1. Gustavo Meneses Benavides Tutor: Juan Diego Lemos Duque Grupo de Investigacin en Bioinstrumentacin e Ingeniera Clnica

2. Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniera 2013 3. Glosario IEEE 802.15.4: Estndar para la comunicacin inalmbricaespecialmente para redes del rango de rea personal (PAN) con bajas tasas de datos y pocos o ningn requerimiento de infraestructura. Una de sus implementaciones ms conocida es Zigbee, pero tambin encontramos opciones como MiWi de Microchip Inc. Sensores Vestibles (Wearable Sensors): Se denomina asal conjunto de sensores que pueden ser portados por las personas de manera similar a las prendas de vestir o como accesorios de uso diario como anillos, relojes, aretes, pulseras o similares. 4. Glosario Energy Harvesting-Scavenging: Tcnicas para lacaptacin o recoleccin de energa bien sea del medio (por ejemplo, tomando energa solar) o a partir de la energa y movimiento de las personas. MiWi P2P: Una versin particular del protocolo MiWide Microchip Inc. (Basado en IEEE 802.15.4) que se caracteriza por su flexibilidad y su rpida adaptibilidad para el despliegue de redes inalmbricas de tipo ad hoc. 5. Glosario Nodo Sensor: En las aplicaciones de monitorizacin conredes inalmbricas se llama as a cada punto de red que se encarga de la recoleccin y transmisin de los datos captados por uno o varios sensores, adaptados a su circuitera interna, hacia un punto de red con mayor jerarqua. Nodo Coordinador: En las aplicaciones con redes desensores inalmbricos desplegadas segn el estndar IEEE 802.15.4 se llama as a un nodo con mayor jerarquia que los nodos sensores. Este nodo posee mayores capacidades para la gestin de las comunicaciones y una mayor autonoma de funcionamiento. 6. AGENDA Problema Objetivo General Objetivos Especficos Desarrollo del Tema Resultados Obtenidos Conclusiones Trabajo Futuro Referencias 7. Problema Se requiere un modelo de plataforma de sensores para la monitorizacin fisiolgica ambulatoria que pueda servir de apoyo para el grupo GIBIC y sus integrantes en diferentes actividades investigativas, tales como la validacin de modelos biomdicos, la verificacin de procedimientos de registro de variables fisiolgicas, estudios sobre las caractersticas fsicas de personas pertenecientes a grupos de inters especial, el diseo de pruebas, el seguimiento y valoracin de la respuesta a medicamentos en pacientes, entre otras. 8. Objetivo General Desarrollar un modelo de plataforma de sensores portables para el monitoreo ambulatorio de parmetros fisiolgicos. 9. Objetivos especficos Determinar las especificaciones tcnicas y regulatorias a las que debe ajustarse una plataforma de sensores portables para el monitoreo ambulatorio de parmetros fisiolgicos. A partir del anlisis comparativo de los estndares de comunicacin para redes de rea personal formular un modelo de plataforma de sensores portables para el monitoreo ambulatorio de parmetros fisiolgicos. Validar el modelo frente a un sistema de monitoreo, implementado segn sus lineamientos, que agrupe varios de los prototipos de nodos sensores portables desarrollados al interior del grupo de investigacin GIBIC. 10. Hiptesis En Colombia no se ha encontrado un desarrollo a nivel de plataformas de monitorizacin ambulatoria de signos vitales y seales biomdicas en personas que llegue al nivel de plantear metodologas para el despliegue de las redes inalmbricas y de los sensores Se propone una plataforma denominada EnViBo, sta plataforma utiliza nodos que se comunican bajo el estndar IEEE 802.15.4 y se apoya en una interfaz desarrollada en Labview para el anlisis, registro, procesamiento y visualizacin de los datos adquiridos por los diferentes sensores. Para efectos de pruebas y validacin de la plataforma se utilizar un par de nodos sensores que captan la temperatura corporal y un nodo actgrafo basado en acelermetro. 11. Fuente: Elaboracin propia 12. Fuente: Elaboracin propia 13. Aspectos Tcnicos 14. Elementos principales de una plataforma para monitorizacin ambulatoria Seales Sensores Comunicaciones Adquisicin y acondicionamiento de seales Procesamiento Almacenamiento de los datos Administracin de la energa Seguridad de los datos 15. Elementos principales de una plataforma para monitorizacin ambulatoria 16. Seales Dependiendo del tipo de variables y del inters que estas revistan desde el punto de vista biomdico, la plataforma puede tomar unas u otras caractersticas. Es muy comn que las seales monitorizadas correspondan a lo que se conoce como signos vitales, pero tambin existen otras seales que son utilizadas para anlisis complementarios o de mayor complejidad. 17. Sensores Los sensores biomdicos se pueden clasificar segn la manera como toman las seales del ser humano, desde este punto de vista, hay sensores sin contacto, no invasivos, que se apoyan en principios de radiacin de energa, de ondas sonoras o similares. Tambin existe una gran cantidad de sensores por contacto externo con la piel u otros rganos que pertenecen a la categora de sensores no invasivos por contacto directo. 18. Comunicaciones A nivel internacional existe una normativa que establece Bandas tipo ISM (Industrial, cientfica y mdica, por sus siglas en ingls) en las que eventualmente pueden funcionar soluciones de monitorizacin ambulatoria. La mayora de aplicaciones se basan en estndares de comunicacin que apuntan a las redes de rea personal. 19. Comunicaciones La eleccin de la topologa es un factor crtico, tambin lo es la eleccin del radio o transceptor. Las tasas de transferencia de datos son de decenas de kilobits por segundo y en algunos casos se alcanzan los megabits por segundo. En cuanto al rango o alcance, este vara si se trata de espacios abiertos (outdoor) o en interiores (indoorenclosed), en general se alcanzan metros, decenas o cientos de ellos dependiendo del transceptor y del estndar de comunicacin adoptado [86]. 20. Topologa (Peer-to-Peer) P2P para el protocolo MiWi PAN: Personal Area Network (Red de rea Personal) FFD: Full-Function Device (Dispositivo de Funciones Completas) RFD: Reduced-Function Device (Dispositivo de FuncionesReducidas) 21. Estndar IEEE 802.15.4 22. Adquisicin y acondicionamiento de seales Amplificacin Filtrado Conversin A/D y D/A Acople (Matching) Cambio de Modo Cambio de variableVector y ngulos finales derivado de las lecturas arrojadas por el acelermetro. 23. Procesamiento Arquitectura del procesador RTOS o secuencial Punto flotante 24. Almacenamiento de los datos Memoria EEPROM Interna EEPROM Externa Medio Extrable 25. Administracin de la energa Bateras primarias Bateras Secundarias Convertidor DC-DC Recoleccin de Energa(Energy HarvestingScavenging) 26. Seguridad de los datos Encriptacin(Durante la transmisin de los paquetes entre los nodos de red) Integridad (aspectos tanto tcnicos como bioticos) Autenticacin (administrador, usuarios, interfaces)Sobre los nodos se puede ejecutar el motor de seguridad por hardware (AES-128). Soporta encriptacin y desencriptacin para las subcapas MAC y las capas superiores. 27. Aspectos Regulatorios 28. Entidades que emiten regulaciones ligadas con los dispositivos mdicos de tecnologa inalmbrica de radiofrecuencia. (Fuente: Elaboracin Propia) 29. Aspectos principales de los que se ocupa la regulacin existente para dispositivos mdicos inalmbricos (Fuente: Elaboracin propia) 30. Aspectos de Implementacin 31. Flujograma simplificado de integracin de un nuevo nodo a la plataforma EnViBO (Fuente: Elaboracin Propia) 32. Arquitectura propuesta para la plataforma EnViBo (Fuente: Elaboracin Propia) 33. Arquitectura propuesta para los nodos de red (Fuente: Elaboracin propia) 34. Generacin cero de nodos para la plataforma EnViBo 35. Diseo de nodos de red 36. Integracin y desarrollo de Firmware 37. Diagrama de Flujo para el Coordinador PAN (Fuente: Elaboracin Propia) 38. Diagrama de flujo para nodo sensor genrico (Fuente: Elaboracin propia) 39. Desarrollo de Nodos SensoresNodo Sensor de Temperatura CorporalNodo actgrafo basado en acelermetro 40. Desarrollo de Nodos SensoresNodo sensor de Pulso (BPM)Nodo Frecuencia Respiratoria 41. Pruebas y Validacin 42. Esquema de asignacin de direcciones y de roles dentro de la red durante una prueba con la plataforma EnViBo (Fuente: Elaboracin Propia) 43. Nodos utilizados para una prueba de red 44. Detalle de medios de sujecin y ubicacin de los nodos sensores para pruebas de monitorizacin ambulatoria 45. Paquetes iniciales de identificacin enviados desde los nodos sensores al Coordinador de red durante una prueba con dos nodos sensores de temperatura corporal y el nodo actgrafo 46. Detalle de las transacciones de red durante la prueba captados con un analizador de paquetes MiWi 47. Conteo de paquetes recibidos desde cada nodo durante las pruebas 48. Conteo de paquetes recibidos desde cada nodo durante las pruebas 49. Valoracin de desempeo de diversos tipos de bateras utilizados durante las pruebas 50. Medicin de consumo de corriente durante periodos de transmisin y de modo sleep en nodo sensor de temperatura corporal 51. Medicin de consumo de corriente durante periodos de transmisin y de modo sleep en nodo actgrafo 52. Pantalla inicial de la interfaz desarrollada en Labview para la plataforma EnViBo 53. Panel frontal con las indicaciones de las mediciones activas 54. Grficos de tendencias para las variables sensadas 55. Registro de los datos recibidos en archivos txt generados desde la interfaz (instrumento virtual) desarrollado para la plataforma EnViBo 56. Sitio Web de la Plataforma EnViBo 57. Interfaz para smartphone bajo desarrollo 58. Conclusiones La mayora de pruebas de funcionamiento continuopara verificar la funcionalidad de las comunicaciones en red, as como para evaluar el desempeo de los nodos en aspectos como autonoma de funcionamiento y porcentaje de xito en la transmisin de paquetes, se han realizado con bateras recargables. Estas bateras se consideran la opcin ms recomendable para la operacin de los nodos durante los periodos de monitorizacin si se considera que la Plataforma y sus elementos de red resulten viables desde el punto de vista econmico. 59. Conclusiones En general con pruebas de funcionamiento extendido se lograronperiodos de operacin entre 3 y 10 horas continuas hasta que las bateras se agotaran. En muchos casos algunas bateras se agotaban primero que otras pero este periodo de tiempo ha sido el ms caracterstico. La cantidad de paquetes trasmitidos en un periodo de 1 a 10 horas oscila entre 100 y 5000. Durante las pruebas con los nodos siendo portados durante lasactividades normales se nota un incremento de hasta un 10% en el porcentaje de prdida de paquetes transmitidos, estas prdidas estn asociados a movimientos de la persona, obstculos en el enlace nodos-coordinador, presencia de pantallas de computador e interferencia de fuentes electromagnticas cercanas. 60. Conclusiones En pruebas durante las cuales la persona est en reposo elporcentaje de prdida de paquetes disminuye por debajo del 5%. Cuando todos los nodos se incorporan al mismo tiempo en la red el tiempo en que se logran sincronizar es menor que cuando los nodos se incorporan asincrnicamente a la red de monitorizacin. En general se ha dado transmisiones exitosas, para interiores de espacios domsticos para distancias en el rango de 1 a 10 metros. Es evidente la influencia de obstculos como muros y puertas en las conexiones. Para espacios exteriores no se han realizado pruebas pero se prevee que el rango de alcance de las transmisiones debe incrementarse considerablemente. 61. Conclusiones La plataforma planteada, EnViBo, se presenta como unaherramienta que permitir el desarrollo de proyectos de monitorizacin ambulatoria de personas para anlisis, registro, procesamiento, visualizacin y transmisin de datos relativos a signos vitales y seales biomdicas de inters. En un principio la plataforma est concebida para realizar pruebas de monitorizacin en ambientes indoor, pero con pocos cambios y adecuaciones se pueden realizar experimentos de registro en ambientes exteriores si se cubre la alimentacin del coordinador de red con bateras y se utilizan medios extrables para hacer el registro de los datos arrojados por los nodos sensores. 62. Trabajo Futuro A partir de la incorporacin de nuevos nodos sensores,realizados bajo la metodologa planteada en este trabajo de investigacin, ser posible evaluar el desempeo de la plataforma EnViBo en pruebas de monitorizacin multiparamtrica de personas en ambientes diversos segn los requerimientos especficos de los experimentos a realizar. Para esto es necesario la integracin de los miembros del grupo GIBIC mediante la realizacin de proyectos de investigacin relacionados con sensores portables o vestibles, tanto a nivel de pregrado como de posgrado, que garanticen la continuidad en el tiempo y la mejora y optimizacin de esta herramienta. 63. Trabajo Futuro Es necesario seguir avanzando en el diseo yconstruccin de nuevos nodos sensores bajo preceptos de portabilidad, comodidad y eficiencia para lograr el soporte de pruebas de duracin extendida por horas y por das. En los nodos desarrollados se ha observado que la comodidad del usuario es un aspecto clave que debe ser mejorado y que se deben refinar las tcnicas de procesamiento de seal especialmente para aquellas seales biomdicas que son susceptibles a artefactos ligados al movimiento de las personas. 64. Referencias P. Bonato, Wearable Sensors/Systems and Their Impact onBiomedical Engineering, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 22, no 3. June, pp. 18-20, 2003. A. Milenkovid, C. Otto, and E. Jovanov, Wireless sensor networks for personal health monitoring: Issues and an implementation, Computer Communications, vol. 29, no. 1314, pp. 25212533, Aug. 2006. Shimmer - Wireless Sensor Platform for Wearable Applications. *Online+. Available: http://www.shimmerresearch.com/. [Accessed: 04-Feb-2013]. 65. Referencias Microchip Technology inc., Microchip MiWi P2P WirelessProtocol, 2010. Microchip Technology inc., Microchip Wireless (MiWi) Application Programming Interface - MiApp, 2009. Microchip Technology, Microchip Wireless (MiWiTM) Media Access Controller MiMAC, 2009. P. Kuryloski, A. Giani, R. Giannantonio, K. Gilani, R. Gravina, V. Sepp, P. Yan, A. Y. Yang, J. Hyttinen, S. Sastry, S. Wicker, and R. Bajcsy, DexterNet : An Open Platform for Heterogeneous Body Sensor Networks and Its Applications , in BSN 09 Proceedings of the 2009 Sixth International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks, 2009, pp. 9297. 66. Referencias IEEEComputer Society, IEEE Standard for Telecommunications and information Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 15 . 4 : Wireless Medium Access Control ( MAC ) and Physical Layer ( PHY ) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks, IEEE Std 802.15.42006(Revision of IEEE Std 802.15.4-2003), September 2006 Teco: Smart ITS University of Karlsruhe Particle Computer. *Online]. Available: http://particle.teco.edu/. [Accessed: 04-Feb-2013].