
de la SATURACIÓN PORCENTUAL DE OXIGENO (SpO2) tomadas de la
retina, y los cambios de la saturación de oxígeno provocados por lesiones y
cambios en la morfología de la retina, ayudando a un rápido tamizaje en la
detección de la retinopatía diabética.
El trabajo presentado parte de la tesis en revisión de la estudiante de
doctorado Karla J. Sánchez Pérez, el cual realizo un oxímetro de retina
funcional para pruebas en laboratorio, con elementos discretos aplicables en
un área controlada.
La utilización de esta tecnología de impresión 3D en la manufactura de piezas
de precisión como lo son monturas ópticas, monturas de detectores para la
recolección de datos y una carcasa que contenga el arreglo óptico para el
desarrollo de este prototipo, ayuda a tener un elemento relativamente de
rápida fabricación y con esto, pruebas de campo en un corto tiempo,
3
obteniendo una retroalimentación entre el usuario y el diseñador, acelerando
el desarrollo de un producto final. La elaboración de instrumentos clínicos
como el que se propone en este proyecto pretende generar un impacto en la
sociedad y una expansión en el ámbito de la instrumentación biomédica
En base a las técnicas de diagnóstico que se requieren para la retinopatía
diabética son realizadas por especialistas en la materia, en el sector de salud
en México se requiere que el médico tratante de diabetes haga un traslado del
paciente con un especialista para llevar un control semestral para la detección
de esta afección y tratamiento. La problemática es el tiempo de la detección
hasta el tratamiento es demasiado como se mencionó anteriormente, el
médico no realiza el traslado por no haber un referente eficiente (síntomas) lo
cual es preocupante debido a que es un trastorno asintomático y cuando se
presentan los síntomas es debido al aumentado la retinopatía, como
consecuencia la perdida visual no es recuperable.
Preguntas de investigación:
• ¿El desarrollo de diseños CAD y la impresión 3D tienen la suficiente
calidad para el desarrollo del prototipo del oxímetro?
• ¿Se podrían ver variaciones entre mediciones, de pacientes
diagnosticado y no diagnosticados?
• Desarrollando el acoplamiento opto-mecánico del oxímetro propuesto
por Karla J. Sánchez Pérez a un sistema portable. ¿Se tendría la
suficiente confiabilidad para hacer pruebas de campo?
4
La Biomedicina constituye uno de los sectores con mayor impacto socio-
económico de nuestro entorno. El estudio del proyecto de la oximetría de retina
puede ser de gran ayuda en el diagnóstico y prevención de enfermedades
causales de ceguera en pacientes diabéticos. La importancia de este proyecto
oxímetro retinal es la medición de la saturación de oxígeno en la retina de
paciente con diabetes acelerando el tiempo de diagnóstico de la retinopatía
diabética. La propuesta que se expone es que este estudio lo puede realizar
un grupo médico no necesariamente especializado en oftalmología, si no que
el médico tratante de la diabetes o el personal de enfermería podría determinar
si el paciente es trasladado a una consulta de oftalmología, según su nivel de
saturación de oxígeno.
Diseñar y fabricar un acoplamiento opto mecánico portátil de un prototipo de
oxímetro retinal integrando los componentes del sistema óptico ya existentes,
que permita valorar la oxigenación para la prevención de ceguera por
retinopatía diabética.
• Conocer el estado del arte del conocimiento científico para realizar este
proyecto.
• Realizar un diseño en SolidWorks donde se agrupen las lentes ópticas,
sin afectar sus parámetros de distancia entre una y otra, así como
conservar la linealidad del sistema óptico.
5
• Determinar los materiales óptimos para la carcasa y monturas ópticas
que contengan al sistema óptico propuesto.
• El prototipado del oxímetro retinal tenga la calidad para ser usado en el
hospital Instituto Oftalmológico Conde de Valenciana (IOCV).
La medición de la saturación de oxígeno mediante el prototipo que se propone
en esta investigación, permitirá determinar si su funcionabilidad resultante de
las pruebas de laboratorio y de campo son suficientes para detectar cambios
en la saturación de oxígeno en pacientes diagnosticados o no.
En base a los resultados obtenidos por la estudiante de doctorado Karla J.
Sánchez Pérez en su tesis que actualmente se encuentra en revisión, se trata
de la medición de oxígeno en retina en un ambiente controlado y como
transferirlo a un sistema portable confiable, para la medición de la saturación
de oxígeno con base en la oximetría por reflectancia. La metodología para
poder realizar la reducción del sistema es:
• Medición de la distribución y de las lentes del prototipo del oxímetro
retinal.
• Representar el cada una de las componentes en un entorno CAD.
• Reducción del tamaño del sistema óptico del oxímetro retinal.
• Asignación de materiales que cumplan los requerimientos para
contener el nuevo arreglo óptico, en una carcasa de tal modo que se
pueda considerar portable.
• Impresión 3D de los elementos que conforman el nuevo prototipo.
6
• Ensamble del prototipo.
• Pruebas de campo y correcciones.
La realización del estudio de oximetría propuesto se realizara en el
INSTITUTO DE OFTALMOLOGÍA CONDE DE VALENCIANA (IOCV) ubicado
en la ciudad de México, la participación de este instituto en el proceso de
investigación será un peso importante en la validación de los resultados
recabados por el prototipo, el método de la aplicación del estudio será a los
pacientes que acuden a sus citas de estudio de angiografía se les realizara la
oximetría de pulso con el prototipo, recabando y procesando estos datos se
determinara que tan cerca estamos de los resultados obtenidos por la
angiografía funcionando como nuestra regla de oro, partiendo de la línea base
de mediciones de la oximetría el personal de oftalmólogos residentes que se
consideraran como ojos sanos.
La estructura de esta tesis se organiza de la siguiente forma:
• Capítulo 2 se da una introducción y antecedentes de la oximetría, la
aplicación de esta como método de monitoreo de la saturación de
oxígeno, se habla de las técnicas que existen para la obtención
porcentual de la saturación de oxígeno en base a los fundamentos
teóricos.
• Capítulo 3 se describen las partes de las retinas su anatomía, el
padecimiento de interés al que se pretende estudiar con este prototipo.
También se habla de la aplicación de la oximetría para la detección de
la retinopatía diabética.
• Capítulo 4 se habla del estado del arte en base al oxímetro anterior a
este proyecto, asimismo se da una descripción de un oxímetro de retina
publicado en 1993.
7
• Capítulo 5 se describen cada uno de los componentes ópticos que
forman al prototipo. Se propone una distribución espacial de las
componentes ópticas en base a las longitudes ópticas de cada una.
• Capítulo 6 se muestran de forma gráfica en representación CAD, el
diseño mecánico y las monturas ópticas, así como el ensamble de todos
los componentes en la carcasa se la conceptualización del prototipo.
• Capítulo 7 se da una introducción de la impresión 3D y se muestran las
piezas impresas y ensambladas para formar la carcasa. Se muestra el
acoplamiento de todo el prototipo de oxímetro retinal.
• Capítulo 8 da una descripción de la interfaz de software que controla el
oxímetro y de las pruebas realizadas a un grupo de personas, así como
de los resultados obtenidos.
8
2 CAPÍTULO: OXIMETRÍA
La oximetría considerada como el monitoreo del quinto signo vital se remonta
desde el descubrimiento de la hemoglobina en 1862 por el profesor alemán de
química Felix Hoppe Seyler [3], donde gracias a él se pudo reconocer la sangre
oxigenada y las diferencias que existen con la desoxigenada, y fue dos años
después del descubrimiento de la hemoglobina saber que función desarrolla
en la sangre, la cual es el transporte del oxígeno este descubrimiento
reportado por George Stokes [3].
Con la demostración de que cada material tiene un espectro especifico como
si se tratase de una huella digital que lo hace único, Karl Von Vierordt, usa el
espectroscopio para la medición de O2. Todo esto fue realizado siete años
después del primer espectroscopio construido por Rober Busen y Gustav
Kirchoff [4] en 1869. Después en 1935 Karl Matthes fabricar el primer aparato
auricular para medir la saturación de O2 con dos longitudes de onda, roja y
verde por transiluminación de tejidos. Con el auge de esta técnica y la visión
de científicos y médicos se desarrollan líneas de investigación y tecnologías
aplicadas a la medición de O2 en sangre, durante la segunda guerra mundial.
Glen Milkan en 1942 desarrolla un método óptico destinado para la medición
de la saturación de hemoglobina con O2 e introduce el término de oxímetro [5],
y con las modificaciones generadas por Earl Wood en la clínica Mayo del
aparato de Milkan dan paso al uso de esta técnica a la población civil. Estos
adelantos y modificaciones son el inicio a la oximetría moderna.
9
Partiendo de la definición de oximetría, que es el término general que se refiere
a la medición óptica de la saturación de oxihemoglobina en la sangre [5],
existen dos técnicas utilizadas para adquirir esta medición, oximetría por
transmitancia y oximetría por reflectancia; la más utilizada en la actualidad es
la oximetría por transmitancia o la convencional. Básicamente ambas
funcionan al irradiar luz con dos longitudes de onda a través de una capa de
tejido y se mide la señal de luz transmitida o reflejada, haciendo de la oximetría
sea un método simple no invasivo que vigila el porcentaje de hemoglobina
oxigena en sangre.
De las aplicaciones más comunes en la oximetría convencionales es en el
quirófano y el encargado de estar al pendiente de esta valoración es el
anestesiólogo, debido a que es de gran importancia en todo proceso
quirúrgico. Este recurso contribuye enormemente ya que permite la
identificación y corrección tempranas de episodios de hipoxemia. También es
útil en pacientes que no necesariamente deben estar hospitalizados, pero si
con un registro de sus niveles de oxigenación en sangre; más adelante se
presentaran los niveles adecuados en un paciente sano dependiendo de su
edad. De las limitantes que presenta este tipo de oximetría es que necesita
áreas lo suficientemente delgadas para que penetre la luz [5].
El desarrollo de la oximetría por reflectancia fue investigada por Brinkman y
Zijlstra WG, en 1949, describen la medición de la saturación de oxígeno con
el uso de la reflexión de la luz, mediante la utilización de sensores frontales[6],
pero solo hasta 1983 donde Yitzhak Mendelson, Peter W. Cheung entre otros
colaboradores del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad
10
de Case Western Reserve, Cleveland Ohio, demuestran que la saturación de
O2 de la hemoglobina se puede medir cuantitativamente mediante la técnica
de reflectancia [6]. El desarrollo de este prototipo se basa en las propiedades
ópticas del método de oximetría por reflectancia (RSpO2), entre sus
aplicaciones se encuentran.
• Oximetría de pulso fetal (FspO2).
• Oximetría cerebral (CrSO2).
• Oximetría de pulso esofágica (ESpO2).
• Oximetría de pulso visceral.
• Oximetría de pulso retiniana.
• Oximetría de pulso nasofaríngea.
La RSpO2 ofrece varias ventajas sobre los oxímetros convencionales. El
oxímetro de pulso convencional utiliza la tecnología de la transmisión de la luz
para calcular la saturación de O2. El oxímetro de pulso por reflectancia emplea
el método de la reflexión de la luz. El oxímetro convencional tiene un sensor
semejante a una pinza para tender ropa, que abraza el dedo. Un lado del
sensor envía luz a través del tejido, dentro del lecho vascular, y el otro lado la
recibe. El sensor del oxímetro de pulso por reflectancia emite luz hacia abajo
a través del tejido y del lecho capilar y recoge la luz que se refleja hacia arriba,
y calcula la saturación de O2, en otras palabras, el sensor es plano [7].
Figura 2-1 Métodos de oximetría, por transmitancia y reflectancia. digitexmedical. (2019). Pulse Oximeter [Image]. Retrieved from
https://blog.digitexmedical.com/2012/03/30/how-does-a-pulse-oximeter-work/
11
En la figura 2-1 se muestra la distribución de las fuentes de iluminación y de la
ubicación del detector según la técnica que se aplique para la oximetría.
Las propiedades que hacen posible que la oximetría funcione son la
transmitancia y la reflectancia, que a su vez al utilizar las leyes Beer y Lambert
se puede saber la concentración de un soluto en un solvente y aplicándolas a
la composición de la sangre, podemos deducir las concentraciones de la
hemoglobina oxigenada (oxihemoglobina) y las concentraciones de la
desoxihemoglobina [6]. La sangre es oxigena cuando irriga los pulmones es
en ese momento cuando la hemoglobina (Hb) se transforma en
oxihemoglobina (HbO2), posteriormente, cuando la sangre atraviesa los
capilares tisulares, su propia afinidad química importante por el oxígeno
permite que no lo libere en los tejidos si ya hay demasiado. Pero si la
concentración de oxígeno en el líquido tisular es demasiado baja se libera
oxígeno suficiente para restablecer una concentración adecuada. Es decir, la
regulación de la concentración de oxígeno en los tejidos se basa
principalmente en las características químicas de la propia hemoglobina,
regulación que se conoce como función amortiguadora de oxígeno de la
hemoglobina [8]. Como se ha dicho la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina
en la figura 2-2 se pueden observar las diferencias que tienen en los niveles
de absorción en las diferentes longitudes de onda de la luz para ser más
específico en el rango de ʎ1 680nm (Rojo) y ʎ2 940nm (Infrarrojo o IR).
12
Para tener una idea más clara de lo que pasa con estas longitudes de onda
al trasmitirla por la sangre se muestra en la figura 2-3.
En la figura 2-3 se puede observar la técnica de oximetría por transmitancia y
las diferencias de absorción entre la hemoglobina oxigenada (HbO2) y la
hemoglobina desoxigenada (Hb), como en la HbO2 absorbe mas en el
infrarrojo y como la Hb absorbe en el visible.
Figura 2-2 Espectros de absorción de las componentes de la hemoglobina. Sangre no oxigenada (Desoxihemoglobina: HHb) y la sangre oxigenada (Oxihemoglobina: HbO2)
OMLC. (1999). Optical Absorption of Hemoglobin [Image]. Retrieved from
Figura 2-3 Representación de transmitancia de luz por la hemoglobina oxigenada y desoxigenada polaridad.es. (2015). Principio de
funcionamiento del oxímetro para monitorización del pulso [Image]. Retrieved from https://polaridad.es/monitorizacion-sensor-pulso-oxim
13
La espectroscopía de infrarrojo cercano (NIRS) es una técnica no invasiva
para la rápida detección de cambios en la oxigenación de los tejidos [7]. Esta
técnica es el método óptico de diagnóstico no invasivo que utiliza la absorción
o la reflexión de determinada longitud de onda. De las modalidades de
radiaciones específicas existen tres enfoques: [9]
4. La modalidad CW que es basada en la iluminación constante del
tejido, que mide la atenuación de la luz a través de un tejido.
5. El método FD, que mide la atenuación y el retardo de la de la luz
emergente a través de un tejido con luz modulada en intensidad.
6. La técnica TD, detecta la forma del pulso después de la
propagación del tejido iluminado con un pulso corto de luz.
La técnica CW (onda continua) utiliza fuentes de luz con emisión
constantes de frecuencia y amplitud, los cambios en la intensidad de la luz
reflejan los cambios en la concentración relativa de la hemoglobina a través
de la ley de Beer-Lambert modificada (MBLL). Los dispositivos CW son los
más utilizados y los más simples, por lo general se utilizan diodos laser de bajo
costo o incluso LED´S. La desventaja de este sistema CW es que no se
pueden separar la dispersión de la luz y la absorción. Por lo tanto, HbO2 y HHb
no se pueden determinar absolutamente [9].
14
I0 = Intensidad de la luz incidente
I = Intensidad de la luz transmitida
µα = Coeficiente de absorción del
medio
ε = Coeficiente de extinción molar
c = Concentración molar de
cromóforos
l = Longitud de camino óptico
La figura 2-4 es la descripción grafica de la atenuación de la luz que viaja a
través del tejido debido a los absorbentes que contiene. Los instrumentos
NIRS se clasifican por la función del dispositivo utilizado para la selección de
la longitud de onda, destacando los siguientes: sistemas de filtros,
monocromadores de rastreo y matriz de diodos. Como ya se había
mencionado existen diferentes formas de medición, a continuación, se
describen de forma breve: A) reflectancia: cuando un haz de luz incide sobre
la superficie de un cuerpo y este lo devuelve al medio en mayor o menor
proporción en función del tipo de material sobré el que incide la luz. B)
Transmitancia: cuando un haz de luz monocromática incide sobre un cuerpo,
parte de ese haz será absorbido y otra parte atravesará el medio C) Absorción:
es cuando el haz de luz se asimila por el objeto. [10]
Figura 2-4 Ley de Beer-Lambert
15
En la figura 2-5 las líneas amarillas se representa la propiedad de la absorción
y la reflectancia en líneas verdes que pueden tener los componentes
moleculares de un objeto que es incidido por un haz de luz del espectro
cercano al infrarrojo y en líneas de color rojo se observa la transmitancia [10].
En base a estas propiedades ópticas de la hemoglobina la oximetría de pulso
aprovecha las características de absorción de la luz de la oxihemoglobina
(HbO2) y la desoxihemoglobina (Hb), utilizando dos fuentes de luz con la
longitud de onda en la cual absorben más para distinguir cada una. Se puede
determinar la cantidad en porcentaje de la cantidad de HbO2 en la sangre a
esto se le llama “saturación de oxígeno” y se calcula como el cociente de la
concentración de la oxihemoglobina y la concentración total de la hemoglobina
[11].
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2 = 𝐻𝐻𝐻𝐻𝑂𝑂2𝐻𝐻𝐻𝐻𝑂𝑂2+𝐻𝐻𝐻𝐻
𝑋𝑋 100 (2.1)
Ecuación 2-1 Saturación de Oxígeno en porcentaje.
Figura 2-5 Representación del fenómeno de absorción, reflectancia y transmitancia.
16
La siguiente comprobación del método matemático de la oximetría está
basada en la ley de Beer-Lambert, la cual describe un decaimiento
exponencial de la luz que atraviesa un medio isotrópico y es representado por
la siguiente ecuación (2.2). La intensidad de la luz (𝐼𝐼) detectada, que comienza
con una intensidad de (𝐼𝐼0), se puede dar como.
𝐼𝐼 = 𝐼𝐼0 𝑒𝑒−𝜀𝜀(𝜆𝜆)𝑐𝑐𝑐𝑐 (2.2)
Ecuación 2-2 Intensidad de la luz detectada.
𝜀𝜀(𝜆𝜆) es el coeficiente de extinción del medio, 𝑐𝑐 es la concentración del medio
y 𝐿𝐿 es la distancia del camino óptico. La complicación de la determinación del
coeficiente de extinción y la concentración del medio es por qué el tejido
humano no está compuesto uniformemente por lo tanto no hay un componente
de concentración uniforme, por lo que estos términos se unen y esto se define
como el coeficiente de absorción α la cual está en función de la longitud de
onda [11].
𝛼𝛼(𝜆𝜆) = 𝜀𝜀(𝜆𝜆)𝑐𝑐 (2.3)
Ecuación 2-3 Coeficiente de absorción.
Y con esto la ecuación 2 puede escribirse como:
𝐼𝐼 = 𝐼𝐼0 𝑒𝑒−𝛼𝛼(𝜆𝜆)𝑐𝑐 (2.4)
Ecuación 2-4 sustitución de la ecuación 2.2
Esta ecuación se puede transformar en la ecuación de transmitancia la cual
está muy relacionada con la absorbancia.
𝑇𝑇 = 𝐼𝐼𝐼𝐼0
= 𝑒𝑒−𝜀𝜀(𝜆𝜆)𝑐𝑐𝑐𝑐 (2.5)
Ecuación 2-5 La ecuación 2 se puede manipular para proporcionar el factor de transmitancia (T).
17
Donde 𝐿𝐿 es muy difícil de medir y como se considera que es una oximetría de
pulso también se considera la propiedad pulsada de arterias, esto da un
cambio de distancia del camino óptico ∆𝐿𝐿. Sólo queda simplificar la ecuación
eliminando la necesidad de saber ∆𝐿𝐿 para el término de la exponencial y
considerar únicamente la intensidad de luz detectada. Como se mencionó que
la distancia del camino óptico no se puede medir, es por eso que la oximetría
de pulso asume que las dos longitudes de onda se suministran a la misma
distancia del fotodetector [11].
Δ𝐴𝐴 = 𝛼𝛼(𝜆𝜆)Δ𝐿𝐿 (2.6)
Ecuación 2-6 Absorbancia no dispersada
Si el cambio en la absorbancia no dispersada se mide en dos longitudes de
onda diferentes, el término ∆𝐿𝐿 se puede eliminar. Al implementar un oxímetro
de pulso, se seleccionan las longitudes de onda roja e infrarroja (IR).
Δ𝐴𝐴(𝜆𝜆𝑅𝑅) = 𝛼𝛼𝜆𝜆𝑅𝑅Δ𝐿𝐿
Δ𝐴𝐴(𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅) = 𝛼𝛼𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅Δ𝐿𝐿 (2.7)
Ecuación 2-7 Longitudes de onda seleccionadas
Asumiendo que las dos longitudes de onda se encuentran a la misma distancia
del fotodetector, Δ𝐿𝐿 son iguales y dividiendo las dos ecuaciones Δ𝐿𝐿 se puede
eliminar.
𝛼𝛼(𝜆𝜆)𝛥𝛥𝐿𝐿 = 𝐼𝐼𝐼𝐼(𝐼𝐼𝑃𝑃(𝜆𝜆)𝐼𝐼𝐵𝐵(𝜆𝜆)) (2.8)
Ecuación 2-8 La razón de la intensidad pulsada y la intensidad de referencia.
18
Al adquirir la razón de las dos longitudes de onda, la relación de razones se
puede dar en términos de los cuatro parámetros extraídos por las señales
proporcionadas por el fotodetector.
𝑅𝑅𝑜𝑜𝑜𝑜 =𝐼𝐼𝐼𝐼�𝐼𝐼𝑃𝑃�𝜆𝜆𝑅𝑅�𝐼𝐼𝐵𝐵�𝜆𝜆𝑅𝑅�
�
𝐼𝐼𝐼𝐼�𝐼𝐼𝑃𝑃�𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅�𝐼𝐼𝐵𝐵�𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅�� (2.9)
Ecuación 2-9 Relación de Razones
Primero es necesario describir la saturación de oxígeno en términos de los
parámetros que se han mencionado anteriormente. Implementado el oxímetro de
pulso atreves de un tejido, utilizando dos leds uno de ellos emitiendo en rojo y
el otro en infrarrojo la señal recibida por el fotodetector es atenuada.
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2 = 𝜀𝜀𝐻𝐻𝐻𝐻(𝜆𝜆𝑅𝑅)−𝜀𝜀𝐻𝐻𝐻𝐻(𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅)𝑅𝑅𝜀𝜀𝐻𝐻𝐻𝐻(𝜆𝜆𝑅𝑅)−𝜀𝜀𝐻𝐻𝐻𝐻𝑂𝑂2(𝜆𝜆𝑅𝑅)+�𝜀𝜀𝐻𝐻𝐻𝐻𝑂𝑂2(𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅)−𝜀𝜀𝐻𝐻𝐻𝐻(𝜆𝜆𝐼𝐼𝑅𝑅)�𝑅𝑅
(2.10)
Ecuación 2-10 Saturación de Oxigeno
Entonces, tal como sea explicado en la sección interior, aquí hay una relación
que es independiente de la intensidad inicial y de la distancia del camino óptico
[11]. Nótese que la ecuación se compone de valores conocidos. El valor de la
relación de razones (Ros) se calcula de los valores derivados del fotodetector
y los valores de la absorbidad se conocen y se dan en función de la longitud
de onda como se muestra en la figura 2-6 donde se grafica el coeficiente de
absorción contra la longitud de onda.
19
En la figura 2-6 se muestran las diferentes hemoglobinas y el coeficiente de
absorción que tiene cada una de ellas de pendiendo de la longitud de onda
con se irradia. A continuación, se describen de forma breve las hemoglobinas
que aparecen en la figura [12]:
• Metahemoglobina: una forma de hemoglobina que es incapaz de
transportar oxígeno, a veces se encuentra en la sangre después de
ciertas intoxicaciones, como con anilina, nitratos y otros compuestos.
• Oxihemoglobina: Es la consideraba normal, saturada de oxígeno. • Desoxihemoglobina: También denominada hemoglobina reducida, se
encuentra sin oxígeno. • Carboxihemoglobina: El grupo protéico está saturado por monóxido de
carbono (CO), que tiene una afinidad muy superior a la del oxígeno.
Puede ser mortal, ya que no tiene función respiratoria y produce asfixia
tisular.
Figura 2-6 Coeficiente de extinción Vs longitud de onda [11]
20
“Este capítulo presento como puntos de importancia los antecedentes que dan
pie a la investigación de como medir la saturación de oxígeno, explicando su
principio físico por medio de la óptica y como interpretar matemáticamente esta
relación óptica para cuantificar la saturación de oxígeno. También se
expusieron las técnicas utilizadas para este fin.”
21
3 CAPITULO: RETINA
La retina fue descrita por primera vez por Herófilo de Calcedón alrededor de
300 A.C. Fue nombrada por rufos de Éfeso (c. 110 DC) y apareció a los
primeros anatomistas como una red circundante que apoyaba la Vítreo
[13].Aunque Galen observó similitudes estructurales al cerebro, no pudo
proporcionar más comprensión con respecto a su función. Fue Kepler que
primero sugirió que la retina servía como fotorreceptor primario. Con la fijación
del alcohol, Treviranus (1835) realizó el primer estudio detallado microscópico
de la retina. Sólo con el posterior desarrollo de la microscopía electrónica,
tripsina digerida, angiografía con fluoresceína clínico y óptico tomografía de
coherencia, los científicos han podido entender las conexiones celulares de la
retina, estructura bascular retiniana, así como correlacionar hallazgos
anatómicos y clínicos.
La retina se conforma de 8 capas funcionales del exterior al interior, se
muestran en la figura (3-1) 1) capa pigmentaria, 2) capa de conos y bastones
que aloja las prolongaciones de estos receptores hacia la capa anterior, 3)
capa nuclear externa que contiene los somas de los conos y los bastones, 4)
capa plexiforme externa, 5) capa nuclear interna, 6) capa plexiforme interna,
7) capa ganglionar, 8) capa de las fibras del nervio óptico y 9) membrana
limitante interna [14].
22
Una vez que la luz atraviesa el sistema ocular de lentes y después el humor
vítreo, penetra en la retina desde su interior (figura 3-1); es decir, pasa primero
a través de las células ganglionares y después recorre las capas plexiformes
y nucleares antes de llegar finalmente a la capa de los conos y los bastones
situada a lo largo de todo el borde externo de la retina. Esta distancia tiene un
grosor de varios cientos de micrómetros; la agudeza visual baja debido a este
trayecto por un tejido tan poco homogéneo. Sin embargo, según se comenta
más adelante, en la región central de la fóvea de la retina quedan apartadas
las capas internas de la retina para atenuar esta pérdida de agudeza [14].
Figura 3-1 Capas de la Retina. [14] C. Guyton, Capas de la retina. 2011.
23
Es un término genérico que se utiliza en medicina para hacer referencia a
cualquier enfermedad no inflamatoria que afecte a la retina, es decir a la
lámina de tejido sensible a la luz que se encuentra en el interior del ojo. La
retinopatía no es por lo tanto una enfermedad única, sino que se designa con
este nombre a un conjunto de afecciones diferentes, cada una de las cuales
tiene unas características específicas [14].
Existen diferentes tipos de retinopatías, entre las más comunes están:
retinopatía diabética, la cual es una complicación de la diabetes. La retinopatía
hipertensiva, se desarrolla por altos niveles de presión arterial (hipertensión
arterial); y una de las variantes que tiene sus orígenes genéticos es la retinosis
pigmentaria. Todas estas tienen como consecuencia el deterioro de la calidad
visual hasta llegar a la ceguera o a daños estructurales del ojo incurables. De
los tipos de retinopatía en los que se basa esta investigación es la retinopatía
diabética ya que es la de las principales causas de ceguera en personas en
edad productiva en nuestro país, debido a la diabetes mellitus.
Diferentes estudios genéticos presentan estos resultados: Dos de cada cinco
hispanos nacidos en el año 2000 enfrentan un riesgo de diabetes. En
comparación con los blancos, los hispanos son más de dos veces más
propensos a tener diabetes. Del 1997 al 2005, la prevalencia ajustada por
edades entre los hispanos aumentó un 16% entre los hombres y un 21% entre
las mujeres [15].
La retinopatía diabética está caracterizada por lesiones que modifican la
configuración de la retina, debido a cambios en su flujo sanguíneo que puede
llegar a influenciar el suministro de oxígeno en el metabolismo retiniano.
24
Esta es la etapa temprana de la enfermedad, la NPDR por sus siglas en inglés
(Nonproliferative Diabetic Retinopathy) muchos de los vasos sanguíneos
tienen perdidas y esto hace que se presente hinchazón en la retina, cuando la
hinchazón se presenta en la macula se le denomina edema macular. Siendo
esta la razón más común de pérdida de visión en pacientes con diabetes.
Sumado a esto por la hinchazón los vasos sanguíneos en la retina pueden
cerrarse y provocar isquemia macular, cuando esto sucede la sangre no puede
llegar a la macula, en algunos casos se formen partícula en la retina, llamadas
exudados estas partículas afectan la visión creando una vista borrosa [13].
Este tipo de retinopatía se divide en tres niveles:
• Ligera: Esta es la etapa más temprana de la enfermedad en la que
aparecen los micro-aneurismas. Estas son pequeñas áreas de
inflamación, que parecen ampollas, en los pequeños vasos
sanguíneos de la retina.
• Moderada: Según avanza la enfermedad, algunos vasos sanguíneos
que alimentan la retina se obstruyen.
• Severa: En esta etapa muchos más vasos sanguíneos se bloquean,
haciendo que varias partes de la retina dejen de recibir sangre.
Entonces estas áreas de la retina envían señales al cuerpo para que
haga crecer nuevos vasos sanguíneos [17].
25
Esta es la etapa más avanzada de la enfermedad ocular diabética. Como se
describió en la sección anterior, la NPDR severa crea nuevos vasos
sanguíneos, a esto se le denomina neovascularización. En este punto es
cuando cambia de término de esta afección recibiendo el nombre de
Retinopatía Diabética Proliferativa o por sus siglas en ingles PDR. Los nuevos
vasos sanguíneos son frágiles y anormales provocando sangrados internos
hacia el humor vitreo ocasionando que los pacientes con este tipo de
retinopatía observen puntos flotantes en su visión o ciertos coágulos pequeños
de sangre [16]. En la figura 3-2 se puede observar una representación de este
tipo de visión.
Debido a la generación de la neovascularización en retina por la retinopatía
diabética, esto provoca que exista una alteración de la saturación de oxígeno
(SpO2) en retina, la cual en teoría podría dar un signo de detección de la
retinopatía ya sea proliferativa o no proliferativa. Según las publicaciones
revisadas ([18],[19],[20]) existen varias explicaciones posibles para los niveles
elevados de la saturación de oxígeno en los vasos retinianos, estos cambios
Figura 3-2 Comparación de vista normal en el lado izquierdo y del lado derecho esta la vista por una persona con retinopatía diabética. CLÍNICA
REFRACTIVA NAVEX, Escena vista por una persona retinopatía diabética. 2019..
26
de saturación de oxígeno pueden estar ligados a la distribución del flujo
sanguíneo.
La distribución de oxígeno se puede ver alterada por al menos tres
mecanismos: 1) la derivación y no perfusión capilar, 2) Engrosamiento de las
paredes de los vasos capilares, 3) Mayor afinidad de la hemoglobina por el
oxígeno en pacientes diabéticos. La derivación se refiere al flujo de sangre a
través de canales dilatados sin pasar por la red capilar de la retina [18]. Esto
se refiere a que unos capilares se cierran mientras que otros se dilatan y
agrandan para compensar los capilares cerrados, pero sin cumplir la función
de los capilares perdidos, significando que una gran cantidad de sangre se
traspasa rápidamente a los capilares dilatados sin dar mucho oxígeno al tejido.
Otra razón para la disminución de oxígeno de la sangre al tejido es el
engrosamiento de las paredes capilares, esto está bien establecido como
lesión en la retinopatía diabética, esto aumenta la distancia de difusión desde
los vasos capilares hasta el tejido por lo tanto disminuye la difusión y con esto
se retiene más oxígeno en la sangre [18]. Por último, los pacientes diabéticos
tienen niveles ligeramente más altos de hemoglobina glicosilada y esto
retendrá el oxígeno mejor que los pacientes sanos, por lo tanto, esto puede
explicar el aumento de la saturación en las arteriolas retinianas y en las
vénulas en la figura 3-3 se puede observar una fotografía de fondo de ojo de
las lesiones en retina causadas por la retinopatía diabética.
Figura 3-3 Lesiones por retinopatía [1]Retinopatía diabetica. 2016. diabética.
27
En la figura 3-3 se pueden observar una serie de aneurismas ocasionados por
la obstrucción de vasos sanguíneos y como la obstrucción de estos, influyen
en la forma de las arteriolas volviéndolas tortuosas en comparación del ojo de
la izquierda.
La saturación de oxígeno con hemoglobina de las arteriolas y vénulas de la
retina aumenta con la gravedad de la retinopatía diabética; SpO2 se
correlaciona con el aumento de la isquemia [19]. La oximetría retiniana puede
complementar las estrategias de imagen actuales para aumentar de forma no
invasiva el diagnóstico y el riesgo de los pacientes con diabetes en desarrollar
la retinopatía diabética.
Capítulo 3 se describieron las partes de la retina, su anatomía, el padecimiento
de interés al que se pretende estudiar con este prototipo. También se habla de
la aplicación de la oximetría para la detección de la retinopatía diabética y los
cambios de la morfología de la retina por este padecimiento, que influyen en
la saturación de oxígeno.
28
4 CAPITULO: OXÍMETRO PREVIO
Entre los antecedentes de la oximetría retinal, se en encontró una publicación
de 1993 que exponen un oxímetro retinal explotando la técnica de oximetría
por reflectancia. Esta técnica tiene ventajas significativas sobre la técnica
convencional de oximetría. Esta publicación resulta de importancia debido a la
técnica para la obtención de la saturación de oxígeno de la retina, por que
presenta un modelo de prototipo de oxímetro (figura 4-1) utilizando fuentes de
iluminación muy cercanas a las que se utilizan en este prototipo y adquiere la
saturación con la misma técnica que se emplea en este trabajo sin el
procesamiento de imágenes de fondo de ojo [20].
En la figura 4-1 se puede observar la ubicación de las fuentes de iluminación
y del detector, la superficie de contacto del lente sobre la córnea.
Figura 4-1 sección transversal la lente de contacto háptica adaptada y sonda de oxímetro de pulso [20]J. de Kock, and L. Tamssenko, Reflectance Pulse Oximetry Measurements from
the Retinal Fundus. 1993.
29
El prototipo resulta en una lente de contacto y recubierta de un material flexible
que resulta en un modo de colocación de su prototipo complicado. El estudio
se inicia con la suministración de anestesia en el ojo, la cual dilatara la pupila
en poco menos de 6 mm para poder realizar la medición [20].
El mérito de nuestra propuesta y que lo hace tener un potencial importante, es
la facilidad de realizar la medición. Debido al ser un estudio no midriático y no
invasivo.
Entre los dispositivos comerciales podemos encontrar el oxímetro ocular
llamado ZILIA este de oxímetro. A diferencia de lo que se presenta se basa en
todo espectro de la luz visible con un análisis de hasta 1024 longitudes de
onda. También presenta una espectroscopia dirigida, esto quiere decir que
puede hacer oximetría en una ubicación especifica en el fondo del ojo [21].
Partiendo de la oximetría de pulso por transmitancia aplicada al tejido y
utilizando sus principios ópticos, se construye este proyecto que se aleja de
este esquema a uno que trabaja por reflexión en donde las fuetes de
iluminación están ópticamente en el mismo lugar que el detector. La figura 4-
2 es tomada de la tesis en revisión de la estudiante de doctorado Karla J.
Figura 4-2 Oximetro Zilia [15]Zilia., Oximetro ocular Zilia. 2019.
30
Sánchez Pérez, esta figura se puede considerar como la conceptualización de
este prototipo.
El primer prototipo portátil del oxímetro de retina propuesto tenía todos los
componentes ópticos montados individualmente en sus propios soportes, cada
uno fijado en una tableta cuadrada de 8 pulgadas de ancho ver figura 4-2.
Después el oxímetro retinal se transfiere a una matriz de sistema de jaula (ver
figura 4-3) lo que permitió una mejor portabilidad a comparación de la primera
versión y conservando mejor la alineación de los componentes ópticos.
Figura 4-4 Configuración del oxímetro retinal. En el primer prototipo portátil, todos los ópticos los componentes se montan individualmente en una tableta cuadrada de 8 pulgadas
de ancho
Figura 4-3 La configuración más simple para un oxímetro ocular. En esta configuración, las fuentes de luz y el detector están ópticamente en el mismo punto.
31
Los componentes de estas versiones son utilizados en la propuesta que se
expone en este trabajo, como lo son las fuentes de iluminación, algunas de las
componentes ópticas y los fotodetectores. También se utilizan los mismos
parámetros empleados en el control del oxímetro. La configuración óptica de
esta versión utiliza dos sistemas de iluminación, pero con diferentes diámetros
de pupilas por don salen los haces de medición. Lo que en el software de
control se traduce en encender y apagar cada sistema de iluminación según
el área de medición retinal. En la versión reducida que se presenta en esta
tesis, se quita uno de estos sistemas de iluminación por un diafragma
mecánico, el cual permite reducir en componentes ópticos el prototipo.
Las fuentes que se utilizan son diodos emisores de luz (LED) a λ1 = 630 nm y
λ2 = 940 nm. Además, está trabajando en modalidades de onda continua
Figura 4-5 La segunda versión era un sistema de jaulas, que permitía una mejor portabilidad y una mejor conservación de la alineación de los
componentes ópticos.
32
(continuous wave CW) y dominio de frecuencia (FD) respectivamente para
iluminar el tejido simultáneamente. Los pulsos de la fuente de infrarrojos (IR)
iluminan el tejido con una frecuencia de 10 Hz con un fil factor del 20% (la
relación entre el área sensible a la luz). La señal CW proporciona información
relacionada con el pulso arterial, tanto la señal CW como la señal pulsada
proporcionan información sobre la oxigenación de la sangre.
Para controlar el sistema de detección de emisiones del oxímetro, se utiliza
una interfaz de adquisición de datos (DAQ) USB 6229 de National Instruments.
Usando el lenguaje de programación LabVIEW ™, envía señales eléctricas a
través de DAQ a las fuentes de LED. Al reducir el sistema óptico, en la
propuesta de este trabajo se optó por ca el DAQ por uno con menos entradas.
Por que ya sólo se utilizan dos detectores y no cuatro como en la versión
anterior.
A comparación del trabajo que realice, este si llego a realizar pruebas de
campo con resultados buenos. Después de algunas medidas tomadas de
sujetos sanos, encontramos que las lecturas de nuestro dispositivo fueron
consistentes en más del 80% con las lecturas obtenidas con el dispositivo
comercial. Después de algunas medidas tomadas de sujetos sanos, encontró
que las lecturas del dispositivo fueron consistentes en más del 80% con las
lecturas obtenidas con el dispositivo comercial.
“En este capítulo se describió una versión temprana de un prototipo de
oxímetro ocular como medio de contexto sobre el uso de la oximetría sin el
procesamiento de imágenes. También se presentaron las características del
oxímetro que antecede a la propuesta de portabilidad y distribución óptica de
este oxímetro retinal.”
33
5 CAPÍTULO: COMPONENTES Y PROPUESTA DE DISEÑO.
El primer paso en la evolución del diseño de un sistema opto-mecánico es el
reconocimiento de la necesidad de un dispositivo para lograr un propósito
específico. Por lo general, la mera definición de una necesidad trae a la mente
uno o más conceptos vagos de instrumentación que podrían satisfacer esa
necesidad. El conocimiento de cómo las necesidades similares fueron
satisfechas por el diseño anterior juega un papel importante en este punto. La
experiencia indica no sólo cómo se puede configurar el dispositivo, sino
también cómo no debe configurarse.
Partiendo del primer diseño de oxímetro de retina propuesto, el nuevo sistema
óptico requiere que sea un sistema óptico portable y reducido, sin
comprometer los requerimientos técnicos como la linealidad del sistema y la
recolección de datos, sustituyendo el sistema de jaulas por una carcasa que
contenga el sistema óptico. Esta carcasa tendrá que ser resistente, regida para
evitar la deformación a esfuerzos que comprometan la linealidad del sistema
óptico y que cuente con algún tipo de anclaje de las monturas y componentes
ópticas.
La representación simplificada del sistema óptico se muestra en la figura 4-1,
nos permite observar la distribución necesaria para iniciar el bosquejo espacial
de las componentes en base a una representación gráfica de ellas.
34
Figura 5-1 Sistema óptico simplificado.
.
En la figura 4-1 podemos observar las dos fuentes de luz con diferentes
longitudes de onda, roja (1) e infrarroja (2). También se observa la
característica de la medición de oximetría donde una de ellas es pulsada y la
otra es continua, que al combinarse por medio de un divisor de haz (3) se
transfieren por el eje óptico y atraviesan dos lentes que coliman el haz de luz
(4), entran a un segundo divisor de haz el cual transfiere un parte del haz a un
foto-detector (5) y la otra se transfiere al ojo y por la propiedad óptica del ojo
por reflectancia sale en haz de luz del ojo y atraviesa una vez más el haz
divisor y por último convergen en el fotodetector de medición.
Para la realización de este proyecto se cuentan con los componentes ópticos
del anterior diseño, los cuales serán reutilizados y con esto obtener una
reducción de costos en la elaboración de este. A continuación, se realiza una
descripción de cada uno de ellos según el fabricante.
35
• Lente
Lente LB1761-B (figura 5-2), el fabricante nos dice que es una lente biconvexa
fabricada en N-BK7 y cuenta con un recubrimiento antirreflejo para el rango de
650 a 1050 nm en ambas superficies, sus características:
o Un diámetro de una pulgada.
o Longitud focal de 25.4 mm.
o ARC: 650-1050 nm.
En el anexo Piezas Ópticas pág. 101 se presentan los planos de cada una de
las componentes ópticas. El material de construcción de las lentes utilizadas
en este proyecto es el N-BK7 que es probablemente el material de vidrio óptico
más común usado para componentes ópticos de alta calidad [20].
Lente AL2520-B (figura 5-3) asférica plano convexa, estas lentes asféricas
están optimizadas para enfocar la luz incidente en el lado asférico de la lente
con un mínimo de aberración esférica, aunque también pueden usarse para la
colimación cuando la luz incide en el lado plano. Esta lente es utilizada para
colimar el haz de luz de las fuentes lumínicas del oxímetro y sus
características.
Figura 5-2 Lente biconvexa LB1761 -B [20] Lente biconvexa LB1761-B. 2019.
36
o Un diámetro de 25 mm.
o Longitud focal de f=20 mm.
o ARC: 650-1050 nm.
Fabricada en S-LAH64 este tipo de sustrato ofrece una alta transmisión desde
lo visible hasta el NIR, sin embargo, dado que S-LAH64 tiene un índice de
refracción más alto que el N-BK7, se usa comúnmente para fabricar lentes de
alta focalización y corta longitud efectiva [21].
• Divisor de haz (Beam splitter)
El divisor de haz CCM1-BS014/M (figura 5-4) es el instrumento óptico
encargado de dividir el haz de luz en dos. En su forma más común, es un cubo
el cual está compuesto de dos prismas triangulares que están pegados en la
base, en este proyecto se utiliza un divisor de haz 50:50 esto quiere decir que
divide el haz en partes iguales en la figura 5-2 se muestra el esquemático del
divisor utilizados.
Figura 5-3 Lente asferica AL2520-B [21] Lente biconvexa Al2520-B. 2019.
37
Descripción:
o I= Luz incidente
o I2= 50% es luz transmitida.
o I3= 50% es luz reflejada.
Este cubo según él fabricante está fabricado de N-BK7 y diseñado para un
desplazamiento mínimo del haz. El recubrimiento dieléctrico del divisor de haz
se aplica a la hipotenusa de uno de los dos prismas que forman el cubo. Luego,
el cemento se utiliza para unir las dos mitades del prisma, este cubo está
gravado con flechas que indican la dirección en la que el haz incide en la capa
de recubrimiento del divisor de haz, como se muestro en la figura 5-2. La luz
puede entrar a través de cualquiera de las otras superficies recubiertas con
ANTIRREFLEJANTE (AR) [22].
Figura 5-4 Esquemático de cubo divisor de haz.
Figura 5-5 Cubo divisor de haz CCM1-BS014/M en su carcasa. [23]Cubo divisor de haz CCM1-BS014/M. 2019.
38
• Fuentes de iluminación (LED)
Los diodos emisores de luz (LED) son fuentes de luz compactas y de bajo
consumo de energía que pueden emitir luz en una amplia gama de longitudes
de onda.
Como sea mencionado las longitudes de onda necesarias para poder generar
la oximetría son de 680 nm y de 940 nm estos leds, uno de ellos es del
fabricante THORLABS, debido a que nos ofrece la longitud de onda exacta de
680 nm (LED680L) con lente de vidrio (figura 5-6), el otro led es común es un
led infrarrojo [23].
• Fotodetector
El fotodetector es un sensor que genera una señal eléctrica dependiendo de
la luz u otra radiación que recibe, están basados en el efecto fotoeléctrico o
fotovoltaico. El fotodetector FDS100 utilizado en este proyecto es fabricado en
SILICIO (Si), con un “rise time” de 10 ns esto se refiere al tiempo que tarda
una señal en cambiar de un valor bajo a un valor alto [24], con una banda
detección de 350 a 1100 nm y con un área activa de 3.6 mm x 3.6 mm.
El fotodiodo FDS100 (figura 5-7) de Thorlabs es ideal para medir fuentes de
luz de fibra pulsada y de fibra óptica al convertir la potencia óptica en corriente
Figura 5-6 Los diodos emisores de luz LED680L. [23] LED680L - 680 nm. 2019.
39
eléctrica. El detector está alojado en un paquete TO-5 con una conexión de
ánodo y cátodo.
El ánodo del fotodiodo produce una corriente, que es una función de la
potencia de la luz incidente y la longitud de onda. La capacidad de respuesta
ℜ(𝜆𝜆) se puede leer en el siguiente gráfico para estimar la cantidad de
fotocorriente. Esto se puede convertir a un voltaje colocando una resistencia
de carga (RL) desde el ánodo del fotodiodo hasta la masa del circuito.
𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑃𝑃𝑃𝑃ℜ𝑃𝑃𝑅𝑅𝑐𝑐 (5.1)
Voltaje de salida del fotodetector.
Donde:
o P es la potencia.
o RL resistencia de carga.
o ℜ(𝜆𝜆) capacidad de respuesta.
La capacidad de respuesta de un fotodiodo es una medida de su sensibilidad
a la luz y se define como la relación de la fotocorriente IP a la potencia de la
luz incidente P en una longitud de onda determinada ver figura 4-2:
ℜ(𝜆𝜆) = 𝐼𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃
(5.2)
Capacidad de respuesta.
Figura 5-7 Fotodiodo FDS100. [24] FDS100 - Si Fotodiodo. 2019.
40
Figura 4-2 en otras palabras, es una medida de la efectividad de la conversión
de la potencia de la luz en corriente eléctrica, la capacidad de respuesta varía
de un lote a otro con la longitud de onda de la luz incidente [24].
La propuesta de diseño se inicia con la conceptualización por bloques de como
funcionaria el arreglo óptico del dispositivo, con estos se pretende tener un
primer acercamiento y abstracción de lo que se necesita [25]. Este tipo de
herramientas de diseño propone realizar el diagrama de bloques sin conocer
las configuraciones detalladas de los bloques individuales que conforman este
sistema. La figura 5-4 muestra la propuesta de diagrama de bloques del
oxímetro.
Figura 5-8 Capacidad de respuesta en función de la longitud de onda.
41
En la figura 5-4 se puede observar la trayectoria que se pretende que siga el
haz de luz en el sistema óptico, primero inicia con los dos bloques de las dos
fuentes entrando al divisor de haz y después pasa por la apertura del
diafragma para entrar al siguiente divisor de haz una parte es enfocada por
medio de una lente al sensor de referencia y otra es dirigida al ojo del paciente,
después por reflexión la luz reflejada por la retina entra a l divisor de haz
anterior después es dirigido por un lente al sensor de medición.
El diagrama no determina la posición de cada una de los componentes, sólo
sirve para la conceptualización del arreglo y que es lo que se espera en el
trazado de la trayectoria que debe recorrer el haz en el sistema. Como se
mencionó este diseño óptico busca simplificar la propuesta anterior del
oxímetro de retina utilizado en laboratorio, el cual es más robusto y está
compuesto de monturas ópticas discretas comerciales. El diseño presentaba
el sistema de iluminación dos veces, pero con la diferencia que a la salida del
divisor se colocaba un difusor óptico diferente en cada sistema para controlar
la intensidad de luz. Entonces se propuso la realización de un iris que por
medio de la apertura o cierre del mismo se controle la cantidad de luz que
Figura 5-9 Diagrama de bloques de oxímetro.
42
incide en el paciente, debido a que cada paciente presenta una tolerancia a la
iluminación que incide al ojo. Con esta pieza se reduce notablemente la
composición del sistema óptico.
Otra de las problemáticas presentes en el oxímetro anterior es la
interface entre el sistema y el paciente, ya que cuando se realizaba la medición
se tenía que apagar la luz del cuarto en donde se realizaba la medición para
disminuir el error de medición por contaminación de luz espuria, a continuación
se muestra la pieza que se utilizaba para la realización de la medición, es por
eso que se inició el proyecto con la realización de diseño de una copa de ojo
(eyecup) que sustituyera a la anterior.
Una vez realizado el diagrama de bloques se puede realizar la distribución de
las componentes ópticas en un entorno grafico como lo son los programas de
diseño mecánico como lo es SolidWorks, en el cual podemos hacer una
distribución de las lentes sin aun detallar las distribuciones precisas de ellas
en el arreglo óptico. En la figura 5-11, se muestra una de las distribuciones
Figura 5-10 Lupa de relojero.
43
propuestas sin detalles, sólo se basa en la distribución del sistema óptico de
laboratorio, pero sin las monturas que contienen a las componentes ópticas.
En la figura 5-11 del lado derecho es el sistema en el laboratorio el cual se
toma como base para la realización de una nueva propuesta, por lo que se
realiza la representación CAD para su manipulación en las distancias focales
de cada componente.
La propuesta del arreglo óptico se basa en la distribución del oxímetro utilizado
en laboratorio, pero con la reducción de componentes debido a que el sistema
óptico está aislado por la carcasa que lo contendrá para evitar la
contaminación de luz espuria en las mediciones, al aislar el sistema nos
permite el ahorro de componentes ópticas, utilizando tres lentes:
5.1 Lente de campo
5.2 Lente para enfocar el haz de las fuentes de iluminación al sensor de
referencia.
5.3 Lente que enfoca el haz reflejado incidente al ojo, hacia el sensor de
medición.
a) Sistema de laboratorio b) Representación CAD
Figura 5-11 Propuesta de distribución óptica de oxímetro.
44
Cada una de estas componentes está ubicada según su distancia focal
efectiva al objeto de interés. Puesto que no se pretende en esta etapa la
generación de imágenes las aberraciones ópticas que se pueden generar no
son de importancia.
Este capítulo presento cada uno de los componentes con su descripción
detallada de su funcionabilidad y da el primer acercamiento de la posible
distribución de estos, por medio del diagrama de bloques que permite
conceptualizar las trayectorias de lo haces de luz que se necesitan para el
manejo de este prototipo.
45
6 CAPITULO: CONCEPTUALIZACIÓN DEL DISEÑO
El sistema mecánico es una de las partes más importantes de este proyecto,
ya que, por un lado, contiene al sistema óptico, el cual tiene la tarea de
mantener alineado el haz de luz a lo largo de todo el camino óptico. Por otro
lado, también contiene al sistema de soporte y acoplamiento de las monturas
ópticas como el mecanismo de enfoque.
El sistema mecánico está conformado de la siguiente manera:
Todas las partes mecánicas en esta primera fase son fabricadas en impresión
3D y una vez comprobada la facilidad de uso del oxímetro y la validación de
datos se propondría la fabricación del instrumento en inyección de plástico con
piezas metálicas que darían soporte y rigidez a la estructura que contenga el
sistema óptico. Para la sujeción de las tapas que cubren al sistema óptico en
el cuerpo (carcasa) se utilizaron tornillos milimétricos M4. La impresión del
cuerpo fue segmentada en diversas partes para el ahorro de materia de
soporte y el tiempo de impresión. Para el armado y anclaje de estas piezas se
Partes mecánicas
del
oxímetro retinal
Montura de fotodetector
Estructura y cuerpo del oxímetro
Monturas y soporte para los componentes ópticos (lentes, diafragma y divisor de haz)
Mecanismo de enfoque.
46
optó que cada pieza tuviera pernos de posición entre ellas. En las figuras 6-1
y 6-2, se muestran las dimensiones y características del oxímetro,
posteriormente se presentarán a detalle las monturas y el sistema de sujeción
de estas dentro del cuerpo.
a) Lateral izquierda b) Lateral derecha
a) Superior b) Frontal
Figura 6-2 Se muestran las dimensiones en milímetros del oxímetro retinal sobre las vistas superior y frontal.
Figura 6-1 Se muestran las dimensiones en milímetros del oxímetro retinal sobre las vistas laterales.
47
En la figura 6-3 muestra algunos detalles del oxímetro retinal en vista
isométrica del lado izquierdo y visto desde la parte posterior del lado derecho.
La Figura 6-4 muestra la distribución de los componentes ópticos dentro de la
carcasa. En las siguientes páginas se abordará el diseño de cada montura a
detalle también el desarrollo de la carcasa y como se ajustan las monturas a
esta.
Figura 6-3 Vistas isométricas del oxímetro.
Figura 6-4 Monturas del sistema óptico del oxímetro retinal.
48
• Copa de ojo (Eyecup)
Esta pieza será de gran importancia, debido que será la interface entre el
paciente y el instrumento clínico. Esta pieza contiene diferente grados dureza
los cuales van del más rígido al más suave, el material rígido será el medio de
anclaje al oxímetro retinal y el material suave tendrá contacto con la piel del
paciente esto se debe, porque el material suave se deforma y adquiere las
deformidades de la superficie de contacto de la periferia del ojo, evitando la
contaminación de la medición con luz espuria en esto radica la importancia de
esta pieza. Se realizo la impresión 3D de una eyecup wash vea la figura 6-5 la
cual fue seccionada en diferentes superficies para determinar los materiales
del prototipo de la eyecup para su impresión.
En el anexo 15 se agrega una tabla con las durezas de los materiales utilizados
en esta impresión, también se anexa una tabla de comparación de los
materiales de impresión con artículos para referenciar la dureza de estos. La
eyecup sufrió tres cambios hasta llegar a la que se utiliza actualmente. Se
inició con un acercamiento de formas que se pudieran ajustar al rostro
humano, pero en este primer acercamiento los cortes y las formas eran muy
Figura 6-5 Eyecup wash, del lado derecho se pueden observar las divisiones que se realizaron para que la pieza fuera impresa con distintos grados de dureza y flexibilidad.
49
angulosas que fueron demostradas con la primera impresión. En la figura 6-6
se muestra esta eyecup.
Al no tener una referencia de cómo se ajustaría esta pieza al ojo fue un ensayo
de prueba y error. A continuación, en la figura 6-7 se muestra un modelo de
una cabeza humana representada en SolidWorks 2018; el modelo está basado
en las medidas de una persona adulta promedio.
Figura 6-6 Primera Eyecup.
Figura 6-7 Cabeza humana representada en SolidWorks las medidas mostradas
50
Con el modelo que representa la cabeza se pueden observar los puntos de
contacto de la eyecup con el posible paciente. Este tipo de representación
gráfica permite un ahorro de material de impresión y tener una perspectiva
más clara de lo que se requiere, en la figura 6-8 se muestra una seria de
imágenes de algunas eyecups y como éstas han ido cambiando.
En la figura 6-8 se muestra de izquierda a derecha, el primer diseño
presentado de la eyecup y sus cambios realizados. Como se puede observar
existe un espacio entre la eyecup y la sien del modelo. Con los cambios
realizados en el diseño se reduce este, lo que se trata de evitar es la entrada
de luz espuria es por ello que se debe de asilar el ojo cuando se realice la
medición. En la figura 6-9 se muestra una vista frontal del acoplamiento de la
eyecup en el modelo.
Figura 6-8 Colocación de la eyecup en el modelo, vista transversal. De izquierda a derecha se muestran los cambios realizados al diseño de la eyecup.
Figura 6-9 Vista frontal de modelo con eyecup.
51
Al realizar la eyecup más estrecha y compacta se obtiene un aislamiento en el
ojo y aprovechando la propiedad del material del ocular que es flexible para
poder amoldarse a la morfología del paciente. La eyecup propuesta se
compone de dos piezas una parte rígida y otra flexible. La parte rígida sirve de
anclaje a la carcasa, la flexible es la que tiene contacto con el paciente.
En la figura 6-10 se muestra cómo se unen la parte rígida y la flexible. El tipo
de unión que se observa es para evitar el desprendimiento entre ellas, otra de
las funciones de la parte rígida es dar soporte a la parte flexible. A este tipo de
estructura se le nombra alma en mecánica.
Para más información se agrega en el Anexo piezas oxímetro (pág. 119) el
plano de fabricación de la eyecup utilizada en el oxímetro.
• Montura de lentes
La alineación del sistema óptico es uno de los aspectos críticos en el diseño
ópto-mecánico, gran parte de esta alineación es por parte de las monturas y
del cuerpo donde se ubicarán estas.
Se buscó que las monturas de lentes fueran sencillas de montar en el cuerpo
y que la componente óptica también sea fácil de colocar, que mantenga su
posición en el cuerpo (carcasa) sin más ajuste que sólo colocarla en su
Figura 6-10 Corte frontal de eyecup. Se muestran los dos tipos de materiales utilizados.
52
posición. La posición de cada lente es determinada por la longitud efectiva del
lente que se esté utilizando. En este diseño se emplean lentes biconvexas y
una lente esférica, por ello la montura óptica debe funcionar para cualquier tipo
de lente y tomando en cuenta el proceso de fabricación que es por impresión
3D.
La realización del diseño de una montura óptica de una lente está limitada por
la tolerancia de una serie de parámetros de lente. Estos incluyen los
siguientes, pero no son los únicos.
o Diámetro exterior
o Espesor central
o Eje óptico y mecánico
o Curvatura
o Borde plano
Existen una gran variedad de monturas de lentes comerciales disponibles para
sistemas ópticos. Los soportes listos para usar tienen la ventaja de plazos de
entrega más cortos y menor costo que un diseño personalizado, pero un
diseño personalizado busca satisfacer las necesidades de nuestro equipo, ya
que muchas de las veces no existen alguna montura comercial que satisfaga
el diseño [25].
La montura propuesta se basa en un tipo de montura comercial llamada
“Clamped Flange Mount”. Este tipo de configuración es para lentes con
aberturas lo suficientemente grandes, en este caso es adecuada para lentes
de una pulgada, se utiliza un anillo de retención que es asegurado por el
cuerpo de la montura, en lugar del tornillo que sujeta al fleje. Como se muestra
en la figura 6-11 [26].
53
La configuración mostrada en la figura 6-11 de un retenedor tipo brida que
restringe axialmente una lente en una celda. La brida se endurece con un anillo
de respaldo y se fija con múltiples tornillos. La montura propuesta (figura 6-12)
se basa en una celda fabricada en impresión 3D de un material llamado
VeroWhite y un anillo de retención rígido y con unas salientes de un material
con un cierto grado de flexibilidad.
De las ventajas que se tienen por la fabricación por impresión 3D, es que se
pueden realizar impresiones con diferentes materiales. Otra de las ventajas de
Figura 6-11 Corte lateral de la montura Clamped Flange (ilustracion del K. Schwertz Field guide to optomechanical design and analysis Bellingham, Wash.: SPIE Press, 2012) [16].
Corte transversal de montura “Clamped Flange”
Figura 6-12 Corte transversal de la montura propuesta “a” es el radio exterior de la sección en voladizo. “b” es el radio interno de la sección en voladizo.
54
la manufactura por impresión son las tolerancias de ajuste más reducidas, algo
que la manufactura convencional es muy difícil de realizar.
Hablando de ventajas es que al ser lentes de tipo comercial el fabricante ofrece
sus plantillas y el modelo 3D en SolidWorks de sus productos, lo que resulta
de gran ayuda al realizar el modelado de la montura que contendrá a este
elemento óptico, ya que el modelo que ofrece el proveedor tiene ciertas
tolerancias que sirven para el diseño de la montura. Este tipo de montura es
por ajuste de una brida que realiza una fuerza de opresión al lente para
ajustarlo en la montura por medio del material flexible. Esta brida tiene unas
salientes que se sujetan a la celda o cuerpo. La celda está fabricada de un
material rígido el cual permite que no presente deformaciones por esfuerzos.
En la figura 6-13 se realiza una descripción de cada elemento que conforma a
la montura.
Figura 6-13 muestra la composición del reten. Este se conforma de dos clase
de materiales tambien se muestra las salientes que sirven de seguro al girar
el reten dentro de la celda y con esto asegurar la lente en la celda.
Figura 6-13 Reten para montura. Descripción de los elementos que conforman al reten.
55
En la figura 6-14 se puede observar en el corte transversal donde descansa la
lente y el retén en el corte frontal se observa las ranuras por donde se desliza
las salientes del retén para asegurar la lente a la celda. En la figura 6-15 se
puede observar con mayor detalle.
En el anexo piezas oxímetro (pág. 109) se encuentran los planos de
fabricación de cada una de las componentes de esta montura también de los
materiales en que esta impresa y sus características.
Figura 6-14 Celda, de izquierda a derecha se muestra el corte transversal, vista isométrica y corte frontal de la celda.
Figura 6-15 Explosivo de ensamble de montura óptica.
56
• Montura del detector de medición.
Esta montura mantiene en su posición al detector en el arreglo óptico. El
detector está colocado en una montura comercial de aluminio, se mantuvo la
montura comercial para ahorrar material de fabricación. Entonces el diseño
está basado en contener de forma concéntrica a la montura comercial que a
su vez mantiene al detector. Características de la montura Thorlabs:
o Fabricada en aluminio.
o Cuerda exterior SM1 (1.035-40)
o Grosor 7mm (.28in)
Por lo tanto, se requiere una celda que contenga a este tipo de montura. Lo
complicado de este tipo de ensamblaje es coincidir las cuerdas de sujeción de
la celda con las de la montura de THORLABS, debido a que es una cuerda
fina y recordemos que la fabricación es por medio de la impresión 3D. En esta
pieza se utilizó el material ABS que es ideal para este tipo de acoplamientos
por su dureza, porque si se imprimiera de un material que no soporte las
fuerzas de torción al enroscar estas piezas se sufriría un daño entre cuerdas
y con esto se tendría un ajuste deficiente; y que las caras entre la celda y la
Figura 6-16 S1LM05 – Tipo de cuerda SM1, Montura fabricada en aluminio para el diodo TO-5( representación en
SolidWorks).
57
montura comercial no sean paralelas, teniendo riesgos en la obtención de
datos en la medición.
Figura 6-17 se observa el corte transversal al lado izquierdo, la coincidencia
entre las cuerdas de la celda y la montura. La celda tiene una tolerancia tipo
G entre la montura comercial y la celda lo que quiere decir que el barreno
donde se ubica el detector es más grande por 3 décimas de milímetros, con
esto se pretende evitar un sobre esfuerzo entre las cuerdas, por el material de
soporte que se encuentra entre las cuerdas de la celda.
• Iris o diafragma
Esta pieza está basada en las medidas de la apertura de la carcasa que
contiene al divisor de haz en que se conjuntan las dos fuentes de iluminación.
Esta carcasa tiene una apertura de salida de 30 mm, está fabricada en
aluminio y está diseñada para poder ser utilizada en un sistema de jaulas, lo
que favorece al diseño de sujeción del iris. El iris tiene doce pétalos que
otorgan una forma de apertura más definida a un círculo con una apertura
máxima de 28 mm y como apertura mínima 5 mm y fabricado en tres
materiales: VeroBlack, ABS y aluminio.
Figura 6-17 Ensamble de celda y detector. De izquierda a derecha vista isométrica y corte transversal.
58
Las partes que lo constituyen son:
o Porta rejilla:
Esta pieza (figura 6-18) es el chasis que da soporte a los pétalos y a la
rejilla donde se deslizan los pivotes que sobresalen de los pétalos, tiene
una ranura para la inserción del vástago que sirve para dar movimientos
de apertura y cierre del diafragma fabricado en Veroblack.
o Pétalo:
Para esta pieza (figura 6-19) se necesita que el material de fabricación
sea duro por los esfuerzos a los que está sometido. Un extremo
funciona como un pivote para obtener un movimiento semicircular y el
otro extremo se desliza por una ranura de la rejilla, es por eso que se
realizó en ABS. Se hicieron pruebas con otros materiales para reducir
costos en fabricación, pero los materiales que se tenían en existencia,
resultaron ser demasiado rígidos y al someterlos al movimiento que se
efectúa al abrir o cerrar el diafragma se rompían al instante o después
de un cierto uso o sólo al colocarlos en el porta rejilla.
Figura 6-18 Porta rejilla vista isométrica.
59
o Rejilla:
Esta pieza (figura 6-20) se desliza en el porta rejilla en un movimiento
concéntrico y con esto se produce el movimiento de pivote de los
pétalos para aumentar o disminuir el diámetro de apertura del diagrama.
El material de fabricación es en ABS por el esfuerzo de palanca que
ejerce el vástago sobre él.
o Vástago:
Su fabricación fue por maquinado en acero inoxidable con cuerda en
uno de sus extremos en M2 (figura 6-21).
a) Frontal b) Lateral c) Posterior
Figura 6-19 Pétalo.
Figura 6-20 Rejilla.
Figura 6-21 Vástago.
60
• Ensamble de diafragma
1. El armado del diafragma inicia con la inserción de los pivotes en la porta
rejilla, preferentemente que se arme con la apertura máxima del
diafragma para facilitar la coincidencia de pivotes con ranuras.
2. Después se procede a deslizar de abajo a hacia arriba con un ángulo
tratando de que incida la cara inferior de la rejilla con el escalón de la
porta rejilla y con cuidado hacer coincidir los pivotes con las ranuras de
la rejilla.
3. Luego se procede a que la rejilla este en su posición para atornillar el
vástago a la rejilla.
Estas fueron las monturas diseñadas. Existe otra, pero se basa en la montura
de la lente, con variantes en su tamaño y mantiene el mismo procedimiento de
montaje. En el anexo piezas oxímetro (pág. 109) se agregan todas las
plantillas de fabricación.
Sólo falta por explicar el montado del sensor de referencia en el sistema óptico,
a este sensor no se le diseño montura debido a que se aprovecha la carcasa
de divisor de haz y la montura del detector. En la figura 6-23 se muestra el
ensamble de la carcasa y la montura del detector.
Figura 6-22 Procesó de ensamble del diafragma.
61
Aprovechando que la montura y la carcasa tienen la misma cuerda se utiliza
esta propiedad, para el ahorro del desarrollo del prototipo.
Una vez que se determinó la distancia de cada componente en el sistema
óptico se inició el proceso de diseño de la carcasa que contendrá al sistema y
el método de fijación de las componentes en la carcasa. Se busca que las
componentes estén fijas y que sólo se tenga ajuste en el mecanismo de
enfoque que permite que el paciente pueda visualizar la retícula, que permita
alinear el eje óptico del sistema óptico del oxímetro con el eje óptico del
paciente, y con esto iniciar la medición de la saturación de oxígeno en la retina.
Una de las restricciones de la impresión 3D es el ahorro del material de
soporte, es por eso que la estructura de la carcasa se dividió en cuatro partes:
Figura 6-23 Ensamble de cubo y detector.
62
1. Parte superior: En esta se ubican dos lentes, una de ellas es la lente de
campo y la otra permite enfocar el haz en el detector de medición;
también se ubica en esta sección un divisor de haz y el sensor de
referencia, como la retícula de alineación.
2. Parte media: se ubica el sistema de iluminación del oxímetro junto con
el diafragma que regula la intensidad de luz que incide en el ojo del
paciente, también se ubica una lente esférica que permite enfocar el
haz de las dos fuentes en el detector de referencia
3. Mango: Esta pieza es de donde el personal que utilizara el instrumento
lo sujetara para realizar la medición.
4. Parte inferior: Como es un prototipo se pretende, que en un futuro
contenga una electrónica dedicada para su uso y una serie de baterías,
con esto se aspira a que el instrumento sea autónomo sin depender del
instrumento de adquisición de datos DAQ USB 63-61 el cual es la
interface entre oxímetro y la computadora.
Además de estas 4 partes, se agregan 3 partes que aíslan el sistema óptico
del medio, sólo las tapas de la parte superior y media tienen otra función.
o Tapa superior, es la contraparte superior con ranuras para el
anclaje de las monturas ópticas diseñadas como el medio de
sujeción del divisor de haz, con un espacio donde pasan los
cables que conectan el sensor de referencia y el de medición, el
método anclaje entre las dos piezas es por tonillos M4.
o Tapa media, cubre el sistema de iluminación y permite la
detención del ensamble del divisor de haz con el diafragma y las
fuentes de iluminación.
63
• Parte superior
Esta pieza (figura 6-24) contiene gran parte del arreglo óptico, pero también
se ubica la lente de campo la que permite visualizar la retícula. Para la
alineación del sistema óptico con la vista del paciente, la montura de esta lente
biconvexa se ajusta en la saliente de esta pieza por medio del enroscamiento
de la saliente con la montura de la lente.
Figura 6-24 Parte inferior en vista isométrica superior e inferior.
64
• Mecanismo de enfoque.
Este se compone de tres piezas impresas en material VeroWhite y en
VeroBlack. En este mecanismo se inserta la eyecup. En las figuras 6-25, 6-26
y 6-27 se muestran estas piezas y como se ensamblan.
Figura 6-25 Porta Eyecup.
Figura 6-26 Reten de perilla.
Figura 6-27 Explosivo del mecanismo de enfoque.
65
En la figura 6-27 se muestra la ubicación de cada componente para su
ensamble. Inicia con la inserción de la tuerca en el porta-eyecup, la tuerca
transfiere el movimiento circular del tornillo en un desplazamiento axial hacia
adelante y atrás según el giro del tornillo. El siguiente paso es la unión del
tornillo con la tuerca. Después se coloca el retén de la perilla y se incrusta la
perilla en el tornillo a una distancia de su borde inferior de 6.7 mm. Una vez
que la perilla está en su posición se le coloca pegamento entre la unión de la
perilla y el tornillo.
La eyecup gira dentro del porta-eyecup para realizar la medición. Según el ojo
que se quiera estudiar, la idea del seguro que sujete a la eyecup en la porta
eyecup es por medio de un opresor de balín que se deslizaría en una ranura
ubicada en la parte rígida del eyecup. Este opresor funciona por un resorte que
hunde o saca el balín en el momento que gire la eyecup. Esta tiene un semi-
barreno donde descansa el balín cuando está en su posición ya sea para medir
el ojo izquierdo o derecho.
En el Anexo Piezas Oxímetro (pág. 109) se puede ver a detalle las
dimensiones de cada pieza en sus plantillas de fabricación como la del tornillo
que sirve como usillo. Este tornillo es un M5 paso .8 por 40 mm de largo, la
distancia de recorrido por vuelta es de .8 mm y se recorre una distancia de 12
mm y con esto permite que el paciente pueda enfocar la retícula.
Figura 6-28 Ensamble de porta eyecup.
66
• Montura de lente de campo
Con esta pieza (figura 6-29) se culmina el armado de la parte superior sin tapa.
Esta pieza tiene como materia de impresión ABS debido a que tiene una
cuerda interna de tipo milimétrica para el ajuste de una lente biconvexa en el
interior de la montura y funciona como lente de campo. Después que es
insertada en la montura se ajusta a la saliente de la parte superior, colocando
esta pieza en su posición se puede agregar el ensamble del mecanismo de
enfoque.
• Parte media
En esta sección es donde se colocan el ensamble de las fuentes de iluminación
unidas por la carcasa del divisor de haz. Es fabricada en material VeroWhite.
También contiene ranuras de anclaje para una montura óptica, en esta pieza
tiene el suficiente espacio para colocar el cableado de los leds, figura 6-30.
Figura 6-29 Porta lente de campo.
67
En el Anexo Piezas Oxímetro (pág. 109) se puede ver a detalle en planos de
fabricación esta pieza y en la sección 6.4 se describe la forma de unión de las
piezas de la carcasa.
• Mango de Oxímetro
Esta pieza forma parte de la sección media de la carcasa. Otra función que
tiene es de dar estabilidad de unión entre la parte superior y la parte inferior.
También funciona como un canal por donde atraviesa un mazo de cables de
alimentación para los detectores conectándose en el puerto de comunicación
ubicado en la parte inferior. En la figura 6-31 se puede observar la forma de
esta pieza y el canal por donde pasa el mazo de cables.
Figura 6-30 Parte media.
68
• Parte Inferior
Esta pieza (figura 6-32) es la que finaliza el armado de la carcasa, que
contendrá la electrónica y la batería de alimentación que se pretende diseñar
como trabajo futuro. En la figura 6-32 se muestra el espacio donde estaría
contenida la electrónica como la batería que alimentaría al oxímetro, se cuenta
con 81143.08 milímetros cúbicos de volumen para la electrónica.
• Tapas
Estas piezas están impresas en material VeroWhite. El total de tapas son tres
para cada sección de la carcasa. La tapa superior figura 6-33 es la contra de
las ranuras que fijan las monturas ópticas en su posición, la tapa lateral figura
Figura 6-31 Mango de oxímetro. De izquierda a derecha se observa vista lateral, corte transversal para visualizar el canal por donde pasa el mazo de cables y por ultimo la vista isométrica.
Figura 6-32 Parte inferior o base.
69
6-34 sujeta al divisor de haz y las fuentes de iluminación por medio de un
tornillo.
Figura 6-33 Tapa superior.
En la vista inferior de la figura 6-33 se observan las ranuras para monturas, la
caja donde se ubica la parte saliente del detector de referencia y la ranura por
donde pasan los cables de conexión del detector.
Figura 6-34 Tapa lateral, sección media.
70
La figura 6-35 es la pieza que se ubica en la parte inferior cubre la sección de
la electrónica, en el Anexo Piezas Oxímetro (pág. 109) se agregan las plantillas
de fabricación de cada tapa en la sección 6.4 se abordará el ensamblaje de
cada una de estas piezas en la carcasa.
Después del modelado de cada pieza en SolidWorks se inicia el proceso
ensamble virtual para ver las problemáticas que se pueden tener en el
ensamblado físico, como la colocación de tornillos, que las piezas no coincidan
entre sí. Esto se puede verificar en con la relación de posición de cada
elemento en el ensamble y ver si las uniones generan un conflicto o un error
al realizar la ubicación de cada pieza.
Como se había comentado, la carcasa fue dividida en tres secciones para el
ahorro de material y tiempo de impresión. La unión entre secciones es por
medio de pernos que se conectan entre secciones, iniciando por la base en la
cual da soporte a todo el oxímetro, de donde se conectan la sección media y
en mango.
Figura 6-35 Tapa de electrónica.
71
Para verificación de la alineación del sistema óptico del oxímetro con la
carcasa, se agregan restricciones de ubicación de cada componente óptica en
su montura. Colocándolas en su posición en la carcasa. Las restricciones para
la alineación se utiliza la concentricidad de las componentes con el orificio de
salida del haz y restringiendo la movilidad de las monturas con la superficie de
contacto y con esto se puede verificar si existe un error de diseño al arrojar un
error de restricción, si esto sucede quiere decir que la montura esta sobre
dimensiona causando errores de alineación. La utilización de estas
herramientas de ensamble aporta una gran ayuda al visualizar errores de
construcción antes de que el prototipo sea impreso.
• Carcasa
El proceso de ensamble en SolidWorks se inicia por la pieza que se quiere que
sea fija y se mantenga en el eje de coordenadas. En este caso iniciamos por
la parte inferior o base para hacer el ensamble virtual lo más parecido a un
armado real. Cada una de las piezas tienen pernos de anclaje y barreno de
sujeción de pernos, como se muestra en las figuras 6-37, 6-38 y 6-39 inician
por la base.
Figura 6-36 Base Pernos y barrenos.
72
En la figura 6-36 se puede observar del lado izquierdo en un óvalo cada perno
de anclaje y del lado derecho en un óvalo los barrenos de sujeción para los
pernos del mango. Los pernos tienen un diámetro de 4 mm por 3 mm de altura
y los barrenos de sujeción tienen un diámetro de una décima de milímetro
mayor que el del perno, buscando con esto un ajuste deslizable evitando sobre
esfuerzos en el armado ocasionando rupturas entre la unión del barreno y
perno.
En la figura 6-37 se agrega un efecto de transparencia a la parte media para
vizualizar la union entre piezas por los pernos.
Figura 6-37 Unión de la parte media con la base. Se observa una ampliación de la unión entre estas piezas.
Figura 6-38 Unión base y mango. Encerrado en un óvalo se observa una ampliación de la unión de las piezas.
73
Ya solo faltaría la unión de la parte superior figura 6-39 para terminar el ensamble de la carcasa. La parte superior sólo tiene barrenos de sujeción para la unión de la parte media y la superior.
En la figura 6-40 se muestra el ensamble completo de la carcasa, sin tapas ni componentes ópticas.
Figura 6-39 Unión parte superior con sub-ensamble de parte media y base. Se observa a detalle los pernos que se utilizan para la fijación de estas piezas.
Figura 6-40 Vistas de carcasa sin tapas.
74
• Ensamble de sistema óptico con carcasa.
En la sección 6.2 se mostró el ensamble de las componentes ópticas en sus
monturas, en esta parte se muestra la unión del sistema óptico con la carcasa
y como estaría terminado el ensamble del oxímetro.
La montura que se coloco es la lente que permite enfocar el haz al fotodetector
de referencia (figura 6-41). Después de esto se colocan el detector de
medición y la lente que enfoca el haz que sale del ojo para la medición de la
saturación de oxígeno (figura 6-42).
Después de esto se inicia con la ubicación del divisor de haz, que permite
desviar una parte del haz que sale de las fuentes de iluminación hacia el
fotodetector de referencia y la otra parte se dirige hacia el ojo del paciente. El
Figura 6-41 Inserción de montura con carcasa. Colocación de la lente asférica dentro de la carcasa
Figura 6-42 Colocación de fotodetector de medición y lente de enfoque.
75
aseguramiento del divisor es por medio de un tornillo M3 cabeza plana o
avellanada, en la figura 6-43 se puede observar esta unión.
Se procede a posicionar la retícula que permite alinear el eje óptico del
paciente con el eje óptico del sistema del oxímetro. Esta montura es diferente
en dimensiones a la montura de lentes, pero comparten el mismo mecanismo
de aseguramiento. Esta montura (figura 6-44) tiene unos cortes que permiten
el giro de la perilla que da movimiento al mecanismo de enfoque.
Figura 6-43 Anclaje del divisor de haz.
Figura 6-44 Colocación de retícula en carcasa. En el lado izquierdo se corte de carcasa para la visualización de la retícula.
76
Para terminar la instalación del sistema óptico de la parte superior de la
carcasa se requiere instalar la lente de campo. Ajustado la montura hasta que
la lente este en contacto con el vértice interno de la saliente donde se conecta
su montura.
Para terminar la instalación del sistema óptico se realiza un subensamble que
se unirá con lo ya instalado, este subensamble está conformado por:
o Divisor de haz.
o Diafragma.
o Led rojo en su montura.
o Led infrarrojo en su montura.
El ensamble de las fuentes de iluminación (figura 6-46) es por medio de los
barrenos roscados, los cuales tienen el mismo tipo de cuerda que las monturas
de los leds, utilizando estas características podemos realizar este ensamble.
Figura 6-45 Lente de campo.
Figura 6-46 Divisor de haz con fuentes de iluminación.
77
Después de esto se procede con el atornillado de diafragma en el parte superior de
la carcasa del divisor de haz, esto se realiza con tornillos #4-40 (figura 6-47).
Para agregar este sub-ensamble al resto del sistema óptico se realiza por la
tapa lateral, la tapa lateral tiene un barreno que sujeta el divisor y una saliente
que ayuda a alinear el divisor (figura 6-48).
Se procede a fijar la tapa lateral al ensamble por medio de tornillos M4 (figura
6-49).
Figura 6-47 Divisor con diafragma.
Figura 6-48 Unión tapa lateral y divisor de haz.
78
Se instala el mecanismo de enfoque a la carcasa y también se instalan la tapa
superior y de electrónica para terminar el ensamble virtual del oxímetro (figura
6-50).
En la figura 6-50 se utiliza un efecto de transparencia para poder observar el
acoplamiento del sistema óptico en la carcasa con los tornillos que sujetan
Figura 6-49 Tapa sujeta a carcasa.
Figura 6-50 Ensamble completo de Oxímetro retinal.
79
cada una de las tapas, una vez realizado esto se inicia el proceso de impresión
de cada uno de los elementos para iniciar el ensamblaje y las pruebas de
laboratorio antes de los estudios de campo.
En la figura 6-51 se puede observar al modelo humano y al oxímetro, para
tener una referencia de su aplicación.
De las problemáticas que surgieron en esta etapa es la continuidad del eje de
alineación en piezas que contienen las lentes, es decir que todas las piezas
conserven el mismo eje y con esto facilitar el ensamble tanto virtual como
físico. También de los puntos de atención son los espacios donde existen
tolerancias para el deslizamiento de las monturas diseñadas y comerciales en
especial la carcasa que contiene al cubo divisor de haz. Debido a que si el
espacio donde será contenido esta pieza es reducido puede causar un sobre
esfuerzo en la estructura y fracturarla. Por otro lado, si es demasiado holgado
se pueden presentar problemas de alineación con las demás componentes y
Figura 6-51 Oxímetro y modelo.
80
se puede presentar un juego entre piezas lo que ocasionaría vibraciones que
comprometerían la fijación de las lentes en sus monturas.
En este capítulo se presentaron de forma gráfica las componentes óticas la
distribución espacial del sistema óptico, también se expone la carcasa que
contendrá dicho sistema y las problemáticas presentadas en él ensamble.
81
7 CAPITULO: FABRICACIÓN DEL OXÍMETRO RETINAL
Todo lo que sea mostrado y sea dicho nos lleva hasta aquí, al paso de lo
conceptual a lo físico por medio de la impresión en tercera dimensión. En este
capítulo se da una breve explicación de lo que es esta tecnología las ventajas
que ofrece sobre la forma de manufactura convencional y sus desventajas.
También se aborda una descripción sobre la impresora que se utilizó para el
desarrollo de este prototipo de instrumento clínico, y como esta tecnología está
cambiando el cómo de los procesos de fabricación actuales como si se tratase
de una nueva revolución industrial.
Este modo de manufactura es de tipo aditiva, es decir que se aporta y adhiere
controladamente diferentes tipos de materiales para crear objetos a partir de
los datos de un modelo en tres dimensiones. Normalmente se hace capa sobre
capa, esto facilita la fabricación en un solo paso de diseños que por el medio
convencional resultarían muy difíciles de fabricar o en muchos casos
imposibles por el grado de complejidad. La impresión 3D nace 1986, diez años
después de la invención de la impresora de tinta, la cual partió por el proceso
de estereolitografía por Charles W. [27].
Entre las ventajas de la impresión 3D podemos señalar el ahorro de material
de fabricación debido que sólo va adhiriendo el material requerido para
conformar el modelo realizado bajo algún software de modelado mecánico, a
comparación del método de fabricación por sustracción. Otra de las ventajas
es la reducción del tiempo en el proceso de fabricación pues se pueden
imprimir mecanismos completos sin imprimir las piezas por separado,
imprimiendo el ensamble en una sola exhibición. Entre las ventajas notables
82
de esta tecnología de fabricación es que se pueden corregir algún prototipo
antes de su comercialización en menor tiempo y a un menor costo que al de
la manufactura convencional. Esta tecnología resultó ideal para el desarrollo
de este prototipo debido a la complejidad de los diseños que se presentaron y
las correcciones que se fueron dando en este transcurso de diseño.
La impresora utilizada es la “Objet 500 Connex3”, la cual esta ubicada en el
Laboratorio para Análisis Dimensional y Fabricación de Prototipos 3D con alta
Precisión. La precisión esta impresora es de hasta 200 micras para tamaño de
modelo completo, un espesor de capa 16 micras y una resolución de impresión
600 ppp en (x,y) y en z 1600 ppp. El tamaño de los modelos que se pueden
imprimir son de 342*342*200 mm, los tiempos de impresión son variables
según la complejidad y la calidad que se requiera [30].
En esta etapa, se determinaron los materiales para la impresión de cada pieza
del oxímetro según la función que realizaría, siendo el iris la pieza de más
cuidado por el movimiento y los esfuerzos al que es sometido cada vez que
abre o cierra el diámetro de apertura para la toma de medición. En el caso de
las monturas ópticas, es la combinación de dos materiales: el flexible es el que
tiene contacto con el componente óptico (lente) y el rígido tiene como función
actuar como reten para evitar el desacople de la lente de la montura.
Se realizó una prueba de impresión en algunas piezas con un material llamado
ABS el cual por sus características resulta óptimo debido a que ofrece gran
resistencia a esfuerzos sin comprometer la estructura de la pieza. La calidad
de este material es alta, por lo que se tiene un aumento en su costo y la
disponibilidad de ella en el instituto es limitada.
Es por ello que la impresión de las piezas del prototipo se realizó en los
siguientes materiales:
• Vero-White y Vero-Black: cuenta con una rigidez notable y dureza,
haciéndolo quebradizo en zonas con poco material.
83
• Tango-Black: material muy flexible.
• Combinaciones entre Tango-Black y Vero-Black: se obtiene un material
con dureza y maleabilidad.
• ABS: material óptimo.
A continuación, se detalla la fabricación de cada componente y los materiales
que se utilizan.
• Montura lente
Se compone de dos piezas.
Cuerpo (Figura 7-1)
• Función: esta pieza es la que contiene a la lente en una cavidad.
• Material de impresión: Vero-White.
Reten (Figura 7-1)
• Función: esta pieza evita que la lente se desacople de ensamble.
• Material de impresión: Vero-Black y combinación en diferentes
proporciones de Vero-Black y Tango-Black.
Figura 7-1 Montura impresa y ensamblada.
84
• Montura de detector
En el sistema óptico se cuentan con dos detectores:
Montura del detector de referencia
o Función: Este va montado en un divisor de haz. Prueba de
comunicación entre el DAQ y la computadora (encendido y
apagado de un led).
Montura del detector de medición (figura 7-2).
o Función: Se le diseño una montura que a su vez acopla a una
montura comercial de la marca Thorlabs. Esta montura tiene un
tipo de cuerda especial SM1 que es un tipo de cuerda fina para
diámetros de una pulgada. La montura que se imprimió tiene este
tipo de cuerda, gracias a la resolución con la que cuenta la
impresora se pueden diseñar este tipo de elementos.
o Material de impresión: está impresa en ABS ya que se necesitaba
de una gran adaptabilidad al esfuerzo de someterlo al
enroscamiento que se tiene al colocar el detector.
Lente
Figura 7-2 Vista frontal y posterior de montura con detector ya en su posición.
85
• Iris
o Función: Es la pieza que permitió reducir el sistema óptico inicial
a la mitad. La complejidad de este elemento es que se compone
de varias piezas y de doce lengüetas; estas son las encargadas
de dar el diámetro de apertura y cierre, por medio del
deslizamiento de un pequeño vástago conectado a un anillo.
Este tiene una serie de ranuras por las que se deslizan pernos
incrustado en las lengüetas a cada extremo, pero en lados
opuestos, uno de estos pernos actúa como pivote en la carcasa
que contiene al iris. De esta pieza se tiene dos versiones como
se muestra en la figura 7-3.
o Material de impresión: El porta-rejilla está impreso en Vero-
Black. Las lengüetas la versión de prueba (figura 7-3 lado
izquierdo) fueron impresas en ABS. Las lengüetas de la versión
final (figura 7-3 la izquierdo) están impresas en Vero-Black,
debido a la disponibilidad del material.
Figura 7-3 Iris de prueba e iris versión final.
86
• Carcasa
Se conforma de varias piezas que al unirlas forman por completo la carcasa,
el motivo de esta configuración es el ahorro de material de soporte debido a
las cavidades donde será ubicado el sistema óptico; es donde se gastaría más
material de soporte y el material de impresión es Vero-White. A continuación,
se muestran los elementos que conforman la carcasa.
o Tapas y Mango
En la figura 7-4 se muestran las tapas y mango de sujeción. Estas son
impresas en material VeroWhite listas para ser colocadas en su posición.
o Cuerpo
El elemento que se muestra en la figura 7-5 es un ensamble de dos piezas, en
esta pieza es donde se ubica un divisor de haz una lente el diafragma y el
sistema de iluminación del oxímetro.
Figura 7-4 Tapas de la carcasa, tapa superior, tapa de electrónica, tapa lateral y Mango.
87
La parte superior de la carcasa (figura 7-6 lado izquierdo) es donde se ubica
el resto del sistema óptico, el cual contiene una retícula, un divisor de haz, los
detectores, una lente biconvexa; también es donde va incorporado el
mecanismo de enfoque (figura 7-6 lado derecho) y la lente de campo.
El sistema óptico se divide en dos partes, una es de medición y otra de
iluminación. En la parte de medición está conformada por detector de
medición, lente de enfoque, subensamble del detector de referencia y el
divisor-de haz, retícula y lente de campo.
Figura 7-5 Base y parte media de la carcasa, material VeroWhite.
Figura 7-6 Parte superior y sistema de enfoque.
88
En la figura 7-7 se muestra la distribución de las componentes.
En la figura 7-7 se pueden observar el cableado de alimentación de los
detectores. En la figura 7-8 se muestra el subensamble del divisor de haz con
el iris ya atornillado en su posición.
• Etapas de ensamble
Figura 7-9 de izquierda a derecha, se observa la unión del mango con la parte
superior, después tenemos el ensamble del cuerpo con la parte superior, el
sistema de iluminación, concluyendo con la colocación de las tapas y el
mecanismo de enfoque con la eyecup.
Figura 7-7 Sistema de medición ensamble superior.
Figura 7-8 Unión entre iris y el divisor de haz.
89
Nuevamente en la figura 7-9 de izquierda a derecha se observa el cruce del
mazo de cables a través del mango de sujeción, después se muestra la
ubicación del cubo divisor con las fuentes de iluminación y el diafragma,
posteriormente se muestra el ensamble culminado y una comparación de
tamaño con unos lentes que sirven de referencia.
Las problemáticas que se enfrentaron fueron el desarrollo del diseño de
monturas ópticas que sostuvieran las componentes ópticas. Se optó por un
retén que permite fijar la lente en su posición, también cuentan con dos rieles
que tienen como función bloquear la montura en la carcasa. Este tipo de
fijación también la tiene la montura del detector con esto se pretende que se
mantenga la alineación del sistema óptico.
Este capítulo, abordo la fabricación de cada una de los comentes de sujeción
y como estas sitúan al sistema óptico dentro de la carcasa, se describió el
proceso de ensamble del prototipo por medio de imágenes.
Figura 7-9 Sucesión de estados del ensamble final.
90
8 CAPITULO: PRUEBAS Y RESULTADOS
Con la conclusión del ensamble se inicia el periodo de pruebas de
comunicación de los sensores y encendido de las fuentes de iluminación, para
proceder con las pruebas de laboratorio. Esta etapa es de suma importancia
debido al acoplamiento del instrumento con el software y la verificación de la
recolección de datos, dando un paso más a la validación de este prototipo para
ser considerado como un instrumento clínico.
El capítulo se conforma de la siguiente manera:
Para la comunicación del prototipo con el software se decidió agregar un
puerto de comunicación tipo hembra DE-15F de los cuales se utilizan 8
contactos y resto están disponibles para en un futuro poder agregar una
batería y para la retroalimentación con una electrónica que este en el
dispositivo. La comunicación del prototipo con el software de control corre a
cargo del dispositivo de National Instruments DAQ modelo USB-6361. El
software de control es el que se implementó en la primera etapa del oxímetro
Descripción del capítulo 8
Comunicación de oxímetro con computadora.
Análisis de teórico de la iluminación dentro del ojo.
Metodología del experimento.
Pruebas y resultados
91
retinal, pero con unas variantes para poder ajustar a las necesidades de esta
etapa.
Figura 8-1 se observa una prueba de encendido de las fuentes de iluminación,
con el DAQ.
Al incidir el haz de luz en cada medición, el ángulo solido de iluminación
aproximado dentro del ojo, cuando el iris está en el diámetro menor de apertura
que es de 5.01 mm da un ángulo iluminación de 13.9° y el diámetro mayor de
apertura el cual es de 18.66 mm da un ángulo de 33.01°. En la figura 8-2 se
muestra un esquemático del trazo del rayo principal dentro globo ocular. Este
esquemático es una simulación de ZEMAX de la retícula la lente de campo
que se utiliza en el prototipo y el modelo del ojo simple.
Figura 8-1 Comunicación de prototipo con DAQ.
92
Considerando la apertura máxima del iris, esta medida la podemos considerar
como el tamaño de la imagen proyectada. Geométricamente, un objeto crea
una imagen invertida que cae sobre la retina cóncava. Una imagen que abarca
la mácula curvilínea de 5,5 mm crearía una imagen más grande si fuera plana,
en un plano tangente al polo posterior del ojo. La versión simplificada del ojo
es la de una lente única a 17 mm delante de la retina (el punto nodal del ojo).
[13]. El trazado de rayos muestra la relación entre el objeto y la imagen en la
figura 8-3.
Figura 8-2 . En líneas verdes se muestran los rayos principales cuando el iris está abierto en su totalidad. Las líneas azules son los rayos marginales que enfocan en
la retina para formar imagen.
Figura 8-3 Esquemático del ojo y distancias del objeto al ojo.
X
Y
Z
93
En la figura 8-4 se muestran las circunferencias de iluminación según la
apertura. El diámetro mínimo es de 3.12mm y el mayor es de 9.13 mm, la
imagen que se muestra de referencia de los diámetros de iluminación es
tomada por el instrumento de mapeo retinal optos con un ángulo de visión de
200°, este estudio es realizado en el IOCV de la ciudad de México.
Las primeras mediciones realizadas con el prototipo, se basaban en la
diferencia del número arrojado como resultado. Buscando las diferencias al
cambiar el sujeto de prueba, con la finalidad de no tener un numero repetido
como resultado no importando el sujeto prueba. Después de esto se buscó
una repetitividad entre mediciones. Al hacer cinco disparos de la fuente
infrarroja, se obtienen cinco mediciones. Se notó que la primera medición da
un valor muy elevado a comparación de las cuatro siguientes, al parecer se
saturan los fotodetectores y después se estabilizan.
Para la consideración de desempeño del prototipo se modifica el software para
generar 5 mediciones por ojo y los generan en archivos tipo Excel. Al realizar
este número de mediciones se pretende el estudio de repetitividad en este
Figura 8-4 Diámetros de iluminación en la retina, según la apertura del diafragma.
94
instrumento. La variación que se observa cuando el mismo operador mide la
misma parte muchas veces. Posteriormente se realizará el estudio de
reproducibilidad del sistema de medición y ver los efectos que se tienen al
realizar el estudio con diferentes operarios.
8.4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN.
A continuación, se enlistan los pasos para llevar a cabo la medición.
1. Selección del ojo a medir, como se muestra en la figura 8-5.
2. Al comenzar la medición, se enciende el led rojo por 5 segundos. Esto
es con la finalidad de que el sujeto de prueba pueda enfocar la retícula. Si no
se enfoca, se debe detener el programa para manipular el mecanismo y lograr
el enfoque (figura 8-6).
Figura 8-6 Led rojo encendido. Esto es lo que ve el paciente al realizar el estudio.
Figura 8-5 Interfaz ojo derecho.
95
3. Si el sujeto visualiza la retícula, el led se apagará pasando 5 segundos.
4. A partir de aquí se encenderá el led de referencia y el led infrarrojo en
un lapso de 1 segundo, por un total de 5 veces. Esto representa la recolección
de datos en 5 mediciones diferentes.
5. Se finaliza la medición del ojo. Se selecciona el otro ojo y se repite el
procedimiento (figura 8-5).
8.4.2 PRUEBAS DE CAMPO.
Para corroborar la correcta recolección de datos del oxímetro, se llevaron a
cabo mediciones a 10 sujetos de prueba. Del total de pruebas solo 2 tienen un
diagnóstico de diabetes. También se usó un oxímetro de pulso dactilar para la
comparación de resultados y realizar el factor de escalamiento de la medición
del prototipo con el oxímetro dactilar. Esto se hace para hacer una correlación
entre mediciones.
El procedimiento de toma de muestra fue:
o Colocación del oxímetro de pulso.
o Medición del ojo derecho
o Medición del ojo izquierdo.
Figura 8-7 Interfaz ojo izquierdo.
96
El orden de la medición de los ojos es a decisión de quien usa el dispositivo.
El orden usado en estas pruebas fue para tener un procedimiento definido.
• TABLAS DE RESULTADOS
La prueba de medición arroja 5 iteraciones, descartando la primera medición
por el elevado valor que se obtiene. La longitud de onda del led rojo en la
medición es continua y la pulsada es el infrarrojo. Después se normaliza la
medición.
La tabla 8-1, se enlistan los resultados obtenidos con el Iris abierto. De
izquierda a derecha, se enlista el número del paciente, el resultado del
oxímetro de pulso y las 4 mediciones obtenidas con el prototipo.
Paciente Oximetro de pulso
Iris Abierto
# medición Ojo Izq Ojo Derec
1 95%
1 113.552487 113.467771 2 113.831314 113.161767 3 113.547602 113.888581 4 113.817555 113.42695
Promedio: 113.68724 113.486267
2 96%
1 113.975133 113.851076 2 113.922852 113854194 3 114.018123 113.8328 4 114.680125 113.843831
Promedio: 114.149058 113.852975
3 96%
1 114.433484 113.938686 2 114.329154 113.889762 3 114.23104 113.07989 4 114.32173 113.58926
Promedio: 114.328852 113.6244
4 94%
1 113.350979 114.501679 2 114.268246 114.005242 3 113.870142 114.680617 4 113.957105 114.348224
Promedio: 113.861618 114.383941
5 95%
1 112.528713 112.528713 2 113.253338 113.253338 3 112.231224 112.231224 4 114.375792 114.375792
Promedio: 113.097267 113.097267
Tabla 8-1 Mediciones con el iris abierto.
97
Tabla 8-2 Mediciones con el iris cerrado.
La tabla 8-2, se enlistan los resultados obtenidos con el Iris cerrado. De
izquierda a derecha, se enlista el número del paciente, el resultado del
oxímetro de pulso y las 4 mediciones obtenidas con el prototipo.
Para el proceso de escalamiento se inicia con el promedio de las 4 mediciones por paciente.
Medición iris abierto
La tabla 8-3 muestra las mediciones promediadas sin escalamiento de los
primeros cinco pacientes.
• Nomenclatura de tabla 8-3.
ODA= Ojo Derecho Iris Abierto. OIA=Ojo Izquierdo Iris Abierto.
Paciente Oximetro de pulso
Iris Cerrado
# medición Ojo Izq Ojo Derec
6 95%
1 115.873745 112.839899 2 117.493998 113.747604 3 117.851126 112.992327 4 116.780653 112.890947
Promedio: 116.999881 113.117694
7 95%
1 119.357171 116.895631 2 120.775808 116.103882 3 120.900747 117.807709 4 120.684314 117.822749
Promedio: 120.42951 117.157493
8 96%
1 119.231008 121.466667 2 120.73276 120.866666 3 119.62012 120.911004 4 120.066216 121.00929
Promedio: 119.912526 121.063407
9 94%
1 121.624735 120.843916 2 120.929755 120.969941 3 120.546748 121.081797 4 120.187267 120.828359
Promedio: 120.822126 120.931003
10 95%
1 121.779686 121.779686 2 121.744728 121.744728 3 117.511971 117.511971 4 119.724819 119.724819
Promedio: 120.190301 120.190301
98
Tabla 8-3 tabla de promedio de medición sin escalamiento de pacientes del 1 al 5.
Después de realizar el promedio por paciente, se procede a sumar el total de
mediciones del ojo derecho y del ojo izquierdo, también se realiza la suma de
las mediciones de SpO2. Después se realiza el promedio de la sumatorias (ver
tabla 8-4). A esta sumatoria se le asigno el termino:
• ODG = Ojo derecho global
• OIG = Ojo izquierdo global
Paciente 1 Paciente 2 Paciente 3 Paciente 4 Paciente 5 Sumatoria ODG 113.4862673 113.852975 113.6244 114.383941 113.097267 113.6889699
OIG 113.6872395 114.149058 114.328852 113.861618 113.097267 113.8248069
Promedio
SpO2 96% 95% 94% 94% 95% 94.8%
Tabla 8-4 Tabla de sumatorios totales con el diafragma abierto.
Realizando esto se promedia de las sumatorias de ODG Y OIG, dando como
resultado: 113.756888
Al resultado del promedio de ODG y OIG se le llamara “promedio global” o
𝑃𝑃𝑃𝑃.
Adquiriendo estos valores se puede realizar el escalamiento de cada una de
las medidas ODG y OIG para cada uno de los pacientes.
𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑒𝑒𝐼𝐼𝐸𝐸𝑉𝑉 = 𝛼𝛼� ∗𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2𝑃𝑃𝑃𝑃
(8.1)
Ecuación 8-1 Factor de escalamiento.
Paciente 1 Paciente 2 Paciente 3 Paciente 4 Paciente 5 ODA 113.4862673 113.852975 113.6244 114.383941 113.097267 OIA 113.6872395 114.149058 114.328852 113.861618 113.097267 SpO2 95% 96% 94% 94% 95%
99
Donde:
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2 = 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑉𝑉𝐸𝐸𝑒𝑒𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉 𝑃𝑃𝑒𝑒 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2
𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑉𝑉𝐸𝐸𝑒𝑒𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉 𝑃𝑃𝑒𝑒 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐸𝐸𝑠𝑠𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑃𝑃𝑒𝑒 𝑂𝑂𝑂𝑂𝐴𝐴 𝑌𝑌 𝑂𝑂𝐼𝐼𝐴𝐴
𝐸𝐸� = Según sea el caso es ODA u OIA.
Aplicado esta fórmula en los valores de la tabla 8-3, se obtiene la saturación
de oxígeno de cada paciente:
Tabla 8-5 Valores de SpO2 con el iris abierto obtenidos con el prototipo.
Para el escalamiento de la medición de centro (iris cerrado) se realiza el mismo
procedimiento.
Medición iris Cerrado
En la tabla 8-6 contiene el promedio de la sumatorias.
Tabla 8-6 Tabla de sumatorios totales con el diafragma cerrado.
Realizando esto se promedia de las sumatorias de ODC Y OIC, dando como
resultado: 119.081424
Al resultado del promedio de ODG y OIG se le llamara “promedio global” o
𝑃𝑃𝑃𝑃.
Paciente 1 Paciente 2 Paciente 3 Paciente 4 Paciente 5 ODA % 94.6% 94.9% 94.7% 95.3% 94.3% OIA % 95.7% 95.1% 95.3% 94.9% 94.3%
Paciente 6 Paciente 7 Paciente 8 Paciente 9 Paciente 10 Sumatoria ODC 113.1176943 117.157493 121.063407 120.931003 120.190301 118.4919796 OIC 116.9998805 120.42951 119.912526 120.822126 120.190301 119.6708688
Promedio SpO2 95% 96% 94% 94% 95% 94.8%
100
Se utiliza la fórmula de escalamiento solo se cambia los valores de ODC y
OIC.
Tabla 8-7 Valores de SpO2 con el iris cerrado obtenidos con el prototipo.
En esta tabla se muestran los valores del prototipo ya escalados al oxímetro
de pulso, se puede observar que el paciente 6 tiene los niveles de saturación
de oxígeno más bajos, en especial los del ojo derecho. En la gráfica 8-1
muestra las diferencias de las mediciones por ojo.
Gráfica 8-1 Grafica de SpO2 tomados con el prototipo por paciente.
Como se comentó, en el grupo de medición se contaban con dos sujetos de
prueba diagnosticados con diabetes los cuales eran el paciente 6 y el paciente
4. La diferencia que el diagnóstico del paciente 6 tiene más de 18 años a
comparación del paciente 4 que lleva diagnosticado 6 años.
Paciente 6 Paciente 7 Paciente 8 Paciente 9 Paciente 10
ODC 90.1% 93.3% 96.4% 96.3% 95.7%
OSC 93.1% 95.9% 95.5% 96.2% 95.7%
101
A continuación, se enlistan las diferencias de las mediciones entre iris abierto
e iris cerrado.
o Es notable observar que cuando el iris está abierto las mediciones no
difieren en gran medida con respecto al oxímetro de pulso.
o Iris cerrado, al realizar esta medición es cuando existen una
considerable diferencia entre el prototipo y el oxímetro de pulso. Lo que
pareciera una medición puntual en la macula. Resultando de gran
interés, porque se podría medir una hipoxia macular.
102
CONCLUSIÓN
La elaboración de instrumentos clínicos como el que se propone en este
proyecto pretende generar un impacto en la sociedad y una expansión en el
ámbito de la instrumentación biomédica de manufactura mexicana.
El estudio de la oximetría en fondo de ojo hecho por este prototipo resulta
prometedor, para la detección de afecciones provocadas por la diabetes, falta
realizar una mayor aplicación de este prototipo, pero resulta importante que se
pudo detectar el paciente diabético según sus niveles de oxigenación. Lo que
se puede interpretar como la presencia de algún tipo de daño. Esto en una
situación real, si el médico tratante tuviera un instrumento como el que es
propuesto en este trabajo de tesis, podría determinar si su paciente es
candidato a una consulta de especialidad, acelerando su diagnóstico y
tratamiento.
Demostrar que este prototipo es capaz de detectar las variaciones de oxígeno
en pacientes diabéticos, sería una herramienta importante en el tamizaje que
se pretende realizar en la población. Para realizar esto, se necesita de pruebas
de campo y un protocolo del estudio, esta etapa seria realizada por los médicos
especialistas en oftalmología del INSTITUTO DE OFTALMOLOGÍA CONDE
DE VALENCIANA en la ciudad de México, para dar validez a los resultados
que arroja el oxímetro retinal y con esto buscar el término de instrumento
clínico.
La culminación del oxímetro retinal en esta etapa abre la posibilidad de
visualizar un nuevo estudio clínico en un futuro no distante, que permita la
detección de la retinopatía diabética en una etapa temprana, por medio de los
niveles de la saturación oxígeno en retina, evitando la ceguera del paciente.
Las limitantes de este prototipo, es el no saber en exactitud que parte de la
retina se está midiendo, sólo se tiene una idea teórica. Como trabajo a futuro
103
se pretende la realización de una cámara no midriática y con esto tener un
estudio más concreto. Al utilizar una cámara capaz de tomar imágenes de
fondo de ojo, se podría observar los cambios morfológicos, ocasionados por
afecciones asintomáticas como lo es la retinopatía. Al combinar la oximetría e
imágenes se tendría un instrumento más confiable.
104
ANEXO PIEZAS ÓPTICAS
105
Lente Asférica
106
Divisor de Haz
107
Fotodetector
108
Lente Biconvexa
109
Led 680.
110
Led en Montura
111
Fotodetector en Montura
112
ANEXO PIEZAS OXÍMETRO
113
Parte Inferior
114
115
Parte Media
116
Parte Media
117
Mango
118
Pare Superior
119
120
Montura Lente de Campo
121
Porta Eyecup
122
Eyecup u Ocular
123
Retícula
124
Cubre Perilla
125
Perilla
126
Tapa Electrónica
127
Tapa Lateral
128
Tapa Superior
129
Porta Lente
130
131
Porta Detector
132
Contenedor de Rejilla
133
134
Rejilla
135
Lengüeta o Petalo
136
Reten Lente
137
Porta Retícula
138
139
Reten Retícula
140
ANEXO ENSAMBLES
141
Ensamble de Cubo y Detector de Referencia
142
Ensamble de Cubo, Leds e Iris
143
Ensamble Completo de la Carcasa
144
Ensamble de Mecanismo de Enfoque
145
Ensamble Carcasa con Mecanismo de Enfoque y Lente
146
Ensamble de Tapa Lateral con Cubo e Iris
147
Ensamble Lente Asférica en Montura
148
Ensamble Lente Biconvexa en Montura
149
Ensamble de Montura y Detector
150
Ensamble de Retícula en Montura
151
Ensamble de Oxímetro
152
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