LAS WNS RELACIONADAS CON LAS SEÑALES BIOMEDICAS

 Resumen: Este estudio de caso hace un análisis de las investigaciones que se vienen realizando en los últimos años acerca de las redes de sensores inalámbricos (WNS) en la medicina mayormente enfatizado en la captura y toma de datos en tiempo real. Además de esto se toman las definiciones, evolución, características, funcionamiento, estándares, tecnologías, problemas y desafíos de las WNS y cómo este se especifica en un sistema tecnológico que apoye a la medicina, esto llamado como telemedicina. Además de esto se ha hecho una revisión documental la cual nos permita no solo resolver cuestionamientos acerca de las WNS sino a su vez desglosar y comprender todos los avances que ha tenido en este sector. Por último, el estudio de caso analiza problemas y soluciones que se puedan dar a lo largo del tiempo.

Palabras clave: Sensores, Señales biomédicas, Telemedicina, IoT

Abstract: This case study is based on an analysis of the research that has been carried out in recent years on wireless sensor networks (WNS) in medicine, mainly focused on the capture and collection of data in real time. In addition to this, definitions, evolution, characteristics, functioning, standards, technologies, problems and problems of social networks are taken. In addition to this, we have made a documentary review that allows us not only to solve the problems of social networks, but in turn to break down and understand all the advances we have had in this sector. Finally, the case study analyzes problems and solutions that can occur over time. Key words: Sensors, Biomedical signals, Telemedicine, IoT.

1. MARCO TEÓRICO

Ahora bien, daremos paso a definir las diversas fuentes que dan sustento a este estudio de caso teniendo en cuenta diferentes fuentes bibliográficas que nos permitan aclarar el espectro de las WSN.

2.1 Sensores

El articulo (sistemas, 2018) nos permite dar una definición de sensores. Estos pues son un dispositivo eléctrico que convierte magnitudes físicas en valores medibles, lo anterior realizado en tres fases, en primer lugar, la obtención de un fenómeno físico, luego la este es convertido en señal eléctrica y se modifica por un sistema de acondicionamiento, por último, el sensor a través de una circuitería que amplifica la tensión de salida transforma la señal de continua a discreta.

Los sensores se dividen en dos los sensores internos los cuales se integran en la estructura propia del robot y los sensores externos los cuales dan información a partir del entorno del robot.

Además de esto en los sensores podemos encontrar unos descriptores estáticos y unos descriptores dinámicos.

1.1.1 Sensores estáticos:

• Rango
• Exactitud
• Repetitividad
• Resolución
• Error
• No linealidades
• Sensibilidad
• Excitación
• Estabilidad

1.1.2 Sensores dinámicos:

• Tiempo de retardo
• Tiempo de subida
• Tiempo de pico
• Pico de sobreoscilación
• Tiempo de establecimiento

1.2 Señales biomédicas

La tesis (Morillo, 2008), define las señales biomédicas como registros espaciales o espacio temporales de eventos del funcionamiento de un organismo, esto genera que las señales contengan información que pueda ser utilizada para analizar o explicar mecanismos fisiológicos relacionados con un evento biológico específico. Estas se clasifican de la siguiente manera:

• Fuente
• Aplicación biomédica
• Característica de la señal

Además de esto (Morillo, 2008), nos define que son sensores biomédicos, argumentando que son dispositivos que toman señales que representen variables médicas que se convierten en señales eléctricas y se dividen en sensores físicos y sensores químicos.

1.3 Telemedicina

Para dar una definición utilizaremos el articulo (Vergeles-Blanca, 2018), en el cual argumentan que la telemedicina nace del sector sanitario y ha tenido bastantes avances en el cuidado de pacientes. La telemedicina, aunque tiene una definición un poco cambiante se puede describir como una una medicina a distancia, que intercambia información médica de un lugar a otro usando vías de comunicación electrónicas, con el objetivo de mejorar las asistencias al paciente.

Las ventajas de esta herramienta son vistas en el sistema, los profesionales y los pacientes. Mejorando la comunicación, la optimización de recursos, accesibilidad de problemas de salud, historia clínica, disminución de desplazamientos, ayuda integral, recursos de formación, entre otros.

1.4 IoT

Sobre este concepto el articulo (Alejandro Cama, 2012), nos enuncia la definición del Internet de las cosas o IoT, el cual es un modelo que abarca a las tecnologías de comunicación inalámbrica, redes inalámbricas, redes móviles y actuadores. Esta es una nueva dimensión del internet, en el cual se incluyen aplicaciones para dispositivos embebidos enfocados a la automatización de edificios, la logística, mediciones de personal, o a diversos procesos de medición inteligente.

• MARCO CONCEPTUAL

En este ítem definiremos los conceptos claves que nos permiten entender y analizar la red de sensores inalámbricos.

2.1 Definición

Según (Diana Milena Archila Córdoba, 2013), la red de sensores inalámbricos es una gran cantidad de pequeños dispositivos autónomos la cual es auto configurable e integrada por nodos o motes distribuidos e intercomunicados para ser usados por señales de radio con el fin de monitorizar y entender el mundo físico, para con esto poder controlar diferentes condiciones ya sea en lugares, en organismos vivos, centros de investigación o incluso en situaciones de emergencia. Además de esto (Catalina Aranzazu Suescún, 2009), complementa esta definición al evidenciar las tareas propias de una WSN, las cuales son: determinar parámetros ambientales, detectar eventos, estimar parámetros, clasificar objetos detectados, seguir la trayectoria de un objeto detectado entre otros.

Las WSN están constituidas por:

• Sensores: de distintos tipos y tecnologías, su propósito es toman los datos del medio y las convierten en señales eléctricas.
• Nodos de sensor: Toman los datos del sensor y las envían a una estación base.
• Gateway: Elementos para la interconexión de la WSN y una red IP
• Estación base: Recibe los datos de los nodos de sensor y los recolecta.
• Red inalámbrica: En la mayoría de los casos basado en el estándar IEEE.802.154

2.2 Características

En el articulo (Catalina Aranzazu Suescún, 2009), nos definen las características de la WSN las cuales son:

• Topología y mantenimiento: Los nodos poseen una topología no regular por lo que se recomienda que el mantenimiento sea autónomo y no manual.
• Limitaciones energéticas: La batería de los sensores llega a ser un problema por la disponibilidad energética de la batería y su dificultad para cargarse, aumentar estos niveles de duración implica una ventaja.
• Hardware y software específico: el sistema operativo usado como base para la construcción de WSN es TinyOS.
• Sincronización de los dispositivos: Para que la obtención y recolección de datos se realicen de forma correcta los nodos requieren una optima sincronización.
• Enrutamiento dinámico: Las WSN deben estar preparados para un cambio de conectividad de los nodos, para esto los protocolos deben estar preparados para incluir o excluir nodos de las rutas.
• Seguridad: Atiende al uso final de la red de sensores.
• Otras: No se utiliza infraestructura de red, Topología dinámica, Facilidad de despliegue, De bajo consumo, Muy bajo coste, Pequeño tamaño, Operación sin mantenimiento durante varios meses o años.

2.3 Evolución

El articulo (Diana Milena Archila Córdoba, 2013), nos hace un breve recuento de la evolución de la WNS comenzando por la claim home en la segunda guerra mundial, seguido por la SOSUS en la guerra fría, que continuo con la NORAD de la guerra fría y finalizando con el proyecto DSN en los años 80.

2.4 Estándares

2.4.1 Estándar IEEE.802.15 Actualmente es el estándar elegido para este tipo de redes. Este estándar, así como lo describe (Alejandro Cama, 2012), determina las comunicaciones en las capas físicas y de control de acceso al medio.

2.4.2 Estándar 6LoWPAN

Básicamente este estándar incluye elementos y mecanismos necesarios para comprimir direcciones IPv6 sobre el estándar IEEE.802.15. Este nos da la oportunidad de disponer de una abundante cantidad de direcciones IP.

2.5 Tecnología ZigBee

Es una alianza, sin ánimo de lucro, de 25 empresas, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste.

2.6 Aplicaciones

En los artículos (Catalina Aranzazu Suescún, 2009) y (Diana Milena Archila Córdoba, 2013), encontramos una gran variedad de aplicaciones en la actualidad entre ellas las más destacadas son: militares, medioambientales, médicas, monitorización de instalaciones, control de inventarios, monitorización del entorno, estudios medioambientales, mejora de cultivos, logística y control de tráfico.

Ahora bien, ya que esta investigación se encamina hacia la parte biomédica es pertinente nombrar aplicaciones en el campo de la salud.

• Wireless Sensor Networks for Healthcare: Es un documento que expone el estado del arte de las WSN con el sector de la salud, en este se hace un análisis de retos y dificultades y estudios del mismo.
• Cardio Sentinal: A 24-hour Heart Care and Monitoring System: Esta fue una aplicación en la cual se utilizaron sensores para el monitoreo remoto de señales cardiacas a través de teléfonos inteligentes las 24 horas del día.
• M2M Comunications for Healthcare: Uso de sensores en situaciones médicas, comunicación directa entre dispositivos sin la intervención humana.
• Monitoramento remoto de pacientes en ambiente domiciliar: En esta aplicación se sugiere el uso de dos sensores para monitorear a pacientes en diferentes aspectos médicos. Con un sensor se analizan datos fisiológicos y con el otro movimiento.

2.7 Problemas y desafíos

Como ya hemos visto esta tecnología esta teniendo grandes avances en todos los campos de acción posibles, sin embargo, son bastantes los problemas que se deben solucionar, problemas que en su mayoría derivan de los dispositivos que forman las WSN.

Entre los problemas podemos destacar dos de los cuales nos enuncia (Catalina Aranzazu Suescún, 2009), los sensores se encuentran mediados por el entorno que los rodea, esto provoca que a la hora de diseñar se generen parámetros muy elevados. A partir de esto (Diana Milena Archila Córdoba, 2013), nos presenta desafíos como los son: maximizar el tiempo de vida de la red, redes WSN fácilmente programables, redes WSN fácilmente repobladas, capacidad de manejar recursos ilimitados de los nodos sensor, capacidad de comunicación con ancho de banda ilimitada, algoritmos distribuidos donde todos los nodos sean capaces de cooperar para elaborar una respuesta tomando en cuenta la capacidad de los nodos, heterogeneidad.

• PREGUNTAS GUÍA
• ¿Qué desafíos tiene la WNS en cuanto a la biomedicina?
• ¿Cómo se puede lograr una WNS optima que permita tener una mayor facilidad de solución a problemas médicos?
• ¿Por qué la red de sensores inalámbricos relacionados es un avance fundamental en la tecnología de la biomedicina?
• ¿Cómo se garantiza la seguridad de las WNS relacionadas a la biomedicina?
• METODOLOGÍA

4.1 Investigación documental

Se realizó una investigación a partir de fuentes bibliográficas que permitieran dar solución a algunas preguntas que generaba el estudio de caso basado en las WNS en el campo de la medicina y así poder aclarar el concepto dicho anteriormente.

4.2 Investigación no aplicada

Al ser una investigación netamente documental no se hizo una intervención como tal en las dinámicas de las WNS relacionadas en el campo de la biomedicina.

4.3 Técnicas

Revisión bibliográfica, análisis, recolección de datos y muestra de resultados.

4.4 Instrumentos

Bases de datos, bibliotecas, repositorios, trabajos y tesis de grado.

• HALLAZGOS Y ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

5.1 WSN en el cuidado de la salud y control de enfermedades

En el articulo (SIXTO ENRIQUE CAMPAÑA BASTIDAS, 2013) encontramos los diferentes sensores que nos permiten avanzar en el cuidado de la salud y el control de enfermedades estos son:

• Sensores fisiológicos
• Sensores biocinéticos
• Sensores ambientales
• Sensor electrocardiograma
• Sensor de temperatura de cuerpo o piel
• Sensor de tasa de respiración
• Sensor para medir la saturación de oxigeno
• Sensor para medir la frecuencia cardiaca
• Sensor para medir la frecuencia de ciclo cardiaco
• Sensor para medir la glucosa en la sangre
• Sensor de movimiento
• Sensor electromiograma
• Sensor electroencefalograma

5.2 WSN para el cuidado de la salud y control de enfermedades que transmiten información en tiempo real

En la tabla 1 del artículo (SIXTO ENRIQUE CAMPAÑA BASTIDAS, 2013), vemos relacionados todos los avances en este aspecto.

El arte de las redes de sensores inalámbricos constituye una alternativa viable para el control y producción de procesos óptimos para la medicina, el ambiente, la seguridad y diferentes aplicaciones que permitan solucionar problemas sistemáticos en las diferentes modalidades donde sea requerida. De esta manera, el desarrollo de las redes de sensores inalámbricos se complementa a través de dos situaciones como lo son: Los sensores cada vez más pequeños, más inteligentes y con diversas posibilidades de aplicación y el avance en las aplicaciones de monitoreo. Se puede decir que en un futuro su rango de acción será extenso y su integración con las aplicaciones médicas será optimo y eficiente en el cuidado de la salud y control de enfermedades.

Las aplicaciones de telemedicina con soluciones WSN en tiempo real están en continuo desarrollo y dado el auge de la minería de datos en todos los campos de estudio, a futuro se espera una mayor innovación en este campo, la cual aún no se ha desarrollado plenamente, por cuanto hay otros problemas que se están solucionando y son necesarios para el funcionamiento de este tipo de redes, tales como el problema de la energía, el enrutamiento, la transmisión de datos en tiempo real, la seguridad entre otros, aspectos que se han analizado en este estudio.

7. REFERENCIAS

Alejandro Cama, E. D. (2012). Las redes de sensores inalámbricos y el internet de las cosas. INGE CUC, 10.

Catalina Aranzazu Suescún, G. A. (2009). REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS . Revista Politécnica , 18.

Diana Milena Archila Córdoba, F. A. (2013). ESTADO DEL ARTE DE LAS REDES DE SENSORES. REVISTA DIGITAL TIA, 23.

Morillo, D. S. (2008). PROCESADO Y TRANSMISIÓN DE SEÑALES BIOMÉDICAS PARA EL DIAGNÓSTICO DE TRASTORNOS Y ENFERMEDADES DEL SUEÑO . España: ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA .

sistemas, D. d. (10 de 11 de 2018). Uva. Obtenido de www.isa.cie.uva.es/~maria/sensores.pdf

SIXTO ENRIQUE CAMPAÑA BASTIDAS, J. M. (2013). ESTUDIO DE REDES DE SENSORES Y APLICACIONES ORIENTADAS A LA RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE SEÑALES BIOMÉDICAS. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana.

Vergeles-Blanca, J. M. (2018). La telemedicina. Desarrollo, ventajas y dudas. BÚSQUEDA BIBLIOGRÁFCIA. INTERNET Y LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS, 3.