ES2378934A1 - Adición a la patente p200201710 por "sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del dia". - Google Patents
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Abstract
El objeto de la presente invención consiste en la mejora de la arquitectura base descrita en la patente de invención P200201710 "Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día", mediante la inclusión de un novedoso diseño genérico para sensores inteligentes aplicado de forma particular en las unidades inteligentes de acelerometría para la monitorización del movimiento y estado postural del usuario. La presente adición también introduce mejoras funcionales y estructurales en el dispositivo servidor personal y en el router de acceso a través de nuevos módulos para el posicionamiento mediante sistemas de navegación por satélite, la actualización online del firm/software, el añadido de servicios domóticos o la estandarización de la información médica para facilitar la interoperatividad del sistema y su integración. Por otro lado, un nuevo diseño del servidor personal agrega nuevas funcionalidades en una arquitectura multi-núcleo capaz de albergar un sistema operativo embebido que permita la dotación de servicios al sistema portable.Tiene su aplicación en el área de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en el contexto de la ingeniería biomédica y la tecnología médica, para el desarrollo de dispositivos electrónicos porta bies de monitorización continua de variables fisiológicas de las personas y de su estado de salud.
Description
Adición a la patente nº P 200201710 por:
"Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado
postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del
día".
El objeto de la presente invención consiste en
la mejora de la arquitectura base descrita en la patente de
invención P200201710 "Sistema portable para la monitorización del
movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante
las 24 horas del día", mediante la inclusión de un novedoso
diseño genérico para sensores inteligentes aplicado de forma
particular en las unidades inteligentes de acelerometría para la
monitorización del movimiento y estado postural del usuario. La
presente adición también introduce mejoras funcionales y
estructurales en el dispositivo servidor personal y en el router de
acceso a través de nuevos módulos para el posicionamiento mediante
sistemas de navegación por satélite, la actualización
on-line del firm/software, el añadido de servicios
domóticos o la estandarización de la información médica para
facilitar la interoperatividad del sistema y su integración. Por
otro lado, un nuevo diseño del servidor personal agrega nuevas
funcionalidades en una arquitectura multinúcleo capaz de albergar un
sistema operativo embebido que permita la dotación de servicios al
sistema portable.
Tiene su aplicación en el área de las
Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en el
contexto de la ingeniería biomédica y la tecnología médica, para el
desarrollo de dispositivos electrónicos portables de monitorización
continua de variables fisiológicas de las personas y de su estado de
salud.
La monitorización remota del movimiento resulta
de gran utilidad a la hora de mejorar la atención sanitaria de la
población en general, y en especial, de dos grupos poblacionales
especialmente importantes: las personas mayores y los pacientes con
patologías crónicas. La medición del movimiento durante las
actividades diarias en pacientes con patologías crónicas permite el
cálculo de índices de actividad metabólica que pueden utilizarse
para la prescripción personalizada de insulina, en el caso de
pacientes diabéticos, o para estimar la generación de nitrógeno
ureico, creatinina, y otros productos del metabolismo causantes del
síndrome urémico, en el caso de pacientes con insuficiencia renal
crónica. La estimación del gasto energético y de la actividad diaria
también es de utilidad en el seguimiento de pacientes con problemas
cardiacos, asma, enfermedad pulmonar obstructiva crónica y en el
seguimiento del post-operatorio [Ermes, J. Parkka,
J. Mantyjarvi and I. Korhonen, "Detection of Daily Activities and
Sports With Wearable Sensors in Controlled and Uncontrolled
Conditions", IEEE Trans. Infor. Tech. Biomed., vol. 12, no. 1,
pp. 20-26, 2008]. Es interesante hacer notar que un
porcentaje significativo de pacientes con patologías crónicas como
las nombradas son personas con más de 65 años.
Las personas mayores además se enfrentan a otro
importante problema, las caídas, las cuales tienen una demostrada
relación con la morbilidad y la mortalidad en este grupo poblacional
[Y. Zigel, D. Litvak and I. Gannot, "A Method for Automatic Fall
Detection of Elderly People Using Floor Vibrations and
Sound-Proof of Concept on Human Mimicking Doll
Falls", IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 56, no. 12, pp.
2858-2867, 2009]. Además, representan una carga
importante dentro del gasto público sanitario, que se va a ver
incrementado notablemente en los próximos años debido a la inversión
de la pirámide poblacional. Una detección temprana de la caída
aumenta la tasa de supervivencia, reduce el gasto médico derivado y
disminuye el tiempo medio de retorno a una vida independiente.
Las nuevas tecnologías de comunicación
inalámbricas y los avances en sistemas microelectromecánicos (MEMS)
han permitido el desarrollo de numerosos dispositivos portátiles
para la monitorización autónoma del movimiento humano en el ámbito
de la teleasistencia domiciliaria. La mayoría de estos dispositivos
portables se basan en un diseño constituido por un acelerómetro, un
procesador, una memoria y un módulo de comunicaciones, como en US
6.433.690, US 7.479.890 o WO 2009/138900. Otros diseños añaden al
esquema anterior acelerómetros en la misma unidad sensora (US
7.248.172) o en dispositivos distribuidos por el cuerpo (WO
2008/091227). Existen también propuestas que agregan otros sensores
como giróscopos (US 2009/076419), magnetómetros (US 7.423.537),
barómetros (WO 2009/138941), sensores de presión en los pies (US
2009/076419) o detectores RFID distribuidos por el entorno de
seguimiento (WO 2007/057692). Incluso podemos encontrar diseños que
complementan la monitorización con sensores de variables
fisiológicas como el ritmo respiratorio, la presión parcial de
CO_{2}, la temperatura (US 6.997.882) o sensores de ECG (US
2009/048540).
El marco de uso de estos dispositivos cubre
aplicaciones de diversa índole, como la detección o clasificación de
la actividad del sujeto portador (US 6.433.690), la clasificación de
movimientos (US 6.864.796), la estimación del gasto energético o del
consumo calórico (US 2009/048540), la evaluación del nivel de
actividad física (ES 2.309.455) o el cómputo del número de pasos al
caminar (US 2009/048540). También se aplican a la detección de
eventos de alarma o atención, como pueden ser las caídas (US
2008/129518, EP 1.779.772, US 7.502.498), del inicio de una caída
(US 7.150.048), de períodos de inmovilidad del sujeto portador (US
7.145.461) o estadios de muerte súbita (WO 2008/050252). La
monitorización del movimiento resulta además de interés en numerosas
aplicaciones aparte del contexto médico de aplicación mencionado,
como puede ser el control de robots o aparatos de ayuda al
movimiento bípedo (US 7.017.395) o la detección inicial de caída en
dispositivos como discos duros (EP 1.742.071).
\newpage
La monitorización remota del movimiento o de los
eventos cinéticos normalmente se realiza a través de un centro de
telemonitorización o teleasistencia. El enlace con dicho centro se
realiza en muchos casos de forma inalámbrica a través de una
estación base fija con acceso a una red fija de comunicación (WO
2008/129451), a través de un enlace WiFi (US 7.394.385) o mediante
conexión directa (US 2009/292227). También es posible realizar la
monitorización en la propia estación base, como se plantea en (ES
2.309.455). La portabilidad del sistema aumenta si se hace móvil la
estación base utilizando un dispositivo electrónico portable con
conexión móvil (US 7.248.172), aunque también se considera la
tecnología GSM/GPRS/UMTS en la unidad sensora para la comunicación
con el centro de telemonitorización (EP 1.779.772). Esta propiedad
se complementa si se añade un módulo de localización terrestre al
dispositivo sensor (EP 1.870.037) o a la estación base móvil (US
2008/129518).
La información capturada por los sensores debe
ser tratada y procesada para extraer las características o eventos
cinéticos de interés. Este procesado se realiza en algunos casos en
la misma unidad sensora (US 2009/174565, WO 2009/138941), en otros
en la estación base (US 6.810.349), en el centro de monitorización
(ES 2.309.455) e incluso de forma off-line en un
ordenador personal (US 7.141.026). En otros diseños se efectúa en
primer lugar un procesado sencillo en la unidad sensora para extraer
parámetros o filtrar señales, y un procesado más complejo en la
estación base (US 7.423.537) o en un servidor remoto (US 7.198.607).
Estas soluciones que prevén una importante carga de procesamiento
fuera de la unidad sensora no resultan eficientes desde el punto de
vista energético, ya que se produce un mayor consumo en las
transmisiones de los dispositivos para soportar un flujo de datos
más denso.
No existe una localización común en los sistemas
de monitorización de movimiento mencionados, siendo frecuente su
ubicación en la cintura (WO 2009/138900), aunque también en el pecho
(ES 2.264.645), en la cadera (US 7.423.537), en la muñeca (WO
2004/100092), en el tobillo (US 7.107.180), en los pies y muslos (US
2009076419), en un colgante del cuello (US2009174565) o incluso
implantados en el pecho (US2009292227). Numerosos estudios han
mostrado que la calidad de la información relativa a las
transiciones entre estados posturales y parámetros metabólicos o
cinéticos puede ser optimizada si el sensor se coloca cerca del
centro de gravedad del sujeto, es decir en la espalda, en el plano
mediano, a la altura del sacro [C. V. C. Bouten, M. Koekkoek, M.
Verduin, R. Kodde, and J. D. Janssen, "A triaxial accelerometer
and portable data processing unit for the assessment of daily
physical activity", IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 44, no. 3, pp.
136-147, 1997]. Esta posición normalmente no se
considera debido a su difícil accesibilidad, lo que se traduce en
una mayor probabilidad de generación de falsos positivos en la
detección de caídas. Para disminuir este efecto a menudo se utilizan
un número mayor de dispositivos sensores, lo que aumenta el coste
del dispositivo y las transmisiones necesarias, disminuyendo la
autonomía de los mismos (WO 2008/129452). Otros métodos tienen en
cuenta la inmovilidad posterior al evento para reducir el número de
falsos positivos, pero presentan el inconveniente de que posibles
intentos de levantarse por parte del paciente puedan dejar la caída
sin detectar. Además, un retraso en el envío de la alarma podría
provocar una situación de ansiedad en el paciente al no recibir un
mensaje de confirmación indicándole que la ayuda está en camino.
Tampoco resulta eficiente la utilización de algoritmos de
procesamientos complejos y pesados que afinen en los procesos de
detección y clasificación, ya que esto repercute de forma negativa
en la portabilidad y en el consumo de los dispositivos, debido al
incremento de los recursos hardware y tiempo de procesamiento
necesarios.
Por otra parte, como la operación de los
dispositivos está supeditada en gran medida a la colocación del
mismo por parte del usuario, éste queda sin monitorizar cuando se
olvida del mismo o cuando realiza actividades para las que se tiene
que desprender de él, como cuando está en la cama o en la ducha,
circunstancias en las que se producen muchas caídas. Estas
situaciones sólo son atendidas con implantes invasivos como en US
6.937.900 o con dispositivos impermeabilizados de utilización no
transparente para el usuario (US 2009/0048540), por lo que podría
olvidar ponérselo. Aún obviando esta circunstancia, la mayoría de
los dispositivos no están capacitados para operar en todos los
escenarios, como cuando el usuario está fuera de casa o fuera del
área de cobertura de monitorización, y tampoco están preparados para
trabajar en entornos multiusuario, como puede ser un centro de
mayores o un hospital.
Resulta interesante añadir que existen también
sistemas de monitorización no portables que basan su funcionamiento
en el uso de dispositivos sensoriales distribuidos por la vivienda o
el entorno de seguimiento, como pueden ser sistemas de detección de
caídas mediante cámaras o dispositivos ópticos (US 2009/278934, WO
2004/047039, US 7.110.569) o mediante sensores de vibración y
micrófonos en el suelo (WO 2009/113056). La principal desventaja de
estos sistemas es que su aplicabilidad se reduce sólo al ámbito de
despliegue de los sensores.
Recapitulando, a lo largo de las últimas décadas
se han desarrollado numerosos sistemas de monitorización del
movimiento humano, algunos de ellos han dado lugar a dispositivos
comerciales. Sin embargo, muchos de estos sistemas están demasiado
orientados a aplicaciones concretas, como la detección de muerte
súbita en bebés (US 6.765.489), la determinación de si un usuario
supera o no un umbral determinado de ejercicio (WO 2009/042965, WO
2009/140360), aplicaciones para deportistas (WO 2007/027706) e
incluso sistemas de uso no orientado a personas (WO 2009/090584).
Cabe destacar también un claro déficit en la posibilidad de
personalización para adaptar el dispositivo a las características
particulares de la persona, como pueden ser su edad, peso, sexo o
estado de movilidad. Además, se echa en falta la consideración de
procedimientos de comunicación bidireccional que permitan optimizar
el funcionamiento del dispositivo y adaptar en cada momento su uso
al medio y al contexto de aplicación. Muchos de los sistemas
desarrollados adolecen de una clara falta de interoperatividad y, en
la mayoría de los casos, ni siquiera han sido ideados para ser
integrados en una arquitectura abierta.
Para complementar la descripción de la solicitud
de patente de adición y con objeto de ayudar a una mejor comprensión
de las características de la misma, se acompañan las figuras
descritas a continuación con carácter ilustrativo y no
limitativo:
Figura 1.- Representación esquemática del
sistema portable para la monitorización del movimiento, estado
postural y actividad física de una persona durante las 24 horas del
día, que constituye el objeto de la presente invención.
Figura 2.- Diagrama de bloques simplificado
correspondiente a la unidad inteligente de acelerometría.
Figura 3.- Diagrama similar al de la figura
anterior pero correspondiente al servidor personal.
Figura 4.- Diagrama de bloques correspondiente
al router de acceso al centro de gestión.
El objeto de la presente invención es la mejora
del sistema planteado en la patente principal P200201710 ("Sistema
portable para la monitorización del movimiento, estado postural y
actividad física de humanos durante las 24 horas del día"),
basado en una arquitectura modular y abierta, donde el uso del
sensor es completamente transparente al usuario, ya que se integra
en un parche biocompatible e impermeable en la espalda a la altura
del sacro, que le proporciona cobertura en todos los entornos, con
servicios ampliados para ambientes multiusuario.
La presente adición mejora la arquitectura base
mediante la inclusión de un novedoso diseño genérico de los sensores
inteligentes fundamentado en la ejecución paralela de módulos de
procesamiento, que basan su funcionamiento en tres modos de
operación. Este esquema de funcionamiento está especialmente
diseñado para optimizar el sistema de monitorización en múltiples
niveles: A) optimización del consumo global de potencia del sistema,
minimizando las necesidades de comunicaciones y procesamiento, y
maximizando la autonomía del dispositivo sensor; B) mejora en la
robustez y en la portabilidad, gracias a un procesamiento
distribuido más eficiente; C) personalización y adaptación inmediata
al medio y al contexto, mediante módulos de optimización y una
comunicación bidireccional con el sensor inteligente; D)
interoperatividad, a través de una arquitectura abierta y modular
que permite un fácil rediseño y la integración de nuevos sensores,
tecnologías y servicios.
El novedoso diseño genérico para sensores
inteligentes está aplicado de forma particular en las unidades
inteligentes de acelerometría para la monitorización del movimiento
y estado postural del usuario, y se fundamenta en un esquema modular
que facilita la integración de nuevas tecnologías, el cual está
formado por:
1) Dispositivo sensor: elemento encargado de la
transducción de la señal biomédica monitorizada (aceleraciones, en
este caso) a señales aptas para su transmisión y/o procesamiento,
pudiendo incluir la unidad inteligente puede más de un dispositivo
sensor. Las mejoras del diseño permiten perfeccionar los algoritmos
de la unidad inteligente de acelerometría de manera que no son
necesarios cuatro ejes en las componentes de aceleración del
movimiento del usuario, por lo que se sustituyen los acelerómetros
biaxiales correspondientes a la patente original por un acelerómetro
triaxial. Este acelerómetro es el dispositivo sensor en el diseño
genérico para sensores inteligentes utilizado en la unidad
inteligente de acelerometría.
2) Unidad de procesamiento: donde un
microcontrolador se encarga de la adquisición de las señales del
dispositivo sensor y de su procesamiento. Su operación se descompone
en uno o más módulos de procesamiento, de ejecución paralela, que
tratarán de forma independiente las señales procedentes del
dispositivo sensor para la detección de eventos de diferente
naturaleza o para abstraer información relevante de dichas señales.
La información relevante de cada módulo de procesamiento se
estructura de forma secuencial en muestras de información, definidas
en el tiempo mediante una frecuencia de muestreo configurable. La
unidad de procesamiento gestiona también el funcionamiento global
del dispositivo y los modos de operación de cada módulo de
procesamiento.
3) Módulo de comunicaciones: con otro
microcontrolador integrado donde se implementa un protocolo de
comunicaciones de bajo consumo y con capacidades de transmisión en
tiempo real. El disponer de dos microcontroladores en el sensor
inteligente permite separar el procesamiento de la información de
las comunicaciones, facilitando el rediseño y la integración de
nuevas tecnologías, a la vez que se posibilita la actualización
remota de la unidad de procesamiento y del módulo de comunicaciones.
En la configuración presentada el sistema forma una topología en
estrella donde los nodos esclavos son las unidades inteligentes y el
nodo maestro es el servidor personal. El protocolo de comunicaciones
está implementado en los microcontroladores de los transceptores de
comunicaciones de las unidades inteligentes y del servidor personal.
En este esquema el flujo de datos en el enlace desde el servidor
personal hasta las unidades inteligentes está basado en el envío de
comandos dirigidos a los módulos de procesamiento, ya sean comandos
de configuración de operación de los módulos de procesamiento de la
unidad inteligente, o comandos de actualización de los algoritmos de
procesamiento internos del módulo para adaptar su operación al medio
o al usuario. El flujo de datos en el enlace de comunicaciones desde
las unidades inteligentes al servidor personal está basado en el
envío de la información sensorial u otra información extraída de la
misma de acuerdo con los modos de operación de los módulos de
procesamiento de los dispositivos descritos en párrafos anteriores.
El transceptor de cada unidad inteligente gestionará las
comunicaciones de todos los módulos de procesamiento ejecutados en
la unidad de procesamiento. El transceptor del servidor personal es
el encargado del envío de los comandos de configuración y de asignar
los intervalos de transmisión y de escucha a cada módulo de
procesamiento de las unidades inteligentes. Los transceptores se
ponen en modo de bajo consumo cuando no tengan que transmitir o
recibir datos, siendo el algoritmo de asignación de intervalos del
servidor personal el encargado de maximizar en cada momento el
tiempo en bajo consumo de todos los dispositivos transceptores
(incluido el suyo), y proporcionar en cada momento la capacidad de
transmisión requerida para cada módulo de procesamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Los módulos de procesamiento de las unidades
sensoras inteligentes basan su funcionamiento en tres modos de
operación para reducir al máximo su consumo de energía:
Modo
1
En este modo de funcionamiento la unidad sensora
inteligente transmite en tiempo real la información definida para
ese módulo de procesamiento, ya sea información procedente del
dispositivo sensor u otra, resultado del módulo del procesamiento.
Esta información se envía con una frecuencia de muestreo
configurable. Se entra en este modo de funcionamiento después de la
detección y envío de un evento de alarma hasta el momento en que
ésta sea confirmada mediante un comando por el servidor personal.
Esta confirmación puede ser retrasada para recabar más información
del evento de alarma. También puede activarse este modo de
funcionamiento de forma remota mediante el envío de un comando.
En este modo, las muestras de información
generadas por el módulo de procesamiento se empaquetan en tramas de
datos para su envío al servidor personal de acuerdo con el protocolo
de comunicaciones descrito.
Podemos considerar dos submodos de operación en
el modo de operación de transmisión continua de datos: 1) Submodo
normal: establecido por defecto en la unidad sensora inteligente,
donde no se presta atención a la ocurrencia de nuevos eventos de
alarma. 2) Submodo de alarma: donde la detección de eventos sí
genera el envío de alarmas.
\vskip1.000000\baselineskip
Modo
2
Este es el modo de funcionamiento normal de las
unidades sensoras inteligentes con objeto de reducir al máximo su
consumo en comunicaciones. En este modo de operación no se envía
ningún dato hasta que el dispositivo sensor no detecte un evento de
atención relativo a las variables fisiológicas monitorizadas. Este
evento puede ser la superación de uno o varios umbrales
preestablecidos, ya sean máximos o mínimos, de las variables
monitorizadas o de otras resultantes del procesamiento interno del
módulo de procesamiento. La alarma que se genere incluye en su
transmisión una ventana de muestras anteriores al evento de alarma
de tamaño configurable para su análisis posterior en el servidor
personal. Este tipo de transmisión se puede activar también de forma
remota en otra unidad sensora mediante un comando.
En este modo, sólo se transmiten datos cuando el
módulo de procesamiento detecte un evento. En ese momento se inicia
el envío de una cantidad prefijada y configurable de muestras de
información previas al evento que han sido almacenadas en la memoria
de la unidad de procesamiento. Estas muestras son empaquetadas en
una o varias tramas de alarma para su envío al servidor personal de
acuerdo con el protocolo de comunicaciones descrito.
\vskip1.000000\baselineskip
Modo
3
En este modo no se envía ningún dato, pero
continúa su almacenamiento en un buffer. Este modo de operación se
puede establecer de forma remota, una vez reconocido el evento de
alarma, para no saturar al sistema con redundantes transmisiones de
alarma mientras se está atendiendo al paciente.
De acuerdo con la arquitectura planteada, en la
unidad inteligente de acelerometría se pueden ejecutar los módulos
de procesamiento basados en información acelerométrica
siguientes:
- -
- Módulo de procesamiento para la detección de eventos de energía, en el que los eventos detectados se corresponden con situaciones que presentan una elevada carga energética en un corto período de tiempo.
- -
- Módulo de procesamiento para la estimación del nivel de actividad. Cada muestra de información de este módulo se corresponde con una variable que representa el nivel de actividad física del portador del sensor, estimado en el período transcurrido entre la muestra actual y la anterior. En este módulo los eventos detectados están asociados a situaciones de atención relacionadas con la realización o ausencia de actividad en determinadas franjas horarias de la vida diaria del portador de la unidad inteligente de acelerometría. Las situaciones de atención son configurables mediante comandos. La unidad de procesamiento tiene implementado un reloj en tiempo real que se utiliza en el establecimiento de las distintas franjas horarias configuradas.
- -
- Módulo de procesamiento para la estimación del gasto energético o consumo calórico. Cada muestra de información de este módulo se corresponde con una variable que representa el gasto energético o consumo calórico del portador del sensor estimado en el período transcurrido entre la muestra actual y la anterior. En este módulo los eventos detectados están asociados a situaciones de atención relacionadas con la superación de un determinado umbral en la estimación del gasto energético o consumo calórico, ya sea por encima o por debajo, en determinadas franjas horarias de la vida diaria del portador de la unidad inteligente de acelerometría. Las situaciones de atención son configurables mediante comandos.
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La presente adición a la Patente 200201710
también introduce mejoras funcionales y estructurales en el
dispositivo servidor personal y en el router de acceso a través
de:
- nuevos módulos de optimización de los
algoritmos de detección de eventos de energía, de estimación del
nivel de actividad y del gasto energético ó consumo calórico. Se
ejecutan en tiempo real en el servidor personal o en el centro de
gestión a partir de información captada por las unidades sensoras
inteligentes para adaptar el funcionamiento de los módulos de
procesamiento correspondientes a la aplicación particular de uso, al
usuario y al medio o situación en la que se encuentre éste.
- la actualización remota del firm/software de
la unidad de procesamiento y del microcontrolador del transceptor de
las unidades inteligentes.
- la monitorización del nivel de energía
restante del sistema de alimentación de la unidad inteligente para
la generación de eventos de alarma cuando se alcance un nivel por
debajo de un parámetro configurable mediante comandos. También se
incluyen módulos de monitorización del nivel de carga y del estado
de las baterías en el servidor personal y en el router de acceso. Un
sistema de control se encargará de la gestión y del mantenimiento
del nivel de energía de los elementos integrantes del sistema
(unidades sensoras inteligentes, servidor personal y router de
acceso) activando según el caso mecanismos de salvaguarda de
energía: señales de aviso al usuario y/o al centro de gestión en
caso de detección de un nivel bajo de energía, ampliación de los
períodos entre transmisiones/recepciones, disminución de la
frecuencia de muestreo, desactivación de módulos prescindibles,
etc.
- la consideración en el sistema portable de una
arquitectura multinúcleo, que integrando al DSP (Procesador Digital
de Señales) de la patente original, permita la mejora del
dispositivo servidor personal y facilite la instalación de un
sistema operativo embebido de libre distribución y la dotación de
nuevos servicios al sistema portable.
- la estandarización de la información enviada
al centro de gestión, atendiendo a los organismos de normalización
europeos e internacionales para así facilitar la interoperatividad
del sistema portable y la integración de la información por él
generada en los centros hospitalarios.
- la inclusión en el servidor personal de un
módulo navegación global por satélite activable bajo demanda, ya sea
por el sistema GPS, GLONASS, el futuro Galileo, o una combinación de
ellos. De este modo, cuando se desee, se pueden conocer rápidamente
las coordenadas de situación, y por tanto la ubicación del sistema
portable, y obviamente de su usuario asociado. En caso de que el
usuario quiera localizarse bajo techo donde la comunicación vía
satélite no sea posible, se utiliza un sistema de posicionamiento
indirecto, como por ejemplo la triangulación mediante balizas
emplazadas en distintos lugares del entorno del paciente. Este
posicionamiento es hallado por el servidor personal y se transmite
al centro de gestión a través del router de acceso.
- la integración de nuevas tecnologías
inalámbricas de comunicaciones en el enlace entre las unidades
inteligentes y el servidor personal atendiendo a las mejoras
conseguidas en tecnologías ULP (Ultra Low Power) de muy bajo consumo
(Wibree, Ultra WideBand (UWB) e IntraBody Communications (IBC) son
opciones en este sentido), o que permitan la compleción de redes de
área personal inalámbricas tanto intra- como
extra-corporales, para poder así integrar
dispositivos sensores inteligentes tanto implantados como
externos.
- el diseño de la unidad inteligente de
acelerometría para ser implantada bajo la piel y así evitar la
saturación en la banda ISM de frecuencias. En este caso la unidad
está envuelta en un material biocompatible, la recarga de la batería
se realiza por acoplo magnético con una tecnología análoga a la de
los marcapasos actuales, y la comunicación con el servidor personal
se realiza por medio de tecnologías de comunicaciones
intracorporales.
- el establecimiento de una funcionalidad doble
del servidor personal en función del escenario de aplicación. En
caso de que el servidor personal se encuentre en un escenario fuera
del dominio de cobertura del router de acceso, debe encargarse de
comunicar directamente con el centro de gestión. Para tal fin se
dota al servidor personal de un módulo transceptor de telefonía
móvil que entra en funcionamiento cuando el usuario se encuentre en
entornos abiertos donde no se detecte el router de acceso, para
alertar al centro de gestión de cualquier evento de interés captado
por las unidades inteligentes. El segundo escenario se establece
cuando el usuario regrese a su hogar o equivalente, donde el
servidor personal delega automáticamente esta tarea al router de
acceso y adopta su funcionalidad original.
- la incorporación al router de acceso al centro
de gestión la capacidad de monitorizar sensores domóticos para dotar
de seguridad técnica al domicilio o lugar de residencia del usuario
ante posibles eventos de peligro como fugas, humos o incendios. Este
módulo de control domótico en el router de acceso incluye una
funcionalidad para la monitorización del estado de la conexiones con
la red eléctrica y la red telefónica de acceso al centro de gestión,
que lanzará en su caso mecanismos de respuesta adecuados: aviso al
usuario, búsqueda de una conexión alternativa con el centro de
gestión, etc.
A la vista de la figuras reseñadas, y más
concretamente de la figura 1, puede observarse como en el sistema
portable que la patente de mejora propone (1) participa el sujeto
(2) a ser monitorizado y una red inalámbrica de área personal (3),
conectada al exterior mediante una unidad de acceso (4). En la
realización más simple del sistema éste incorpora una sola unidad
inteligente (5) de acelerometría, con su correspondiente servidor
personal (6), mientras que la unidad de acceso al sistema portable
(1) ha sido referenciada con (4) y está conectada al centro de
gestión (7) a través de una conexión fija (8) o de telefonía móvil
(9). A su vez, el centro de gestión está conectado con el servidor
personal (6) a través de un enlace de telefonía móvil (10).
La unidad inteligente de acelerometría (figura
2) se materializa en un dispositivo implementado de acuerdo con el
diseño genérico para unidades inteligentes descrito anteriormente.
Según este diseño, la unidad de procesamiento está formada por un
microcontrolador de 8 bits (11) alimentado con 3 voltios a través de
una batería (12), al igual que el resto de elementos de esta unidad
sensora inteligente. Este microcontrolador hace uso de las memorias
internas ROM (13a) y RAM (13b) del mismo para el almacenamiento del
firmware y las variables de procesamiento. El módulo de
comunicaciones se implementa en un transceptor (14) basado en el
estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4 con un microcontrolador
integrado donde se implementa un protocolo de comunicaciones
construido sobre dicho estándar. Una antena (15) transmitirá y
recibirá la señal en la banda ISM (Industrial, Scientific and
Medical) de frecuencias. Finalmente, el dispositivo sensor está
constituido por un único acelerómetro triaxial (16). En la unidad de
procesamiento se ejecutan tres módulos de procesamiento: un módulo
de procesamiento para la detección de impactos basado en la
detección de eventos de energía, un módulo de procesamiento para la
estimación del nivel de actividad y un módulo de procesamiento para
la estimación del gasto energético o consumo calórico. Cada uno de
los módulos de procesamiento opera en uno de los tres modos de
operación descritos en el diseño genérico para unidades
inteligentes: modo 1 (transmisión continua de datos), modo 2
(transmisión basada en eventos) y modo 3 (espera activa).
El protocolo de comunicaciones utilizado entre
las unidades sensoras y el servidor personal está basado en la
técnica de acceso al medio por división en el tiempo (TDMA - Time
Division Medium Access), a partir de una estructura de supertrama
que define el servidor personal para la transmisión de la
información. Esta supertrama está compuesta por N intervalos
temporales de la misma duración, los cuales son utilizados por los
módulos de procesamiento de las unidades inteligentes para
transmitir las muestras. El número de intervalos temporales N de la
supertrama es un parámetro configurable por el servidor personal, y
éste lo modifica según las necesidades de transmisión en cada
instante de tiempo. En el primer intervalo temporal de la
supertrama, el servidor personal envía una trama de baliza para que
todos los dispositivos se sincronicen con la supertrama. En esta
trama de baliza se informa a los dispositivos de la duración total
de la supertrama y de los intervalos temporales asignados a cada
módulo de procesamiento para la realización de sus
transmisiones/recepciones, así como los comandos de configuración de
los módulos de procesamiento de las unidades sensoras. Las muestras
de información se encapsulan en tramas de datos o tramas de alarma
para su envío como datos del estándar IEEE 802.15.4. Estas tramas
son enviadas en los intervalos temporales de la supertrama asignados
a los módulos de procesamiento.
En la unidad de procesamiento de la unidad
inteligente de acelerometría se ejecuta un módulo de procesamiento
para la detección de eventos de energía basados en información
acelerométrica. La detección de eventos de energía se orienta a una
aplicación para la detección de caídas en personas mayores,
considerando los eventos de energía como posibles impactos de caída.
En esta aplicación para la detección de caídas, el módulo de
procesamiento realiza una primera detección (detección de eventos de
energía o impactos), dejando que el servidor personal efectúe un
procesamiento más profundo de la información sensorial para
discriminar de una forma más precisa y fiable entre un evento de
caída real y otros tipos de impacto (discriminación de caídas). En
el algoritmo de detección de eventos de energía del módulo de
procesamiento, las aceleraciones son pre-procesadas
por un filtro supresor de continua que elimina las componentes de
baja frecuencia y otras componentes relacionadas con la fuerza de
gravedad, innecesarias en la detección de impactos. Se realiza
también una estimación de la energía asociada con los datos de
aceleración en cada uno de los ejes, analizando si se han superado
unos umbrales personalizados de aceleración y energía.
Si el módulo de procesamiento se encuentra en el
modo 2 de operación, la detección de un evento de impacto activaría
el envío de las aceleraciones de los tres ejes sin filtrar,
almacenadas durante los 2 segundos previos al impacto, y
empaquetadas en tramas de alarma. Después del evento de impacto se
entraría en el modo 1 de operación durante 2 segundos para enviar
las aceleraciones posteriores al evento de alarma. Se reduce así el
consumo del dispositivo ya que sólo se envían las aceleraciones
correspondientes a 4 segundos cada vez que se detecta un impacto.
Este tiempo es suficiente para recoger toda la información del
evento de impacto para que así el servidor personal pueda decidir si
se ha producido una verdadera caída.
En la unidad de procesamiento de la unidad
inteligente de acelerometría se ejecuta también un módulo de
procesamiento para la estimación del nivel de actividad física
realizada por el portador del dispositivo. El módulo está programado
para lanzar un evento de alarma si no se detecta actividad física
durante un intervalo temporal definido. Las muestras de información
se corresponden con la estimación del nivel de actividad realizada
con una frecuencia de muestreo programable.
En la unidad de procesamiento de la unidad
inteligente de acelerometría se ejecuta también un módulo de
procesamiento para la estimación del gasto energético o consumo
calórico del portador del dispositivo. Las muestras de información
se corresponden con la estimación del gasto energético o consumo
calórico estimado con una frecuencia de muestreo programable.
La información capturada o generada por los
módulos de procesamiento de la unidad de acelerometría inteligente
es enviada al servidor personal (6) en función del modo de operación
particular de cada uno de ellos. De acuerdo con la figura 3, este
servidor personal consta de un microcontrolador multinúcleo (17),
que al menos dispone de un procesador digital de señal (DSP)
alimentado por una batería (18), al igual que el resto del servidor
personal. Está formado también por módulos lógicos embebidos (19),
una memoria borrable para el código (20), un módulo interfaz (21)
compuesto por botonera (22) e interfaz
visual-acústica (23), un módulo GPS (24) para la
localización del usuario, un módulo de radiofrecuencia para su
comunicación con los dispositivos pertenecientes al sistema portable
mediante un transceptor ISM (25) junto a su correspondiente antena
(26), y otro módulo de radiofrecuencia para su comunicación directa
con el centro de gestión mediante un módulo de telefonía móvil (27).
La información recibida de las unidades inteligentes es procesada
por el DSP del servidor personal usando algoritmos matemáticos de
procesamiento para discriminar, en el caso de la detección de
caídas, entre verdaderos eventos de caída y otros eventos de impacto
previamente detectados por la unidad inteligente de
acelerometría.
Como el algoritmo de detección de caídas del
servidor personal sólo analiza 4 segundos de información
acelerométrica, éste discrimina una caída mucho antes que los
sistemas que utilizan la ausencia de movimiento después del evento
de caída. En este algoritmo se organiza la información
acelerométrica en segmentos de 90 muestras, sobre los cuales se
aplica un doble estudio con umbrales adaptados a la persona y al
medio.
El router de acceso al centro de gestión (figura
4) está compuesto por un microcontrolador (28), una memoria borrable
de alta capacidad (29), una interfaz de usuario similar a la del
servidor personal (30), un transceptor inalámbrico (31) y una antena
(32) para su conexión con el servidor personal, y un punto de acceso
mediante tecnología móvil (33) o terrestre (34) para su comunicación
con el centro de gestión, todos ellos alimentados por una batería
(35). El router de acceso facilita además la comunicación
bidireccional entre el centro de gestión y el sistema portable,
permitiendo desde el primero y de forma remota la actualización del
firmware de los dispositivos integrantes en el sistema portable. En
el diseño del router de acceso, al igual que el resto de los
elementos del sistema portable, se persigue el menor coste, mínimo
tamaño y facilidad de manejo.
Claims (17)
1. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día",
caracterizada porque comprende:
- -
- una unidad inteligente de acelerometría (5) adaptada para fijarse a un usuario, que obtiene y preprocesa las aceleraciones de dicho usuario;
- -
- un servidor personal (6), que está en comunicación con la unidad inteligente de acelerometría (5) para gestionar el funcionamiento global del sistema; y
- -
- una unidad de acceso (4), que permite la comunicación del servidor personal (6) con un centro de gestión (7) externo.
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2. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 1, donde la unidad inteligente de
acelerometría (5) comprende:
- -
- un acelerómetro triaxial (16);
- -
- un microcontrolador (11) que recibe y pre-procesa las señales de aceleración recibidas de dicho acelerómetro triaxial (16) para realizar una determinación previa acerca de si se ha producido un evento de alarma;
- -
- un transceptor (14) y una antena (15), que reciben la información del microcontrolador (11) y la envían al servidor personal (6); y
- -
- una batería (12), que alimenta los elementos anteriores.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2
anteriores, donde el servidor personal (6) comprende:
- -
- un microcontrolador (17) que adquiere las señales de la unidad inteligente de acelerometría (5) y determina si se ha producido un evento de caída;
- -
- un módulo de interfaz (21) para la interacción con el usuario;
- -
- unos medios de comunicación (25, 26, 27) con un centro de gestión (7) para comunicar eventos de alarma relativos al usuario y con la unidad inteligente de acelerometría (5);
- -
- una batería (18), que alimenta los elementos anteriores.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 3, donde los medios de comunicación
comprenden:
- -
- un transceptor (25) y una antena (26) para la comunicación con la unidad inteligente de acelerometría (5) y con la unidad de acceso (4);
- -
- un módulo de telefonía móvil (27), que permite establecer comunicación directa con el centro de gestión (7) cuando el usuario se encuentra lejos de la unidad de acceso (4).
\vskip1.000000\baselineskip
5. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-4,
donde el servidor personal (6) además comprende un módulo de
localización (24) del usuario.
6. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 5, donde el módulo de localización
(24) del usuario emplea el sistema GPS, GLONASS, Galileo o una
combinación de los mismos.
7. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 5, donde el módulo de localización
(24) del usuario emplea un sistema de posicionamiento indirecto
basado en balizas emplazadas en el entorno del usuario.
8. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7
anteriores, donde la comunicación entre la unidad inteligente de
acelerometría (5) y el servidor personal (6) se lleva a cabo por
medio de uno de los siguientes sistemas: Ultra Low Power (ULP),
Ultra WideBand (UWB) o IntraBody Communications (IBC).
9. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8
anteriores, donde la unidad de acceso (4) comprende:
- -
- un microcontrolador (28);
- -
- una memoria borrable de alta capacidad (29);
- -
- una módulo interfaz (30) para la comunicación con el usuario;
- -
- un transceptor inalámbrico (31) y una antena (32) para la comunicación con el servidor personal (6);
- -
- unos medios de comunicación (33, 34) que permiten la comunicación con el centro de gestión (7) a través de una red de telefonía móvil o terrestre; y
- -
- una batería (35) que alimenta los elementos anteriores.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9
anteriores, caracterizado porque el procedimiento de
funcionamiento comprende los pasos de:
- -
- realizar, por parte de la unidad inteligente de acelerometría (5), una pre- detección de eventos de alarma;
- -
- comunicar datos acerca de los eventos de alarma pre-detectados al servidor personal (6);
- -
- analizar en el servidor personal (6) los datos recibidos para discriminar eventos de alarma correspondientes a caídas del usuario; y
- -
- informar de la detección de una caída del usuario desde el servidor personal (6) al centro de gestión (7).
\vskip1.000000\baselineskip
11. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 10, que además comprende los pasos
de:
- -
- mantener normalmente un modo de transmisión de datos basado en eventos donde la unidad inteligente de acelerometría (5) no comunica ningún dato al servidor personal (6) hasta que haya pre-detectado un evento de alarma;
- -
- pasar a un modo de comunicación continua de datos de la unidad inteligente de acelerometría (5) al servidor personal (6) cuando se haya pre-detectado un evento de alarma; y
- -
- pasar a un modo de espera activa, donde se almacenan los datos en la unidad inteligente de acelerometría (5) sin enviarlos al servidor personal (6), mientras se está atendiendo al paciente.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 11, donde los eventos de alarma se
corresponden con situaciones en que la carga energética estimada en
un corto período de tiempo supera determinados umbrales.
13. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 11, donde los eventos de alarma se
corresponden situaciones en que la realización o ausencia de
actividad en determinadas franjas horarias en la vida diaria del
usuario supera determinados umbrales.
14. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 11, donde los eventos de alarma se
corresponden con situaciones en que una estimación del gasto
energético o consumo calórico en determinadas franjas horarias en la
vida diaria del usuario supera determinados umbrales.
15. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
10-14, que además comprende el paso de monitorizar
el nivel de energía restante en la batería (12) de la unidad
inteligente de acelerometría (5).
16. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-15
anteriores, donde el paso de comunicación entre la unidad
inteligente de acelerometría (5) y el servidor personal (6) está
basada en la técnica de acceso al medio por división en el tiempo
(TDMA) a partir de una estructura de supertrama.
17. Adición a la patente 200201710 "Sistema
Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y
Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día" de
acuerdo con la reivindicación 16, donde el servidor personal (6)
define un número N de intervalos temporales de la supertrama en
función de las necesidades de comunicación en cada instante de
tiempo.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201000469A ES2378934B1 (es) | 2010-04-08 | 2010-04-08 | Adición a la patente p200201710 por "sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del dia". |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201000469A ES2378934B1 (es) | 2010-04-08 | 2010-04-08 | Adición a la patente p200201710 por "sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del dia". |
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| ES2378934B1 ES2378934B1 (es) | 2012-11-23 |
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|---|---|---|---|
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| Estudillo-Valderrama, M.A.; Roa, L.M.; Reina-Tosina, J.; Naranjo-Hernandez, D.; "Distributed processing methodology for biomedical sensor networks: An optimal approach" Information Technology and Applications in Biomedicine, 2009. ITAB 2009. 9th International Conference on , vol., no., pp.1-4, 4-7 Nov. 2009. doi: 10.1109/ITAB.2009.5394464 * |
| Naranjo, D.; Roa, L.M.; Reina-Tosina, L.J.; Estudillo, M.A.; , "Optimization procedure for the impact detection thresholds in an Accelerometer Smart Sensor," Information Technology and Applications in Biomedicine, 2009. ITAB 2009. 9th International Conference on , vol., no., pp.1-4, 4-7 Nov. 2009.doi: 10.1109/ITAB.2009.5394354URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5394354&isnumber=5394290 * |
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