monitoreo de la calidad del aire in situ: estrategia …
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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE MEDICINA DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
INSTITUTO NACIONAL DE ENFERMEDADES RESPIRATORIAS
“ISMAEL COSÍO VILLEGAS”
"MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE IN SITU: ESTRATEGIA PARA EL CONTROL DEL ASMA EN LA CIUDAD DE MÉXICO”
TESIS QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE
MÉDICO SUBESPECIALISTA EN ALERGIA E INMUNOLOGÍA CLÍNICA
PRESENTA:
DR. JESÚS OCAMPO MIJANGOS
TUTOR: DR. LUIS MANUEL TERÁN JUÁREZ
COTUTOR: DR. JOSAPHAT MIGUEL MONTERO VARGAS
CIUDAD UNIVERSITARIA, CIUDAD DE MÉXICO, 2020.
UNAM – Dirección General de Bibliotecas
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AGRADECIMIENTOS
Para el Dr. Josaphat Miguel Montero Vargas por su gran apoyo y motivación para la
elaboración de esta tesis, mi más amplio agradecimiento por su valiosa dirección y
coordinación para llegar a la conclusión de la misma; al Dr. Luis Manuel Terán Juárez
por su apoyo a este proyecto, a ambos por su aportación como investigadores en el
Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias.
A mis profesores Dr. Fernando Ramírez Jiménez y Dr. Gandhi Pavón Romero por su
tiempo compartido y por impulsar el desarrollo de mi formación profesional, gracias por
su confianza.
Mi admiración y agradecimiento.
Finalmente, a mis padres por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, en toda mi
educación, tanto académica como de la vida, por su incondicional apoyo
perfectamente mantenido a través del tiempo. Sin ellos, jamás hubiese podido
conseguir lo que hasta ahora. Su tenacidad y lucha insaciable han hecho de ellos el
gran ejemplo a seguir y destacar, no solo para mí, sino para mis hermanas y familia.
Todo este trabajo ha sido posible gracias a ellos.
Jesús
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ÍNDICE
Título 4
Resumen 5
Antecedentes 6
Justificación 22
Objetivo general
Objetivos específicos
23
Hipótesis 24
Material y métodos 25
Resultados 33
Discusión 44
Conclusión 50
Bibliografía 52
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TÍTULO
"MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE IN SITU: ESTRATEGIA PARA EL CONTROL DEL ASMA EN LA
CIUDAD DE MÉXICO”.
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RESUMEN
Antecedentes: Numerosos estudios han demostrado que la contaminación ambiental
es uno de los principales factores de riesgo de padecer enfermedades respiratorias,
entre ellas el asma, por lo que es imprescindible la generación de estrategias para
monitorizar la calidad del aire. El uso de la tecnología de sensores conectados a
internet para monitorear la calidad del aire puede tener un impacto potencial en la
prevención y tratamiento de enfermedades respiratorias.
Justificación: La creciente preocupación mundial por los efectos nocivos de la
contaminación ambiental a la salud humana ha acelerado el desarrollo de tecnologías
robustas, rápidas y precisas, para determinar la calidad del aire y desarrollar
propuestas de prevención o terapia mediante el uso de estos dispositivos.
Hipótesis: Estudio exploratorio libre de hipótesis.
Objetivo General: Implementar el monitoreo continuo de la calidad del aire in situ en
la Ciudad de México, mediante el uso de un dispositivo de internet de las cosas
MeteoMex aeria. Objetivos Específicos: Configuración, instalación y evaluación del
desempeño de un sistema de monitoreo ambiental MeteoMex aeria. Evaluar la
temperatura, humedad, presión atmosférica, equivalentes de CO2 y compuestos
orgánicos volátiles (COVs) y su correlación con la calidad del aire.
Métodos: Se monitorearon cinco variables ambientales en dos rangos de tiempo
diferenciales, tanto dentro como fuera del departamento de Inmunogenética y Alergia
del INER, en la Ciudad de México.
Resultados: Se montó un dispositivo MeteoMex aeria, que permitió la colección de
datos in situ de: Temperatura, % Humedad relativa, Presión atmosférica, eCO2, COVs,
en un ambiente interior y exterior.
Conclusiones: Esta investigación tuvo como objetivo integrar la tecnología del internet
de las cosas y parámetros ambientales relacionados con la calidad el aire. Con este
propósito, se pretende ayudar a los usuarios en diversas actividades para valorar la
calidad del aire en tiempo real, lo que debería ayudar al clínico a adaptar
inmediatamente el tratamiento y recomendaciones a pacientes con el diagnóstico del
asma para lograr un mejor control con una reducción del riesgo futuro.
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ANTECEDENTES
Introducción
Se ha documentado que la contaminación del aire aumenta el riesgo de mortalidad por
enfermedades respiratorias, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica,
asma, neumonías, enfermedad pulmonar intersticial entre otras, por lo que es de gran
interés si la contaminación del aire también puede aumentar el riesgo de mortalidad
de estas enfermedades respiratorias. De hecho, se ha establecido que hasta el 90 %
de la población mundial respira aire contaminado, causando 7millones de muertes al
año según la OMS hasta el 2018, siendo un factor de riesgo. Una de las enfermedades
respiratorias de mayor interés es el asma que afecta a millones de niños y adultos en
México y en el mundo. El asma y su exacerbación es causada por una combinación
de interacciones ambientales y genéticas complejas, en donde la mayor prevalencia
del asma está relacionada con un entorno de vida cambiante, como la contaminación
del aire [1] y alérgenos presentes en el medio ambiente.
El asma es una de las enfermedades respiratorias más comunes y la principal
enfermedad crónica en niños. Numerosos estudios han demostrado que existe una
asociación entre la exposición a la contaminación del aire y los síntomas y
exacerbaciones del asma e incluso el ingreso al hospital y las visitas a urgencias
hospitalarias [2]. El primer paso para contrarrestar el efecto de la contaminación
ambiental es monitorear los niveles de contaminantes en múltiples ubicaciones, así
como comprender la causa de su liberación que permita idear estrategias para su
control.
El enfoque tradicional de monitoreo de la contaminación del aire utiliza dispositivos
estacionarios complejos y de alto costo, y que limita además el acceso a los datos, por
lo que el empleo de sensores portátiles y de bajo costo brindan la oportunidad de
cambiar este status quo [3]. Sin embargo, la información científica existente publicada
sobre el uso de sensores de bajo costo para el monitoreo de la calidad del aire, es
decir, tanto de contaminantes gaseosos como partículas, es escasa. Por lo tanto,
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desarrollar sensores accesibles y confiables para uso a gran escala es un requisito
esencial para un monitoreo exitoso y útil de la calidad del aire [4].
Contaminación y calidad del aire
El Área Metropolitana de la Ciudad de México es una de las ciudades más grandes del
mundo, con una población de 21 millones 581,000 habitantes hasta el 2018, lo que la
ubica como la quinta urbe más poblada del mundo. El rápido crecimiento de la
población ha llevado a graves problemas ambientales y de salud. El Área
Metropolitana es una de las megaciudades más contaminadas de América del Norte.
La topografía y la meteorología de esta cuenca de aire hacen que la circulación del
ozono (O3) y su concentración, junto con las concentraciones elevadas de partículas
en suspensión (PM), sean las principales responsables que agravan problema de la
contaminación [5]. La exposición a nivel del suelo del O3 es dañino para la salud
humana y causa enfermedades respiratorias, disminuyendo la capacidad de los
pulmones para realizar sus funciones normales [6].
Adicionalmente, los contaminantes en los microambientes interiores se acumulan
fácilmente debido a diversas emisiones y una ventilación deficiente, y por lo tanto
causan efectos adversos para la salud, como algunas enfermedades crónicas de
irritación sensorial, asma, rinitis e incluso algunos tipos de cáncer como la leucemia
[7].
Otro de los principales contaminantes del aire son los compuestos orgánicos volátiles
(COVs), moléculas de bajo peso molecular (50 a 200 Da), con estructuras primarias
constituidas en su mayoría por carbono, a las que se les pueden añadir elementos
como H, N, O, F, S, Cl y Br y que con facilidad pasan a fase gaseosa en condiciones
normales de presión y temperatura, definiéndose como "productos químicos que
tienen puntos de ebullición de 50 a 260 °C medidos a una presión atmosférica estándar
de 101.3 kPa y capaces de producir oxidantes fotoquímicos mediante reacciones con
óxidos de nitrógeno en presencia de luz solar" [9].
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La troposfera es la mayor fuente de estos volátiles (naturales) y las actividades
industriales, agrícolas y sociales son los principales emisores de COVs antropogénicos
[8]. La emisión de COVs en ambientes interiores pueden, en gran medida, provenir del
propio edificio, como el piso, el techo y las paredes. Algunos de estos COVs,
generalmente de bajo peso molecular, pueden ser el resultado de emisiones de
descomposición rápida que, en unas pocas semanas o meses, desaparecen de los
nuevos materiales de construcción. Otros COVs son el resultado de emisiones de
descomposición lenta formadas por diferentes procesos.
Los COVs biogénicos o naturales, son emitidos por la vegetación y bosques tropicales,
tierras de cultivo, entre otros, y contribuyen con el 60 % al 70 % de las emisiones
totales de COVs. Los árboles de hoja ancha y las plantas de coníferas emiten algunos
COVs altamente reactivos, por ejemplo, terpenos, sesquiterpenos, diterpenos e
isopreno. Pero, por otro lado, la mayoría de las emisiones antropogénicas son tóxicas
y tienen efectos adversos a corto y largo plazo sobre la salud y la calidad de vida de
los humanos. El benceno y algunos de sus derivados, por ejemplo, los compuestos
BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno), son los COVs dominantes en las zonas
urbanas y comprenden aproximadamente dos tercios de los COVs urbanos (Tabla 1)
[5].
Las tasas de emisión de los COVs no solo dependen de las propiedades físicas de las
combinaciones material-contaminante, sino que también se ven afectados por las
condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad. Para la tasa de emisión,
los estudios experimentales y teóricos generalmente mostraron un aumento en la tasa
de emisión con la temperatura, al igual que el impacto de la humedad sobre la tasa de
emisión de estos COVs [11].
Otro de los estudios se centra en el impacto de la humedad relativa (HR) en los
comportamientos de emisión. En éste la tasa de emisión y la concentración de los
COVs aumentaron con el aumento de la HR [11]. Se ha reportado que las mediciones
realizadas después de un rápido aumento de HR (> 58-75 %) revelaron un aumento
en las concentraciones de COVs que fue 3 veces mayor. De ahí la importancia de
monitorear también la HR al tomar muestras de COVs en el aire interior [8].
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Tabla 1: Familias de COVs y sus fuentes de generación principales para intra y extramuros. Tomada de “Contribución De Los Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) a la Contaminación Del Aire Interior” [10].
Familias Fuentes potenciales de emisión
Acetato/ aldehídos
Madera prensada, paneles de madera o plástico/melanina, libros y revistas nuevas, pinturas,
humo de tabaco y combustión de automóviles.
Hidrocarburos alifáticos
Combustión, humo tabaco, pinturas (látex y base acuosa), adhesivos a base de agua,
plásticos, fotocopiadoras, carburantes, barnices, materiales de aislamiento
impermeabilizantes, humo de tabaco, tintas e insecticidas.
Hidrocarburos aromáticos
Tintes de madera, pegamentos para el suelo, ceras, barnices, productos de limpieza para
suelos, tapicerías y placas de yeso.
Ésteres y ésteres de glicol
Paneles de cloruro de vinilo, plástico/melanina, lacas, pinturas (látex), barnices, jabones,
cosméticos, fungicidas, herbicidas, productos para el tratamiento de la madera.
Hidrocarburos clorados
Pinturas, barnices, adhesivos, limpiadores de metales, limpieza en seco, tapices, alfombras,
anti-ácaros, desodorante, paneles de madera.
Terpenos
Ambientadores, desodorantes, limpieza de suelos, ceras para muebles.
Alcoholes
Fabricación de plásticos, materiales de revestimiento, adhesivos, tintas de imprenta, y agentes
de impregnación, aromatizante bebidas y alimentos.
La exposición humana a COVs está determinada por las concentraciones en interiores
y exteriores, así como por las actividades personales. Los estudios de campo han
demostrado que, en general, las personas pasan cortos períodos de tiempo al aire
libre, haciendo que las exposiciones en interiores y en tránsito sean especialmente
importantes para caracterizar los contaminantes que modifican la calidad del aire.
Muchos estudios han reportado niveles más altos de COVs en interiores que en
exteriores debido a emisiones de materiales de construcción, muebles, equipos,
electrodomésticos, productos de limpieza, actividades como fumar, cocinar,
mantenimiento y remodelación, entre otras [12].
Las características del edificio, los niveles de contaminación y las modalidades de
tránsito, entre otros factores, justifican la necesidad de realizar estudios de la
exposición personal en México a COVs, para introducir la evaluación de COVs en un
escenario clínico.
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Contaminación y enfermedades respiratorias
En el siglo pasado, el aumento masivo de contaminantes atmosféricos fue
condicionado por el crecimiento económico e industrial, hecho que ocasionó una
disminución en la calidad del aire que causó diversos padecimientos respiratorios en
la población, lo que condicionó un problema emergente para la humanidad [13].
El tracto respiratorio es el principal órgano afectado por la contaminación atmosférica
y el más estudiado. Se estima que la contaminación del aire ambiente causa la muerte
de más de 800, 000 personas por EPOC (Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica)
y 280, 000 personas por cáncer de pulmón. Se estima que la contaminación del aire
en interiores causa la muerte de más de 750, 000 personas por EPOC y 300, 000
personas por cáncer de pulmón [14].
La contaminación del aire también causa dificultad para respirar en la mayoría de los
pacientes con enfermedades respiratorias crónicas graves. Los contaminantes del aire
pueden afectar todas las partes del sistema respiratorio y en toda la persona. La
exposición prenatal a los contaminantes del aire se asocia con sibilancias y asma en
la primera infancia. La tasa de crecimiento de la función pulmonar en la infancia
disminuye con la exposición a contaminantes y es un predictor de enfermedad
pulmonar en adultos. Entre los adultos, la exposición prolongada a la contaminación
del aire es un riesgo de deterioro acelerado de la función pulmonar con el
envejecimiento. La exposición infantil a la contaminación del aire se ha relacionado
con el riesgo de asma en muchos estudios, y también se ha encontrado que la
exposición a la contaminación aumenta la incidencia de asma en adultos, aunque la
evidencia de esta teoría es menos consistente [15].
La contaminación del aire doméstico puede ser más peligrosa que la contaminación
del aire exterior debido a la concentración y duración de la exposición. Los
contaminantes del aire también son desencadenantes bien conocidos de
exacerbaciones de enfermedades respiratorias. Muchos contaminantes tienen efectos
irritantes que pueden inducir tos, flemas e hiperreactividad bronquial. Además el
aumento en los niveles de contaminación está asociados con una mayor frecuencia de
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las visitas al servicio de urgencias por asma y síntomas respiratorios que a menudo se
atribuyen a infecciones respiratorias [16].
Mecanismo fisiopatológico
Los contaminantes del aire ejercen sus efectos perjudiciales sobre las vías
respiratorias y los pulmones inicial y progresivamente, de la siguiente forma:
1. Atenuar la actividad ciliar de las células epiteliales de las vías respiratorias.
2. Aumentar la permeabilidad del epitelio de las vías respiratorias.
3. Conducir a cambios inflamatorios en las células de las vías respiratorias y el
parénquima pulmonar.
4. Modulando el ciclo celular y la muerte de las células del sistema respiratorio.
Los contaminantes del aire muestran estos efectos al causar daño celular directo o al
inducir vías de señalización intracelular y factores de transcripción que se sabe son
sensibles al estrés oxidativo. Este mecanismo implica la activación del factor nuclear
del factor de transcripción (NF) y su translocación al núcleo donde se une a secuencias
de consenso de ADN en los promotores de genes proinflamatorios que codifican
citocinas y quimiocinas inflamatorias, que atraen a los neutrófilos y las moléculas de
adhesión. En consecuencia, estas moléculas aumentan el reclutamiento de células
inflamatorias en las vías respiratorias y el parénquima pulmonar y las activan para la
secreción mediadora y la capacidad de causar daño tisular [21,18].
Las partículas del diésel y gases como NO2 y O3, pueden intensificar la respuesta de
las vías aéreas a los alérgenos inhalados. Estos gases son también compuestos
oxidativos y sus reacciones con las células y fluido de revestimiento epitelial
respiratorio, pueden llevar a la síntesis de mediadores proinflamatorios, interleucinas
IL-4, IL-5, IL-13, IL-17A y factor de crecimiento granulocito-macrófago (FC-GM),
afectando la diferenciación de Th2 o Th17, que contribuirán a la inflamación e
hiperreactividad de la vía aérea para distintos fenotipos de asma [19].
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Contaminación como factor exacerbante del asma
La contaminación del aire derivada de la industria y de los vehículos de motor, que en
los últimos años, su tendencia ha sido al alza, se explica por los grandes cambios en
los entornos donde vivimos, aumentando las concentraciones de gases de efecto
invernadero, y especialmente dióxido de carbono (CO2) calentando sustancialmente el
planeta, causando olas de calor más severas y prolongadas, variabilidad en la
temperatura, mayor contaminación del aire, aumentos de épocas de polinización, lo
cual pone en riesgo la salud respiratoria y aumenta el desarrollo de enfermedades
como el asma [20].
El asma es una enfermedad inflamatoria crónica de la vía aérea que se caracteriza por
episodios recurrentes de hiperreactividad bronquial, los cuales se asocian a una
obstrucción extensa y variable del flujo aéreo pulmonar que es a menudo reversible ya
sea espontáneamente o con un tratamiento [21]. Las exacerbaciones agudas del asma
siguen siendo un desafío de tratamiento. Son una causa frecuente de ingreso
hospitalario o presentación en la sala de urgencias, especialmente en niños. Según
las estimaciones de la OMS, en 2016 el asma causó en todo el mundo 417, 918
fallecimientos. Las exacerbaciones ahora se consideran clave para definir la gravedad
de la enfermedad, y su prevención es una medida importante y crítica para medir el
éxito de los tratamientos para el asma. Así mismo, según la OMS en 2016, esta
condición clínica contribuyó con 13.2 millones de años de vida vividos con
discapacidad y 10.5 millones de años perdidos debido a muerte prematura en todas
las edades, ubicándose en el lugar 16 y 23 entre las principales causas de años vividos
con discapacidad y causa de muerte prematura respectivamente [22].
Derivado del cambio climático se está modificando la forma en que se manifiesta el
asma de manera predecible e impredecible, influyendo en el comportamiento humano
y la producción de alérgenos, siendo éste, uno de los factores disparadores de la
exacerbación del asma [23].
Los contaminantes ambientales actúan sobre el sistema inmunológico y respiratorio
en desarrollo, lo que aumenta la posibilidad de efectos negativos sobre la maduración
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estructural y funcional del aparato respiratorio en los niños. Las consecuencias de los
contaminantes sobre la salud dependerán del tipo de contaminante, su tamaño de
partícula, concentración y solubilidad. También influye el tiempo de exposición, la
capacidad de reaccionar con otros contaminantes y generar sustancias más tóxicas,
la edad y la susceptibilidad individual. Estas sustancias interactúan con el sistema
inmune e inducen cambios epigenéticos pro- inflamatorios, lo que puede causar,
desencadenar o agravar esta enfermedad [24].
La exposición al aire contaminado en interiores y exteriores causa alrededor de 7
millones de muertes prematuras cada año [25]. Si bien hay una gran cantidad de
estudios centrados en lacontaminación del aire exterior y sus impactos adversos en
la salud humana [26]. La mala calidad del aire interior puede ser igualmente perjudicial,
o aún peor, ya que loshumanos pasan casi el 90 % de su tiempo en interiores [27],
por lo tanto, la exposición al aire de interiores como de exteriores es de suma
importancia como factor exacerbante del asma [4].
Mecanismo fisiopatológico en asma alérgica
La contaminación del aire además de causar daño directo a las vías respiratorias como
ya se mencionó, también modifica la estacionalidad anual del clima, haciendo más
largas las estaciones donde predomina el calor, aumentando el efecto invernadero, así
como las temporadas de polinización en plantas, en donde existe una duplicación en
los niveles de polen y el recuento de esporas de hongos lo que aumenta los ingresos
por asma [28].
Las partículas de polen arrastran consigo partículas emitidas por motores diésel, por
lo que resultan más alergénicas en el ambiente urbano. Existen diversas influencias
potenciales del cambio climático global sobre diferentes aeroalérgenos, especialmente
sobre los pólenes [20]. Por otro lado, el aumento del CO2 y otros gases de efecto
invernadero, sumado a la elevación de la temperatura y otros cambios climáticos, ha
modificado la exposición a pólenes debido a los siguientes factores: aumento y
aceleración del crecimiento vegetal, aumento en la producción de polen de cada
planta, aumento en la cantidad de proteínas contenidas en el grano de polen (y por
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ende de antígenos), alteración de la distribución de especies (poblaciones
anteriormente no expuestas a determinados pólenes, ahora lo están), inicio temprano
del crecimiento de vegetales, comienzo anticipado de la polinización, y en
consecuencia, prolongación de la estación polínica [25, 30]. La combinación de
susceptibilidad genética y aumento de la contaminación, que favorece la
sensibilización alérgica, aumenta la hiperreactividad y puede actuar como disparador
de síntomas respiratorios. Todo esto constituye una asociación claramente perjudicial
para la salud en general y para la respiratoria en particular [31].
Todo lo anterior conduce a una eliminación retardada de alérgenos e irritantes
inhalados en las vías respiratorias. Además, el aumento de la permeabilidad de las
vías respiratoriaspuede dar lugar a una mayor penetración de estos agentes en la
submucosa,donde pueden interactuar con células residentes, como las células de los
músculos lisos de las vías respiratorias y los fibroblastos, así como las células
inflamatorias, que incluyen mastocitos, eosinófilos, linfocitos y neutrófilos [23].
Otro factor que influye en lo anterior mencionado es el clima, los datos sobre la
influencia del clima en el asma no son concluyentes y se debaten. Sin embargo, el
clima afecta el control del asma, actuando sobre las vías respiratorias, o
indirectamente, influyendo en los alérgenos presentes en el aire y los niveles de
contaminantes. Las altas temperaturas de verano tienen un impacto en las tasas de
exacerbación aguda y el ingreso hospitalario para pacientes de edad avanzada con
problemas respiratorios y pueden causar una muerte inesperada. Los factores
climáticos (temperatura, velocidad del viento, humedad, tormentas eléctricas, etc.)
pueden afectar los componentes biológicos y químicos de esta interacción [32]. Los
cambios en el clima como las tormentas eléctricas durante las estaciones de polen
pueden inducir la hidratación de los granos de polen y su fragmentación, lo que genera
aerosoles biológicos atmosféricos que transportan alérgenos. Como consecuencia, se
pueden observar exacerbación de asma en pacientes con alergia respiratoria [23].
Por lo que es de suma importancia el monitoreo de polen, así como el clima, ya que
las condiciones climáticas, incluidas la lluvia, la temperatura atmosférica, la humedad,
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la velocidad del viento y la dirección del viento, pueden alterar las concentraciones de
pólenes de plantas y otros alérgenos, lo que posteriormente puede influir en la
aparición de enfermedades alérgicas como el asma y su exacerbación.
Determinación de compuestos orgánicos volátiles (COVs) y la calidad del aire
La creciente preocupación por los efectos de los contaminantes atmosféricos sobre el
clima y la salud humana han acelerado el desarrollo de nuevos métodos analíticos,
incluidos los sistemas de muestreo y monitoreo, para la determinación de compuestos
orgánicos volátiles (COVs), cuya emisión está influenciada por la temperatura del aire
y la humedad [9, 33].
Los estándares de contaminación del aire y las estrategias de control se basan en
mediciones ambientales. Para muchos contaminantes del aire exterior, las personas
están más cerca de sus fuentes (especialmente el tráfico) y existen importantes
fuentes interiores que influyen en la relación entre la exposición ambiental y personal.
Debido a su complejidad y diversidad, para la medición de COVs, principalmente se
emplean técnicas como cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas
(GC-MS), que involucran técnicas de muestreo complejas, lo que representa en la
mayoría de los casos una limitante. Por el contrario, el uso de sensores para el
muestreo del aire con una amplia gama de configuraciones se ha desarrollado y
explotado rápidamente para diferentes propósitos: investigación, pruebas clínicas y
local, regional o monitoreo a escala global. La técnica de muestreo de la calidad del
aire deseada debe ser eficiente y cumplir con los requisitos establecidos por los
investigadores y usuarios para los COVs [9].
Monitoreo de la calidad del aire en Ciudad de México
Diversos estudios realizados en la Ciudad de México y otras ciudades alrededor del
mundo han demostrado que existe una relación entre el incremento en la
concentración de los contaminantes del aire y el aumento de enfermedades
respiratorias y cardiovasculares. Algunos contaminantes como las partículas
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suspendidas están asociados además con el aumento en las visitas a salas de
urgencia y la mortalidad.
Una manera de proteger la salud de la población es a través del monitoreo y la difusión
continuos del estado de la calidad del aire. En la Ciudad de México, el Sistema de
Monitoreo Atmosférico (SIMAT) es el responsable de la medición permanente de los
principales contaminantes del aire (http://www.aire.cdmx.gob.mx/default.php). El
objetivo del monitoreo de la calidad del aire es generar información para:
1. Evaluar el cumplimiento de las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) de salud
ambiental en la Ciudad de México y la zona conurbada.
2. Evaluar el estado de la calidad del aire con respecto a la concentración de los
contaminantes criterio.
3. Cuantificar los niveles de exposición de la población a la contaminación del aire
ambiente.
4. Informar y prevenir a la población sobre los niveles de contaminación y sus
posibles riesgos.
5. Proporcionar información inmediata para la activación o desactivación de
alertas o procedimientos de emergencia, derivados de una concentración de
contaminantes asociada a actividades humanas y/o a fuentes naturales, que
pueda representar un riesgo para la salud o el medio ambiente.
6. Informar de manera oportuna a la población sobre el estado que guarda la
calidad del aire.
7. Generar información para la evaluación de la distribución espacial y el
transporte de los contaminantes atmosféricos.
8. Generar datos confiables para la evaluación y seguimiento de las estrategias
de gestión de la calidad del aire instrumentadas en la Ciudad de México y la
zona conurbada.
9. Evaluar la tendencia histórica de los contaminantes criterio en la Ciudad de
México y la zona conurbada.
El SIMAT cuenta con más de 40 sitios de monitoreo distribuidos en el área
metropolitana, comprendiendo demarcaciones de la Ciudad de México y la zona
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conurbada del Estado de México. Estos sitios se conocen como estaciones de
monitoreo de la calidad del aire, y en la mayoría se utilizan equipos continuos para
realizar la medición de los contaminantes criterio requeridos por la normatividad
federal: dióxido de azufre, monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, ozono y
partículas suspendidas. En algunos de ellos se realizan también mediciones continuas
de las principales variables meteorológicas de superficie, incluyendo la radiación solar
ultravioleta. En el resto se utilizan equipos manuales para la recolección de muestras
de partículas suspendidas y de depósito atmosférico.
La medición de los contaminantes del aire es una actividad técnica compleja que
involucra el uso de equipo especializado, personal calificado para su operación y una
infraestructura adecuada de soporte y comunicaciones. Además de la medición, es
necesario asegurar que los datos generados describan de manera apropiada el estado
de la calidad del aire, por ello, la operación del programa de monitoreo requiere
también de metodologías y estándares para la medición, así como de un programa
continuo de aseguramiento de la calidad.
En términos operativos, el Sistema de Monitoreo Atmosférico en su conjunto está
conformado por cuatro subsistemas (RAMA, REDMA, REDMET y REDDA), un
laboratorio para el análisis fisicoquímico de muestras (LAA) y un centro de
procesamiento y difusión de datos (CICA).
El principio de operación de cada instrumento está determinado por alguna propiedad
física o química del compuesto a analizar. Generalmente son métodos específicos y
con una interferencia mínima (Tabla 2) [34].
Con lo antes mencionado, las mediciones previas del ambiente, la exposición micro
ambiental y personal de los COVs en la Ciudad de México tienen un valor interpretativo
limitado, ya que solo han incluido a unas pocas personas monitoreadas durante las
campañas a corto plazo.
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Tabla 2: Listado de equipos con designación de método de referencia o equivalente.
CONTAMINANTE Principio de operación Descripción del método
DIÓXIDO DE AZUFRE (SO2)
Fluorescencia UV Método equivalente: medición de la fluorescencia emitida por las
moléculas de SO2 cuando son excitadas por una fuente de
radiación ultravioleta.
MONÓXIDO DE CARBONO (CO)
Absorción en el infrarrojo Método de referencia: medición de la absorción de luz infrarroja
por parte del monóxido de carbono en una celda de correlación.
DIÓXIDO DE NITRÓGENO (NO2)
Quimioluminiscencia Método de referencia: medición de la luz emitida durante la
reacción entre el NO y el O3.
OZONO (O3) Fotometría UV Método equivalente: absorción de luz ultravioleta en una longitud
de onda de 254 nm, la disminución en la intensidad es
proporcional a la concentración de ozono de acuerdo a la ley de
Beer-Lambert.
PARTÍCULAS SUSPENDIDAS PM10, PM2.5
Gravimetría Método equivalente: determinación de la masa de partículas
presente en un flujo de aire, las partículas son separadas de la
corriente y depositadas sobre un filtro colocado en un elemento
oscilante, la variación en la frecuencia de oscilación es
proporcional a la masa.
Los COVs como ya mencionamos se encuentran entre los biomarcadores más
prometedores, y varios compuestos, principalmente alcanos, han sido identificados
como significativamente asociados con el asma, de ahí la importancia de utilizar
nuevas tecnologías para monitorización de estos factores como lo es sensores de
internet de las cosas (Internet of Things, IoT) [35].
Si bien hay dispositivos analíticos de alta precisión disponibles para rastreo, son
demasiado caros para desplegarlos en cantidades suficientes en ciudades de rápido
crecimiento. Por lo tanto, desarrollar sensores accesibles y confiables para su uso a
gran escala es un requisito esencial para un monitoreo masivo y a gran escala de la
calidad del aire [36].
Internet de las cosas (IoT)
El concepto de combinar computadoras, sensores y redes para monitorear y controlar
diferentes dispositivos ha existido durante décadas. Sin embargo, la reciente
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confluencia de diferentes tendencias del mercado tecnológico está permitiendo que el
Internet de las Cosas esté cada vez más cerca de ser una realidad generalizada.
El Internet de las cosas es un concepto que refleja un conjunto conectado de cualquier
persona, cualquier cosa, en cualquier momento, en cualquier lugar, cualquier servicio
y cualquier red. El IoT es una mega tendencia en tecnologías de próxima generación
que puede afectar todo el espectro empresarial y puede considerarse como la
interconexión de objetos y dispositivos inteligentes identificables de forma exclusiva
dentro de la infraestructura de Internet actual con beneficios adicionales. Los
beneficios generalmente incluyen la conectividad avanzada de estos dispositivos,
sistemas y servicios que va más allá de los escenarios de máquina a máquina [37].
Las implementaciones del IoT utilizan diferentes modelos de conectividad, cada uno
de los cuales tiene sus propias características. Los cuatro de los modelos de
conectividad descritos, incluyen: Device-to-Device (dispositivo a dispositivo), Device-
to-Cloud (dispositivo a la nube), Device-to-Gateway (dispositivo a puerta de enlace) y
Back-End Data-Sharing (intercambio de datos a través del back-end). Estos modelos
destacan la flexibilidad en las formas en que los dispositivos del IoT pueden conectarse
y proporcionar un valor para el usuario [38].
Por lo tanto, la introducción de la automatización es concebible en casi todos los
campos. Proporciona soluciones apropiadas para una amplia gama de aplicaciones,
como ciudades inteligentes, congestión del tráfico, gestión de residuos, salud
estructural, seguridad, servicios de emergencia, logística, ventas minoristas, control
industrial y atención médica.
La atención médica representa una de las áreas de aplicación más atractivas para el
IoT, ya que tiene el potencial para dar lugar a muchas aplicaciones médicas, tales
como monitoreo remoto de la salud, programas de acondicionamiento físico,
enfermedades crónicas, atención a personas mayores, entre otras (Figura 1) [39].
- 20 -
Figura 1. Esquema de aplicación de dispositivos de internet de las cosas en la atención médica.
El uso del internet de las cosas facilita la transmisión y recepción de datos médicos y
permite el uso de comunicaciones personalizadas para la atención médica.
La aparición del IoT, en el que los dispositivos se conectan directamente a
ordenadores y entre sí, es importante por dos razones:
1) Los avances en la tecnología de sensores y conectividad permiten que los
dispositivos recopilen, registren y analicen datos a los que antes no se podía
acceder. En el cuidado de la salud, esto significa poder recopilar datos del
paciente a lo largo del tiempo y en tiempo real, que pueden usarse para ayudar
a habilitar la atención preventiva, permitir un diagnóstico rápido de
complicaciones agudas y promover la comprensión de cómo una terapia
(generalmente farmacológica) está ayudando a mejorar los parámetros del
paciente.
2) La capacidad de los dispositivos para recopilar datos por sí mismos elimina las
limitaciones de los datos ingresados por el ser humano, obteniendo
- 21 -
automáticamente los datos que los médicos necesitan, en el momento y en la
forma en que los necesitan. La automatización reduce el riesgo de error. Menos
errores pueden significar una mayor eficiencia, menores costos y mejoras en la
calidad en casi cualquier industria. Pero es de particular interés la necesidad en
el cuidado de la salud, donde el error humano puede ser literalmente la
diferencia entre la vida y la muerte [40].
Se espera que las redes impulsadas por tecnologías inalámbricas admitan el
seguimiento de enfermedades crónicas, diagnóstico temprano, monitoreo en tiempo
real y emergencias médicas. Las puertas de enlace, los servidores médicos y las bases
de datos de salud desempeñan funciones vitales en la creación de registros de salud
y la prestación de servicios de salud. Se prevé que el IoT permita una variedad de
servicios de atención médica en los que cada servicio proporciona un conjunto de
soluciones de atención médica [41].
La creciente preocupación por atender los problemas de salud relacionados con la
contaminación del aire y el rápido desarrollo de tecnologías de sensores, dada la alta
resolución espacial y temporal, así como el acceso a plataformas de código abierto
rentables, fáciles de usar y portátiles, hace imprescindible investigar sobre el uso
práctico de sensores accesibles para el monitoreo de la calidad del aire, tanto en
interiores como en exteriores [42, 43].
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JUSTIFICACIÓN La prevalencia de las enfermedades respiratorias crónicas como el asma
experimentaron un crecimiento significativo en los últimos 50 años. La urbanización, la
modificación y contaminación del medio ambiente han influido de manera negativa en
las últimas décadas en la mortalidad relacionada con padecimientos respiratorios. La
presencia de alérgenos dentro y fuera de las viviendas, el humo del tabaco, irritantes
químicos y la contaminación atmosférica provocan reacciones alérgicas o irritación de
las vías respiratorias, y están implicados en este aumento, que representa un problema
de salud pública, ya que afecta la salud tanto de adultos como de niños.
La creciente preocupación mundial por los efectos adversos de los contaminantes
atmosféricos sobre el clima y la salud humana ha acelerado el desarrollo de nuevos
métodos analíticos que sean simples, rápidos, precisos y rentables para la
determinación de la calidad del aire. En ese sentido, los compuestos orgánicos
volátiles (COVs) sirven como un indicador de la calidad del aire. En particular, el
análisis cualitativo y/o cuantitativo de esta clase de compuestos objetivo en el aire
aumenta la comprensión de su participación e interrelaciones con las enfermedades
respiratorias, exacerbaciones asmáticas, para así poder desarrollar propuestas
preventivas o terapéuticas que mejoren el pronóstico de los pacientes.
El futuro para el manejo del asma podría depender del uso de dispositivos pequeños
con tecnología que evalúen la calidad del aire (por ejemplo, los COVs) in situ y en
tiempo real. Esto debería ayudar al clínico a adaptar inmediatamente su tratamiento
para lograr un mejor control del asma con una reducción del riesgo futuro.
- 23 -
OBJETIVO GENERAL Implementación de un sistema para el monitoreo continuo de la calidad del aire in situ
mediante el uso de un dispositivo de internet de las cosas.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Configuración, instalación y evaluación del desempeño de un sistema para el
monitoreo ambiental MeteoMex aeria.
Medición de la temperatura, humedad, presión atmosférica, equivalentes de CO2 y
compuestos orgánicos volátiles intramuros y extramuros.
Evaluación de la correlación entre las variables ambientales con la calidad del aire.
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HIPÓTESIS Estudio exploratorio libre de hipótesis.
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MATERIAL Y MÉTODOS
Diseño de la investigación
La colecta de datos se realizó en un periodo comprendido entre el 26 de mayo y el 08
julio del 2020, en donde se midió la calidad del aire intramuros y extramuros después
de la instalación de un dispositivo para el monitoreo ambiental MeteoMex aeria. Éste
se ubicó en dos diferentes tiempos dentro y fuera del laboratorio del Departamento de
Inmunogenética y Alergia del Instituto de Enfermedades Respiratorias Ismael Cosío
Villegas, en la Ciudad de México (Figura 2).
Figura 2. Diagrama general de monitorización del MeteoMex aeria, así como el tratamiento y visualización de los datos generados por nuestro dispositivo utilizando la plataforma de IoT de código abierto ThingsBoard. Tomada del sitio web http://www.meteomex.com/drupal/.
Análisis estadístico
Se realizó una base de datos para las diferentes variables de medición y tiempos. Se
realizaron diagramas de caja y bigote, y para evaluar la normalidad de los datos se
utilizó la prueba de Shapiro-Wilk. Para la comparación de los datos cuantitativos con
distribución normal se utilizó la prueba de t de student y para los datos que no se
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ajustan a una distribución normal la prueba no paramétrica de Wilcoxon. Para los
análisis de correlación de igual manera se probaron la correlación de Pearson y de
Spearman. Para el procesamiento de los datos, análisis y generación de los gráficos
se utilizó el software R (http://www.rproject.org) mediante las herramientas de acceso
libre en los sitios http://www.sthda.com/english/ y http://shiny.chemgrid.org/boxplotr/.
Período de colecta de datos
Se colectaron datos en un periodo comprendido entre el 26 de mayo 2020 y el 08 julio
2020 como se aprecia en el siguiente diagrama:
Lugar de estudio
La investigación se realizó dentro del Instituto Nacional de Enfermedades
Respiratorias, “Ismael Cosío Villegas”, específicamente dentro del área del
Departamento de Investigación de Inmunogenética y Alergia. El cual se encuentra en
la Ciudad de México, delegación Tlalpan. Las coordenadas geográficas de Tlalpan son
19° 09’ 57’’ latitud Norte y 99° 09’ 57’’ de longitud Oeste del Meridiano de Greenwich
(Figura 3).
La Delegación de Tlalpan tiene un área de 312 kilómetros cuadrados, los cuales
representan el 20.7 por ciento del territorio de la Ciudad de México. La máxima altitud
es de 3 mil 930 metros y corresponde al Cerro de la Cruz del Marqués. La mínima es
1ª estancia intramuros: 26 de mayo 2020 – 02 de junio 2020
1ª estancia extramuros: 03 de junio 2020 – 17 de junio 2020
2ª estancia intramuros: 18 de junio 2020 – 23 de junio 2020
2ª estancia extramuros: 24 de junio 2020 – 08 de julio 2020
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de 2 mil 260 metros y se fija en los alrededores del cruce de las avenidas Anillo
Periférico y Viaducto Tlalpan.
Tlalpan tiene cinco tipos o subtipos de climas. El 32 por ciento de la superficie
delegacional tiene clima templado subhúmedo con lluvias en verano y mayor
humedad. El 6 por ciento de la superficie tiene clima templado subhúmedo con lluvias
en verano y de media humedad. El 0.33 por ciento de la extensión territorial tiene una
temperatura templada subhúmeda con lluvias en verano y de menor humedad. En el
17.7 por ciento predomina la atmósfera semifría húmeda con abundantes lluvias en
verano. En el 44 por ciento de la demarcación hay clima semifrío subhúmedo con
lluvias en verano, de mayor humedad. Las temperaturas medias anuales se registran
en las partes más bajas y oscilan entre los 10 y 12 grados centígrados, mientras que
en las regiones con mayor altitud son inferiores a los 8 grados centígrados.
Figura 3. Localización geográfica del Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias “Ismael Cosío Villegas” (https://www.google.com.mx/maps).
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Arquitectura General del MeteoMex aeria Para el monitoreo ambiental, se utilizó la infraestructura MeteoMex, un proyecto
basado en el internet de las cosas (IoT), escalable, 100 % open source, simple y
rentable. Éste permite la colección de datos en tiempo real e in situ para diferentes
aplicaciones que van desde la agricultura, ecología, seguridad y salud. El MeteoMex
aeria fue configurado y se ubicó en dos diferentes tiempos dentro y fuera del laboratorio
de Inmunogenética y Alergia del Instituto de Enfermedades Respiratorias Ismael Cosío
Villegas, en la Ciudad de México (Figura 4).
Figura 4. Localización de la infraestructura de MeteoMex aeria en el laboratorio de Inmunogenética y Alergia dentro del INER.
Para el montaje intramuros y extramuros, sólo se requirió de conectar el microUSB a
una fuente de energía de 5 V (Figura 5) que es seguro para humanos y animales, y en
el caso de extramuros colocarlo dentro de una caja para proteger el dispositivo del
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polvo, insectos y agua, el cual se puede realizar con cualquier material reciclable
(Figura 6).
Figura 5. Disposición del dispositivo MeteoMex aeria y su fuente de energía de 5 V mediante una conexión microUSB.
Figura 6. Protección del dispositivo MeteoMex para polvo, lluvia e insectos, utilizando una caja de plástico.
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Monitorización por MeteoMex aeria
En colaboración con el Dr. Robert Winkler, se configuró un dispositivo MeteoMex aeria
para el Departamento de Investigación en Inmunogenética y Alergia. En esta primera
etapa, el dispositivo construido cuenta con sensores para medir cinco diferentes
parámetros ambientales (Figura 7):
- Temperatura en °C;
- Humedad relativa expresada como porcentaje;
- Presión atmosférica en Pa;
- Equivalentes de CO2 en ppm; y
- Compuestos orgánicos volátiles totales (COVs) en ppb.
Figura 7. Captura de pantalla del panel de medición MeteoMex aeria en tiempo real y accesible a través del sitio de internet https://bit.ly/3awYUpy.
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La arquitectura del MeteoMex aeria consta de una micro tarjeta Wemos D1
(https://www.wemos.cc/) que cuenta con una entrada micro USB para la alimentación
de energía, pero también para ser programada. Sobre ésta se colocó una tarjeta
impresa (PCB) con los circuitos electrónicos que facilitan el montaje de los sensores.
El sensor BME280 para la medición de temperatura, humedad relativa y presión
barométrica; y un sensor CCS811 que tiene la capacidad de detectar compuestos
orgánicos volátiles (COVs). Adicionalmente, el dispositivo cuenta con un microchip
Wemos ESP-8266EX que provee de WiFi para su conexión a internet (Figura 8).
Figura 8. Circuito electrónico de MeteoMex aeria con microchip Wemos ESP-8266EX que permite su conexióna internet. Tomada del sitio: http://www.meteomex.com/drupal/node/3.
Por otro lado, para la programación se utilizó la plataforma de creación electrónica de
código abierto Arduino IDE (https://www.arduino.cc/). Los programas compilados
fueron transferidos a la tarjeta Wemos mediante la interfase USB. Para la colección,
tratamiento y visualización de los datos generados por nuestro dispositivo, se utiliza la
plataforma IoT de código abierto ThingsBoard (https://thingsboard.io/) (Figura 9).
El almacenamiento se hace en una base de datos PostgreSQL
(https://www.postgresql.org/) que permite su posterior análisis por minería de datos.
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Toda la información para el ensamble y programación está disponible para su consulta
desde el repositorio MeteoMex GitHub en el sitio https://github.com/robert-
winkler/MeteoMex. El sitio web específico para el dispositivo del INER puede ser
consultada en la siguiente dirección: https://bit.ly/3awYUpy.
Figura 9. Visualización de los datos utilizando la plataforma de IoT de código abierto ThingsBoard.
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RESULTADOS
Se logró monitorear la calidad del aire intramuros y extramuros mediante la
instalación y programación de un dispositivo de IoT MeteoMex aeria. En la Figura
10 se observan los resultados del monitoreo continuo para todo el rango de
muestreo. El dispositivo se ubicó en dos diferentes tiempos dentro y fuera del
laboratorio del Departamento de Inmunogenética y Alergia del Instituto de
Enfermedades Respiratorias Ismael Cosío Villegas, en la Ciudad de México.
Durante el montaje se requirió de conectar un puerto microUSB a una fuente de
energía de 5 V, y en el caso de extramuros el dispositivo se colocó dentro de una
caja para protegerlo del polvo, insectos y agua, utilizando para ello un material
reciclable, el cual no tuvo alteraciones durante todo el tiempo de colecta de datos.
Figura 10. Patrón de monitoreo ambiental intramuros y extramuros mediante el dispositivo de IoT MeteoMex aeria para el período comprendido entre el 26 de mayo al 08 de julio del 2020. Tomada del sitio https://bit.ly/3awYUpy.
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Para la colección, tratamiento y visualización de los datos generados por nuestro
dispositivo, se utilizó la plataforma de código abierto ThingsBoard, ésta permite
accesar a rangos determinados de fecha y tiempo lo que permite además de la
consulta de los datos, hacer una comparación directa de las condiciones ambientales
en un lapso específico de tiempo. El almacenamiento se realizó en una base de datos
PostgreSQL que permite su posterior análisis por minería de datos, recabando los
siguientes resultados. Se midieron 5 parámetros: Temperatura, % Humedad relativa,
Presión atmosférica, Equivalentes de CO2 y Compuestos orgánicos volátiles totales
(COVs), mediante la infraestructura MeteoMex, un proyecto basado en el internet de
las cosas (IoT), se ubicó en cuatro diferentes tiempos.
En el primer periodo intramuros que comprende del día 26 de mayo del 2020 al 02 de
junio del 2020, se obtuvieron los siguientes datos: cuantificación de Equivalentes de
CO2 en promedio 806.43 ppm, con un nivel máximo de 3355.4 ppm que corresponde
al mismo día de cuantificación máxima de COVs y un nivel mínimo de 409.73 ppm.
Para el parámetro de COVs obtuvimos un promedio de 61.42 ppb con un nivel máximo
de 449.67 ppb del día 27 de mayo del 2020 y un nivel mínimo de 0.93 ppb. Por lo que
respecta al porcentaje de humedad relativa, ésta registró un promedio de 21.36 %, con
una temperatura promedio de 30.57 ºC y una presión atmosférica de 78022.94 Pa.
Los resultados para el primer periodo extramuros que comprende del día 03 de junio
del 2020 al 17 de junio del 2020, se obtuvieron los siguientes datos: cuantificación de
Equivalentes de CO2 en promedio 2751.71 ppm, con un nivel máximo de 7962.87 ppm
y nivel mínimo de 696.87 ppm. COVs en promedio de 357.79 ppb con un nivel máximo
de 1151.6 ppb y un nivel mínimo de 44.73 ppb. Con una humedad relativa promedio
de 24.04 %, temperatura promedio de 29.38 °C y presión atmosférica de 77987.22 Pa.
En el segundo periodo intramuros que comprendió del día 18 de junio del 2020 al 17
de junio del 2020, se obtuvieron los siguientes datos: cuantificación de Equivalentes
de CO2 en promedio 1006.03 ppm, con un nivel máximo de 3335.534 ppm que
corresponde al mismo día de cuantificación máxima de COVs y nivel mínimo de 454.33
ppb. Para los COVs en promedio se registró un valor de 91.83 ppb con un nivel máximo
de 446.67 ppb del día 18 de junio del 2020 y un nivel mínimo de 7.8 ppb. Con humedad
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relativa promedio de 25.61 %, temperatura promedio de 29.6 °C y presión atmosférica
de 78045.24 Pa.
En el segundo periodo extramuros que comprende del día 24 de junio del 2020 al 08
de julio del 2020, se obtuvieron los siguientes datos: cuantificación de Equivalentes de
CO2 en promedio 4547.56 ppm, con un nivel máximo de 7992 ppm y nivel mínimo de
702.13 ppm. COVs en promedio de 631.32 ppb con un nivel máximo de 1156 ppb y un
nivel mínimo de 45.53 ppb. Con una humedad relativa promedio de 31.08 %,
temperatura promedio de 27.47 ºC y una presión atmosférica de 77964.07 Pa.
En donde se puede observar a simple vista en los primeros cuatro parámetros
monitoreados la diferencia de medición en los 4 tiempos medidos, el quinto y último
parámetros que es la presión atmosférica no detecta una variación significativa
dependiente de las fechas de medición (Figura 11).
Figura 11. Monitoreo de la presión atmosférica intramuros y extramuros mediante el MeteoMex aeria en tiempo real. Tomada del sitio https://bit.ly/3awYUpy.
En los primeros dos parámetros, medición de COVs y CO2, se puede observar una
diferencia importante entre cada periodo medido, con altas y bajas durante cada día
medido, que se podría interpretar, el aumento de estos dos parámetros paulatino
durante la mañana hacia la tarde, de predominio en periodos extramuros,
relacionándose directamente y proporcional al inicio de actividades diarias. Además,
si comparamos el primer periodo intramuros con el segundo periodo extramuros hay
- 36 -
un aumento significativo y sostenido de COVs y CO2, que se sugiere está relacionado
con la restricción vehicular por estado de contingencia en la Ciudad de México (Figura
12).
Figura 12. Monitoreo de COVs intramuros y extramuros mediante MeteoMex aeria en tiempo real. Tomada del sitio https://bit.ly/3awYUpy.
También se puede observar la diferencia que tienen los siguientes dos parámetros
medidos, humedad relativa y temperatura, que a simple vista nos hace distinguir en
qué momento el dispositivo se encuentra en un medio interior y exterior, siendo valores
más altos en este último (Figura 13).
Figura 13. Monitoreo de humedad relativa y temperatura intramuros y extramuros mediante MeteoMex aeria en tiempo real. Tomada del sitio https://bit.ly/3awYUpy.
- 37 -
Los resultados se graficaron en diagramas de box-plot para visualizar la distribución y
dispersión de los datos y facilitar así su análisis. Los resultados nos arrojaron lo
siguientes datos.
Se reportó para el parámetro eCO2 en monitorización intramuros y extramuros en el
primer periodo una mediana de 500 ppm y 1823.50 ppm respectivamente, y en un
segundo periodo de 707.5 ppm en comparación con 3979 ppm (Figura 14).
Figura 14. Comparativo de la monitorización de eCO2 intramuros y extramuros (eCO2 expresado en ppm; + representa la media de los datos).
Se reportó COVs en monitorización intramuros y extramuros en el primer periodo una
mediana de 15 ppb y 216.5 ppb respectivamente, y en un segundo periodo de 46 ppb
en comparación con 545 ppb (Figura 15). Donde claramente se observa un aumento
importante de concentración en los periodos extramuros respecto a los periodos
intramuros, así mismo, entre los dos periodos extramuros se reporta mayor
concentración en el segundo, un poco más del doble (216.5 ppb vs 545 ppb), lo que
podría estar relacionado con el aumento de tráfico vehicular y mayor actividad de la
ciudad, relacionada con el estado de contingencia que se encontraba la Ciudad de
México en ese periodo.
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Figura 15. Comparativo de la monitorización de COVs intramuros y extramuros (COVs expresado en ppb; + representa la media de los datos).
Se reportó Humedad en monitorización intramuros y extramuros en el primer periodo
una mediana de 21.56 % y 26.91 % respectivamente, y en un segundo periodo de
24.57 % en comparación con 31.66 % (Figura 16).
Figura 16. Comparativo de la monitorización del porcentaje de humedad relativa intramuros y extramuros (Humedad Relativa expresada en %; + representa la media de los datos).
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Se reportó una Temperatura en monitorización intramuros y extramuros en el primer
periodo una mediana de 30.19 ºC y 27.35 ºC respectivamente, y en un segundo
periodo de 29.83 ºC en comparación con 26.30 ºC (Figura 17).
Se reportó Presión atmosférica en monitorización intramuros y extramuros en el primer
periodo una mediana de 78031.15 Pa y 77950.46 Pa respectivamente, y en un
segundo periodo de 78062.98 Pa en comparación con 77982.65 Pa, siendo este el
parámetro con menos variación (Figura 18).
Figura 17. Comparativo de la monitorización de la temperatura intramuros y extramuros (Temperatura expresada en º C; + representa la media de los datos).
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Figura 18. Comparativo de la monitorización de presión atmosférica intramuros y extramuros (Presión atmosférica expresada en Pa; + representa la media de los datos).
Con estos resultados evaluamos el desempeño del MeteoMex aeria y nos permite
hacer comparaciones in situ en tiempo real.
Un consenso de los resultados obtenidos se muestra en la Tabla 3. En ésta se muestra
un análisis comparativo para los 5 parámetros eCO2, COVs, HR, Temperatura, presión
atmosférica) y en las dos condiciones evaluadas (intramuros vs extramuros). La media
de los rangos es superior en el monitoreo extramuros en comparación de intramuros
de las variables eCO2, COVs y % HR, mientras que en las otras 2 variables
temperatura y presión atmosférica el valor es mayor en la condición intramuros. El
análisis de comparación de medias presenta una diferencia estadística tal como se
nos ocurre a priori, mostrando el valor del estadístico de contraste, (el p-valor).
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Tabla 3: Media de las variables intramuros y extramuros tomada de base de datos postgresql (https://www.postgresql.org/).
1er Intramuros
1er Extramuros
2do Intramuros
2do Extramuros
p-valor
eCO2 828.51ppm 2625.65 ppm 1029.26 ppm 4605.30 ppm 2.79E-175
COVs 64.78 ppb 339.58 ppb 95.40 ppb 640.1 ppb 2.69E-175
HR 20.60 % 24.12 % 24.89 % 31.22 % 2.33E-37
TEMPERATURA 30.34 ºC 29.34 ºC 29.81 ºC 27.40 ºC 5.86E-25 PRESIÓN 77993.55 Pa 77980.83 Pa 78039.73 Pa 77967.17 Pa 4.36E-06
Posteriormente se realizó un análisis de correlación para evaluar el grado de
dependencia entre las múltiples variables ambientales para cada uno de los tiempos
monitoreados (Figura 19). Los resultados intramuros muestran una menor correlación
general entre variables a diferencia de extramuros, donde se registra una fuerte
correlación negativa entre % HR y temperatura, pero además una interesante
tendencia entre la emisión de eCO2 y COVs de manera positiva con el % HR y negativa
con la temperatura.
Finalmente se realizó un análisis de correlación con el índice de la calidad del aire
reportado por la REMA para la estación del Centro de Ciencias de la Atmósfera
(19.326111, -99.176111), que corresponde con el sitio de monitoreo más cercano al
INER donde se probó el MeteoMex aeria. En éste se reportan los siguientes
contaminantes: CO, NO, NO2, NOx, O3, PM25 y SO2. El análisis se realizó con los
valores de monitoreo extramuros para ambos períodos (Figura 20).
En donde se puede observar una correlación positiva importante como ya lo
mencionamos entre COVs y eCO2 extramuros nuevamente, además de una tendencia
de manera positiva a la emisión entre CO reportado por la RAMA con COVs y eCO2
reportado por nuestro MeteoMex aeria. También se puede observar una tendencia a
la correlación negativa entre el Ozono y el porcentaje de humedad reportado por
MeteoMex.
- 42 -
A)
B)
Figura 19. Análisis de la correlación entre las variables ambientales intramuros A) y extramuros B).
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Figura 19. Análisis de correlación con el índice de la calidad del aire reportado para los contaminantes monitoreados por la RAMA y las variables obtenidas con el dispositivo MeteoMex aeria.
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DISCUSIÓN
Nuestra investigación logró monitorizar la calidad del aire intramuros y extramuros
mediante la implementación de un dispositivo de internet de las cosas, MeteoMex
aeria. Para la colección, tratamiento y visualización de los datos generados por nuestro
dispositivo, se utilizó la plataforma de código abierto ThingsBoard. A ésta se puede
acceder tanto en tiempo real como un rango de fecha o tiempo determinado por el
usuario para consultar las 5 variables ambientales. El almacenamiento se realiza en
una base de datos PostgreSQL (https://www.postgresql.org/) que permite su posterior
análisis por minería de datos.
Esta tesis ha evaluado el potencial del monitoreo ambiental móvil para mapear el clima
y la calidad del aire intra y extramuros, in situ y en tiempo real. Hemos demostrado que
las mediciones móviles pueden proporcionar datos con un detalle que no sería posible
con mediciones estacionarias, aunque en este momento podría no ser de la misma
resolución. Sin embargo, el detalle de las variables observados en los niveles de
contaminación del aire muestra claramente el valor agregado del monitoreo móvil
como complemento del monitoreo estacionario. De esta manera, se pueden identificar
los puntos críticos y se puede investigar la importancia de las fuentes intra y
extramuros de contaminación.
Históricamente, los enfoques para monitorear la contaminación del aire generalmente
utilizan equipos estacionarios, complejos y costosos, que limitan quién recopila datos,
por qué se recopilan y cómo se accede a éstos. Este paradigma está cambiando con
el acceso cada vez más distribuido a sensores portátiles y con conectividad a internet,
que permiten monitorear la contaminación del aire, que son fáciles de instalar y usar,
además con un costo accesible y con el potencial de proporcionar datos de alta
resolución en tiempo casi real. Estos atributos brindan oportunidades para mejorar una
gama de capacidades existentes de monitoreo de la contaminación del aire y tal vez
brinden vías para nuevas aplicaciones de monitoreo del aire. Los sensores vinculados
a los avances en informática y comunicación también brindan una mayor disponibilidad
y accesibilidad de los datos de monitoreo del aire.
- 45 -
De acuerdo con nuestros resultados los valores más significativos en comparación
intramuros versus extramuros, es el reporte de COVs y eCO2. Actualmente en México
no existen reportes de un sistema que monitorice estos parámetros de calidad del aire
de manera similar al MeteoMex aeria. Sin embargo, podemos correlacionar con ciertos
parámetros reportados por la RAMA, encontrando que existe una correlación entre el
CO y los niveles de COVs, pudiendo así valorar los COVs como indicador de la calidad
del aire ya que presenta una tendencia a la correlación positiva.
Otro resultado que nos arrojó este estudio, que pueda apoyar aún mas la afirmación
de que los COVs pudieran ser un indicador de la calidad del aire, es la diferencia
importante de la emisión de éste, de manera intra y extramuros, reportando niveles de
hasta un poco más del doble, lo que se traduciría que en la atmosfera no controlada
como es el exterior se elevan estos por diferentes causas en las que se encuentran el
número de personas a su alrededor y las actividades que se realizan., Una mayor
correlación entre la humedad y la temperatura podría estar relacionada con los altos
niveles de O3, ya que el ozono troposférico se encuentra a nivel de superficie y en
áreas urbanas se produce cuando los óxidos de nitrógeno (NOX) y los compuestos
orgánicos volátiles (COVs) reaccionan en la atmósfera en presencia de luz solar,
elevando la emisión de éste por su destrucción. Esto se podría comprobar comparando
estos dos sensores RAMA y MeteoMex aeria los días 9 y 30 de junio del 2020, por
ejemplo, en donde se reportan los más altos niveles de O3 y COVs respectivamente y
aún siendo más llamativo que estos niveles no solo concuerdan en estas fechas sino
que reportan elevación en horarios muy similares de entre las 6 y 14 horas, con un
pico máximo a las 12 h, lo que podría estar relacionado con el tráfico reportado,
además de la actividad máxima de la población, apoyando el nuestra propuesta de
indicador de calidad del aire.
En México la monitorización de COVs, como ya se mencionó, aún no se encuentra
estandarizada, sin embargo, existen estudios de la monitorización de estos. Arriaga-
Colina y colaboradores reportaron entre 1992 y 2001; estas mediciones representan
el registro más largo y completo de mediciones de COV disponible para la Ciudad de
México. Se recolectaron muestras de COVs de aire ambiental en sitios de monitoreo
- 46 -
de calidad del aire de la superficie, en botes de acero inoxidable electropulido y se
analizaron mediante cromatografía de gases con detección de ionización de llama para
los hidrocarburos, reportó los VOC totales en las mediciones matutinas y su tendencia
a lo largo de la duración del estudio. Las concentraciones promedio de COVs totales
en cada campaña estuvieron entre 3130 y 6711 ppb en Xalostoc (noreste del centro
de la ciudad), 2994 y 4935 ppb en La Merced (centro) y 1136 y 2815 ppb en Pedregal
(suroeste). La zona más cercana a nuestra medición es la zona del Pedregal en
comparación con éste tuvimos en promedio de medición de extramuros de 151 y 1109
ppb. En este estudio se estimó que la concentración de COVs disminuirá entre 1992 y
2001 en un 20 % en Pedregal. A pesar del crecimiento en el transporte y otras
actividades que conducen a emisiones, las concentraciones ambientales de COVs
aparentemente se han estabilizado y pueden estar disminuyendo. Dado que el número
de vehículos y las emisiones de COVs de otras fuentes habría crecido sin los controles,
está claro que las medidas de control de emisiones implementadas han sido efectivas
para detener el crecimiento de las emisiones de COVs y pueden haber causado una
disminución en emisiones, lo que podría explicar nuestros resultados [6].
En el 2015 Garzón y colaboradores midieron los COVs más comunes en la Ciudad de
México y reportó que el propano y el etanol fueron los dos COVs más abundantes
encontrados en todos los sitios de monitoreo en 2012. De manera similar, la mayoría
de los COVs medidos, el propano y el etanol exhibieron el mismo patrón de un pico
prominente temprano en la mañana (5-9hrs), seguido de una disminución constante
excepto por un ligero aumento alrededor de las 21:00 h. Este patrón de concentración
de COVs por hora fue el mismo para todos los sitios de monitoreo y es consistente con
los patrones reportados en varios trabajos anteriores, lo que se relaciona con nuestros
resultados con una elevación importante por la mañana y disminución conforme pasa
el día y con una elevación significativa de horario de las 20 a 22 h [5].
Claramente, más mediciones matutinas de COVs totales en más sitios y con mayor
frecuencia pueden ayudar a mejorar este tipo de análisis en el futuro, así como a
mejorar una comprensión más general de las concentraciones de COVs. Es importante
mencionar que, a diferencia de los estudios en la Ciudad de México, nuestra
- 47 -
investigación implemento un dispositivo nuevo, económico, fácil de usar y con la
tecnología de Internet de las cosas que mide condiciones ambientales es tiempo real.
En un escenario futuro, varios dispositivos de medición pueden estar midiendo
constantemente por toda la ciudad, conectados a plataformas móviles. Estas
mediciones se usarán para generar un mapa de contaminación dinámico en tiempo
real y así individualizar el tratamiento de cada paciente y aún más importante tomar
medidas en sus hogares para modificar ciertas actividades que pudieran estar
afectando la salud del paciente, el progreso de su enfermedad y control.
Sin embargo, la generación actual de sensores de bajo costo que están disponibles
comercialmente aún carece de estas capacidades y no se puede utilizar fácilmente
para el monitoreo de la calidad del aire. Algunos ejemplos alentadores muestran el
potencial, pero aún se requiere el conocimiento de los principios de detección y el
diseño de la electrónica, y la experiencia en el procesamiento de datos complejos y la
calibración de campo para producir resultados valiosos. Esto plantea una gran barrera
para utilizar dichos sensores. Recientemente, se pusieron a disposición algunos
dispositivos comerciales integrados que incluyen estrategias para aumentar el
rendimiento. Pero estos dispositivos son más caros y no hay una validación rigurosa
disponible públicamente [44, 45].
Los sensores para la medición de la contaminación del aire de bajo costo y fáciles de
usar, brindan a investigadores oportunidades para monitorear calidad del aire local que
puede afectar directamente su vida diaria. Estos sensores han hecho que se recopile
más información en el transcurso del tiempo, haciendose cada vez más especializados
e informados sobre la calidad del aire, lo que les permite ser más familiarizado con
problemas potenciales de calidad del aire, para desarrollar estrategias basadas en la
comunidad para reducir exposiciones a la contaminación para proteger su salud. Por
ejemplo, el Programa Citizen Weather Observer recopila datos meteorológicos de
estaciones meteorológicas personales, compradas por ciudadanos de los EE. UU.,
reporta estos datos en tiempo real al Sistema de Ingesta de Datos de Asimilación
Meteorológica de NOAA (http://www.wxqa.com/index.html). Las estaciones
meteorológicas personales ya ensambladas están disponibles por alrededor de 100
- 48 -
dólares (http://www.acurite.com/all.html). Tambien los ingenieros de la Airalab Rus
tuvieron la idea de instalar un sensor automático moderno proporcionado por Libelium
en varias áreas de juego en Togliatti (Rusia). Así es como el “Smart yard se inició́ en
el proyecto “Ambiente seguro”.
Este proyecto cuenta con un sistema de sensores que monitorean la calidad del aire
en parques. Airalab utiliza la tecnología blockchain para almacenar información en una
red descentralizada. En este caso, permite que el estado y sus ciudadanos obtengan
datos confiables y los utilicen junto con la información de publicaciones estacionarias.
El objetivo de Airalab es sentar las bases para la implementación de una red de
Monitoreo de la calidad del aire en áreas de especial vulnerabilidad (escuelas, patios
de recreo, residencias de ancianos, hospitales, etc.) que pueden brindar información
para que los gobiernos locales tomen medidas que protejan a sus ciudadanos como
se ve en la figura 20 [46]. La importancia de realizar una estrategia de prevención es
el objetivo principal después de haber comprobado la funcionalidad de implementar de
un dispositivo nuevo que mide condiciones ambientales, donde podríamos tomar
inicialmente este modelo.
Figura 20. Proyecto “Smart yard. Safe environment”. Sensor automático proporcionado por Libelium en varias áreas de juego en Togliatti (Rusia).
- 49 -
Podemos concluir esta sección sobre la detección de bajo costo que, en este
momento, no existen soluciones de bajo costo fácilmente disponibles para la detección
ubicua de la calidad del aire interior y exterior como lo menciona Theunis et al. [45]. El
rendimiento de la mayoría de los sensores de bajo costo disponibles aún no está
completamente caracterizado y se desconoce su confiabilidad a largo plazo [3]. Sin
embargo, la tecnología de sensores se está desarrollando rápidamente y es concebible
que en varios años los sensores de bajo costo cumplan con los requisitos actuales de
monitoreo regulatorio. Algunos ejemplos alentadores muestran que el uso de sensores
de bajo costo tienen potencial, pero sigue habiendo una serie de desafíos técnicos y
prácticos, incluido el desarrollo de sensores robustos que producen datos de alta
calidad, diseño electrónico cuidadoso, durabilidad de los elementos de detección,
publicación de datos avanzados, procedimientos de procesamiento o calibración de
campo, evaluaciones rigurosas de sensores e integración de datos de múltiples
sensores de diferente calidad [3, 45].
La discusión anterior describe el panorama actual de los sensores de contaminación
del aire y una gama probable de oportunidades para la aplicación de sensores, desde
la mejora de nuestras redes nacionales de monitoreo del aire hasta el monitoreo
comunitario e individual. Sin embargo, sigue habiendo una serie de desafíos técnicos
y prácticos generales asociados con esta área emergente de la salud. El enfoque de
monitoreo móvil también proporciona una herramienta accesible para campañas de
medición locales con la participación de voluntarios, ONG o gobiernos locales.
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CONCLUSIÓN
A pesar de los esfuerzos por minimizar los niveles de contaminación, la contaminación
del aire todavía tiene un impacto negativo considerable en nuestra salud y bienestar.
Conduce a muchas muertes prematuras evitables y a un aumento de las
enfermedades cardiovasculares y respiratorias. La gran mayoría de la población
todavía está expuesta a niveles de partículas y contaminantes que la OMS considera
perjudiciales.
Una comprensión más profunda de la relación entre el clima y la calidad del aire es el
primer paso para el desarrollo de un pronóstico confiable, evitando las complicaciones
de enfermedades como el asma y así poder tomar varias medidas para brindar
protección o minimizar los síntomas y exacerbaciones de la misma.
Los impactos en la salud de la contaminación del aire resultan tanto del nivel como de
la duración de la exposición; por lo tanto, los estándares nacionales y los parámetros
de referencia de la salud química reflejan ambos aspectos de la exposición. El nivel de
concentración registrado por un sensor de contaminación del aire en un punto
específico en el tiempo puede estar por encima o por debajo de un estándar o punto
de referencia de salud, ya que puede no reflejar la duración de la exposición
relacionada con este estándar o punto de referencia. Como resultado, se necesita una
forma menos compleja, fácil de adquirir, de manera personalizada que pueda
contrarrestar estos contratiempos que pudiesen tener los dispositivos para monitorizar
la calidad del aire en la Ciudad de México.
Esta investigación tuvo como objetivo integrar la tecnología del internet de las cosas
en una plataforma para la atención médica. Con este propósito, MeteoMex, un
proyecto basado en el internet de las cosas (IoT), escalable, 100 % open source,
simple y rentable permitió la colección de datos in situ: Temperatura, % Humedad
relativa, Presión atmosférica, Equivalentes de CO2, Compuestos orgánicos volátiles
totales (COVs), en ambiente interior y exterior, dando la oportunidad de valorar la
calidad del aire en tiempo real, lo que debería ayudar al clínico a adaptar
- 51 -
inmediatamente su tratamiento para lograr un mejor control del asma con una
reducción del riesgo futuro. Para ser representativo y útil para la toma de decisiones
personales o comunitarias, se requieren grandes cantidades de datos. Las mediciones
móviles deben repetirse con regularidad y el procesamiento de los datos debe de
compararse con sistemas de monitoreo establecidos.
La importancia de este trabajo radica en que el uso de estos sensores puede
potencialmente conducir a una mejor protección de la salud pública y el medio
ambiente al proporcionar a las comunidades mejores datos sobre la contaminación y
la calidad del aire. En el futuro, los sensores de bajo costo aumentarán las
oportunidades para realizar mediciones móviles en campañas participativas a mayor
escala y proyectos de ciencia ciudadana y para mapear de manera colaborativa la
calidad del aire urbano.
Se espera que los resultados de este trabajo sean útiles para investigadores,
ingenieros, profesionales de la salud y formuladores de políticas que trabajan en el
área de IoT y tecnologías sanitarias. Específicamente se espera que este proyecto sea
el inicio de investigaciones que incluya tecnología para poder mejorar la calidad de
vida de los pacientes de Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias inicialmente
y en un futuro realizar una plataforma de manera más globalizada.
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