Hacia la construcción de un Tomógrafo de Impedancia Eléctrica (EIT) para la zona del antebrazo humano

Proyecto de Investigación (Código: VIE-180181) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Escuela de Física, Escuela de Ingeniería Electrónica, 2017La tomografía por impedancia eléctrica (EIT) es una técnica que permite crear imágenes de tejidos humanos a partir de mediciones de impedancia con arreglos de electrodos colocados sobre la superficie de la piel. Al ser un método no invasivo de costo relativamente bajo, importantes esfuerzos de investigación se han realizado con el fin de desarrollar esta técnica en diversas aplicaciones de diagnóstico médico. Tradicionalmente este sistema se aplica a tejidos cuya estructura de conductividades cambia en el tiempo, aplicaciones de esta tecnología son mediciones del volumen de sangre eyectado del corazón, monitorización del volumen de aire que entra y sale de los pulmones y la evolución de accidentes cerebro vasculares. En el caso específico donde la diferencia de conductividad eléctrica permite un alto contraste de los tejidos se ha aplicado como un método de seguimiento de evolución del paciente, pero no de forma exclusiva, este es el caso del cáncer mamario. Este estudio plantea estudiar la factibilidad de desarrollar un tomógrafo de impedancia eléctrica para la zona del antebrazo humano en el Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR), en cooperación con la Universidad Técnica de Hamburgo (TUHH), y con el fin de complementar a futuro actividades de investigación paralelas en el campo de la estimulación eléctrica neuromuscular. El trabajo realizado muestra la posibilidad de construir un tomógrafo de impedancia eléctrica (EIT) en el Tecnológico, con aplicaciones en sistemas invariantes en el tiempo, como lo es el antebrazo humano; sin embargo, se requiere un refinamiento de las técnicas de reconstrucción de imágenes para lograr la resolución suficiente para localizar tejidos nerviosos, debido principalmente al bajo contraste que presenta este tejido con el medio que lo rode

Current-Sensorless Control Strategy for the MPPT of a PV Cell:An Energy-Based Approach

A novel energy-based modelling and control strategy is developed and implemented to solve the maximum power point tracking problem when a photovoltaic cell array is connected to consumption loads. A mathematical model that contains key characteristic parameters of an energy converter stage connected to a photovoltaic cell array is proposed and recast using the port-Hamiltonian framework. The system consists of input-output power port pairs and storage and dissipating elements. Then, a current-sensorless control loop for a maximum power point tracking is designed, acting over the energy converter stage and following an interconnection and damping assignment passivity-based strategy. The performance of the proposed strategy is compared to a (classical) sliding mode control law. Our energy-based strategy is implemented in a hardware platform with a sampling rate of 122 Hz, resulting in lower dynamic power consumption compared to other maximum power point tracking control strategies. Numerical simulations and experimental results validate the performance of the proposed energy-based modelling and the novel control law approach

Fault-Tolerant Circuits and Interconnects for Biomedical Implantable Devices

Proyecto de Investigación (Código 1360014) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Escuela de Ingeniería Electrónica, 2020Los dispositivos médicos implantables (IMDs) son sistemas críticos para la seguridad con requerimientos de potencia muy bajos, los cuales se utilizan para el tratamiento a largo plazo de diferentes condiciones médicas. IMDs utilizan un número de componentes cada vez más elevado (sensores, actuadores, procesadores, bloques de memoria), que tienen que comunicarse entre ellos en un Sistema en Chip (SoC). En este proyecto, diferentes tipos de interconexiones (punto a punto, bus, red en chip) fueron evaluadas considerando su tolerancia a fallas, consumo de potencia y capacidades de comunicación. Como parte de los productos se desarrolló una base de datos escalable sobre sistemas médicos implantables reportados en la literatura hasta el año 2018, con el fin de conocer el estado del arte y las tendencias sobre la incorporación de sistemas electrónicos en este tipo de solución. Basado en este estudio inicial, se procedió a proponer un marco de trabajo de evaluación de interconexiones, el que incorpora un generador de topologías y el flujo de diseño para evaluar estas topologías en términos de potencia y tolerancia a fallas a nivel de simulación, junto con la propuesta de una métrica para comparar diferentes arquitecturas a nivel de pre-síntesis (previo a la consolidación del diseño). Por último, un diseño e implementación a nivel de circuito integrado (IC) de una solución de interconexiones ajustada a IMDs se incorporó en el diseño de un microprocesador a la medida. Este proyecto se desarrolló en el marco de la cooperación con el Centro Médico Erasmus (Erasmus MC) en los Países Bajos y la Universidad Católica del Uruguay

Diseño e implementación de un sistema de recuperación de la temporización asíncrono totalmente digital

Este trabajo describe el diseño e implementación de una unidad de recuperación de la temporización completamente digital, para un sistema de comunicación que utiliza recepción paralela de datos, con modulación 4-PAM, filtrado Raised Cosine y una frecuencia nominal de muestreo de 1,1 GHz. Se explica el diseño de los diferentes bloques dentro del sistema, así como los resultados pertinentes a las simulaciones y la implementación física en FPGA. This work addresses the design and implementation of a timing recovery unit for a communication system with parallel reception, 4-PAM modulation, raised cosine filtering and a nominal sampling frequency of 1,1 GHz. The design of the building blocks within the system, as well as simulation results and the physical implementation in FPGA are discussed.

Diseño e implementación de un sistema de recuperación de la temporización asíncrono totalmente digital

This work addresses the design and implementation of a timing recovery unit for a communication system with parallel reception, 4-PAM modulation, raised cosine filtering and a nominal sampling frequency of 1,1 GHz. The design of the building blocks within the system, as well as simulation results and the physical implementation in FPGA are discussed. Este trabajo describe el diseño e implementación de una unidad de recuperación de la temporización completamente digital, para un sistema de comunicación que utiliza recepción paralela de datos, con modulación 4-PAM, filtrado Raised Cosine y una frecuencia nominal de muestreo de 1,1 GHz. Se explica el diseño de los diferentes bloques dentro del sistema, así como los resultados pertinentes a las simulaciones y la implementación física en FPGA.

Design and implementation of an all-digital timing recovery system for asynchronous communication

This work addresses the design and implementation of a timing recovery unit for a communication system with parallel reception, 4-PAM modulation, raised cosine filtering and a nominal sampling frequency of 1,1 GHz. The design of the building blocks within the system, as well as simulation results and the physical implementation in FPGA are discussed

Hacia la construcción de un Tomógrafo de Impedancia Eléctrica (EIT) para la zona del antebrazo humano

Proyecto de Investigación (Código: VIE-180181) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Escuela de Física, Escuela de Ingeniería Electrónica, 2017La tomografía por impedancia eléctrica (EIT) es una técnica que permite crear imágenes de tejidos humanos a partir de mediciones de impedancia con arreglos de electrodos colocados sobre la superficie de la piel. Al ser un método no invasivo de costo relativamente bajo, importantes esfuerzos de investigación se han realizado con el fin de desarrollar esta técnica en diversas aplicaciones de diagnóstico médico. Tradicionalmente este sistema se aplica a tejidos cuya estructura de conductividades cambia en el tiempo, aplicaciones de esta tecnología son mediciones del volumen de sangre eyectado del corazón, monitorización del volumen de aire que entra y sale de los pulmones y la evolución de accidentes cerebro vasculares. En el caso específico donde la diferencia de conductividad eléctrica permite un alto contraste de los tejidos se ha aplicado como un método de seguimiento de evolución del paciente, pero no de forma exclusiva, este es el caso del cáncer mamario. Este estudio plantea estudiar la factibilidad de desarrollar un tomógrafo de impedancia eléctrica para la zona del antebrazo humano en el Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR), en cooperación con la Universidad Técnica de Hamburgo (TUHH), y con el fin de complementar a futuro actividades de investigación paralelas en el campo de la estimulación eléctrica neuromuscular. El trabajo realizado muestra la posibilidad de construir un tomógrafo de impedancia eléctrica (EIT) en el Tecnológico, con aplicaciones en sistemas invariantes en el tiempo, como lo es el antebrazo humano; sin embargo, se requiere un refinamiento de las técnicas de reconstrucción de imágenes para lograr la resolución suficiente para localizar tejidos nerviosos, debido principalmente al bajo contraste que presenta este tejido con el medio que lo rode

Simulación Electromagnética de Absorción de Radiación Electromagnética en el rango GHz

Exposition of humans to non-ionizing radiation at high frequencies has become ubiquitous due to the higher number of systems operating in that frequency range such as cell phones, wireless networks, and communication systems. The modeling of the impact of this type of radiation is an important issue due to potential short and long-term health effects and for the establishment of regulatory safety limits. From the simulation point of view, this is a challenging task since the wavelengths of interest are much smaller than the typical dimensions of a human body, which leads to the requirement of very fine discretization of the geometrical models and the consequent high demand of computational resources and long execution times. This article studies the feasibility of a full-wave simulation of field absorption at high frequencies, up to 10 GHz, with general purpose numerical methods and geometries with sizes in the order of a human body. Simple geometries are analyzed, assuming the material properties of fresh water for their inner region. Three different methods are evaluated: the finite integration technique (FIT), finite element method (FEM), and method of moments (MoM), to determine the result convergence and required computational resources for each solution. The results show that already at 10 GHz it is difficult to perform the analysis with moderate computational power (up to 64 GB RAM), but some approximations might be exploited since field penetration in that frequency range is mostly limited to the surface region.La exposición humana a radiaciones no ionizantes en alta frecuencia se ha vuelto común debido a la gran cantidad de sistemas que operan en ese rango, tales como teléfonos celulares, redes inalámbricas de datos y sistemas de comunicación en general. Modelar el impacto de este tipo de radiaciones es importante debido a los potenciales riesgos a la salud humana a corto y largo plazo, así como para la definición de límites de seguridad. Desde la perspectiva de la simulación numérica, esto es una tarea difícil debido a que las longitudes de onda asociadas son mucho más pequeñas que la dimensión típica del cuerpo humano, lo que resulta en un requerimiento de discretización muy fina de los modelos geométricos, con una consecuente alta demanda en los recursos de computación y largos tiempos de ejecución. En este artículo se estudia la factibilidad de realizar simulaciones de onda completa para estimar el campo electromagnético absorbido en alta frecuencia, hasta 10 GHz, con solucionadores numéricos de propósito general y geometrías con tamaños relevantes en relación al tamaño del cuerpo humano. Geometrías simples son analizadas, definiendo las propiedades del agua fresca para su región interna. Tres diferentes métodos son evaluados: el método de integración finita (FIT), el método de elementos finitos (FEM) y el método de los momentos (MoM), con la intención de determinar la convergencia del resultado y los recursos computacionales necesarios en cada caso. Los resultados indican que a 10 GHz se torna difícil realizar dichos análisis con un recurso computacional moderado (hasta 64 GB RAM), pero algunas aproximaciones podrían ser explotadas debido a que la penetración del campo en ese rango de frecuencias esta principalmente acotada a la región cercana a la superficie del objeto

Whole-body SAR simulations on a prolate spheroid using different plane wave polarizations up to 100 GHz

This exploratory paper discusses the simulation of the whole-body specific absorption rate (SAR) on electrically large bodies. By irradiating a spheroid by means of a plane wave, the relationship between the radiated electromagnetic fields and the internal fields generated in the object can be studied. The SAR could be calculated with conventional numerical methods up to 9 GHz with the computational power available. To overcome this limit, an approach using physical optics is proposed to extend the simulation range up to 100 GHz. Preliminary results obtained indicate that this could be a good alternative for high frequency simulations; however, the generalization of the method and further validation would be required as future workEste trabajo exploratorio discute la simulación de la tasa de absorción específica (SAR) de cuerpo completo sobre objetos eléctricamente grandes. Al irradiar un esferoide por medio de una onda plana se puede estudiar la relación entre los campos electromagnéticos irradiados y los campos internos generados en el objeto. Fue posible calcular el SAR de cuerpo completo a través de métodos numéricos convencionales hasta 9 GHz con la capacidad de procesamiento computacional disponible. Para superar ese límite, se propone un acercamiento por medio de óptica física con el cual se pudo extender el rango de las simulaciones hasta 100 GHz. Los resultados obtenidos indican que este puede ser un acercamiento adecuado para simulaciones en alta frecuencia, sin embargo, se requiere generalizar el método y validarlo de forma estricta como trabajo a futuro

Design of a Data Acquisition System for Photogrammetry with Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)

Este trabajo detalla el diseño e implementación de un sistema de adquisición de datos para un Sistema Aéreo no Tripulado (UAV), capaz de registrar en forma sistemática la información proveniente de sensores y dispositivos de imagen, manteniendo una referencia espacial y temporal precisa. El objetivo es emplear este sistema para recopilar información que posteriormente se procesa con técnicas fotogramétricas para crear modelos de elevación digital de alta resolución que permitan evaluar la cantidad de suelo erosionado en un cierto intervalo temporal. Dicha solución busca mejorar a futuro la cuantificación y el entendimiento de los procesos de erosión con respecto a las metodologías tradicionales que se usan en Costa Rica.This paper describes the design and implementation of an acquisition system for an aerial unmanned system (UAV), capable of systematically register information from sensors and imaging devices with a precise spatial and temporal reference. The goal is to use the collected data with photogrammetric techniques in order to generate high-resolution digital elevation models that allow the evaluation of soil erosion over certain time intervals. This solution seeks to improve the quantification and understanding of erosion processes with respect to traditional methods employed in Costa Rica