La función de los sensores en aplicaciones IoT para el cuidado médico y de la salud

Por Carolyn Mathas

Colaboración de Hearst Electronic Products


Cuando se piensa en el Internet de las cosas (IoT) por lo regular se lo asocia a hogares y comunidades conectadas. Sin embargo, las aplicaciones médicas están también realizando grandes avances en este sector. Desde el diagnóstico y el control hasta los métodos de prestaciones médicas, el IoT une las comunicaciones y las salidas de los sensores para ofrecer funciones que hasta hace muy poco solamente poseían una existencia conceptual. El IoT permite a los dispositivos reunir y compartir información unos con otros y con la Nube con el fin de que los flujos de datos puedan ser recopilados y analizados de manera precisa y a velocidades vertiginosas.

Específicamente la generación de posguerra, una población de cerca de 78 millones de norteamericanos nacidos en los 25 años posteriores a la Segunda Guerra Mundial están alcanzando la edad de jubilación y muchos de ellos enfrentan nuevas necesidades médicas. Esta es la misma generación que en su momento tuvo dificultades en programar algo tan simple como sus videograbadoras. Por fortuna, los avances médicos basados en sensores IoT evitarán, en mayor medida, la necesidad de tareas de programación y se comercializarán en forma de dispositivos móviles en miniatura que son sorprendentemente efectivos y funcionan en segundo plano sin requerir la intervención del usuario. Estos dispositivos podrán comunicarse de manera inalámbrica y serán portátiles, integrados o basados en la Nube.

Eventualmente el sistema global de dispositivos IoT médicos reunirá a miles de millones de dispositivos y aplicaciones mediante el uso de sensores, actuadores, microcontroladores, dispositivos de comunicaciones móviles y mucho más. Como resultado, el cuidado de la salud basado en las necesidades del individuo no solo será realizado de manera más efectiva, sino que además, debido a las economías de escala, promete ser más rentable.

Cómo funciona

Gracias a los avances en las tecnologías de interconexión y de sensores, el cuidado de la salud puede, en la actualidad, incluir la recopilación de datos del paciente de modo dinámico para promover el cuidado preventivo, el diagnóstico e incluso medir los resultados de tratamientos. La automatización y los aspectos de tiempo real reducen los errores y mejoran la calidad y la eficiencia. En la actualidad, los sistemas basados en sensores recogen datos médicos que hasta el momento no resultaban accesibles y prestan servicios directamente a los pacientes.

El cuidado de la salud relacionado con el IoT se basa en el Internet de los objetos como una red de dispositivos que se conectan directamente unos con otros para capturar y compartir datos vitales a través de un protocolo de capa de conexión segura (SSL) capaz de conectarse a un servidor en la Nube. La misma combina sensores, microcontroladores, microprocesadores y puertas de enlace donde los datos del sensor son analizados en detalle y enviados a la Nube para luego ser remitidos a los prestadores de salud.

Los controles de modo remoto permiten que un mayor número de pacientes en todo el mundo tenga acceso a un adecuado cuidado de la salud. Los datos son capturados mediante sensores y analizados por complejos algoritmos, permitiendo a los profesionales médicos acceder a la información de modo inalámbrico, realizar diagnósticos y formular recomendaciones sobre tratamientos. Los pacientes pueden ser controlados las 24 horas del día para detectar aún ligeros cambios y evitar cualquier clase de intoxicación por fármacos.

A medida que la población avanza en edad, los adultos mayores que viven de manera autónoma pueden usar un dispositivo de control para detectar una caída e informar sobre la misma de modo automático a los servicios de emergencia. Sensores estratégicamente ubicados pueden monitorear las actividades diarias e informar sobre anomalías a los cuidadores o miembros de la familia a través de sus teléfonos móviles. El procesamiento de aplicaciones y la conectividad inalámbrica se pueden integrar en puertas móviles de cuidado de la salud para controlar parámetros vitales y manejar la salud.

Un desafío clave para el IoT para el cuidado de la salud: los estándares  

Vincular un gran número de dispositivos complejos resulta un problema en muchos niveles. Uno en especial está relacionado con los estándares. El IoT depende de una mayor estandarización de los protocolos de comunicaciones en el futuro.

Se trabaja permanentemente para crear pautas para las comunicaciones inalámbricas entre dispositivos de monitoreo que comparten datos con los prestadores de salud. Los diseñadores deben estar al tanto de actividades relacionadas con los estándares que incluyen esfuerzos como:
  • La organización Continua Health Alliance, una coalición de empresas tecnológicas y del cuidado de la salud, creada para establecer directrices para las soluciones de interoperabilidad para la salud personal. Posee una serie de especificaciones que ya se aplican a la interoperabilidad con objeto de permitir que los dispositivos con certificación de Continua puedan funcionar con otros dispositivos certificados por Continua para uso en el IoT, de manera garantizada.
  • Los estándares IEEE para las redes LAN definen las redes Wi-fi (IEE 802.11) y ZigBee (IEE 802.15.4). Los estándares PAN incluyen Bluetooth y BLE, IEEE 802.15.4j, IEE 802.15.6 asociados con las redes de área corporal (BAN).
  • Los estándares de las redes celulares involucrados incluyen GSM/UMTS y CDMA.
  • En resumen, la Administración de Medicamentos y Alimentos (FDA) de los EE.UU. ha reconocido y enumerado 25 estándares que respaldan la interoperabiliad y seguridad de los dispositivos médicos.
Ejemplos de sensores

Muchos tipos de sensores participan en la fusión entre las aplicaciones médicas e Internet. Algunos ejemplos son:

La serie DLVR de sensor miniatura de salida digital de All Sensors (Figura 1a) está basada en la tecnología CoBeam2 de la empresa que reduce la susceptiblidad de la tensión del paquete para lograr una estabilidad general a largo plazo.

Imagen del sensor miniatura de salida digital serie DLVR de All Sensors

Figura 1a: La serie DLVR reduce la tensión del paquete y mejora notablemente la sensibilidad de posición en comparación con los dispositivos de bloque único.

El DLVR es un sensor digital con un paso de señal que incluye un elemento de detección, un conversor analógico a digital de 14 bits, un DSP, y un bloqueo de E/S que admite una interfaz I²C o SPI. El sensor además incluye una referencia de temperatura interna y una lógica de control asociada para respaldar el modo operativo configurado. El elemento de detección se apaga cuando no se está realizando el muestreo para conservar la potencia. Ya que hay un ADC simple, también hay un multiplexor en el front end del ADC para seleccionar la fuente de señal para el ADC.

Imagen de las funciones esenciales del DLVR de All Sensors

Figura 1b: Funciones esenciales del DLVR de All Sensors.

Las opciones de voltaje de alimentación del sensor facilitan la integración en una amplia gama de sistemas, permitiendo la conexión directa con canales de comunicación serial. En sistemas de alimentación a batería, los sensores pueden aprovechar los modos de muy baja alimentación entre las lecturas, reduciendo al mínimo la carga de la fuente de alimentación. Los sensores calibrados y compensados ofrecen una salida estable y precisa en un amplio rango de temperaturas. Se utilizan con fluidos operativos no corrosivos y no iónicos, tales como el aire y los gases secos, y cuentan también con una capa protectora que está disponible de forma opcional para la protección contra la humedad y en entornos hostiles. En el ámbito médico, se utilizan en el monitoreo de la respiración, controles ambientales y equipos portátiles y de mano.

En las aplicaciones médicas, la temperatura es a menudo un factor importante a tener en cuenta. Los dispositivos Si701x/2x de Silicon Labs son sensores de temperatura y humedad de chip único (Figura 2) que combinan elementos de sensor de temperatura y humedad totalmente calibrados en fábrica con un convertidor analógico a digital, procesamiento de señal, y una interfaz I²C de host.

Imagen de los sensores de temperatura y humedad Si701x/2x de Silicon Labs

Figura 2: Los sensores Si701x/2x proporcionan alta precisión y estabilidad a largo plazo con baja deriva, bajo consumo de energía y baja histéresis.

Utilizada para terapia respiratoria en aplicaciones médicas, la serie cuenta con un sensor de humedad de precisión relativa, un sensor de temperatura, entrada de sensor de segunda zona auxiliar, un amplio rango de voltaje de funcionamiento, interfaz I²C de host y un paquete DFN de 3 mm x 3 mm. Proporciona estabilidad a largo plazo y calibración de fábrica.

La asistencia sanitaria en los hospitales o la configuración remota no son los únicos sectores médicos vinculados con el IoT. Los electrónicos de salud y la idoneidad física e incluso los relojes inteligentes tienen un papel que desempeñar en la supervisión, el intercambio de opiniones, y en algunos casos en proporcionar un enlace a los profesionales de la medicina. Una pieza útil en un monitor "portátil" de idoneidad física es el CI de sensor de luz ambiental e índice de rayos UV con interfaz I²C Si1132 de Silicon Labs.

El sensor con índice de rayos UV integrado ofrece un registro digital de índice de radiación UV que se puede leer a través de la interfaz I²C, con calibración de fábrica para hacer frente a la variación de pieza por pieza, un sensor integrado de luz ambiental y una resolución de 100 mililux, que permite el funcionamiento bajo un cristal oscuro. Las aplicaciones incluyen los electrónicos de la salud y la idoneidad física y los relojes inteligentes.

Este CI de sensor incluye un convertidor analógico a digital, fotodiodos integrados de alta sensibilidad visibles e infrarrojos, y un procesador digital de señales. El Si1132 ofrece un excelente rendimiento en una amplia gama dinámica y una gran variedad de fuentes de luz incluida la luz solar directa. Los dispositivos Si1132 se comercializan en paquetes QFN de 2 x 2 mm y 10 conductores y son capaces de funcionar desde 1.71 a 3.6 V en el rango de temperatura de -40 a +85 °C

Ya que es importante controlar a los pacientes y a las personas mayores para identificar eventos de caída, un inclinómetro es el centro de esta aplicación. Un ejemplo es el inclinómetro programable de 360° ADIS16203 de Analog Devices (Figura 3).

Diagrama del inclinómetro de 360° ADIS16203 de Analog Devices

Figura 3: ¿Necesita detectar una caída? Un inclinómetro, como el ADIS16203 de Analog Devices, es esencial.

Usada para la detección de inclinación, de movimiento, de medición de la posición, de monitoreo, y para dispositivos de alarma, esta pieza es un sistema de medición de inclinación angular en un solo paquete compacto. Ofrece la tecnología iSensor de Analog Devices. La integración típica del iSensor permite la inserción del sistema con una única fuente de alimentación y una interfaz de puerto serial. Al combinar la tecnología de sensores iMEMS con el procesamiento integrado de señales es capaz de proporcionar datos de ángulo de inclinación con calibración de fábrica de sensor a digital en un formato accesible mediante una serie de periféricos de interfaz (SPI). El fácil acceso a los datos de sensor con calibración digital proporciona un dispositivo preparado para el sistema que reduce los costos y riesgos del programa y los costos de desarrollo.

Los sensores son dispositivos que detectan señales físicas, químicas y biológicas y proporcionan una vía para medir y registrar dichas señales. En los dispositivos IoT para el cuidado de la salud y la idoneidad física, los sensores pueden controlar temperaturas, presiones, niveles químicos y biológicos de los usuarios y/o pacientes. La tecnología de sensor podrá, de esta manera, cambiar la función de los hospitales, los centros ambulatorios, las residencias y los programas ambulatorios. Este artículo ha presentado una variedad de sensores completamente aptos para aplicaciones IoT para el cuidado médico y de la salud. Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de Digi-Key.

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