ES2394842B1 - Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico para la detección de eventos fisicos de riesgo. - Google Patents

Abstract

La invención tiene por objeto un sistema de monitorización multimodal portable y adaptativo para humanos, basado en avatar biomecánico-fisiológico, capaz de detectar y avisar en tiempo real de eventos físicos de riesgo, los cuales incluyen caídas, pero no se limitan a éstas. El sistema propuesto pertenece al sector de la electrónica y nuevas tecnologías, y propone una solución capaz de superar los problemas existentes en los sistemas actuales, relativos a la fiabilidad de la detección de impactos y a su discreción. Su principal sector de aplicación reside en el sector de servicios sociosanitarios a personas mayores, personas con limitaciones de movimiento y patologías crónicas.

Description

Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar

biomecánico-fisiológico para la detección de eventos físicos de riesgo

Objeto de la invención

La presente invención tiene por objeto un sistema de monitonización multimodal

5

portable y adaptativo para humanos, basado en un avatar biomecánico-fisiológico,

capaz de detectar y avisar acerca de eventos físicos de riesgo, los cuales incluyen

caídas pero no se limitan a ellas, en tiempo real, de manera discreta y en entornos

abiertos o cerrados. El sistema permite además un seguimiento personalizado y

profundo de la actividad física del sujeto y de parámetros fisiológicos relevantes,

1 O

de manera configurable y de acuerdo a las necesidades establecidas por el

profesional sanitario.

Estado de la técnica

Las caídas de personas mayores constituyen un serio problema sanitario en

15

países industrializados, estando correlacionadas con la morbilidad y mortalidad de

dicho grupo poblacional (Lord et al, 2001 ). Los factores de orden psicológico

juegan un papel relevante en este asunto, siendo el miedo a caerse y perder

independencia uno de los más determinantes, al inducir una reducción del

movimiento, pérdida de tono muscular y coordinación, e incrementar la

20

probabilidad y la gravedad de las caídas.

Por otro lado las personas mayores son un grupo poblacional con una elevada

comorbilidad, con patologías crónicas primarias como la diabetes, insuficiencia

renal crónica, y enfermedad cardiovascular, entre otras, y multitud de

complicaciones crónicas degenerativas, lo que incrementa el rie~sgo hospitalario y

25

las potenciales complicaciones de una caída, por ejemplo de fractura.

La inversión de la pirámide poblacional y su implicación en la calidad de vida y

gasto socio-sanitario está cumpliendo las predicciones de hace años,

incrementando el número de personas en situación de dependencia, con

problemas agravados por los nuevos modelos familiares y sociales (Lutz et al,

30

2008).

Las soluciones a esta problemática son complejas. Los programas de intervención

multifactorial dirigidos a reducir el riesgo de caídas y sus consecuencias han

demostrado un cierto éxito (Voermans et al, 2007), sin embargo, se requieren

soluciones complementarias que permitan detectar con rapidez una posible caída

para asegurar la asistencia médica urgente en situaciones en las que la persona

se encuentra sola, no puede reaccionar o queda inconsciente.

Se ha investigado mucho para desarrollar sistemas automáticos que detecten

caídas y avisen a un centro de asistencia médica. Por su portabilidad y potencial

5

discreción, los sistemas de monitorización del movimiento humano mediante

acelerómetros y giróscopos basados en sistemas micro-electromecánicos (MEMS)

han sido la alternativa más investigada desde los años 80. La posibilidad de

supervisión de manera discreta en casi cualquier lugar aporta ventajas

adicionales, como es el aumento de la seguridad de las personas asistidas, las

1O

cuales pueden mantener un tono muscular y estado de salud mejores, retrasando

la indeseada situación de dependencia y reduciendo los ingresos hospitalarios.

Además, la información que pueden proporcionar estos sistemas a los

profesionales sanitarios es muy importante para conocer las causas por las que se

producen las caídas, correlacionándolas con otras patologías, tratamientos

15

farmacológicos y de otros tipos, y contextos determinados que puedan perturbar el

equilibrio (Barak et al, 2006).

Podemos clasificar los detectores de caídas portables actuales en dos tipos. En el

primero de ellos la caída es un evento lógico que se activa como consecuencia de

la aparición de una secuencia de etapas discriminadoras. Esta secuencia de

20

etapas es relativamente inflexible, y muchas veces basada en elementos de

hardware no programables. Dentro de este primer tipo deben citarse el dispositivo

optoelectrónico presentado en (Tamura et al, 2000), el cual genera un evento de

alarma cuando el sujeto (dispositivo) se acerca suficientemente a la posición

horizontal durante un tiempo establecido (una sola etapa), y el detector de caídas

25

presentado en (Williams et al, 1998) y comercializado posteriormente por (Tunstall,

2007), cuyo evento de emergencia se activa cuando un acelerómetro

piezoeléctrico uniaxial detecta un impacto (un umbral establecido en una

dirección) y le sigue una inclinación cercana a la horizontal durante un tiempo

definido (dos etapas de discriminación). Con objeto de reducir la tasa de falsas

30

alarmas se puede incrementar el número de etapas discriminadoras, como se

hace en el dispositivo presentado en (Noury et al, 2000) que añade la detección de

vibraciones en la superficie corporal del sujeto, para discriminar si el sujeto se

mueve tras la posible caída.

Otros dispositivos comerciales pertenecientes a este primer tipo son el Altee Fall

35

Detector (Tinetek, www.tynetec.co.uk (último acceso Junio 2010)), portado

alrededor del cuello o en una pinza de cinturón, el cual utiliza un acelerómetro

biaxial que detecta un movimiento brusco (una etapa de discriminación), y avisa al

sujeto mediante un led rojo parpadeante antes de enviar el aviso al centro de

alarmas, a través de una estación fija con la que se comunica a una distancia no

mayor de 75 mts. El Easylink Automatic Fall Alarm (Easylink, www.easylink.co.uk

5

(último acceso Junio 201 O)) tiene el tamaño aproximado de una cajetilla de tabaco

clásica, y se porta en el cinturón. Añade una segunda etapa de detección de

inclinación, antes de generar el evento, mediante un procedimiento similar al

anterior (preaviso y conexión vía unidad fija). El monitor WristCare (Vivatec,

www.vivatec.co.uk (último acceso Junio 2010)) se lleva como un reloj de pulsera y

1 O

detecta la falta de actividad del sujeto (una etapa), enviando la alarma a una

unidad fija en el hogar. El dispositivo lntellilink (Chubb,

www.chibcommunitycare.co.uk (último acceso Junio 201 O)) es un detector de

caídas portado alrededor del cuello y basado también en un cambio de inclinación

determinado. Uno de los dispositivos más recientes pertenecientes al primer tipo

15

definido fue presentado por Philips en Marzo de 201 O (Línea comercial Lifeline,

www.lifelinesys.com (último acceso Junio 2010)), llevándose alrededor del cuello y

basado en la detección en secuencia de un patrón de aceleración característico de

un impacto y un cambio de inclinación que lo deje horizontal. El sistema basado en

la patente (Azcoitia Arreche et al, 2007) también pueden considerarse

20

perteneciente al primer tipo. Este dispositivo se lleva sujeto al cinturón de manera

similar al detector de Tunstall, y utiliza un acelerómetro biaxial según ejes vertical

y horizontal. La detección de caídas se basa en la superación de unos valores de

aceleración en esos ejes, según unas cantidades establecidas en unidades de

aceleración gravitatoria, g. El algoritmo distingue una detección directa y una

25

detección diferencial, de tal forma que la directa se caracteriza por superar el valor

medio del eje horizontal en ±3.5 g generando un aviso directo (una etapa

discriminación), y la diferencial por superar ±1.6 g seguido de un tiempo de

inactividad (dos etapas de discriminación).

El segundo tipo de detectores se caracteriza por su capacidad para realizar una

30

medición de la aceleración vectorial según tres dimensiones (30), usualmente

ortogonales en el punto de fijación, aportando flexibilidad para el análisis

cinemática y postura! del usuario. En realidad, lo que distingue el segundo del

primer tipo de detectores no es tanto el sensor 30 sino la capacidad de analizar el

movimiento humano mediante técnicas más sofisticadas. Existen muchos menos

35

ejemplos en esta categoría, debido a su complejidad y mayor dificultad técnica.

Uno de los primeros trabajos en esta línea presentó la posibilidad de usar esta

señal vectorial para discriminar las posturas y estados cinemáticos determinados

(Mathie et al, 2001 ). Otros investigadores han demostrado como la aceleración

vectorial 30 aporta suficiente información para realizar una estimación del gasto

energético del sujeto, asociado a la actividad física realizada (Bouten et al, 1997).

5

Uno de los principales problemas de este tipo de detectores es que requieren una

capacidad de proceso elevada, lo que dificulta su diseño como detectores

llevables discretos. Un ejemplo más reciente es la patente (Prado et al, 2002a),

correspondiente a un sensor acelerométrico inteligente integrado en una

arquitectura de red personal, constituida además por un servidor personal

1O

inalámbrico (PSE) que hace de coordinador y un router personal conectado a un

teléfono móvil si va a ser usado en exteriores. Utiliza un diseño multimodal para

completar la información disponible sobre el usuario y enlazarla en el PSE, y utiliza

un sensor que se lleva pegado a la piel (en la espalda a la altura del sacro)

mediante una tirita o parche. Sin embargo, este detector presenta todavía

15

importantes inconvenientes. La obligación de fijar el sensor acelerométrico en el

mismo sitio de la piel para funcionar correctamente (cerca del centro de gravedad)

produce dermatitis, y en personas mayores es imposible de ejecutar. Su tamaño

no es inferior a los 5 x 5 cm, con una altura de elementos electrónicos de 5-7 mm.

Para garantizar la correcta supervisión 24/7 del sujeto se requiere llevar tanto el

20

sensor como el PSE encima, lo que dificulta su cumplimiento y en consecuencia

origina un claro riesgo de falta de cumplimiento en personas mayores. Además,

aunque dicha arquitectura permite su personalización al usuario y el procesado

distribuido, no detalla cómo se realiza dicha personalización, ni tampoco el

proceso distribuido que se aplica a la señal, salvo a grandes rasgos. Dicho diseño

25

no ha dado lugar a dispositivos que puedan ser comercializados hasta el

momento.

Pese a todos los desarrollos publicados y patentados, no existe ningún dispositivo

de detección de caídas que haya sido aceptado en la práctica geriátrica. Los

motivos son fundamentalmente dos: una eficiencia funcional inadecuada y una

30

baja aceptación por parte del usuario. Con respecto al primero, los sistemas

actuales no son capaces de garantizar una buena sensibilidad (cercana al 100 %)

con una especificidad suficientemente alta, que reduzca la elevada tasa de falsas

alarmas de la mayoría de los sistemas comerciales. Además, el compromiso entre

un diseño que permita su uso en todo momento, y especialmente en aquellas

35

situaciones que epidemiológicamente han sido subrayadas como de alto riesgo,

cuarto de baño y dormitorio, y una buena eficiencia funcional, no ha sido todavía

resuelto. El segundo motivo es debido a un rechazo psicológico causado por una

mala percepción por parte de la persona mayor, que lo rechaza por su

incomodidad, tamaño y especialmente su poca discreción (Noury et al, 2007). Así

pueden citarse otros ejemplos publicados en revistas científicas, como el

5

dispositivo de (Bourke & Lyons, 2008), que utiliza un giróscopo biaxial. Este

dispositivo debe ser portado en el tronco superior y está lejos de superar los

problemas de portabilidad y discreción indicados.

Existen más dispositivos y patentes que definen el actual estado del arte en este

asunto, los cuales pueden ser clasificados de la forma indicada arriba. Estos

1O

incorporan determinadas características diferenciadoras, la mayor parte de las

veces muy limitadas. Así, la misma compañía propietaria del dispositivo lntellilink

(Chubb, citada arriba) presentó en 2009 un detector de caídas llevable en la

muñeca 24/7. A diferencia de lntellilink, este detector utiliza un acelerómetro y

algoritmos para detectar un cambio brusco en el patrón seguido al andar, y

15

generar un pre-aviso, mediante vibración, que de no desactivarse da lugar al aviso

al centro de atención mediante una estación fija con la que se conecta

inalámbricamente. Otras patentes presentan métodos técnicos diferentes para

detectar la inactividad o presentan otros métodos concretos para la detección

postura! o de inclinación, junto con alguna secuencia concreta de etapas a superar

20

para generar el evento lógico de caída.

Una característica común a la casi totalidad de dispositivos en el mercado

orientados a la detección de caídas en tiempo real es que la detección la realizan

mediante el mismo dispositivo que efectúa la captura de los señales, basado

normalmente en acelerómetros MEMS por su pequeño tamaño y consumo. Una

25

excepción a esto es la patente (Prado et al, 2002a). Existen otros dispositivos y

sistemas que emplean una arquitectura basada en una red inalámbrica personal

para la monitorización de determinadas señales fisiológicas, pero estos tienen

objetivos diferentes. Son sistemas que facilitan la supervisión de ciertas patologías

o eventos de urgencia en salud por sistemas de telecuidado, los cuales en algunos

30

casos integran también un sensor de acelerometría en la red para detección de

caídas. Sin embargo, en este último caso, la función de detección de caídas se

presenta localizada en el citado sensor, y no aporta nada especial o diferencial

con respecto al estado de la técnica que se ha descrito.

Se concluye que pese al ingente esfuerzo de investigación y desarrollo y la

35

cantidad de sistemas en el mercado dirigidos a resolver el problema de la

detección de caídas, todavía no existe un sistema que resuelva esta necesidad,

superando apropiadamente las dos especificaciones citadas: fiabilidad y

aceptación por el usuario.

La invención que se presenta propone un sistema que pretende cumplir con las

dos especificaciones anteriores aprovechando recientes avances científicos y

5

tecnológicos en diferentes áreas. Una de estas áreas, conocida bajo los nombres

de las iniciativas internacionales VPH (Virtual Physiological Human) y Physiome

debe revisarse sucintamente en este apartado al afectar a la solidez y apropiado

entendimiento del sistema. Estas iniciativas cuentan con más de una década de

investigación y tratan de desarrollar metodologías capaces de modelar la fisiología

1O

humana e integrar el conocimiento relativo a la salud de las personas en modelos

matemáticos. Recientemente se están tratando de aplicar los avances producidos

en ellas al área de salud electrónica (e-salud), al que pertenece el monitor que se

presenta aquí. Una de las primeras publicaciones que mostró la posibilidad de

desarrollar componentes computacionales que integrasen modelos matemáticos

15

fisiológicos en el contexto de un sistema de teleasistencia fue publicado a principio

de la década de los 2000 (Prado et al, 2002b). Un número especial que está a

punto de ser publicado presentará varios avances metodológicos en esa dirección,

y en particular un trabajo que aborda la posibilidad de conectar los sensores

inteligentes con modelos matemáticos fisiológicos que pueden ser usados como

20

observadores y predictores de ciertos parámetros fisiológicos y de salud vitales

(Fernández Peruchena* & Prado Velasco*, 201 O). Lo que debe destacarse en esta

área es que las herramientas computacionales y los métodos de modelado y

simulación son capaces de desarrollar modelos matemáticos fisiológicos y

biomecánicos que pueden ser usados para observar en tiempo real y predecir a

25

corto plazo el comportamiento de parámetros de salud y biomecánicos de

humanos. Este es el punto de partida utilizado la invención que aquí se describe.

Referencias:

Azcoitia Arreche J, Miguel, Eizmendi Loriz G, Perolle G, Sanchez Fuentes D,

30

Yanguas Lezaun J, Javier. (2007) Sistema y método para el análisis de la

actividad de una persona y detección automática de caídas. In FATRONIK F (ed.),

España.

Barak Y, Wagenaar RC, Holt KG (2006) Gait Characteristics of Elderly People With

35

a History of Falls: A Dynamic Approach. Physical Therapy 86(11): 1501-1510

Bourke AK, Lyons GM (2008) A threshold-based fall-detection algorithm using a bi-axial gyroscope sensor. Medica/ Engineering and Physics 30(1 ): 84-90

5

Bouten CVC, Koekkoek KTM, Verduin M, Kodde R, Janssen JO (1997) A Triaxial Accelerometer and Portable Data Processing Unit for the Assessment of Daily Physical Activity. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 44(3): 136-147

1O

Fernández Peruchena* CM, Prado Velasco* M (201 O) Smart sensors and virtual physiology human approach as a basis of personalized therapies in diabetes mellitus [First authorship shared] (in press). The Open Biomedical Engineering Journal (TOBEJ)

15

Lord SR, Sherrington C, Menz HB (2001) Falls in older people: risk factors and strategies for prevention, Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press.

Lutz W, Sanderson W, Scherbov S (2008) The coming acceleration of global population ageing. Nature 451 (7179): 716-719

20

Mathie MJ, Basilakis J, Celler BG (2001 ). A System for Monitoring Posture and Physical Activity Using Accelerometers. 23rd Annual lnternational Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.; Oct. 25-28; lstanbul, Turkey.

25

Noury N, Fleury A, Rumeau P, Bourke AK, Laighin G, Rialle V, Lundy JE (2007). Fall detection -Principies and Methods. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc; January 1 , 2007.

30

Noury N, Herve T, Rialle V, Virone G, Mercier E, Morey G, Moro A, Porcheron T (2000). Monitoring behavior in home using a smart fall sensor and position sensors. 1st Annual lnternational IEEE EMBS Special Tapie Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology.; 12-14 Oct. 2000; Lyon, France.

35

Prado M, Reina-Tesina LJ, Roa L. (2002a) Sistema portable para la monitorización de movimiento, estado postura! y actividad física de humanos durante las 24 horas del día. Oficina Española de Patentes y Marcas, Spain.

Prado M, Roa L, Reina-Tesina J, Palma A, Milán JA (2002b) Virtual Center for Renal Support: Technological Approach to Patient Physio/ogical lmage. IEEE Transactions on Biomedical Engineering 49(12): 1420-1430

5

Tamura T, Yoshimura T, Horiuchi F, Higashi Y, Fujimoto T (2000) An ambulatory fall monitor for the elderly. In Proceedings of the 22nd Annual lntemationa/ Conference ofthe IEEE, Vol. 4, pp 2608-2610. Chicago, lllinois, USA

1 O

Tunstall. (2007) Limited, p. 4. Solutions Sheet: falls management solution. Tunstall Group

Voermans NC, Snijders AH, Schoon Y, Bloem BR (2007) Why old people fall (and how to stop them). Practica/ Neurology 7(3): 158-171

15

Williams G, Doughty K, Cameron K, Bradley DA (1998) A smart fall and activity monitor for telecare applications. In Proceedings of the 20nd Annuallntemational Conference of the IEEE. Hong Kong.

20

Descripción de las figuras Al objeto de complementar y clarificar la descripción de la invención y de acuerdo con el ejemplo preferente de realización práctica del mismo que se presenta, se acompaña como parte integrante de la memoria un juego de dibujos con carácter ilustrativo y no limitativo, donde se representa lo que sigue:

25 30

Figura 1. Muestra una representación esquemática del monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico para la detección de eventos físicos de riesgo, el cual constituye el objeto de la presente invención. La figura ilustra la conexión con elementos externos a la invención mediante las líneas (1 O) y (12). Figura 2. Muestra un diagrama de bloques simplificado de un sensor acelerométrico inteligente, perteneciente a la red de sensores del monitor. En la figura 1 se representan dos de estos sensores por los bloques (1 a) y (1 b).

35

Figura 3. Muestra un diagrama de bloques simplificado de una estación transmisora portable, la cual se conecta con un SmartPhone mediante el bloque

24, para aportarle la tecnología de comunicación con los sensores inteligentes. El

conjunto SmartPhone + estación transmisora portable define el dispositivo

coordinador del monitor, representado en la figura 1 mediante el bloque (2).

5

Descripción de la invención

La presente invención tiene por objeto un sistema de monitorización multimodal

portable y adaptativo para humanos, basado en un avatar biomecánico-fisiológico,

capaz de detectar y avisar acerca de eventos físicos de riesgo, los cuales incluyen

caídas pero no se limitan a ellas, en tiempo real, de manera discreta y en entornos

1 O

abiertos o cerrados. El sistema permite además un seguimiento personalizado y

profundo de la actividad física del sujeto y de parámetros fisiológicos relevantes,

de manera configurable y de acuerdo a las necesidades establecidas por el

profesional sanitario.

Está constituido por un conjunto de sensores inteligentes y portables, siendo uno

15

de ellos un sensor acelerométrico triaxial, el cual será el único sensor en la

configuración mínima del sistema, conectados mediante una red personal

inalámbrica a un dispositivo coordinador que contiene a su vez un avatar

biomecánico-fisiológico del sujeto construido mediante un modelo matemático de

parámetros concentrados. La conexión entre los sensores y el coordinador es

20

reactiva al entorno, de tal manera que cuando no existe conexión directa entre

ellos, el coordinador examina el entorno y utiliza unos convertidores de protocolo

fijos para conectarse a la red de sensores, de manera transparente a estos

últimos. El dispositivo coordinador presenta especificaciones funcionales similares

a las de un teléfono móvil inteligente, permitiendo la conexión directa o vía unidad

25

local de acceso, con un centro proveedor de servicios. La reactividad al entorno

elimina la necesidad de portar el teléfono móvil inteligente cuando el sujeto se

encuentra en su hogar o en otro entorno cerrado equivalente.

Al menos el sensor inteligente acelerométrico triaxial puede ser llevado sin

necesidad de ropa, bien sujeto a la piel por una tirita hipoalergénica, en una

30

pulsera, o sujeto a un ornamento de dimensiones mínimas, y su posición puede

ser modificada a demanda del usuario para adaptarse a los cambios de tirita o de

ornamento, adaptándose automáticamente y de manera no guiada a las nuevas

condiciones de fijación.

35

La invención presenta un nuevo sistema para la detección de eventos físicos de

riesgo en humanos en tiempo real, incluyendo las caídas, mediante monitor

multimodal portable y adaptativo basado en un avatar biomecánico-fisiológico, de

manera discreta, y en entornos abiertos o cerrados. La invención permite además

un seguimiento personalizado y profundo de la actividad física y parámetros

fisiológicos relevantes del sujeto, de manera configurable y de acuerdo a las

5

necesidades establecidas por el profesional sanitario. La invención está basada en

el estado actual de las tecnologías de la información y las comunicaciones,

sistemas microelectromecánicos, y técnicas de modelado y simulación de

sistemas en ingeniería biomédica, y supone un aporte innovador en su aplicación

para resolver las necesidades crecientes de seguimiento remoto en situaciones de

1 O

emergencia y prevención en la asistencia socio-sanitaria.

De acuerdo con la reivindicación 1 a el sistema está constituido por un conjunto de

sensores inteligentes y llevables de manera discreta, los cuales se encuentran

conectados con un dispositivo coordinador que ejecuta un avatar biomecánico-

fisiológico del sujeto, basado en un modelo matemático de parámetros

15

concentrados. La conexión entre los sensores y el coordinador se realiza mediante

una red inalámbrica sensible o reactiva al entorno, de acuerdo a conceptos de

Inteligencia Ambiental (Ami). Así, cuando los sensores son alcanzables por el

sistema de transmisión integrado del coordinador, la red se comporta como una

red personal inalámbrica (WPAN). Esta es la situación habitual cuando el sujeto

20

supervisado se encuentra en un entorno abierto, donde portará el dispositivo

coordinador consigo, en un bolso, cinturón o similar.

En un entorno cerrado como el hogar, el usuario no necesita portar el dispositivo

coordinador, de tal manera que este puede quedar encima de su base de carga.

En estas condiciones, si el coordinador no puede comunicarse directamente con

25

los sensores, se produce la conmutación automática a una red local inalámbrica

(WLAN), entrando en acción unos dispositivos fijos denominados convertidores de

protocolo, de pequeño tamaño, y distribuidos regularmente en entorno cerrado, los

cuales actúan como intermediarios entre los sensores y el dispositivo coordinador,

de manera transparente a los sensores. De esa manera, se garantiza la

30

supervisión continua del sujeto, tanto en el hogar o entorno cerrado que se desee,

como en la calle, evitando en lo posible el riesgo de que pueda producirse un

evento crítico no supervisado, como ocurre con la mayoría de los sistemas

actuales descritos en la sección de antecedentes.

De acuerdo a la reivindicación 2a al menos uno de los sensores inteligentes, que

35

puede ser el único en el caso de uso del sistema en su configuración mínima, es

acelerométrico. Este sensor está constituido por un acelerómetro con tecnología

MEMS y capacidad para medir aceleraciones estáticas y dinámicas en tres

dimensiones, microcontrolador, transceptor, antena y fuente de alimentación,

además de una circuitería auxiliar mínima. Todos los elementos electrónicos

utilizan tecnología actual de muy bajo consumo y tensión. Este sensor implementa

5

un algoritmo de detección de impactos, adaptativo y de coste computacional

mínimo. El algoritmo realiza una estimación de la energía acumulada en una

ventana temporal de tamaño inferior al segundo, de acuerdo a la reivindicación 33 ,

asociada a la actividad física del sujeto, y dependiente de la posición corporal en

la que sea llevado. Esta estimación se basa en una suma cuadrática o en valores

1 O

absolutos de las aceleraciones capturadas a la tasa de muestreo empleada

durante la ventana temporal indicada. La elección de valores cuadráticos o

absolutos es configurable en función de otras patologías o requisitos que pueda

tener el sujeto. Así en el caso de un sujeto con diabetes mellitus, puede ser

relevante tener una estimación más precisa del gasto energético medido en una

15

determinada posición corporal, por ejemplo, cerca del centro de gravedad del

sujeto, para introducirlo como dato en el avatar fisiológico y poder predecir de

manera personalizada los niveles de glucosa y ayudar a predecir eventos

glucémicos de interés.

Las energías estimadas en cada dirección (3D) son comparadas con unos

20

umbrales que a su vez son dependientes del propio de patrón de actividad del

sujeto, y de la situación y modo de fijación del sensor. El cálculo de estos

umbrales es realizado por el propio sensor siguiendo un proceso adaptativo que

atiende a los cambios en los citados patrones, situación y fijación, y son por su

naturaleza completamente personalizados. El esquema de aprendizaje seguido es

25

no guiado, es decir, no se requiere que el sujeto realice unas actividades

concretas. Cuando cualquiera de los umbrales es superado se genera un pre-

evento físico de riesgo, que pasará a ser evento físico de riesgo (EFR), por

ejemplo una caída, si la energía asociada a los tres ejes del sensor se mantiene

nula, con un margen de seguridad, durante los segundos que siguen a la citada

30

superación. De acuerdo con la reivindicación 23 los umbrales calculados por el

sensor pueden ser corregidos de acuerdo a un determinado incremento o

decremento, por el dispositivo coordinador.

De acuerdo con la reivindicación 33 el sistema se caracteriza por utilizar una

estrategia de procesado distribuido del tipo "divide y vencerás", tal que el sensor

35

acelerométrico inteligente que define la configuración mínima del monitor se

encarga solo del análisis energético asociado a las aceleraciones muestreadas a

la frecuencia configurada, entre decenas y centenas de muestras por segundo (S/s), enviando las series temporales de aceleraciones, con una frecuencia de muestreo que puede ser inferior (tomando valores intercalados), al dispositivo coordinador, cuando se activa una EFR o cuando el coordinador lo pide expresamente. El dispositivo coordinador, que de acuerdo a la reivindicación 6a es funcionalmente similar a un SmartPhone, se encarga del análisis cinemática y postura! utilizando para ello un modelo biomecánico con un número finito de grados de libertad, de acuerdo a la reivindicación 6a. Un aspecto diferencial importante de la invención, de acuerdo con la reivindicación 4a, es que la detección de EFRs no se limita a la clasificación de un patrón determinado de aceleraciones, dentro de una secuencia de etapas discriminadoras. A diferencia de la mayoría de sistemas actuales de detección automática de caídas, el que aquí se presenta no pretende definir una caída de un sujeto mediante un análisis acelerométrico. Los resultados obtenidos por todos los sistemas desarrollados hasta el presente sugieren que esto no es efectivo, lo que parece lógico por lo artificioso de tal definición. Por ello, el objetivo de detección de caídas ha sido extendido en el sistema que aquí se describe a la detección de eventos físicos que pueden haber provocado daño en el sujeto (EFRs). Estos EFRs pueden estar asociados a un impacto previo o no. El sensor acelerométrico inteligente presenta un diseño capaz de detectar EFRs asociados a impacto mediante la técnica de cómputo energético adaptativo, aprendizaje no guiado y procesado distribuido, descrita anteriormente. Los EFRs no asociados a un impacto previo, los cuales pese a su menor frecuencia pueden producir daños importantes, incluyendo fracturas e incluso la muerte, son supervisados por el dispositivo coordinador, mediante un análisis periódico de series temporales de aceleraciones solicitadas al sensor, con periodos del orden de minutos de acuerdo a reivindicación 3a_ El dispositivo coordinador también efectúa un análisis de ciertos EFRs detectados por el sensor, de manera periódica o por haber sido descartado por el usuario como se indica a continuación, al objeto de optimizar los umbrales de detección y mejorar la especificidad de la detección de eventos ligados a impacto. El sistema genera un aviso configurable, audible y visible, cuando un EFR ha sido detectado, y tanto el sensor como el dispositivo coordinador permiten la desactivación del envío EFR detectado por el usuario antes de su envío al centro prestador de servicios. Esta desactivación puede realizarse mediante

procedimientos diversos, incluyendo reconocimiento de voz, pulsación de un

botón, etc.

La invención que se presenta permite la supervisión de EFRs durante las 24

horas, sin necesidad de llevar ropa, e incluso en la ducha o bañera. Para ello, de

5

acuerdo con la reivindicación sa, el sensor acelerométrico inteligente puede

llevarse al cuerpo mediante una tirita desechable que cambiará de posición

periódicamente para evitar dermatitis, adherido a un ornamento, o alojado en una

pulsera de silicona, neopreno o algún polímero impermeable e hipoalergénico.

Esta flexibilidad se logra debido al reducido tamaño de la electrónica del sensor,

1 O

con un diámetro característico en torno a 1 cm, y una altura de una fracción de 1

cm. El autocalibrado posicional en la aceleración gravitatoria, y la técnica de

aprendizaje no guiado permiten corregir automáticamente los parámetros

umbrales del algoritmo de detección de EFRs asociados a impacto, al cambiar la

posición del sensor. Esta flexibilidad en la portabilidad del sensor es un aspecto

15

clave en su aceptación por los usuarios, atendiendo a aspectos de gustos

(emocionales), ergonómicos y a las necesidades personales.

Como indica la reivindicación ea, el dispositivo coordinador presenta

características funcionales equivalentes a los teléfonos móviles inteligentes o

SmartPhones actuales. En la invención presentada, este dispositivo incorpora un

20

modelo matemático biomecánico con un número finito de grados de libertad que

permite la estimación de velocidades y aceleraciones no medidas en tiempo real y

facilita el análisis personalizado de la cinemática y posturas del sujeto. Esta

técnica se apoya en la probada capacidad de estos modelos matemáticos para la

descripción biomecánica de humanos, y facilita el procesado distribuido y

25

diferenciado funcionalmente de las series temporales de señales obtenidas por el

sensor acelerométrico principal, que caracteriza la configuración mínima del

sistema, así como de otros sensores acelerométricos que pueden aumentar la

precisión y resolución de la información biomecánica del sujeto.

La capacidad actual de los dispositivos tipo SmartPhone permite añadir un modelo

30

fisiológico de parámetros concentrados (propiedad que simplifica el modelo y

reduce el coste computacional de ejecución) a este, de acuerdo a reivindicación

7a_ Este modelo representa un avatar fisiológico simplificado del humano,

particularizado o referido a los parámetros de salud definidos por el profesional

médico de acuerdo a las patologías que pueda presentar el sujeto, como por

35

ejemplo el sistema cardiovascular, el sistema renal, o el sistema endocrino. Este

modelo puede estar acoplado con el biomecánico si fuese necesario, y actúa

como un observador matemático de variables o parámetros de difícil medición,

como por ejemplo la presión arterial en tiempo real o el volumen de vascular, lo

que permite detectar situaciones de emergencia en salud sobre el sujeto. Para su

correcta personalización y continua adaptación emplea las variables medidas por

5

la red de sensores del sistema, así como datos enviados desde el centro

proveedor de servicios, a través del dispositivo coordinador.

La red de sensores del sistema puede ser programada mediante nuevos

algoritmos durante la operación normal del dispositivo. Estos algoritmos son

enviados desde el dispositivo coordinador de manera inalámbrica, utilizando una

1 O

metodología similar a la utilizada por las rutinas de código Java denominadas

"applets", tal como se indica en la reivindicación aa. Esta función aporta una

flexibilidad funcional mucho mayor, reduciendo el coste de la puesta al día, y de la

aplicación de mejoras científicas y tecnológicas en las técnicas de procesado y en

la personalización de los sensores, sin necesidad de molestar al usuario. La

15

modificación del algoritmo y cualquier otra acción sensible sobre los sensores es

realizada utilizando protocolos seguros.

Modo de realización de la invención

Las figuras que se acompañan presentan un ejemplo de realización que ilustra,

20

pero no limita, la invención. De acuerdo con la figura 1 puede observarse como en

el sistema que la invención propone participa un dispositivo (1) coordinado por un

dispositivo (2). En este ejemplo de realización el dispositivo (1) está constituido por

dos sensores acelerométricos inteligentes (1 a) y (1 b) que son llevados por el

sujeto en la muñeca y cintura, mediante alguno de los sistemas de fijación

25

referidos en la reivindicación sa, mientras que el dispositivo coordinador (2) está

constituido por un SmartPhone unido a través de un puerto miniUSB a una

estación transmisora portable. La comunicación entre los sensores y el dispositivo

coordinador (2) se realiza mediante un protocolo maestro-esclavo y la tecnología

de comunicación de la estación transmisora portable. Esta comunicación está

30

ilustrada mediante las líneas (8) que unen (1 a) y (1 b) con (2), y definen la red de

área personal (4).

Cuando el sujeto se encuentra en su hogar o entorno cerrado equivalente no es

necesario que el dispositivo coordinador (2) sea portado por el sujeto. En ese

caso, el dispositivo (2) puede salir del rango de alcance de la red de área personal

35

(4), produciéndose de forma automática la conmutación a una red de área local

(5). En estas condiciones, el dispositivo coordinador (2) mantiene la conexión con

los sensores (1) a través de los dispositivos convertidores de protocolo (3), los

cuales se ilustran en este ejemplo de realización por los bloques (3a) y (3b). Los

elementos (3a) y (3b) utilizan tecnología Bluetooth de clase 1, con rango de 100

metros (aproximado), para la comunicación con el dispositivo coordinador (2), que

5

a su vez usará tecnología Bluetooth de clase 2 o de clase 1. El canal de

comunicación Bluetooth están referidos por las líneas (9) en la figura 1. El enlace

entre los elementos (3) y los sensores se realiza mediante la tecnología de

comunicación de la estación transmisora portable, indicada por las líneas de

comunicación (8).

1O

La comunicación entre el monitor multimodal portable ilustrado en la figura 1 y el

centro de proceso de datos y prestación de servicios (6) se realiza tanto de

manera directa mediante la comunicación celular (12) que ofrece el Smartphone,

como a través de una unidad local de acceso (7) mediante el canal de

comunicación (11) que no se define ni limita en la presente realización al existir

15

multitud de opciones disponibles. La conexión del dispositivo (2) con la unidad (7)

se realiza mediante Bluetooth en este ejemplo de realización. De esta manera esta

unidad (7) se considera perteneciente a la red de área local (5), aunque no

pertenece al monitor multimodal propuesto.

Los sensores acelerométricos inteligentes (1 a) y (1 b) corresponden al diagrama de

20

bloques la figura 2. Estos están constituidos por un circuito integrado (15) del tipo

System-On-Chip (SoC) de 5 x 5 x 0.8 mm que incluye un microprocesador (13) de

8 bits con periféricos (SPI, UART, puertos programables GPIO) y memoria (RAM y

ROM), y un transceptor integrado (14) para la banda de frecuencia de aparatos

industriales, científicos y médicos (ICM, 862 -870 MHz para Europa), modulación

25

FSK y GFSK, tasa de datos de hasta 50 kbps, tasa de error menor del 0.1 %, y un

consumo en operación inferior a los 5 mW. El SoC (15) es configurado como

esclavo en su uso en el sensor acelerométrico inteligente, y es alimentado a una

tensión de 1.4 v proporcionada por la batería de botón de Zinc (18). Un conversor

OC-OC (19) tipo step-up de 3 x 3 x 0.9 mm es utilizado para aportar la tensión de 3

30

v que requiere el acelerómetro triaxial (17). Este último es un acelerómetro de tipo

capacitivo, 2 x 2 x 0.95 mm, con rango de medición de hasta 8g, salida de señales

muestreadas mediante SPI y lógica interna de operación capaz de generar

interrupciones hacia el elemento (15) si detecta unas condiciones de aceleración

(magnitud y tiempo) establecidas. El sensor inteligente emplea una antena (16)

35

con tecnología cerámica multicapa, omnidireccional, para la banda de frecuencia

ICM indicada, y dimensiones 7 x 2 x 0.8 mm.

Tanto el dispositivo coordinador (2), como los convertidores de protocolo (3), de los cuales en la figura 1 se ilustra el empleo de dos de ellos (3a) y (3b), utilizan una estación de transmisión portable para la comunicación con los sensores inteligentes del monitor. La figura 3 presenta un diagrama de bloques simplificado de la estación de transmisión portable, que está constituida por un SoC (22), el cual incluye un microcontrolador (20) y transceptor (21 ), idéntico al empleado en los sensores inteligentes (figura 2). La tensión requerida por bloque 22 es proporcionada por el bloque (24), que incluye circuitería auxiliar para conexión USB y un convertidor DC-DC. La antena, de similares características a la del sensor inteligente, está indicada por el bloque (23), pero a diferencia de aquella, en la interfaz puede emplearse soluciones más directivas, mayor ganancia, y de algo mayor tamaño, debido a los requisitos menos restrictivos de tamaño, tanto en la versión enlazada al Smartphone, como (especialmente) en la utilizada para en los convertidores de protocolo. El modo de operación del sistema responde a la técnica distribuida y con división funcional entre sensores ( 1) y dispositivo coordinador (2), tal como se indica en la descripción detallada. El sistema no requiere que los sensores tengan una orientación corporal fijada. El sensor (1 b), fijado a la piel mediante una tirita hipoalergénica, a la altura de la cintura (lateral o espalda) computa la energía asociada a la actividad física en cada eje como la suma de las aceleraciones cuadráticas con una frecuencia de 100 S/s, sobre una ventana temporal de 500 ms de anchura. El sensor (1a), portado en la muñeca, estima la energía asociada a la energía física en cada eje como la suma de las aceleraciones en valor absoluto con una frecuencia de 400 S/s sobre una ventana de 600 ms. Ambos sensores pueden detectar EFRs, pero en este ejemplo de realización solo es necesario portar siembre el (1 a), mientras que el (1 b) aporta información adicional para alimentar a un avatar fisiológico sobre (2) capaz de describir la dinámica del sistema glucosa -insulina mediante un modelo matemático de parámetros concentrados. Este avatar es utilizado para optimizar la estrategia terapéutica de administración de insulina en un paciente con diabetes mellitus tipo 2. El sensor inteligente (1 b) necesita ser llevado las 24 horas del día, a diferencia del sensor (1 a), que es utilizado como el sensor que define el modo mínimo del monitor, de acuerdo a la reivindicación 28 . En este ejemplo de realización de la invención, la técnica de aprendizaje no guiado implementada en los sensores calcula y adapta los umbrales de energía en cada eje, haciéndolos igual al máximo de la energía promedio temporal de
actividades no ligadas a un impacto (es decir, sin superación de umbrales), efectuando el promedio sobre una ventana temporal de 1 O segundos, y descartando las zonas de energía nula (reposo).

Claims (2)

1. Reivindicaciones

   1a._ Monilor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiorógico, que estando constituido por un dispositivo (1) portado por el sujeto, un dispositivo (2) conectado inalámbricamente con el (1), y un conjunto de dispositivos fijos (3) utilizados como conversores de protocolo, se caracteriza porque el dispositivo (1) está formado por un conjunto de sensores inteligentes y !levables de manera discreta, los cuales trabajan de manera distribuida, coordinados por el dispositivo (2), que a su vez contiene un avatar biomecánicofisiológico del sujeto, siendo la conexión entre (1) y (2) reactiva al entorno. Cuando el sujeto se encuentra en su domicilio o lugar configurado para ello, no es necesario portar el dispositivo (2), ya que cuando este detecta la pérdida de conexión directa con (1), utiliza los dispositivos fijos (3) como capa intermedia de conexión. De esta forma la red de conexión (1)-(2) conmuta de manera reactiva, en función del entorno, entre una red de ámbito personal (red personal inalámbrica, WPAN) o local (red local inalámbrica, WLAN). La conmutación del ámbito de la red es transparente (no necesita ser considerada) por el dispositivo (1 ).

   2a ._ Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, según reivindicación 1a, caracterizado porque al menos uno de los sensores intengentes, que es participado por un sensor de aceleraciones, microcontrolador, transceptor y antena, y fuente de alimentación, todos ellos basados en una tecnología de muy baja tensión y consumo, efectúa capturas de aceleraciones triaxiales ortogonales, las procesa en el microcontrolador de acuerdo a un algoritmo adaptativo de óptimo coste computacional para estimar la energía de la actividad física del sujeto asociada a diferentes ventanas temporales, y decide la presencia de potenciales eventos físicos de riesgo (EFR) en base a la superación de umbrales ligados a cada eje y al patrón energético del sujeto tras dicha superación. La adaptación del algoritmo de procesado del sensor se basa en el cálculo personalizado de los umbrales de energía que disparan el EFR, en función de los patrones promedio de actividad del sujeto, de acuerdo a una técnica de aprendizaje no guiado. Los umbrales de energía personalizados calculados por el sensor pueden ser optimizados por el dispositivo (2), en función de los resultados del análisis posterior y on-line de la dinámica del movimiento del sujeto, efectuada por el avatar biomecánicofisiológico que reside en el dispositivo (2).

   3a._ Monilor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, según reivindicación 1a, caracterizado por utilizar una técnica que aplica la estrategia "divide y vencerás" funcionalmente al análisis de las actividades físicas, al objeto de maximizar su fiabilidad y optimizar el uso de la capacidad computacional y de comunicaciones. Concretamente, el sensor inteligente acelerométrico, caracterizado en la segunda reivindicación, se encarga solo del análisis energético de la actividad física (integrando las aceleraciones al cuadrado o estimadores de bajo coste computacional de estos valores en ventanas temporales del orden de la fracción del segundo) utilizando los valores muestreados (frecuencias del orden 101 -102 S/s por eje), mientras que el dispositivo (2) se encarga del análisis cinemática y postural ligado a las aceleraciones, utilizando las series temporales enviadas por el dispositivo (1). La tarea del dispositivo (2) no es realizada más que sobre algunas series temporales (con una periodicidad de minutos o bajo aviso de EFR, y sobre ventanas de 10, segundos) y a una frecuencia de muestreo que puede ser inferior a la utilizada por (1), reduciendo ancho de banda y gasto de recursos.

   4a._ Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, segun reivindicación 13, caracterizado porque los eventos físicos de riesgo (EFR) que detecta no se limitan a un patrón concreto de aceleraciones (por ejemplo asociado a un impacto seguido de una inclinación superior a un cierto valor), sino que es capaz de generalizar los EFR, de manera personalizada, considerando EFRs asociados a un incremento brusco seguido de reducción brusca de energía de la actividad física, detectados por el dispositivo (1 ) Y supervisados por el (2), así como EFRs no asociados a un incremento de energía, determinados por el dispositivo (2) mediante un análisis periódico y profundo de las aceleraciones, de acuerdo a la estrategia referida en la tercera reivindicación.

   5a._ Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, segun reivindicación 13, caracterizado porque el sensor acelerométrico inteligente referido en la reivindicación 23 puede ser llevado las 24 horas del día sujeto al cuerpo, gracias a su pequeño tamaño y autonomía. El

   procedimiento de fijación incluye (pero no se limita) una tirita o parche con adhesivo hipoalergénico (desechable) que deberá cambiar de posición cada conjunto de días para evitar dermatitis, puede llevarse adherido a un ornamento como collar o anillo, y también alojarse dentro de una pulsera de silicona, 5 neopreno u otro polímero con diseño ergonómico e impermeable. El cambio periódico de posición es detectado por el sensor utilizando el vector aceleración gravitatoria como referencia posicional, y los parámetros umbrales son corregidos automáticamente gracias a la técnica de aprendizaje no guiado de la reivindicación

   2'.

   10 6a._ Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, según reivindicación 18, caracterizado porque el dispositivo (2) presenta especificaciones funcionales simitares a las de un SmartPhone o teléfono móvil inteligente (que puede ser por tanto utilizado para tal

   15 fin), y ejecuta un modelo matemático biomecánico con un número finito de grados de libertad que sirve como observador y predictor de la dinámica del movimiento del sujeto portador. Este modelo hace de avatar biomecánico y es personalizado al sujeto portador a partir de los datos muestreados por el dispositivo (1), que en modo mínimo corresponde al sensor acelerométrico referido en la reivindicación

   20 2'.
2. 78 ._ Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, según reivindicación 1a, caracterizado porque el dispositivo (2) también ejecuta un modelo matemático fisiológico simplificado del 25 sujeto, que actúa como observador y predictor de ciertos parámetros de salud. Este modelo es personalizado a partir de los datos medidos por otros sensores pertenecientes al dispositivo (1) Y mediante datos pertenecientes a la historia clínica del sujeto, enviados desde un centro de tratamiento de datos al dispositivo (2). Este modelo, acoplado al modelo biomecánico, y en el marco del presente

   30 monitor, permite a su vez predecir situaciones de emergencia en salud, mediante técnicas de fusión de datos.

   8a._ Monitor multimodal portable y adaptativo para humanos basado en avatar biomecánico-fisiológico, según reivindicación 13, caracterizado porque los 35 sensores intellgentes pertenecientes al dispositivo (1), como el referido en la reivindicación 23 pueden programarse con nuevos algoritmos para el tratamiento

   de las señales que muestrean, una vez se encuentren asociados a un sujeto y funcionando. Estos algoritmos pueden ser enviados por el dispositivo (2) de manera inalámbrica, siguiendo una filosofía similar a la utilizada por las rutinas de código denominadas "applets" en las redes de computadores actuales (transferencia al punto de uso y ejecución en él). Esta característica aporta mayor flexibilidad funcional y de personalización al monitor.