Redes Inalámbricas de Sensores Inteligentes. Aplicación a la Monitorización de Variables Fisiológicas

Héctor Ramos Morillo, Francisco Maciá Pérez, Diego Marcos Jorquera

1 Departamento de Tecnología Informática y Computación, Universidad de Alicante, Carretera San Vicente s/n, 03690 San Vicente del Raspeig (Alicante), España

{hramos, pmacia, dmarcos}@dtic.ua.es http://www.dtic.ua.es/grupoM/

Abstract. La monitorización continua de los parámetros fisiológicos en los humanos con el fin de controlar su salud sigue siendo un problema abierto en cuanto a las incomodidades causadas al paciente y por lo engorroso y costoso del proceso. La continua miniaturización de los dispositivos, el aumento de la capacidad de computación y los avances en las técnicas de reducción de consumo de energía permiten la aparición nuevos modelos de recopilación de información. Los tradicionales sensores han dejado paso a los sensores inteligentes, capaces de integrase sin necesidad de cables con las redes de datos de una manera rápida y transparente, gracias al uso de estándares abiertos ampliamente difundidos. En este artículo se propone un mecanismo basado en redes de sensores inteligentes para facilitar la monitorización de parámetros en humanos que evite su hospitalización y que les permita, en la medida de lo posible, seguir con su actividad cotidiana. Así mismo, se discute cómo se integrará este enfoque en el sistema de información sanitario de una forma natural, bajo estándares comunes.

1 Introducción

Actualmente siguen existiendo grandes barreras en la monitorización de los parámetros fisiológicos. Habitualmente casi cualquier actividad de monitorización requiere un esfuerzo por parte de todos los actores implicados. Pensemos en la realización de un electrocardiograma, para poder realizarlo se precisa que el paciente se desplace hasta un centro médico en el que se le realice la prueba, lo que implica que tenga que modificar su actividad cotidiana. Esta situación se agrava mucho más cuando la prueba a realizar no se reduce a unos minutos de monitorización, sino que se deben recopilar datos a lo largo de una noche o incluso a lo largo de uno o varios días con el fin de obtener la suficiente información para llevar a cabo un diagnóstico fiable. Estos casos suelen requerir la hospitalización del paciente, lo que implica un perjuicio para el mismo y para los servicios médicos encargados de realizar la prueba, ya que se produce una saturación de los centros hospitalarios.

Al trasladar el intento de medición al interior del organismo la situación se agrava al aparecer la necesidad de establecer una vía de comunicación con el exterior del organismo para poder recuperar los datos obtenidos.

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Las alteraciones de la vida cotidiana se acentúa más en aquellos pacientes que sufren enfermedades crónicas, ya que tienen que estar sometidos regularmente a todo tipo de mediciones de control que no son, ni mucho menos, transparentes para el paciente. Un claro ejemplo se presenta en los enfermos de diabetes, o en pacientes con riesgo de parada cardiaca, en los que se hace imprescindible una monitorización diaria de los parámetros que regulan el riesgo de sufrir una lesión fatal.

Dichas dificultades no están únicamente relacionadas con la acción de obtención de la información, sino que además suelen estar relacionadas con la cantidad de información obtenida y su veracidad, la cual está íntimamente ligada con la precisión de la medición.

Los continuos avances en materia de Hardware y redes inalámbricas nos han situado a las puertas de una nueva Era en la que pequeños dispositivos inalámbricos nos proporcionarán acceso a la información en cualquier momento y en cualquier lugar (Computación Ubicua). Asimismo, dichos dispositivos participarán activamente en la creación de los llamados ambientes inteligentes, en los que las redes inalámbricas de sensores inteligentes jugarán un papel fundamental para la percepción, captación y distribución de la información obtenida a partir de un fenómeno ambiental.

Los dominios de aplicación de esta tecnología son múltiples. Un ejemplo es la detección de incendios forestales gracias a la diseminación de sensores inteligentes de temperatura por el entorno a monitorizar; pensemos también en el control de la contaminación ambiental en una gran ciudad gracias a estas redes de sensores; o en el control de humedad en vastas áreas de plantación agrícola; y como no en las aplicaciones médicas que pueden derivarse de la utilización de dichas redes de sensores.

La aplicación de las técnicas de sistemas embebidos miniaturizados y de redes inalámbricas de sensores inteligentes a la monitorización de las variables físicas de los sistemas biológicos puede suponer un gran avance.

En este artículo se propone un nuevo enfoque basado en redes de sensores inteligentes que permita superar las limitaciones actuales, como la necesidad de la presencia de cables. De esta forma se permite, por ejemplo, que el paciente esté en casa durante el proceso de obtención de datos a la vez que el médico es capaz de controlar los datos obtenidos de forma remota. Además se pretende conseguir la fácil integración de la red de sensores con el resto de infraestructuras presentes. Primero se analizará qué estructura Hardware y arquitectura software se presentan, se planteará el escenario general de desarrollo del sistema global que incluirá tanto la red de sensores inteligentes responsable del proceso de monitorización, como todas infraestructuras TIC que permitirán integrarlo dentro del sistema médico.

2 Related Work

Si bien se utilizan los términos transductor y sensor como sinónimos, entre ellos existen diferencias. Mientras que sensor es un término más general que abarca la extensión de nuestras capacidades físicas para obtener información del entorno que

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les rodea, el transductor es el dispositivo que convierte una señal de una forma física a otra, esto es, es un conversor de energía.

2.1 Sensores Inteligentes

Según el IEEE 1451.2 un transductor inteligente es aquél que proporciona más funciones de las necesarias para generar una correcta representación de la variable monitorizada, dichas funcionalidades típicamente están orientadas a facilitar la integración del transductor con las aplicaciones del entorno de red. La definición que se aporta para el término sensor inteligente es: “La versión en sensor de un transductor inteligente”. Se desprende pues que un sensor inteligente añade valor a los datos para dar soporte a la toma de decisiones y al procesamiento distribuido. Los ambientes inteligentes representan el nuevo paso en la evolución en la automatización de los sistemas industriales, domésticos, de trasporte y de la construcción. Al igual que un organismo sensitivo, un entorno inteligente confía en los datos sensoriales obtenidos del mundo real. Los datos sensoriales provienen de múltiples sensores, de múltiples propósitos distribuidos por múltiples localizaciones. Los ambientes inteligentes necesitan tanto la información del entorno que les rodea como la información de su propio funcionamiento. En la figura 1 se puede observar la estructura básica de un sensor inalámbrico inteligente.

Fig. 1. Estructura hardware básica de un sensor inalámbrico inteligente

Las claves de esta estructura son la capacidad de realizar procesamientos gracias al microprocesador, la capacidad de almacenar información en la memoria incorporada y la incorporación de un módulo de transmisión inalámbrica de los datos que permite captar la energía de la señal recibida para alimentar al sensor. De este modo no se precisa ningún tipo de infraestructura cableada que se conecte al sensor para que éste sea funcional. Junto a esta estructura se plantea la arquitectura software descrita en la figura 2.

RF Transceiver

Anal

ogyc

Sen

sor

[Tra

nsd

uct

or]

CPU

MEM Power Supply

ADC

Smart Sensor

Aerial

Envi

ronm

ent

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Fig. 2. Arquitectura software del sensor inteligente

En esta arquitectura software se presentas los protocolos y estándares necesarios para plantear el sensor inteligente como un Web Service. Con ello se pretende mejorar la integración e interoperatividad del sensor inteligente con otros sensores y en general con otros Web Services. Debido a las limitaciones de recursos existentes en los dispositivos embebidos, se ha optado por utilizar la funcionalidad estrictamente necesaria para cumplir con el estándar Web Services e implementarlo mediante una librería SOAP para dispositivos embebidos. Actualmente existen diversas implementaciones de librerías SOAP adecuadas para este tipo de dispositivos entre las cuales destacan gSOAP, cSOAP y kSOAP [8][9][11].

El objetivo de esta arquitectura es disponer de un sistema embebido completamente autónomo, que permita su utilización con la simple conexión a una red y que interaccione plenamente con el resto de posibles Web Services existentes para conseguir un sistema bajo demanda (utility Computing).

2.2 Redes de Sensores Inteligentes

En la actualidad existen multitud de redes de sensores cuyos datos pueden ser consultados a través de Internet [4], pero el problema radica en que cada red utiliza sus propios estándares, protocolos y formatos de representación de datos.

Las características deseables de los sensores de la red son [2]:

− Fácil instalación − Auto-identificación − Auto-diagnóstico − Confiabilidad − Coordinación con otros nodos − Funciones software y de tratamiento digital de la señal − Protocolos de control y de interfaz de red estándares

En 1993 el IEEE y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), comenzaron a trabajar en un estándar para las redes de sensores inteligentes. El resultado fue el estándar 1451 para dichas redes. El objetivo es hacer posible que varios fabricantes puedan fabricar sensores inteligentes y conectarlos a las redes de una forma sencilla [10].

Entre los objetivos de las redes sensores inteligentes se encuentra acercar el conocimiento al punto de medida, hacer viable en términos de coste la integración y mantenimiento de los sistemas distribuidos de sensores, crear un punto de encuentro

Hardware

TCP/IP

HTTP

Embedded SOAP

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entre los transductores, la monitorización, la computación y la comunicación con el fin de alcanzar un objetivo común, e interconectar numerosos sensores de diferente naturaleza. Las redes inalámbricas de sensores son la clave para que los ambientes inteligentes obtengan la información necesaria.

Los Web Services suponen la convergencia de las arquitecturas orientadas a servicios (SOA) y la Web [5], ya que obtienen las mejores características de las arquitecturas SOA y las combinan con la Web. A su vez, los Web Services permiten una fácil integración y una reutilización de los servicios actuales ya que permiten la comunicación universal mediante el uso de protocolos independientes de la plataforma, de los proveedores y del lenguaje. Además satisfacen los requerimientos necesarios para formar una red de sensores con interoperatividad y escalabilidad auténticas [4].

Mediante la estructura hardware y la arquitectura software anteriormente planteada se dota a los sensores de todas las herramientas necesarias para cumplir con las características deseables de los sensores y permitir a su vez la fácil y rápida integración de las redes de sensores con las infraestructuras ya presentes.

2.3 Aplicaciones de los Sensores Inalámbricos

La importancia de la monitorización continua de la salud se hace cada vez más patente según envejece la población. Los médicos quieren ser capaces de monitorizar más de cerca los posibles cambios que puedan suceder en el estado de salud de sus pacientes pero sin que éstos tengan que acudir más a menudo a la consulta. Como resultado se produce una demanda de dispositivos capaces de realizar una monitorización precisa, continua, remota y transparente del paciente. Los sensores inalámbricos inteligentes pueden cumplir los requerimientos necesarios para este tipo de aplicaciones, de ahí las recientes investigaciones de creación de sensores inteligentes inalámbricos para la monitorización de parámetros fisiológicos.

Actualmente el tratamiento de la diabetes pasa por la diaria monitorización de los niveles de glucosa en sangre del paciente. Para ello se usan lancetas de forma que mediante una punción se obtiene la cantidad de sangre necesaria para realizar el análisis. Este sistema presenta una serie de inconvenientes ya que la punción continuada varias veces al día, durante multitud años, puede llegar a dañar la piel e incluso los vasos sanguíneos de la zona. Mediante la implantación de sensores inalámbricos inteligentes se podrían realizar mediciones continuas sin necesidad de que el paciente sienta dolor alguno y dichas mediciones serían transmitidas a un receptor externo. De esta forma se podría llevar un control aún más exhaustivo de los niveles de glucosa alertando con mayor rapidez al usuario de las posibles fluctuaciones en los niveles que se produjesen. En [3] se describe el desarrollo de un prototipo de sensor inalámbrico de nivel de glucosa en sangre.

Las pulsioximetrías son muy comunes, ya que permiten la monitorización no invasiva de los niveles de oxígeno transportado por la hemoglobina en el interior de los vasos sanguíneos. Se utilizan tanto para realizar una evaluación inicial de los pacientes con alguna patología respiratoria, como para un seguimiento continuo de los pacientes inestables por su situación respiratorio y/o hemodinámica.

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Prácticamente se sitúa al nivel del resto de constantes vitales: la presión sanguínea, la frecuencia cardiaca, la frecuencia respiratoria y la temperatura. En [1] se aborda el desarrollo de un oxímetro inalámbrico que entre otras cosas permite mayor libertad de movimiento.

Otra aplicación médica de los sensores inteligentes es su utilización con el fin de sustituir tareas de sistemas biológicos. Un ejemplo de dicha utilización la podemos observar en [6] donde se describe el trabajo que están llevando a cabo para la creación de un sensor biomédico inteligente que permita, mediante la utilización de una cámara externa y una interfaz inalámbrica, provocar la estimulación eléctrica necesaria para que el sujeto identifique la presencia de objetos del entorno.

Aunque se están llevando a cabo grandes avances en la lucha contra el cáncer, sigue siendo necesaria una detección temprana de la enfermedad para obtener resultados favorables en su cura. Los sensores inalámbricos inteligentes pueden jugar un papel primordial en la detección temprana de la enfermedad. En [7] se realiza una propuesta de un sensor inalámbrico de onda acústica de superficie (SAW). Dicho sensor incorpora una biocapa de anticuerpos receptores de proteínas de células cancerosas, de forma que al detectar una variación de la densidad en la superficie biológica del sensor se detecte la presencia de células cancerosas.

3 Nuestra Propuesta

Fig. 3. Red corporal inalámbrica de sensores inteligentes

3.1 Red Corporal Inalámbrica de Sensores Inteligentes

Siguen existiendo dificultades a la hora de realizar la medición de ciertas variables fisiológicas. Tal y como se ha mencionado anteriormente persisten las barreras e incomodidades provocadas por la necesidad de la presencia de cables. En nuestra propuesta se plantea el hecho de utilizar la tecnología de las redes de sensores inalámbricos inteligentes en esta área de sensorización. Si generalmente es el paciente el que se adapta al dispositivo de monitorización, mediante este enfoque es el sensor

Access Point [Local Access]

Monitoring Network [Smart Sensors]

Monitorización de Variables Fisiológicas mediante Sensores Inteligentes 159

el que se adapta al paciente. La utilización de las redes inalámbricas de sensores inteligentes en el ámbito de la monitorización de parámetros fisiológicos permite superar muchas de las limitaciones actuales planteando escenarios como el expuesto en la figura 3.

La estructura hardware del sensor permite el funcionamiento del dispositivo sin la presencia de un cable externo que lo alimente, ya que es capaz de obtener la energía de la propia señal de radio que lo invoca. Éste sería el caso de los sensores pasivos que únicamente entran en funcionamiento en el momento que se les consulta. En aquellos casos en los que no se precise de una monitorización continua pueden llegar a ser muy útiles gracias a la sencillez derivada de la ausencia de una fuente de alimentación propia. En cualquier caso, mediante la incorporación de una pequeña fuente de alimentación se podrían realizar mediciones puntuales e ir almacenándolas en la propia memoria del sensor de forma que la información pudiese ser recuperada a posteriori.

Tal y como se ha descrito anteriormente un sensor inalámbrico inteligente posee cierta capacidad de computación. Si tradicionalmente dicha capacidad se ha limitado a un simple tratamiento previo de la señal capturada, en nuestro caso se aprovechan los recursos computacionales de los sensores y se les dota de la capacidad de identificarse como un servicio Web. En esta propuesta, la sensorización la lleva a cabo una red de sensores inteligentes que se identifican como Web Services. Se trata de una red ad-hoc conformada por un número variables de sensores que ofrecen multitud de servicios de sensorización. Gracias a la arquitectura software anteriormente especificada (figura 2), se dota a los sensores de las herramientas necesarias para que se registren y puedan ser invocados los servicios por cualquier dispositivo que incorpore un analizador XML [12].

3.2 Integración de la Red de Sensores con el Sistema Médico

Gracias a la existencia de una red de sensores y al uso de estándares ampliamente difundidos como es el estándar Web Service se puede plantear un escenario como el descrito en la figura 4 en el que se integra la red de sensores con el resto de elementos y actores que conforman el sistema médico.

Las ventajas desprendidas del planteamiento de los sensores inteligentes como Servicios Web son:

− Aportan interoperabilidad entre aplicaciones de software independientemente de sus propiedades o de las plataformas sobre las que se instalen

− Los servicios Web fomentan los estándares y protocolos basados en texto, que hacen más fácil acceder a su contenido y entender su funcionamiento

− Al apoyarse en HTTP, los servicios Web pueden aprovecharse de los sistemas de seguridad firewall sin necesidad de cambiar las reglas de filtrado

− Permiten que servicios y software de diferentes compañías ubicadas en diferentes lugares geográficos puedan ser combinados fácilmente para proveer servicios integrados

− Permiten la interoperabilidad entre plataformas de distintos fabricantes por medio de protocolos estándares

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En el escenario planteado se ha introducido un punto de acceso inalámbrico que actúa como gateway de la red inalámbrica de sensores inteligentes. Una vez que los sensores son accesibles a través de este punto de acceso, podrán ser integrados fácilmente con el resto del sistema ya que utilizan los mismos estándares de comunicación e intercambio de información. Este escenario permite, no sólo que el propio paciente monitorice dichos datos, sino que además pueda ser utilizada por el personal médico haciendo uso de las infraestructuras que ya existen.

Fig. 4. Escenario de desarrollo del sistema

Al integrar el sistema de monitorización con el resto de servicios de Internet se abre un abanico de posibilidades anteriormente inimaginables. Los datos podrían ser consultados por una red médica de forma remota, de este modo se le dota al paciente de mayor libertad de movimiento, en otras palabras, se consigue una mayor transparencia para el usuario. Los datos obtenidos también pueden ser registrados junto con los historiales médicos almacenados en los sistemas hospitalarios. Con todo ello se está logrando los sistemas de sensorización se integren con el resto de elementos conformando la llamada piel digital.

4 Hacia dónde vamos

El siguiente paso en la evolución de las redes de sensores es la introducción de ontologías. La inclusión de una ontología permite el paso del plano sintáctico al plano semántico (Semantic Web Service), esto es, les dotamos de la capacidad de saber utilizar las herramientas de las que disponen. Gracias a las ontologías se les da la posibilidad de ser conscientes de su existencia y de la de otros Web Service ya que los sensores serán capaces de autoregistrarse, autodescubrirse, autoorganizarse y cooperar entre ellos. Se amplía su capacidad cognitiva, ya que se es consciente de la información con la que se está trabajando y por lo tanto se le dota de la capacidad de actuar en consecuencia. Por ello no sólo disponen de la capacidad de monitorizar sino de la capacidad de actuar de una manera cognitiva. Todo ello permite que puedan

Router/ Proxy/

Firewall

Clinical History

Internet

Ubiquitous Doctor Access Terminal

CH

Local Patient/Doctor Terminal

RTC ISP

GSM

GPRS

Access Point

Smart Sensor Network [Patient]

WAN [Mobile/Remote Access]

Backend Systems [Hospital]

System Services

Health Officer Access

Access Point Gateway

CH

Local Network [Patient/Doctor]

Home Network [Doctor]

Monitorización de Variables Fisiológicas mediante Sensores Inteligentes 161

interactuar con otros sensores, tanto de su propia red como de otra externa, y con los elementos que están monitorizando.

5 Conclusiones

Las redes inalámbricas de sensores inteligentes se acomodan perfectamente a los requerimientos de las aplicaciones de monitorización de variables fisiológicas. El uso de dicha tecnología dota al paciente de una gran independencia, ya que desaparecen los cables y se permite tanto la monitorización remota en tiempo real como la monitorización offline.

Los continuos avances en la miniaturización y aumento de prestaciones de los dispositivos embebidos permite dotar a los sensores de las herramientas necesarias para que se identifiquen como Web Services. Este planteamiento permite una rápida y fácil integración con el resto de elementos del sistema mediante el uso de estándares ampliamente difundidos y permite a la vez que se obtengan todas las ventajas de las arquitecturas orientadas a servicios. Además se permite la reutilización de las infraestructuras ya existentes haciendo uso de todo su potencial.

En la actualidad, estamos trabajando en la definición de un modelo que determine cómo deben organizarse los diferentes sensores que componen la red. Para ello, se está definiendo una ontología que permitirá evolucionar desde el actual conocimiento sintáctico, al conocimiento semántico de la información y de los elementos que intervienen en el sistema. Este nuevo enfoque servirá para aumentar la autonomía de todos los componentes involucrados en aspectos como su autoorganización, su autoconfiguración, su autogestión y su autoadaptación.

Referencias

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2. Kang, L.: Wireless Sensing and IEEE 1451. Proceedings of Sensor Expo & Conference, Chicago (2001)

3. Kanukurthy, K., Andersen, D.R., Olesberg, J., Arnold, M.A., Coretsopoulos, C.: Wireless NIR Glucose Sensor Controller. International Conference on Biomedical Engineering, Singapur (2005)

4. Liang, S.H.L., Tao, C.V., Croitoru, A.: The design and prototype of a distributed geospatial infrastructure for smart sensors webs. Proceedings of the 6th Agile, Lyon, France (2003) 303-311

5. Monson-Haefel, R.: J2EE Web Services. Addison-Wesley. 2004 6. Schwiebert, L., Gupta, S.K.S., Auner, P.S.G., Abrams, G., Lezzi, R., McAllister, P.: A

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2005 NNIN REU, California (2005) 8. Web Proyecto CSOAP http://csoap.sourceforge.net/ (Marzo 2006) 9. Web Proyecto gSOAP http://www.cs.fsu.edu/~engelen/soap.html (Marzo 2006)

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10. Web Proyecto IEEE P1451 http://ieee1451.nist.gov/ (Marzo 2006) 11. Web Proyecto KSOAP http://kobjects.org/ (Marzo 2006) 12. White Papers de Telefónica http://www.telefonica.es/empresas/ (Marzo 2006)