Medir la conductividad de la piel

Esto es un proyecto para relacionar la conductividad de la piel en pacientes anestesiados durante una serie de intervenciones quirúrgicas.
En principio sonará como algo fuera de lugar para un Arduino, pero trataré de explicarlo separando el proyecto por etapas.

Para no transformar este post en una parrafada insufrible, he puesto un archivo de texto como adjunto donde explico de manera somera para quien esté interesado, los fundamentos del estudio de la conductividad de la piel.

El objetivo INICIAL del proyecto es medir la conductividad de la piel utilizando un módulo sensor de humedad, reemplazando el terminal del módulo:

por un par de cables con pinzas de cocodrilo que se conectan a 2 sensores de gel:

Estos sensores de gel autoadhesivos en principio se colocan en la palma de la mano del paciente, aunque mi idea es a lo largo de esta primera etapa probar la colocación de los dos electrodos en diferentes sitios para lograr los registros más fiables o sensibles.

El Arduino funcionará como un intermediario entre el paciente y un PC portátil que recibirá los datos analógicos del sensor de manera continua y los almacenará en una base de datos que para nuestros fines deberá tener dos campos, uno con la fecha y la hora y otro con el dato de la resistividad o la conductancia de la piel.
O sea que lo que le pedimos al Arduino es relativamente bien poco, estar conectado al módulo de registro y que el PC reciba las mediciones analógicas.

Aclarar que esto no es nuevo, ya lo han desarrollado hace unos años unos investigadores suecos en conjunto con un grupo de australianos y han fabricado una máquina que en base a cifras y colores se utiliza en unidades de cuidados intensivos y similares para expresar el grado de "confort" de un paciente.
Finalmente lo que han hecho estos investigadores es desarrollar un aparato que comercializan

Comentar que el objetivo de este proyecto no es el mismo, si de las mediciones practicadas se obtienen resultados útiles (que lo mismo no y el Arduino lo tendré que utilizar para hacer otro proyecto, jaja) se pasaría a una SEGUNDA ETAPA que sería la de relacionar esos resultados en el tiempo, con los mismos resultados en los mismos tiempos de toda la serie de constantes vitales del paciente bajo anestesia, que son bastantes (tensiones arteriales, frecuencia cardíaca, datos respiratorios, temperatura, datos electoencefalográficos del nivel de sueño "BIS", etcétera.) para utilizar esos datos de conductancia de la piel como otro monitor más del quirófano.

Ya hablando en terreno hipotético, de cumplirse la segunda etapa, la TERCERA sería utilizar esos datos para mostrar gráficamente (con cifras o gráficos) un “nivel” o profundidad de la anestesia, que es lo que hacemos diariamente, de manera clínica los anestesistas durante las operaciones para ajustar la administración de los anestésicos.

Buscando en google he visto que para Arduino comercializan dos módulos, uno el que conocemos para los proyectos de control de la humedad del suelo:

y otro por cierto más caro y no sé si de mayor sensbilidad:

He hecho unas pruebas con el primero en mí mismo y efectivamente presentaba valores entre 600 y 900

PREGUNTAS:

1.- Que módulo creen que es el más sensible, si es que es alguno de los dos de arriba. Le harían algún cambio/mejora?

2.- Que Arduino utilizar.

3.- Consideraciones para la comunicación del Arduino con el PC.

Conductividad de la Piel.doc (12.5 KB)

Esperaba un documento donde me situara mejor en el contexto pero bueno Google mediante te comento..

1. No sería mejor algo como esto

7fb770f34c796f7501d3cf0f0dc39075_L.jpg746×375 31.7 KB

o acaso estas pensando en medir la conductividad en algun punto interno como son las encías, esto claro esta desde mi ignorancia del tema pero si se que son conductividades totalmente diferentes.
La de piel es mucho mayor que la que se pueda medir en la encía o intradérmica.

Acá tienes un sensor de respuesta galvánica o GSR por menos de 10 Dolares.

Hola surbyte, ese sensor que sugieres es el mismo que he puesto en el post (el segundo sensor), se vé en la foto, lo que sucede es que probablemente la foto es pequeña y se aprecia menos.

Por lo que he estado leyendo en la bibliografía actual el mejor sitio es la palma de la mano, pero tengo una "intuición" de los muchos años de práctica, de que quizá el cuello, o mejor el hueco entre el cuello y la clavícula podría ser el mejor sitio, por lo cual para ambos sitios funciona mejor el electrodo adhesivo.

La pregunta con respecto al sensor es cuál de los dos módulos crees que es mejor, más sensible o más fiable.
¿Podrías explicarme cuál es la diferencia en funcionamiento entre ambos?

He comprado por Aliexpress unos cables con terminales parecidos a esos que se ven en tu foto, que serán más "estéticos" que colocar pinzas cocodrilo (y además quedan las partes de contacto aisladas).

Algunas consideraciones:

-Supongo que eres consciente que JAMAS debe usarse el portatil conectado a la red, solo con las baterias.

-Para medir la GSR (Resistencia galvánica de la piel) hay que proporcionar cierto voltaje entre los electrodos. ¿Es seguro que no interferirá con un ECG conectado que mide voltajes del orden de 1mV?

-El primer circuito no me parece adecuado y el segundo (más especifico) no lo se. Ya que la respuesta GSR es lenta, el circuito debe estar provisto de un flitro de paso para eliminar las frecuencias de más de digamos 5-8Hz. Eso para un correcto funcionamiento. De nada sive una gran sensibilidad si captamos los 50Hz de alterna u otros.

-Ergo, la sensibilidad no me parece el factor principal, de hecho la resistencia de la piel puede medirse perfectamente con un simple voltimetro. Varia de varias decenas de ohmios a algunos megaohmios.

www.jopapa.me

Ante todo gracias por tus comentarios.

Jopapa:
-Supongo que eres consciente que JAMAS debe usarse el portatil conectado a la red, solo con las baterias.

Pues entre los años 1994 a 1997 tuve un ordenador de aquella época, un Pentium, con su teclado y su monstruoso monitor dentro de quirófano, conectado por el puerto RS232 a los monitores, con un programa propio que iba mostrando la evolución de las constantes vitales del paciente construyendo una gráfica en tiempo real que luego imprimía en papel.
Tanto yo como alguno de mis colegas han trabajado con portátiles en quirófano, conectados a la red.
Entiendo que tienes que tener tus motivos para esa recomendación, que me gustaría conocer, pero en principio dentro de quirófano hay un sinnúmero de máquinas que funcionan conectadas a la red.

Jopapa:
-Para medir la GSR (Resistencia galvánica de la piel) hay que proporcionar cierto voltaje entre los electrodos. ¿Es seguro que no interferirá con un ECG conectado que mide voltajes del orden de 1mV?

Eso positivamente no, los monitores actuales vienen preparados para filtrar las interferencias eléctricas del entorno que son muchas, especialmente el bisturí eléctrico que no obstante los filtros de los monitores produce trazados aberrantes durante los momentos que se utiliza.
Supongo que la interferencia que puede producir el sensor en cuestión será despreciable, o eso espero...

Jopapa:
-El primer circuito no me parece adecuado y el segundo (más especifico) no lo se. Ya que la respuesta GSR es lenta, el circuito debe estar provisto de un flitro de paso para eliminar las frecuencias de más de digamos 5-8Hz. Eso para un correcto funcionamiento. De nada sive una gran sensibilidad si captamos los 50Hz de alterna u otros.

-Ergo, la sensibilidad no me parece el factor principal, de hecho la resistencia de la piel puede medirse perfectamente con un simple voltimetro. Varia de varias decenas de ohmios a algunos megaohmios.

Pues me pongo a conseguir el segundo módulo, haré pruebas, esto no es un proyecto de dos días ni mucho menos, así que paso a paso.

Gracias de nuevo.

Entiendo que tienes que tener tus motivos para esa recomendación, que me gustaría conocer, pero en principio dentro de quirófano hay un sinnúmero de máquinas que funcionan conectadas a la red.

Claro que hay un sinnúmero de instrumentos conectados a la red pero también existen barreras intrinsicamente seguras o barrerás, en las que no hay potenciales peligrosos salvo cuando se requiere una acción especial.

Toda la electromedicina es medir pero con seguridad. Y no decimos que no sea tu caso. Solo Jopapa y yo alertamos de los cuidados que sabemos tu conoces por tu experiencia.
Dicho esto... esa placa que te encontré resuelve el problema. Ni perdería el tiempo armando algo.

Claro que hay equipos conectado a la red y al paciente, pero todos tiene (deben) tener la certificación de aislamiento norma EN 60601-1.
Conectar un portatil a red y con cables a un paciente (yo no me dejaria) entra de lleno en el apartado de negligencia.

En los exprerimentos de este tipo que yo hago en casa SIEMPRE USO BATERIAS.

Jopapa:
Claro que hay equipos conectado a la red y al paciente, pero todos tiene (deben) tener la certificación de aislamiento norma EN 60601-1.
Conectar un portatil a red y con cables a un paciente (yo no me dejaria) entra de lleno en el apartado de negligencia.

En los exprerimentos de este tipo que yo hago en casa SIEMPRE USO BATERIAS.

Pues por eso todos estos proyectos tienen que pasar primero por el Comité de Etica del centro donde se llevan a cabo.
Y en caso necesario, cuando se debe informar a los pacientes que entran en un estudio, se utilizan los consentimientos informados.

Pues como siempre agradezco los comentarios de la gente que sabe, de otra manera no me sería posible hacer nada relacionado con una disciplina como la electrónica donde mis conocimientos son muy limitados.

Mi idea final (bastante final) es la de utilizar varios Arduinos esclavos conectados a un Arduino Maestro que reciba la información que entra al PC (solo pensar en utilizar 4 o 5 cables cruzados entre el PC y los monitores lo transformaría en un engorro inaceptable para mí mismo).
En la época que llevé a cabo el estudio con el Pentium sólo existía un monitor que registraba 3 o 4 parámetros del paciente, o sea un solo cable (ya bastante mastodonte era el PC con su monitor), que no es el caso actual, con tres o cuatro monitores.
De todas formas decir que de aquel registro de más de 1500 pacientes salió mi tesis doctoral con más de 600 casos seleccionados (TESIS)

Pero el Arduino que registre la conductancia de la piel debería estar alimentado a través de un transformador (¿de 9v DC?) conectado a la red, alimentarlo con pilas o baterías me parece una complicación.

Ahora es cuando me pregunto y les planteo cuál es la solución para la implementación de este tipo de módulo transductor, todos los monitores de quirófano van conectados a los 220v de la red, supongo que llevarán algún tipo de circuito de seguridad, al margen que la mesa está conectada a tierra y todos los pacientes llevan unas planchas adhesivas generalmente colocadas en la cara externa del muslo también conectada a tierra, y en algunos casos se utilizan debajo del paciente unas mantas conductivas a tierra (seguramente a muchos de ustedes se les ha recordado que no entren al quirófano con elementos metálicos como anillos o piercings para evitar que la electricidad del bisturí eléctrico se derive a esos elementos produciendo quemaduras de piel).

Espero que no entremos en una discusión ética (no obligaría a nadie a entrar en el estudio), el tema ahora mismo es cómo hacer que este transductor, que lo veo como algo sencillo, sea a su vez algo seguro.

En mi modesta opinión yo alimentaría el sensor y el Arduino Pro Mini (no Uno ni Nano) con bateria y comunicaria con el PC con un aislador galvánico optoacoplado y que tiene un precio razonable.

Un saludo

Hola, sigo abierto a sugerencias y demás aportes.

He comprado un par de sensores de los recomendados por surbyte, tardan un poco pero de todas formas hasta que pueda hacer alguna prueba todavía pasará bastante tiempo.

Estoy contactando con médicos de mi entorno, estudiando las posibilidades de trabajar en equipo y de darle mayor respaldo al proyecto, de ahí la primera frase de este último mensaje, sería interesante documentar el aporte del foro en futuros comunicados o publicaciones a que pudieran dar lugar la realización del proyecto.

A propósito de esto último, por lo que he llegado a investigar en la bibliografía mundial, no hay aportes de autores latinoamericanos, ni de latinoamérica ni de España, lo cual me llama la atención, solo una revisión en una revista médica a modo de resumen en donde se cita la medición de la conductancia de la piel entre muchas otras técnicas y dedicándole un par de párrafos.
La mayoría de las publicaciones son de unos noruegos y australianos que han creado un monitor que utiliza en forma exclusiva la conductancia de la piel como método diagnóstico, que no es ni de lejos mi planteamiento, además de no resultarme -particularmente a mí- el interés económico la motivación para el desarrollo del proyecto.

A propósito, he visto que los chinos venden juguetes que utilizan la conductancia para mostrar resultados como nervioso o tranquilo, enamorado o triste y demás tonterías, jaja.

En relación con los comentarios de jopapa, absolutamente respetables, tengo la intención de ponerme en contacto con el equipo técnico del hospital universitario de mi zona para plantear el tema del ordenador dentro de quirófano, el problema que veo es que la batería de un portátil no creo que soporte más de 3 horas de funcionamiento contínuo, especialmente por los requerimientos de proceso que se le deben exigir, durante jornadas de muchas horas, por lo cual deberá ser necesaria la alimentación de la red, pero bueno, es otro tema que debe ser estudiado.

No se si conoces este pequeño manual

Lo que veo complicado es lograr una correlación significativa de la GSR con otros parámetros corporales dada la variabilidad personal y situacional de dicha resistencia dérmica. Pero bueno, evidentemente para eso son los estudios.

Hola jopapa, ese material en sí no lo lo había leído, lo hice con otros similares.

El tema dentro de la bibliografía médica, es que este tipo de material didáctico tiene un fondo comercial innegable, que cuestiona sus hallazgos, aunque a medida que sigo buscando y leyendo, la GSR dá para mucho.

Me he puesto en contacto con el servicio de anestesiología del hospital universitario de mi región y me comentaron que una casa comercial les dejó hace un tiempo un monitor de ese tipo para que lo probasen y no despertó demasiado interés.

Lo que sucede, como MUY BIEN expresa el material al que haces referencia (allí se acercaron a mi hipótesis), en las últimas dos páginas comenta el interés de registrar información junto con otros muchos parámetros que pueden arrojar los equipos de monitorización de que disponemos los médicos actualmente, que son muchos.

Finalmente lo que tu comentas de la dificultad en la correlación de los datos de GSR con otros parámetros, allí está el centro del estudio que proyecto.

No necesariamente es imprescincible el registro simultáneo en un solo ordenador, por lo menos al principio del estudio.

Los monitores actualmente tienen varios tipos de salidas, entre ellas las de conectar un pendrive.
Si registras por ejemplo de un monitor de parámetros cardiovasculares los datos que obtiene contínuamente y los almacenas en una base de datos, cada dato con su correspondiente hora, luego puedes volcarlos en un gráfico valor/tiempo en el cual puedes correlacionar esas curvas de datos con la correspondiente a la GSR, y a partir de allí buscar las correlaciones entre valores.

Y aún más que la correlación entre diferentes valores, es el registro simultáneo en el tiempo de la respuesta del anestesista ante ciertas variaciones en los valores.
La anestesia general consiste en un análisis clínico observacional por parte del médico de las variaciones en los registros para adecuar en todo momento el nivel de anestesia adecuado para cada momento de la intervención.

He "lanzado" una invitación a integrarse en el estudio, a los anestesistas del hospital universitario que puedan estar interesados, supongo que es una tarea que excede mis posibilidades de llevarla solo.

Volviendo al tema específico del sensor, supongo que habrá ideas y sugerencias en cuanto a circuitos y componentes para su diseño y construcción.

Creo que primero deberías plantearte que estas midiendo, desde mi punto de vista de profano en medicina, estas mas cerca de medir conducción en electrolitos en un sustrato de gel. Por cierto podría ser un buen sustrato para realizar pruebas reproducibles y poner a punto la electrónica, con una gelatina espesa y diferentes concentraciones de gelatina y una solución salina.
Si los electrodos están muy cerca, medirás la conducción de la piel, pero podría afectarte la conducción del sudor superficial. Si están lejos, por ejemplo en dedos diferentes, pondrías un electrolito en el medio (sangre) midiendo ambas cosas, pero deberás aplicar mas voltaje. Es decir, tu sustrato a medir sera piel-sangre-piel, donde la conductividad de la sangre variara según la distancia de los electrodos. La conducción de la sangre es constante?

Electrodos
Sin duda lo mejor seria utilizar materiales como el platino o plata, por su alto potencial redox no afectaría la medición.
Si se utiliza cobre se debe cuidar el voltaje aplicado, si supera cierta valor (creo recordar que estaba cerca de 2V) se producirían reacciones químicas que te afectarían en la medición, pero el mayor problema seria la modificación del electrodo,
La mejor estrategia seria voltajes lo mas bajos posibles y tensiones aplicadas cuando se necesite un muestreo (un enable ).

Saludos

Gracias por tus comentarios PeterCantTropus, en relación con las pruebas las iniciaré en mi mismo, en algún colega, algún enfermero o enfermera de quirófano, jaja. Supongo que no será un problema.

En cuanto al tema de cuál es el medio conductivo o resistivo pues es la misma piel, si bien hay varios efectos los que alteran esa conductividad es muy importante la humedad, o sea la transpiración, en niveles a veces imperceptibles pero que producen esas variaciones.
Claro que la sangre que circula por debajo de la piel puede tener su influencia pues determina la temperatura de la piel, pero si te entendí lo que quieres expresar, no forma parte de la medición.

En cuanto a los electrodos que van sobre la piel, son unos discos plásticos autoadhesivos que llevan un disco metálico en el centro y una almohadilla de gel conductor. Son un estándar en la captación de datos, se utilizan en la mayoría de los equipos.

Tu última frase es la que no termino de entender, podrías explicarme con más detalle lo de las tensiones aplicadas?
Es que supongo que tratándose de un módulo que funciona con un voltaje fijo de entrada de 5v no se puede variar mucho en los voltajes de salida. En realidad no sé muy bien como funciona el sensor.

Los electrodos de gel no creo que te sirvan. Precisamente el gel esta compuesto de soluciones salinas y un gelificante que humedecen la piel.
Para medir una resistencia se apela a la ley de ohm V=I R es decir R=V/I, es decir se aplica un voltaje patrón y se mide la corriente circulante que pueden ser cualquiera 5, 9, 220 V (esta ultima no es recomendable) pero al aplicar menor voltaje, se produce menor corriente circulante y es mas difícil su lectura. Los módulos que te venden no son mas que un amplificador operacional para tener una lectura precisa.
Pero la cosa se complica, al tener electrolitos de por medio (humedad de la piel) se producen reacciones químicas en el electrodo que afectan la medición, ademas los electrolitos tienen un efecto capacitivo medible. Por eso cuando se mide resistencias de electrolitos se utilizan sistemas donde no circula corriente como el puente de Wheatstone, trabajar con la menor corriente posible o corriente alterna de alta frecuencia.

Vale, más o menos te sigo, el utilizar placas de platino o plata, o aunque sean de cobre, presentarán el problema de su reutilización, hoy día no puedes reutilizar ese tipo de material con diferentes pacientes, de ahí los electrodos adhesivos que son desechables.

En donde no te sigo es en el tema de los voltajes aplicables.
¿Cómo?
Quiero decir en la práctica, para un casi-ignorante de la electrónica, como lo harías?

Bueno, ya tengo montado el sensor, he estado haciendo pruebas en mí mismo, en algún amigo, en algún familiar y aparentemente funciona sin problemas.
Tengo algún problema con el DS3231, que atrasa, ya tuve problemas anteriores con algún otro proyecto, lo posteé en el foro y sigo trabajando a ver si lo soluciono.
Por si a alguien le interesa pongo el sketch:

//Sensor de humedad, registra la fecha, la hora, el valor de la conductividad de la piel y 
//muestra los valores en forma numérica y porcentual en la salida del puerto serial.

#include <Wire.h>
#include <DS3231.h>

DS3231 clock;
RTCDateTime FechaYHora; //Variable que almacena fecha y hora
const int SensorPin = A0;   //Entrada analógica del sensor de humedad
unsigned long Humedad, Porcentaje = 0; //Registro del sensor de humedad y su porcentaje

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  clock.begin();                       //Inicializando el RTC
  
  // Poner la hora con el compilador (luego comentarlo y volver a compilar)
  //clock.setDateTime(__DATE__, __TIME__);

  // Para poner la hora Manual (YYYY, MM, DD, HH, II, SS
  // clock.setDateTime(2014, 4, 13, 19, 21, 00);
}

void loop()
{
  FechaYHora = clock.getDateTime();
  Serial.print(clock.dateFormat("d-m-Y H:i:s", FechaYHora)); //Fecha con cifras numéricas
  Serial.println();
  Humedad = 1023 - analogRead(SensorPin); //Inversión del valor del sensor
  Serial.print("Conductividad: ");
  Serial.print(Humedad);
  Serial.print(" (");
  Porcentaje = Humedad * 100 / 1023;
  Serial.print(Porcentaje);
  Serial.println("%)");
  Serial.println();
  delay(1000);
}