SENSOR RGB E INTERFAZ EN MATLAB PARA IDENTIFICACIÓN DEL COLOR ENFOCADO A PACIENTES DALTÓNICOS

SENSOR RGB E INTERFAZ EN MATLAB PARA IDENTIFICACIÓN DEL COLOR ENFOCADO A PACIENTES DALTÓNICOS Alonso, Asdhar Rocio1. Lizarazo, María Alejandra2. Muñoz, Javier3 Facultad de Ingeniería Biomédica Proyecto de Investigación Sensores y acondicionamiento de señales Universidad Manuela Beltrán Bogotá, Colombia

Abstract- This research is to present a useful tool for people with color blindness, through a system of color identification by using a TCD3210 RGB sensor, Arduino and Matlab interface, which functions as a support tool to indicating to the patient the real color of different sheets according to a pre-selected color range. Initially it seeks an approach to the type of color blindness in the patient in a didactic way through a test colors on it will be possible to put many times the right color lamella color requested. Then provides a report with the results for each patient so that, by applying descriptive statistics, based on a pattern such results are correlated in order to determine the sensitivity, specificity and differentiation capacity of a type of blindness in the system; all through the ROC curve statistical test. As a further advance of the project is proposed the creation of an application for Smartphone, which incorporate the sensor, in order to contribute in the incursion of these patients in a workplace and even bring benefits in the development of their social environment.

frente al sensor. Seguidamente se proporciona un reporte en donde se presenten los resultados obtenidos para cada paciente de tal forma que, aplicando estadística descriptiva, con base a un patrón sean correlacionados con el fin de determinar la sensibilidad, especificidad y capacidad de diferenciación de tipos de daltonismo del sistema; todo ello mediante el test estadístico curva ROC. Se propone como posterior avance del proyecto crear una aplicación para Smartphone, que incorporen el sensor, con el fin de contribuir en la incursión de este tipo de pacientes al ámbito laboral e incluso traiga beneficios en el desarrollo de su entorno social. Palabras claves- Daltonismo, sensor RGB, Matlab, Interfaz, Ámbito laboral. I.

INTRODUCCIÓN

La vista es una de las funciones sensoriales más importantes y complejas, siendo el ojo el órgano encargado de la percepción visual del entorno. Fisiológica y anatómicamente el ojo está conformado por estructuras precursoras de la capacidad visual en donde las ondas luminosas de los objetos entran en el ojo por la pupila pasando a través del cristalino para concentrarse en la retina encargada de recepcionar el estímulo visual [1].

Keywords-Color blindness, RGB sensor, Interface, workplace, Matlab. Resumen- Este proyecto de investigación tiene como finalidad presentar una herramienta útil para personas con daltonismo, por medio de un sistema de identificación de color mediante el uso de un sensor RGB TCS3210, Arduino e interfaz de Matlab, que funcione como un instrumento de apoyo para indicarle al paciente el color real de diferentes laminas según una gama de color pre seleccionada. Inicialmente se busca obtener una aproximación al tipo de daltonismo que presenta el paciente de manera didáctica por medio de una prueba de colores en la que le será posible poner cuantas veces sea necesario la lámina del color correcto

Al interior de la retina se encuentran dos tipos de células receptoras: los conos y bastones. Los conos están concentrados en el centro de la retina y los bastones sobre el margen exterior. Adicionalmente en el centro de la retina se encuentra la fóvea, punto en el cual se encuentra la mayor cantidad de células cónicas. Los 1

bastones se encargan de la visión crepuscular o de luz de baja intensidad mientras que los conos responden a distintos niveles de intensidad de la luz permitiendo percibir los colores [1].

Tricromatismo: Este tipo de anomalía más leve ya que la persona presenta los tres tipos de conos, pero presentan deficiencias debido a falencias en el funcionamiento de estos. Por ser el tipo de daltonismo más leve se puede dificultar su identificación.

De esta forma se localiza la estructura anatómica afectada, los conos, que al encontrarse alterados dan como resultado incapacidad para distinguir los colores adecuadamente. Esta discapacidad, según estudios genéticos, ocurre de manera frecuente en la población masculina en donde los genes que codifican los pigmentos de los conos de color verde y rojo, principalmente, no se formen; problema atribuido a una mutación del cromosoma X que para el caso de la población femenina es recesivo. El daltonismo es por tanto una afección ligada al género presentada en la población desde años atrás [2].

Acromatopsia: Es el tipo de daltonismo más grave, ya que los pacientes que la padecen presentan únicamente visión en escala de grises. En la actualidad, para determinar el tipo de daltonismo que presentan los pacientes se recurre a realizar pruebas como el test de identificación de daltonismo (TIDA), test de Ishihara y test de percepción del color. Pero no existe un dispositivo que facilite un diagnóstico certero de esta enfermedad ni su tratamiento [9]. Sin importar la afección exacta del paciente, el dispositivo a elaborar está centrado en ser una herramienta de apoyo para aquellos pacientes con dicha incapacidad, de tal manera que a nivel laboral e incluso personal no presente ningún tipo de exclusión social [2]. Aunque los daltónicos suelen adaptarse a esta forma de vida, llevando en ocasiones, una vida sin complicaciones debido que aunque no identifica los colores sabe, por ejemplo, el orden de cambio de las luces de un semáforo. Sin embargo, algunas personas tienen repercusiones más serias como exclusión a nivel laboral en donde la identificación del color sea esencial para llevar a cabo sus funciones [3].

Es por ello que el daltonismo, como se mencionó anteriormente, se debe a una afección congénita que altera la capa más interna del ojo y que según estudios científicos es causada debido a la deficiencia en la síntesis de una proteína del ojo. Así mismo partiendo de los tipos de daltonismo, se escogen pacientes pertenecientes a daltonismo tipo Dicromático; se selecciona esta categoría debido a que en clasificaciones de mayor complejidad se evidencia pérdida total de la capacidad distintiva de colores (visión a escala de grises), siendo un problema fisiológico de mayor riesgo y cuidado [2].

Algunos de los trabajos en los cuales un daltónico se ve excluido o le es negado ejercer por su condición son:

La mayoría de las alteraciones consiste en la reducción de la capacidad funcional de los mecanismos opuestos rojo-verde, el cual es mayor en los pacientes dicromáticos, pero de menor incidencia en los pacientes tricromáticos, cabe mencionar que existen casos en los que los pacientes presentan alteración funcional en el mecanismo verde-rojo y alteraciones con respecto al amarillo-azul [8].

-

-

El daltonismo se clasifica en diferentes tipos [9]: Dicromatismo: Estas personas presentan solo dos tipos de conos, por lo que estos son los encargados de recoger los estímulos que le corresponderían al cono faltante, como se mencionó anteriormente los pacientes con afectaciones dicromáticas tiene dificultades al establecer diferencias entre el rojo y verde o entre azul y el amarillo. Esta anomalía se divide en tres: protanomalía (carencia de sensibilidad al color rojo), deuteranomalía (alteración de la percepción del color rojo) y tritanomalía (carencia de sensibilidad del color azul).

Transporte: Armada, fuerza aérea, aviación civil, marina mercante, ferrocarriles, transporte público [4]. Protección social: Policía, inspector aduanero y bombero [4]. Otros: Electricista, fármaco, textiles, industria gráfica y fotografía, geología, cartografía y química [4].

Debido al rechazo social, que día a día aumenta, donde se ve afectado tanto hombres como mujeres en su lugar de trabajo o que resulta siendo un obstáculo para encontrar un empleo remunerado, estable y adaptable a dichas discapacidades, el dispositivo propuesto tendrá como objetivo principal permitir a esta población identificar el color correcto de diferentes láminas de colores pertenecientes a una gama de colores predefinida como una fase inicial de desarrollo para este proyecto. 2

II.

METODOLOGÍA

Los colores que no puede diferenciar son: Verde  Azul Azul  Verde Amarillo  Rosado

A. Sujetos y antecedentes Se realizó una evolución de utilidad del dispositivo en tres pacientes de sexo masculino de 20 años, 22 años y 31años de la ciudad de Bogotá, quienes aceptaron voluntariamente participar en el estudio realizado.

B. Diseño del sistema Como herramienta principal se utilizó un sensor RGB, referencia TCS3210 (Figura 1 y 2), que convierte la luz reflejada por el objeto a una frecuencia específica, filtrando los datos RGB de la luz fuente y convirtiéndola en una onda cuadrada con frecuencia directamente proporcional la intensidad de luz irradiada (Figura 3) [5]. Sus conexiones se realizan con base a las indicaciones brindadas por el data sheet del sensor (Figura 2), en donde S0 y S1 hacen referencia a las frecuencias de salida a escala completa ingresando por pines análogos al Arduino, por otro lado S2 y S3 que corresponden a luz azul o blanca emitida por la fuente a través de estos dos pines de control (Tabla 1).

Paciente 1. Alejandro Prieto, 31 años, Ingeniero Electrónico, Ingeniero de Petróleos e Ingeniero Industrial y Técnico en Diseño Industrial. Actualmente trabaja en venta de seguros de vida. A lo largo de su vida a presentado inconvenientes en el ámbito laboral, ya que por su problema de daltonismo no ha sido aceptado en varios empleos. Cuenta con licencia de conducción para servicio particular tras haber sido sometido a una prueba especial. Adicional a su problema de daltonismo presenta miopía, astigmatismo, ambliopía, uveítis y cataratas. Este paciente presenta dificultad al percibir los colores, en especial la gama de los colores pasteles, manifestó también que durante su vida nunca ha percibido bajo ninguna circunstancia el color lila. Los colores que principalmente no logra diferenciar son los siguientes: Azul  Morado Verde  Café Azul claro  Verde.

Figura 1. Foto sensor TCS3210

Paciente 2. Julián Mogollón, 22 años, estudiante de Administración de Empresas. Presentaba problemas en sus estudios escolares a causa de su afección. No tiene ninguna otra falencia visual. Cuenta con licencia de conducción para servicio particular tras haber sido sometido a una prueba especial. Manifestó que presenta problemas para diferenciar los colores pasteles, estos son:

Figura 2. Esquema sensor TCS3210 [10]

Azul  Morado Verde  Rojo Naranja  Rojo Café  Verde Paciente 3. Joel Piratova, estudiante de Ingeniería Biomédica de la Universidad Manuela Beltrán. Manifestó que nunca ha percibido el color azul aguamarina.

Figura 3. Diagrama de bloques funcional sensor TCS3210. [10] 3

Función de Terminales Terminal Nombre No GND OE OUT S0,S1

4 3 6 1,2

S2,S3 Vdd

7,8 5

TRATAMIENTO DE LA SEÑAL

Descripción Tierra Habilitar fo (bajo activo) Frecuencia de salida (fo) Salida de frecuencia de escala de selección de salida Entradas de selección tipo fotodiodo Alimentación

TRANSFORMACIÓN DE LA SEÑAL

• Configuración entradas y salidas • Configurar la frecuencia de trabajo • Configuración del Filtro a utilizar • Lectura de duracion de pulso (PulseIn-Arduino) • Transmisión de datos por puerto serial

•Recepción de datos por puerto serial • Conversión datos RGB •Comparación para la interfaz

Tabla 1. Función de terminales sensor TCS3210. [10] Para el desarrollo de la herramienta se emplearon los siguientes elementos:

Figura 5. Estructura del código para TCS3210

Tratamiento de la señal ELEMENTO COSTO Foami $10.000 Arduino Mega 2560 $116.000 Sensor RGB TCS3210 $25.000 Proporcionado por la UMB Matlab R2014b Simulador ColorOracle Free Download Tabla 2. Elementos utilizados en la herramienta.

Durante este tratamiento es necesario conocer los dos parámetros principales con los cuales trabaja el sensor, el primero corresponde a la frecuencia de trabajo y el segundo al filtro para la identificación del color correspondiente. De forma general este tratamiento de señal, enviará un valor seleccionado en el modo de trabajo a una frecuencia del 20% (100 KHz). Dado que la frecuencia es proporcional a la intensidad de la luz del filtro de color seleccionado, se hace uso de un comando principal en Arduino denominado PulseIn, éste comando consiste en la entrega de la longitud de pulso en microsegundos donde pasará posteriormente por el filtro (Figura 5) [5].

Por otra parte se realizó una interfaz en Matlab donde le fue posible al grupo de pacientes daltónicos ver en tiempo real los resultados de la medición. Esta transferencia de datos se realizó mediante Arduino y comunicación serial a través de un circuito eléctrico sencillo en el cual solo es necesaria la conexión del sensor, descrita anteriormente, al Arduino y posteriormente de este al servidor o computadora (Figura 4) [6,7].

Transformación de la señal Cuando las variables que reflejan la separación cromática son recibidas por el puerto serie hacia Maltab se facilita la interpretación de las tonalidades. A pesar de esta facilidad el grupo de combinaciones existentes entre cada una de las 3 variable se ha limitado a unos tonos específicos con el fin de favorecer la interpretación y reducción de líneas de código (Figura 5). Los aspectos en detalle acerca del funcionamiento, fases del acondicionamiento y lectura del color son descritos por medio de un diagrama de bloques (Anexo 1) [6,7]. Una de las secciones que cabe resaltar es la tonalidad caracterizada (caracterización de colores) en el sensor ya que se debe “crear” una base de datos con las láminas establecidas.

Figura 4. Circuito implementado Para ello partimos del acondicionamiento del sensor RGB el cual se planteó de manera digital con el objetivo de realizar una comunicación serial con el software Matlab desde una placa Arduino Mega 2560 para un posterior tratamiento. El acondicionamiento se divide en dos secciones: Tratamiento de la señal y Transformación de los datos adquiridos.

Ya obtenido el acondicionamiento, caracterización de colores y correcta lectura del sensor se dispone a diseñar la interfaz con la que el paciente interactuará la cual esta 4

dispuesta para un solo individuo hasta el final de la misma.

y un software simulador de visión daltónica. Por otro lado se evaluó la sensibilidad y especificidad del sistema mediante un análisis estadístico de resultados, evaluando la calidad del procedimiento.

Inicialmente el usuario deberá digitar sus datos personales y luego se empezará a identificar los colores que se muestran en la pantalla del ordenador colocando las láminas, del color que el considere correcto, en paralelo al sensor de forma que a este le irradie luz blanca para una mejor aproximación RGB. Iniciando desde el rojo y tomando 6 colores más el individuo con una tendencia dicromática podrá evaluar el color cuantas veces sean necesarias con la finalidad de alcanzar el color con las mismas tendencias RGB (color real). La segunda parte omite un poco el uso del sensor puesto que se centra en el test de Ishihara, usado para identificar tendencias dicromáticas, durante esta prueba se muestra al individuo una fotografía por un tiempo de 3 segundos donde posteriormente puede proceder a digitar el numero visto (Si no percibe ningún número el valor digitado será 0). Finalizando las 8 preguntas del test Ishihara se crea un reporte con la identificación del sujeto y algunos gráficos basados en las respuestas obtenidas

D. Prueba estadística Se realizó una correlación por medio de la obtención de la curva de ROC al relacionar los resultados obtenidos respecto un patrón. El patrón corresponde al concepto teórico acerca del color que según la patología que presente el paciente debe ser percibido de un modo diferente al color real, estos datos son comparados con los obtenidos bajo la prueba a fin de determinar la sensibilidad y especificidad del dispositivo con base a falsos positivos y negativos presentes en el experimento. III.

RESULTADOS

A partir de los resultados obtenidos en cada prueba por cada uno de los pacientes se realizó una correlación con respecto a un patrón, aplicando el test estadístico curva ROC, encontrando: Paciente 1

C. Prueba experimental Coordenadas de la curva

Para cada una de las pruebas se contó con una amplia gama de colores pre seleccionada la cual tenía como función proporcionar al paciente diferentes láminas de colores. El proceso experimental consistió en dos etapas: En la primera, el paciente debía escoger el color solicitado por la interfaz de la gama de colores que solo contaba con colores fuertes. Como segunda etapa, el paciente debía realizar el mismo procedimiento anterior con la diferencia que la gama de colores correspondía a colores pasteles. Tras terminar la selección de colores se aplica un pequeño test de ishihara, como método adicional de identificación de discromatopsias. Finalmente se provee a cada uno de los pacientes los reportes correspondientes a las pruebas que realizaron donde se suministra información acerca de las respuestas obtenidas y la tendencia a alguna de las clasificaciones del daltonismo.

Positivo si es mayor

1-

o igual que a

Sensibilidad

Especificidad

-1,0000

1,000

1,000

,5000

,583

,000

2,0000

,000

,000

Tabla 3. Coordenadas de la curva ROC paciente 1.

A partir de esto se evaluaron algunas características del sistema, en primera instancia la capacidad de diferenciar a qué tipo de daltonismo pertenecía cada uno de los pacientes, logrando identificar que dos de ellos presentan una tendencia a la deuteranopia y uno a tritanopia basándonos en los resultados obtenidos en cada una de las pruebas realizadas, referencias teóricas

Figura 6. Curva ROC para pruebas en paciente 1. 5

Paciente 2 Coordenadas de la curva Positivo si es mayor o igual que a

1Sensibilidad

Especificidad

-1,0000

1,000

1,000

,5000

,500

,000

2,0000

,000

,000

Tabla 4. Coordenadas de la curva ROC paciente 2.

Figura 8. Curva ROC para pruebas en paciente 3. En las figuras 6, 7 y 8 se puede observar que la respuesta en cuanto a relación entre el color percibido por cada uno de los pacientes con respecto al patrón, determinado por los datos arrojados mediante el simulador de visión daltónica, tiene como mínimo un empate entre el grupo de estado real positivo (VP) y el grupo de estado real negativo (VN), sin importar el tipo de daltonismo valorado por el dispositivo a cada paciente. De esta forma son determinados los valores para VPR y FPR encontrando que para ninguna de las pruebas aplicadas hay evidencia de un falso positivo. Lo que conlleva a obtener 58,3% de sensibilidad para pruebas en el paciente 1, 50% de sensibilidad para pruebas en el paciente 2 y 75% de sensibilidad para pruebas en el paciente 3 (Tabla 3, 4 y 5).

Figura 7. Curva ROC para pruebas en paciente 2. Paciente 3 Coordenadas de la curva Positivo si es mayor o igual que a

1Sensibilidad

Especificidad

-1,0000

1,000

1,000

,5000

,750

,000

2,0000

,000

,000

A partir de la generación del reporte se hallan gráficos donde se evalúa porcentualmente la cantidad de respuestas correctas y erróneas en cada una de las pruebas, los valores más significativos se encuentran al momento de evaluar los pacientes utilizando una gama de colores pasteles (Figuras 9, 10 y 11).

Tabla 5. Coordenadas de la curva ROC paciente 3.

6

Paciente 1

IV.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Con el fin de evaluar la calidad del procedimiento se calculó la curva ROC para las pruebas realizadas, encontrando respecto a cada uno de los pacientes un área bajo la curva específica. Las áreas bajo la curva encontradas para los pacientes 1, 2 y 3 fueron 0.792 (79%), 0.750 (75%) y 0,875 (87%) respectivamente, lo cual nos indica que la probabilidad de que el sistema arroje valores certeros y que sea de utilidad es mayor al 75%, sin importar el tipo de daltonismo que presente el paciente. Por tanto se puede afirmar que la confiabilidad de los datos proporcionados por la herramienta se encuentra dentro de un rango superior a un test regular, y en este caso, los resultados tienden a ser más correctos que los provenientes de una estimación aleatoria.

Figura 9. Respuestas de paciente 1

Paciente 2

Dado que VPR corresponde a la sensibilidad y FPR a 1especificidad se encontró que, la sensibilidad de la herramienta en determinar un verdadero positivo corresponde a más del 50% para una población con afecciones daltónicas. En cuando a la especificidad se determinó que la capacidad de la herramienta para determinar casos falsos positivos equivale al 100% es decir que para cualquier prueba a realizar el sistema garantiza que no determinara pacientes daltónicos si efectivamente no poseen esta afección. En este mismo sentido se afirma que el sistema tiene la capacidad de diferenciar grupos de pacientes pertenecientes a un tipo de daltonismo en específico. Por otro lado se encontró que al someter los pacientes a la prueba con una gama de colores fuertes no existe variación significativa con respecto al color real. Caso contrario al evaluarlos con una gama de colores pasteles donde se evidencia que para aquellos con tendencia a deuteranopia tienen un porcentaje mayor al 30% de respuestas erróneas mientras que para el caso de tritanopia superior al 60% (Anexo 2).

Figura 10. Respuestas de paciente 2.

Paciente 3

Sin embargo un limitante para la herramienta radica en la acotación de los posibles colores a seleccionar por el paciente así como de colores solicitados por el ordenador pues se evidencio que existirán diferencias significativas en cómo percibirá un color dependiendo de su tonalidad y tendencia.

Figura 11. Respuestas de paciente 3. 7

V.

[8] Lillo, J; Sánchez, P; Collado, J.; Ponte, E; García, C. TIDA: UN TEST INFANTIL PARA EVALUAR LAS DISFUNCIONES EN LA PERCEPCIÓN DEL COLOR. Universidad Complutense de Madrid.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece al Ingeniero Ricardo Espinosa Medina, actualmente profesor de Sensores y Acondicionamiento por su asesoría durante el desarrollo de la investigación, a la Universidad Manuela Beltrán por proveer las instalaciones y el Software implementado como medio de interacción con el paciente (Matlab) y también a los pacientes Alejandro Prieto, Julián Mogollón y Joel Piratova por su interes en el desarrollo del presente proyecto de investigación y a nuestros padres por su apoyo económico. VI.

[9] Clínica Baviera. Instituto Oftalmológico Europeo. En línea: http://www.clinicabaviera.com/blog/saludvisual/tipos-de-daltonismo/ [10] Datasheet Sensor de color TCS3210 TEXAS ADVANCED OPTOELECTRONIC SOLUTIONS. En línea:http://www.alldatasheet.es/datasheetpdf/pdf/454463/TAOS/TCS3210.html

REFERENCIAS

[1] A. P. Sperling, «Psicologia simplificada,» de Psicologia simplificada,New York, Selector, 2004, p. 25 y 26. [2] S. Medicinas, «Salud Medicinas.com.mx,» http://www.saludymedicinas.com.mx/centros-desalud/salud-masculina/articulos/daltonismohombres.html, 31 Diciembre 2013. [En línea]. [Último acceso: 11 Marzo 2015]. [3] M. Beck, «Un nuevo punto de vista para el daltonismo,» 17 Noviembre 2012. [En línea]. Available: http://lat.wsj.com/articles/SB100014241278873248941 04578113161401052842. [Último acceso: 11 Marzo 2015]. [4] ASDNA, «Trabajos no aptos para daltonicos,» 17 Agosto 2012. [En línea]. Available: http://asdna.org/trabajos-no-son-aptos-paradaltonicos/. [Último acceso: 11 Marzo 2015]. [5] D. Page, «La Voz de Houston,» 2015. [En línea]. Available: http://pyme.lavoztx.com/qu-problemas-decarreras-afectan-hombres-y-mujeres-en-el-lugar-detrabajo-10911.html. [Último acceso: 11 Marzo 2015]. [6] Editronikx, «YouTube,» Microelectronicos, 31 Enero 2014. [En línea]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=OQ2Kz7BZows&f eature=youtu.be. [Último acceso: 6 Marzo 2015]. [7] R. I. S. I. S. K. Anuradha Iyer, «COL.Diesis: Interactive Colour Perception Device,» International Journal of Scientific & Engineering Research, vol. 5, nº 9, pp. 825-831, 2014. 8