Tecnología Inalámbrica e Integración de Sistemas en Redes de Área Corporal para Aplicaciones de mSalud

Emil Jovanov

Departamento de Ingeniería Informática. Universidad de Alabama, Huntsville. EEUU.

*Traducción: Estela Plasencia (FESALUD). España

Artículo original: “Wireless Technology and System Integration in Body Area Networks for m Health Applications”. Proceedings of the 27th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Shanghai, China, September 2005.

Resumen

La mSalud abarca informática móvil, sensores médicos y tecnologías de la comunicación para aplicaciones médico-sanitarias móviles. Las Redes Inalámbricas de Área Corporal (WBAN) de sensores inteligentes representan una tecnología emergente para la integración de sistemas con enormes posibilidades en el campo de la monitorización ambulatoria y no invasiva para largos períodos de tiempo. Sin embargo, los diseñadores de los sistemas aún tienen que resolver diversos aspectos, como las limitaciones de peso y tamaño de los sensores (necesarias para mejorar la comodidad del paciente), las limitaciones de los recursos de los sensores, la disponibilidad intermitente de conectividad, la fiabilidad de las transmisiones y la seguridad e interoperabilidad entre diferentes plataformas. Mostramos tecnologías inalámbricas actuales y futuras y desarrollos en tecnologías móviles dominantes que son vitales para la implementación de monitores basados en WBAN y la integración de sistemas de mSalud. Hacemos especial hincapié en el problema de conseguir hacer funcionar correctamente los sistemas con mínimos consumos de energía y conectividad permanente, imprescindible para una monitorización ambulatoria.


1. Introducción

El emergente concepto de mSalud representa una evolución de la eSalud, y se define, en términos generales, “desde el uso de Internet para el cuidado sanitario hasta aplicaciones móviles sin conexión a internet garantizada” 1. Los avances en sistemas de mSalud están liderados por los desarrollos en comunicaciones inalámbricas, dominantes, y tecnologías “ponibles”2. Comparten la misma finalidad en su diseño: la minimización del peso y tamaño de los sensores (aspecto crítico para la aceptación de los usuarios), la portabilidad, la conectividad ubicua, la fiabilidad y una fluida integración de sistemas. La conectividad global es importante para una mejor resolución de situaciones de emergencia, pero también para un creciente segmento de usuarios: los cuidadores no profesionales. Un estudio de 1997 demostró que, al menos un tercio de los ciudadanos de Estados Unidos (cuya mayoría trabajaba a tiempo completo) estaban realizando roles de cuidadores no profesionales, casi siempre de sus padres ancianos3.

Un instrumento “llevable” de monitorización sanitaria que utilice una Red de Área Personal o Corporal puede ser integrado en la ropa del usuario. Sin embargo, este sistema no es apropiado para monitorizaciones continuas y de larga duración, especialmente durante actividades normales, como entrenamientos intensivos o rehabilitación asistida por ordenador. En fases más recientes, se posibilita al usuario la movilidad y un uso cómodo mediante la introducción de sensores inalámbricos inteligentes que se pueden implantar.

Una Red Inalámbrica de Área Corporal (WBAN) típica consiste en unas cuantas plataformas de sensores baratos, ligeros y diminutos. Cada plataforma tiene uno o más sensores fisiológicos (por ejemplo: sensores de movimiento, electrocardiógrafos, y electroencefalogramas. Un ejemplo típico de este tipo de aplicación es la monitorización ambulatoria de la actividad del usuario 4, 5. Los sensores pueden colocarse en el cuerpo como diminutos parches inteligentes, integrados en la ropa, o ser implantados bajo la piel o los músculos.

En este artículo presentamos los principales aspectos y desafíos tecnológicos del diseño e integración de sistemas de mSalud basados en WBAN.

2. Tecnología Inalámbrica

Para poder triunfar en el mercado, los sensores médicos inalámbricos tendrán que ser muy baratos y ser producidos a gran escala. Por lo tanto, podemos esperar que las soluciones futuras estarán basadas en tecnologías inalámbricas estándar6. Actualmente, entre las tecnologías WBAN disponibles en el mercado más utilizadas se encuentran Bluetooth y ZigBee. Bluetooth es una tecnología madura, disponible en muchos teléfonos móviles y PDAs. Dispone de un amplio ancho de banda, hasta 720 kbps, más que suficiente para la mayoría de los sensores inteligentes. Sin embargo, pese a las modalidades de bajo consumo, el gasto de energía y la complejidad de los protocolos de implementación de baterías son todavía factores que limitan la mayoría de aplicaciones WBAN.

ZigBee es un estándar inalámbrico emergente para poco tráfico de datos y aplicaciones de muy bajo consumo. Potencialmente tiene aplicaciones en domótica, control industrial y cuidados sanitarios personales. El ratio máximo de 250 kbps de datos es suficiente para los sensores inteligentes de monitorizaciones.

Otras tecnologías inalámbricas emergentes, como Ultra Wide Band y Wireless USB, posiblemente influirán en aplicaciones de monitorización de salud “llevables”. Sin embargo, su objetivo es lograr un gran ancho de banda con un reducido consumo de energía para Redes de Área Personal y Redes de hogar. Por lo tanto, son muy buenos candidatos para actuar como servidor personal de comunicaciones, mejor que los sensores individuales en la WBAN.

Varios proyectos de investigación presentan soluciones inalámbricas que se adaptan mejor a los sensores inteligentes. Por ejemplo los resonadores MEMs ofrecen un bajísimo consumo de energía, en orden de 100 µW 7, lo que sería ideal para los sensores inalámbricos implementados como parches inteligentes.

3. Integración del Sistema

El éxito de los sistemas de monitorización sanitaria “llevables” depende crucialmente de la integración de sistema. La integración perfecta de los sistemas de monitorización sanitaria personales determinará su aceptación y conformidad por parte del usuario. Al mismo tiempo, la integración de mediciones y eventos dentro de registros médicos y sistemas médico sanitarios podrán ayudar a mejorar el servicio de los profesionales médicos.

Un ejemplo típico del flujo de información en un sistema jerárquico de mSalud queda representado en la Figura 1 (adaptada de 5). Un conjunto de sensores está integrado en una WBAN y se comunica con el servidor principal o bien directamente a través de la pasarela de internet. Toda la información es almacenada en un Informe Electrónico Médico (Electronic Medical Record: EMR) o servidor de emergencia a través de internet. Se pueden explotar las distintas partes del espacio de diseño precio/energía/prestaciones mediante el uso de distintas configuraciones.

En el nivel más bajo de la jerarquía están los sensores fisiológicos inteligentes integrados en una WBAN. El estado tecnológico actual permite nodos de sensores inteligentes con microcontroladores (sistemas en un chip) altamente integrados, permitiendo las siguientes características de plataformas de sensores:

  • Capacidad de procesamiento: 1-10 MIPS (Millones de instrucciones por segundo)
  • Memoria RAM: 1-10 KB
  • Memoria flash en el chip (almacenamiento de datos del programa y secundarios): 10-100 KB
  • Periféricos Integrados (temporizadores, contadores, PWM, A/D, D/A, y controladores de comunicación)
  • Almacenamiento (externo) de Memoria Flash de 1 MB
  • Bajo consumo de energía (1-10 mW para procesamiento, menos de 100µW en modo reposo y de 20 a 50 mW durante la comunicación inalámbrica)

La memoria disponible y la capacidad de procesamiento de las plataformas de sensores comercialmente disponibles permiten, en tiempo real, el procesamiento de señales, la transmisión de resultados y la detección de sucesos para muchas aplicaciones de monitorización de salud. El flujo simbólico de datos de los sensores se representa como colas de mensajes (Fig. 1). Primero, una plataforma de sensores almacena los mensajes no reconocidos y eventos en la memoria local (RAM) y/o en la memoria externa Flash. Ésto supone una importante ventaja (de consumo y fiabilidad) de los sensores inteligentes frente a las generaciones anteriores de sistemas telemétricos de transmisión de señales en bruto.

Todos los mensajes que llegan desde los sensores son recogidos por el controlador de red y procesados en un servidor personal (SP). En algunas aplicaciones los sensores pueden hablar directamente con la pasarela de internet (por ejemplo, en la monitorización domiciliaria). Una aplicación de servidor personal puede correr sobre una PDA, un móvil o un ordenador personal. El controlador de red puede ser un dispositivo añadido o integrado en el servidor personal (por ejemplo teléfonos móviles con Bluetooth). El SP procesa los eventos de los sensores como mensajes individuales, almacena segmentos de señales sin tratar generadas por petición, y crea una sinergia de información desde los sensores individuales. Normalmente, todos los mensajes recibidos son guardados y transmitidos al servidor médico junto con mensajes adicionales creados en el servidor personal. Esta información crea una nueva cola de mensajes y registros que provienen del SP (Fig. 1).

Figura 1. Sistema Integrado WBAN5. Leyenda: SN: Sensores fisiológicos; WBAN: Red Inalámbrica de Red Corporal; PS: Servidor Personal; WLAN: Red de Area Local Inalámbrica; WAN: Red de Area Amplia; MS: Servidor Médico; NC: Coordinador de la Red WBAN

Las características del rendimiento del servidor personal supera normalmente a los sensores individuales por al menos un orden de magnitud. Así pues, el mantenimiento de la cola de mensajes en el SP para una transmisión fiable no debería ser un problema para la mayoría de los sistemas.

La comunicación entre el servidor personal y el interfaz de Internet se lleva a cabo mediante el uso de tecnologías WLAN y WAN, como el 802.11 WLAN, GPRS/GSM, UMTS y otras tecnologías de redes locales inalámbricas1.

El procesamiento final de mensajes y eventos se ejecuta en el(los) servidor(es) médico(s). Es importante tener en cuenta que, debido a la comunicación intermitente y la retransmisión de mensajes en la jerarquía mSalud, el servidor médico tendrá que procesar mensajes no válidos. Por ello es necesario que cada evento o cadena de señales sin tratar tenga su fecha de registro. Todos los registros deben estar organizados para evitar la divulgación de la identidad del usuario.

4. Discusión y Conclusiones

La nueva generación de sistemas de mSalud para la monitorización continua ambulatoria se enfrenta a una serie de retos que incluyen:

  • Necesidad de bajo consumo energético, poco peso y tamaño
  • Operatividad no invasiva y discreta
  • Flexibilidad de los sensores para adaptarse a las condiciones del usuario y los cambios en el entorno
  • Conectividad sin fallos, necesaria para la integración de los sensores dentro del sistema de monitorización
  • Concienciación del sistema de factores medioambientales y de las condiciones del paciente asociadas con el uso de sensores llevables en condiciones normales de vida
  • Comunicación y almacenamiento de datos segura y fiable
  • Funcionamiento de un sistema tolerante a fallos, capaz de adaptarse a los fallos de los sensores y retransmitir paquetes perdidos

Las tecnologías basadas en WBAN poseen un enorme potencial en el marco de la monitorización ambulatoria continua, en la detección precoz de estados anormales, y en la supervisión de rehabilitación. Pueden proporcionar a los pacientes mayor confianza y mejorar su calidad de vida, a la vez que promueven comportamientos más saludables y concienciación sobre la salud.

La integración automatizada de información desde los sistemas de mSalud a las bases de datos de investigación pueden proporcionar a la comunidad médica la posibilidad de extracción inteligente de datos de entre la ingente cantidad de información. Esto permitirá la mejora en la comprensión de las evoluciones de enfermedades, los procesos de rehabilitación y los efectos en las terapias con drogas.

5. Referencias

  1. R.S.H. Istepanian, E. Jovanov, Y.T. Zhang, “Guest Editorial Introduction to the Special Section on M-Health: Beyond Seamless Mobility and Global Wireless Health-Care Connectivity,” IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Dec. 2004, 8(4): 405 - 414.
  2. D. Raskovic, T. Martin, E. Jovanov, “Medical Monitoring Applications for Wearable Computing,” The Computer Journal, July 2004, 47(4): 495-504.
  3. National Alliance for Caregiving and American Association of Retired Persons, Family Caregiving in the United States, 1997.
  4. B.G. Steele, B. Belza, K. Cain, C. Warms, J. Coppersmith, J. Howard, “Bodies in motion: Monitoring daily activity and exercise with motion sensors in people with chronic pulmonary disease,” Journal of Rehabilitation Research & Development, Sep/Oct 2003, Supplement 2, 40(5): 45 – 58.
  5. E. Jovanov, A. Milenković, C. Otto, P. De Groen, B. Johnson, S. Warren, and G. Taibi “A WBAN System for Ambulatory Monitoring of Physical Activity and Health Status: Applications and Challenges,” in this Proceedings.
  6. S. Warren, “Beyond Telemedicine: Infrastructures for Intelligent Home Care Technology,” Pre-ICADI Workshop on Technology for Aging, Disability, and Independence, The Royal Academy of Engineering, Westminster, London, England, June 2003.
  7. B.P. Otis, JM Rabaey, “A 300-µW 1.9-GHz CMOS Oscillator Utilizing Micromachined Resonators,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, July 2003, 38(7): 1271-1274.