El documento presenta el desarrollo de una plataforma de sensores portables, llamada envibo, para la monitorización ambulatoria de parámetros fisiológicos, utilizando estándares como IEEE 802.15.4. Se aborda la necesidad de un modelo técnico y regulatorio para la validación y el análisis de datos biomédicos, ofreciendo solución a la falta de plataformas en Colombia. Además, se discuten aspectos técnicos, resultados de pruebas de funcionalidad y propuestas de mejora para incrementar la eficiencia de los nodos de red.

1. Gustavo Meneses Benavides
Tutor: Juan Diego Lemos Duque
Grupo de Investigación en Bioinstrumentación e
Ingeniería Clínica

2. Universidad de Antioquia
Facultad de Ingeniería
2013

3. Glosario
 IEEE 802.15.4: Estándar para la comunicación inalámbrica
especialmente para redes del rango de área personal (PAN)
con bajas tasas de datos y pocos o ningún requerimiento de
infraestructura. Una de sus implementaciones más
conocida es Zigbee, pero también encontramos opciones
como MiWi de Microchip Inc.
 Sensores Vestibles (Wearable Sensors): Se denomina así
al 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: Técnicas para la
captación o recolección de energía bien sea del medio
(por ejemplo, tomando energía solar) o a partir de la
energía y movimiento de las personas.
 MiWi P2P: Una versión particular del protocolo MiWi
de Microchip Inc. (Basado en IEEE 802.15.4) que se
caracteriza por su flexibilidad y su rápida adaptibilidad
para el despliegue de redes inalámbricas de tipo ad
hoc.

5. Glosario
 Nodo Sensor: En las aplicaciones de monitorización con
redes inalámbricas se llama así a cada punto de red que se
encarga de la recolección y transmisión de los datos
captados por uno o varios sensores, adaptados a su
circuitería interna, hacia un punto de red con mayor
jerarquía.
 Nodo Coordinador: En las aplicaciones con redes de
sensores inalámbricos desplegadas según el estándar IEEE
802.15.4 se llama así a un nodo con mayor jerarquia que los
nodos sensores. Este nodo posee mayores capacidades para
la gestión de las comunicaciones y una mayor autonomía de
funcionamiento.

6. AGENDA
 Problema
 Objetivo General
 Objetivos Específicos
 Desarrollo del Tema
 Resultados Obtenidos
 Conclusiones
 Trabajo Futuro
 Referencias

7. Problema
Se requiere un modelo de plataforma de sensores para la
monitorización fisiológica ambulatoria que pueda servir
de apoyo para el grupo GIBIC y sus integrantes en
diferentes actividades investigativas, tales como la
validación de modelos biomédicos, la verificación de
procedimientos de registro de variables fisiológicas,
estudios sobre las características físicas de personas
pertenecientes a grupos de interés especial, el diseño de
pruebas, el seguimiento y valoración de la respuesta a
medicamentos en pacientes, entre otras.

9. Objetivo General
Desarrollar un modelo de plataforma de
sensores portables para el monitoreo
ambulatorio de parámetros fisiológicos.

10. Objetivos específicos
• Determinar las especificaciones técnicas y regulatorias a las
que debe ajustarse una plataforma de sensores portables
para el monitoreo ambulatorio de parámetros fisiológicos.
• A partir del análisis comparativo de los estándares de
comunicación para redes de área personal formular un
modelo de plataforma de sensores portables para el
monitoreo ambulatorio de parámetros fisiológicos.
• Validar el modelo frente a un sistema de monitoreo,
implementado según sus lineamientos, que agrupe varios
de los prototipos de nodos sensores portables desarrollados
al interior del grupo de investigación GIBIC.

11. Hipótesis
En Colombia no se ha encontrado un desarrollo a nivel de
plataformas de monitorización ambulatoria de signos vitales
y señales biomédicas en personas que llegue al nivel de
plantear metodologías para el despliegue de las redes
inalámbricas y de los sensores
Se propone una plataforma denominada EnViBo, ésta
plataforma utiliza nodos que se comunican bajo el estándar
IEEE 802.15.4 y se apoya en una interfaz desarrollada en
Labview para el análisis, registro, procesamiento y
visualización de los datos adquiridos por los diferentes
sensores. Para efectos de pruebas y validación de la
plataforma se utilizará un par de nodos sensores que captan
la temperatura corporal y un nodo actígrafo basado en
acelerómetro.

12. Fuente: Elaboración propia

13. Fuente: Elaboración propia

14. Aspectos Técnicos

15. Elementos principales de una
plataforma para monitorización
ambulatoria
 Señales
 Sensores
 Comunicaciones
 Adquisición y acondicionamiento de señales
 Procesamiento
 Almacenamiento de los datos
 Administración de la energía
 Seguridad de los datos

16. Elementos principales de una
plataforma para monitorización
ambulatoria

17. Señales
Dependiendo del tipo de variables y del interés que estas
revistan desde el punto de vista biomédico, la plataforma puede
tomar unas u otras características. Es muy común que las
señales monitorizadas correspondan a lo que se conoce como
signos vitales, pero también existen otras señales que son
utilizadas para análisis complementarios o de mayor
complejidad.

18. Sensores
Los sensores biomédicos se pueden clasificar según la
manera como toman las señales del ser humano, desde este
punto de vista, hay sensores sin contacto, no invasivos, que
se apoyan en principios de radiación de energía, de ondas
sonoras o similares. También existe una gran cantidad de
sensores por contacto externo con la piel u otros órganos
que pertenecen a la categoría de sensores no invasivos por
contacto directo.

19. Comunicaciones
A nivel internacional existe una
normativa
que
establece
Bandas tipo ISM (Industrial,
científica y médica, por sus
siglas en inglés) en las que
eventualmente
pueden
funcionar
soluciones
de
monitorización ambulatoria.
La mayoría de aplicaciones se
basan en estándares de
comunicación que apuntan a
las redes de área personal.

20. Comunicaciones
La elección de la topología es un factor crítico,
también lo es la elección 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 varía 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
estándar de comunicación adoptado [86].

21. Topología (Peer-to-Peer) P2P para
el protocolo MiWi
 PAN: Personal Area Network (Red de Área Personal)
 FFD: Full-Function Device (Dispositivo de Funciones Completas)
 RFD: Reduced-Function Device (Dispositivo de Funciones
Reducidas)

22. Estándar IEEE 802.15.4

23. Adquisición y acondicionamiento
de señales






Amplificación
Filtrado
Conversión A/D y D/A
Acople (Matching)
Cambio de Modo
Cambio de variable
Vector y ángulos finales derivado
de las lecturas arrojadas por el
acelerómetro.

24. Procesamiento
 Arquitectura del procesador
 RTOS o secuencial
 Punto flotante

25. Almacenamiento de los datos
 Memoria
 EEPROM Interna
 EEPROM Externa
 Medio Extraíble

26. Administración de la energía
 Baterías primarias
 Baterías Secundarias
 Convertidor DC-DC
 Recolección de Energía
(Energy HarvestingScavenging)

27. Seguridad de los datos
 Encriptación
(Durante la
transmisión de los
paquetes entre los
nodos de red)
 Integridad (aspectos
tanto técnicos como
bioéticos)
 Autenticación
(administrador,
usuarios, interfaces)
Sobre los nodos se puede ejecutar el motor de seguridad por
hardware (AES-128). Soporta encriptación y desencriptación
para las subcapas MAC y las capas superiores.

28. Aspectos Regulatorios

29. Entidades que emiten regulaciones ligadas con los
dispositivos médicos de tecnología inalámbrica de
radiofrecuencia. (Fuente: Elaboración Propia)

30. Aspectos principales de los que se ocupa la regulación existente
para dispositivos médicos inalámbricos
(Fuente: Elaboración propia)

31. Aspectos de Implementación

32. Flujograma simplificado de integración de un nuevo nodo
a la plataforma EnViBO (Fuente: Elaboración Propia)

33. Arquitectura propuesta para la plataforma EnViBo
(Fuente: Elaboración Propia)

34. Arquitectura propuesta para los nodos de red (Fuente:
Elaboración propia)

35. Generación “cero” de nodos para la
plataforma EnViBo

36. Diseño de nodos de red

37. Integración y desarrollo de
Firmware

38. Diagrama de Flujo para el Coordinador PAN
(Fuente: Elaboración Propia)

39. Diagrama de flujo para nodo sensor genérico
(Fuente: Elaboración propia)

40. Desarrollo de Nodos Sensores
Nodo Sensor de Temperatura Corporal
Nodo actígrafo basado en acelerómetro

41. Desarrollo de Nodos Sensores
Nodo sensor de Pulso (BPM)
Nodo Frecuencia Respiratoria

42. Pruebas y Validación

43. Esquema de asignación de direcciones y de roles dentro
de la red durante una prueba con la plataforma EnViBo
(Fuente: Elaboración Propia)

44. Nodos utilizados para una prueba
de red

45. Detalle de medios de sujeción y ubicación de los nodos
sensores para pruebas de monitorización ambulatoria

46. Paquetes iniciales de identificación enviados desde los
nodos sensores al Coordinador de red durante una
prueba con dos nodos sensores de temperatura corporal
y el nodo actígrafo

47. Detalle de las transacciones de red durante la prueba
captados con un analizador de paquetes MiWi

48. Conteo de paquetes recibidos desde cada nodo durante
las pruebas

49. Conteo de paquetes recibidos desde cada nodo durante
las pruebas

50. Valoración de desempeño de diversos tipos de baterías
utilizados durante las pruebas

51. Medición de consumo de corriente durante periodos de
transmisión y de modo “sleep” en nodo sensor de
temperatura corporal

52. Medición de consumo de corriente durante periodos de
transmisión y de modo “sleep” en nodo actígrafo

53. Pantalla inicial de la interfaz desarrollada en Labview para
la plataforma EnViBo

54. Panel frontal con las indicaciones de las mediciones
activas

55. Gráficos de tendencias para las variables sensadas

56. Registro de los datos recibidos en archivos txt generados
desde la interfaz (instrumento virtual) desarrollado para la
plataforma EnViBo

57. Sitio Web de la Plataforma EnViBo

58. Interfaz para smartphone bajo
desarrollo

59. Conclusiones
 La mayoría de pruebas de funcionamiento continuo
para verificar la funcionalidad de las comunicaciones
en red, así como para evaluar el desempeño de los
nodos
en
aspectos
como
autonomía
de
funcionamiento y porcentaje de éxito en la transmisión
de paquetes, se han realizado con baterías recargables.
Estas baterías se consideran la opción más
recomendable para la operación de los nodos durante
los periodos de monitorización si se considera que la
Plataforma y sus elementos de red resulten viables
desde el punto de vista económico.

60. Conclusiones
 En general con pruebas de funcionamiento extendido se lograron
periodos de operación entre 3 y 10 horas continuas hasta que las
baterías se agotaran. En muchos casos algunas baterías se
agotaban primero que otras pero este periodo de tiempo ha sido
el más característico. 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 las
actividades normales se nota un incremento de hasta un 10% en
el porcentaje de pérdida de paquetes transmitidos, estas pérdidas
están asociados a movimientos de la persona, obstáculos en el
enlace nodos-coordinador, presencia de pantallas de computador
e interferencia de fuentes electromagnéticas cercanas.

61. Conclusiones
 En pruebas durante las cuales la persona está en reposo el
porcentaje de pérdida 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 asincrónicamente a la red
de monitorización.
 En general se ha dado transmisiones exitosas, para
interiores de espacios domésticos para distancias en el
rango de 1 a 10 metros. Es evidente la influencia de
obstáculos 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.

62. Conclusiones
 La plataforma planteada, EnViBo, se presenta como una
herramienta que permitirá el desarrollo de proyectos de
monitorización ambulatoria de personas para análisis,
registro, procesamiento, visualización y transmisión de
datos relativos a signos vitales y señales biomédicas de
interés. En un principio la plataforma está concebida para
realizar pruebas de monitorización en ambientes indoor,
pero con pocos cambios y adecuaciones se pueden realizar
experimentos de registro en ambientes exteriores si se
cubre la alimentación del coordinador de red con baterías y
se utilizan medios extraíbles para hacer el registro de los
datos arrojados por los nodos sensores.

63. Trabajo Futuro
 A partir de la incorporación de nuevos nodos sensores,
realizados bajo la metodología planteada en este trabajo de
investigación, será posible evaluar el desempeño de la
plataforma EnViBo en pruebas de monitorización
multiparamétrica de personas en ambientes diversos según
los requerimientos específicos de los experimentos a
realizar. Para esto es necesario la integración de los
miembros del grupo GIBIC mediante la realización de
proyectos de investigación 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 optimización de esta herramienta.

64. Trabajo Futuro
 Es necesario seguir avanzando en el diseño y
construcción de nuevos nodos sensores bajo preceptos
de portabilidad, comodidad y eficiencia para lograr el
soporte de pruebas de duración extendida por horas y
por días. 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 técnicas
de procesamiento de señal especialmente para aquellas
señales biomédicas que son susceptibles a artefactos
ligados al movimiento de las personas.

65. Referencias
 P. Bonato, “Wearable Sensors/Systems and Their Impact on
Biomedical 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.
13–14, pp. 2521–2533, Aug. 2006.
 “Shimmer - Wireless Sensor Platform for Wearable
Applications.” *Online+. Available: http://www.shimmerresearch.com/. [Accessed: 04-Feb-2013].

66. Referencias
 Microchip Technology inc., “Microchip MiWi P2P Wireless
Protocol,” 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. 92–97.

67. Referencias
 IEEE
Computer 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 802.15.4™2006(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].