WO2004010397A1 - Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día - Google Patents

Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día Download PDF

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WO2004010397A1
WO2004010397A1 PCT/ES2003/000359 ES0300359W WO2004010397A1 WO 2004010397 A1 WO2004010397 A1 WO 2004010397A1 ES 0300359 W ES0300359 W ES 0300359W WO 2004010397 A1 WO2004010397 A1 WO 2004010397A1
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router
monitoring
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Laura María ROA ROMERO
Javier Reina Tosina
Manuel Prado Velasco
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Universidad de Sevilla
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    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6823—Trunk, e.g., chest, back, abdomen, hip

Definitions

  • the present invention aims at a system that allows monitoring online and 24 hours a day of movement and postural state of the subject who carries it, as well as their physical activity. These capabilities serve as support for other added values, such as the detection of falls and impacts and the subsequent generation of events and alarms.
  • the system consists of a wireless personal area network, carried by the subject, which integrates at least one intelligent accelerometer unit and a server of said network. The latter has the capacity to process the signals from the intelligent accelerometer unit.
  • the wireless network of personal personnel maintains wireless communication, through the network server, with a central data storage and incident management system.
  • Chronic pathologies such as diabetes or chronic renal failure, increasingly affect a larger percentage of the population.
  • the causes are diverse and are not the subject of this report, however it is interesting to note that a significant percentage of patients with chronic diseases such as those named are people with more than 65 afbs and therefore are part of the previous group.
  • the measurement of movement during daily activities in this second group allows the calculation of indices of metabolic activity that can be used in conjunction with physiological models or other algorithms as an aid to the prescription of insulin, in the case of diabetic patients, or to estimate the generation of urea nitrogen, creatinine, and other metabolic products causing uremic syndrome, in the case of patients with chronic insufficiency renal.
  • postural and movement measurement allows to detect falls and other minor impacts, and helps in the prescription of insulin (diabetics) and dose of dialysis
  • the autonomous devices developed so far can be classified into three groups.
  • the simplest group is based on the detection of the inclination of the subject, usually by electronic devices of not much precision. These devices only detect that the individual lies in a horizontal position. The sum of this information, together with the knowledge of the subject's daily customs, allows the estimation of possible falls.
  • the second group of devices adds an impact sensor, which used in conjunction with the tilt sensor increases the reliability of fall detection.
  • these modern devices can perform monitoring on-line of the subject for a large part of the day, provided that it is kept in small environments, such as home. They are small and can behave subject to the belt.
  • MEMS micro-electromechanical systems
  • the invention proposes a new system that allows the subject to be monitored 24 hours a day and solves all the problems that have been cited.
  • the invention is based on the current state of information and communications technologies, new micro-electromechanical systems and electronic technology, and is an innovative contribution in the application of these to solve certain current and future needs in the area of health care.
  • the system devised is characterized by allowing real-time monitoring of the movement and postural state of the carrier subject, automatically detecting possible falls and calculating the rate of metabolic activity, 24 hours a day, through a personal wireless network.
  • Manufacturer according to claim 1, by a server device, and at least one intelligent unit for body acceleration sensing.
  • the system consists of a server, a set of intelligent acceleration sensing units and a router All these elements are carried by the monitored person, and are connected to each other wirelessly, creating what is called a personal wireless network.
  • the server acts as a network server, is responsible for the real-time processing of the seniles measured by the smart units and manages the communication between the network and an external data management center and monitored seral.
  • the management center refers to an information system capable of properly storing and treating the monitored signals of any subject, providing notices to emergency health centers. As such, it is part of the current concept of healthcare telecare, and is external to the system described here.
  • the server communicates wirelessly with a fixed unit, in turn connected to a fixed telephone.
  • the fixed unit is also an element external to the present invention.
  • the communication is carried out through a portable device, which we call a router, connected to the local port of a mobile phone of the subject.
  • the size of the router is similar (very small) to the smart unit, with an internal architecture very similar to that of the latter, replacing the sensors with an additional memory buffer, in order to reduce the number of connections per unit of time with The management center.
  • the connectivity scheme presented aims to guarantee universal access to the management center, even for subjects residing in rural areas, at a very economical cost.
  • IDs numbers recorded in erasable memory, do not fly til. This feature makes it possible to increase or modify the monitoring of accelerations of a certain subject, taking into account the needs of the medical team, to carry out certain diagnoses and research studies, and can then reuse the corresponding intelligent unit in another patient or subject.
  • Each smart unit consists of at least one microcontroller with code (ROM) and volatile data (RAM) on the chip itself, one or more accelerometers capable of measuring static and dynamic accelerations, controlled by the microcontroller, a memory Non-volatile storage, an integrated transceiver, a PCB antenna and a battery or button-size battery or similar, for power.
  • ROM microcontroller with code
  • RAM volatile data
  • the system is also characterized, according to claim 3, because a sensor unit is worn attached to the skin as a transdermal patch.
  • MEMS micro-electromechanical devices
  • microprocessors and programmable devices To ensure that the sensor unit can be carried in any situation and continuously, it is covered by a waterproof and hypoallergenic material, so that it does not need to be detached either in the baro or at night.
  • the system is also characterized, according to claim 4, for its ability to measure body accelerations in places of difficult access by the subject who carries it.
  • This characteristic is of great importance, since the present system is aimed at population groups with increased mobility difficulties, and as described in the background section, different studies have demonstrated the feasibility of measuring for postural and kinetic meters that clearly represent the type of movement and posture of the subject, through dynamic and static accelerations of the center of gravity of the subject. A last point for measurement, would be at the back at the height of the sacrum, within the median body plane (parallel to the sagittal).
  • An additional feature of the present system linked to the way of fixing the sensor unit, is the absence of dynamic acceleration components associated with the relative movement of the sensor with respect to the subject's body.
  • the elimination of these components is another important advantage of this system compared to those currently existing, by simplifying signal processing and facilitating the execution of algorithms on the server, in addition to eliminating false impact events.
  • the system devised is characterized by the high autonomy time of the intelligent sensor units. This feature is achieved thanks to the low consumption of current MEMS devices, low transmission powers. necessary, and finally thanks to the mode of operation established in the design. All the elements of a sensor unit are turned off or in SLEEP (microcontroller) mode for most of the time, except for the transceiver, which is in reception mode (minimum consumption) almost always. It takes advantage of the time of reestablishment of the sensors and the one of measurement, in each sampling period, to carry out the signal processing corresponding to the previous moment.
  • SLEEP microcontroller
  • the system is also characterized by taking advantage of low maintenance system design and with its own fault detection capability, to ensure the minimum need for maintenance of the smart unit, and the capture of any possible error automatically, notifying the center of management if this occurs.
  • the architecture of the unit has two surveillance systems. The first one detects and recovers firmware blockages (watch-dog module). The second is a hardware monitoring system, which automatically performs the power-off of the entire sensor unit, when it detects a physical problem in the unit. Any error, permanent or transitory of the unit, is communicated to the server, which analyzes it and sends it if necessary to the management center.
  • This architecture automates the process of detecting faults or deterioration of the sensor units, including the failure and loss of precision of the accelerators. If the error disables the unit's communication with the server, the latter element is responsible for notifying the management center of the event.
  • the system is also characterized, according to claim 6, for providing a very complete and easy interface access to the subject
  • the interface is supported by the personal wireless network server, which is carried in the doll.
  • This has a button to make emergency calls to the health center, along with an acoustic and acoustic subsystem, consisting of a small speaker and a light indicator.
  • an acoustic and acoustic subsystem consisting of a small speaker and a light indicator.
  • One of the most important functions of this subsystem is the information to the subject about the status of the request for a request for help, in the event of a fall. It also informs the user of the correct status of all the sensors that configure the system.
  • the information is presented duplicated acoustically and ethically, in order to address possible auditory and visual deficits of the monitored subject.
  • the server unit is constituted by a digital signal processor (DSP) with embedded logic modules (eg timers) and erasable memory for the code, the interface mallet described in the previous paragraph, an integrated transceiver, a PCB antenna and I will battery
  • DSP digital signal processor
  • embedded logic modules eg timers
  • erasable memory for the code
  • the unit's firmware can be updated through a local port, to address the possible addition or removal of network elements, and to the design of new signal processing algorithms. This feature allows you to customize the presented system, to adjust it to the needs of the subject that carries it, and to those of the medical or research team.
  • This feature allows you to customize the presented system, to adjust it to the needs of the subject that carries it, and to those of the medical or research team.
  • the system devised leaves open the choice of the most appropriate technology for erasable memory, however, a concrete but not exclusive solution is presented in the preferred embodiment described below.
  • the system is also characterized by its ability to perform, in real time and autonomously, the analysis of the signal of the Accelerometers, computing the different ones for cinema, postural and activity index meters, and sending them to the management center. It is also characterized by its distributed cter face, so that the sensor units perform an initial analysis of the signal, by sampling at a higher frequency than is necessary for the computation of those for cinema and postural cinema meters, and send the signal with a sampling rate lower than the server, for complete analysis.
  • This scheme reduces the computational load of the processor belonging to the server and improves the detection of possible fall or impact events, characterized by frequencies and amplitudes greater than those measured during normal activities of the subject.
  • the intelligent unit sends this data to the server, which analyzes in more detail the temporal environment surrounding that impact.
  • the information of the set of intelligent units is periodically sent to the server.
  • the update period is approximately one second.
  • the system is also characterized by guaranteeing the supervision of the subject 24 hours a day, both inside and outside the home.
  • the open and modular system design also facilitates the addition of new biosensors to the wireless personal network. This is possible because the distribution in the consumption of resources leaves the processor free time to attend to the capture of other signals, provided they do not require excessive treatment. There are many signs of clinical interest that meet these requirements, such as blood pressure, temperature, blood oxygen saturation level, etc.
  • the system guarantees interoperability with possible new sensors, through the server firmware reload, which allows you to configure the number and identification of new items in the network, as well as the processing program itself.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the portable system for monitoring the movement, postural state and physical activity of a person during the 24 hours of the day, which is the object of the present invention.
  • Figure 2. Shows a simplified block diagram corresponding to the intelligent accelerometer unit.
  • Figure 3. Shows a diagram similar to that of the previous figure but corresponding to the router.
  • the invention proposes a device (1) intended to be carried by the subject (2) participates, a device in which a Wireless network of personal area (3), connected to the outside through a fixed unit (6).
  • a device in which a Wireless network of personal area (3), connected to the outside through a fixed unit (6).
  • it incorporates a single intelligent accelerometer unit (4), with its corresponding network server (5), while the fixed external unit to the device (1) has been referenced with (6) and It is connected to the management center (7) through a basic telephone connection (8).
  • the management center (7) is in turn connected to the router (3) via the telephone link to mcVil (9).
  • the intelligent accelerometer unit (4) is represented in the block diagram of Figure 2 and is embodied in an 8-bit microcontroller (10) powered by 3 volts from a battery at (11), just like the Other elements of this smart sensor unit, with a clock frequency suitable for this application.
  • the microcontroller (10) manages the on and off of the accelerometers (15) and (16), capacitive, dual-axis, with digital output modulated by pulse width and self-test function.
  • the four channels corresponding to the total axes are demodulated by the microcontroller in Each sampling point.
  • the demodulation routine is triggered by the interruptions generated by the flank of the signals of each of the previous channels.
  • the demodulation time is less than 0.5 ms. At this time the establishment time of the accelerators (15) and (16), after its ignition, is favored.
  • the microcontroller (10) remains asleep, until the next instant of sampling, unless it receives a command from the network server (5), in which case it is awakened by an interruption generated from the transceiver (13) that is operating In receiver mode.
  • the initial processing of the signal corresponding to the previous sampling period is carried out taking advantage of the time intervals corresponding to the ignition and demodulation of the measured signal during the current sampling instant.
  • the measurement axes are located so that three of them belong to the medium plane of the subject (2), the fourth being perpendicular to it.
  • the presence of three axes in the medium plane increases the sensitivity of the intelligent accelerometer unit (4) to the inclination of the subject in this plane, which is of interest to more accurately capture the most frequent postural changes (upright position , sitting or horizontal).
  • the signal corresponding to the three orthogonal axes is sent to the network server (5) after a buffer re-sampling.
  • the router (3) is structured, as seen in Figure 3, from a microcontroller (17) assisted by an erasable memory (18), a transceiver (19) and its corresponding antenna (20), all of them powered for a battery (21), also collaborating with the microcontroller (17) a buffer of memory (22) and transmitting the data through the local port (23) of the router with which the mobile phone (24) collaborates, external to the router.
  • the network server (5) is structured based on a digital signal processor (25), which consists of several embedded peripherals (26), the processor itself (27) and an erasable memory (28) for code.
  • the signal processor (25) is assisted by a transceiver (29) with its corresponding antenna (30), which like the rest of the server is powered by a battery (31), also collaborating with the processor (25) a port local (32) and an interface (33), with a push button (34) and an acoustic-acoustic warning (35).
  • a wireless transmission is used within the free band for industrial, scientific and medical devices (ICM band), with self-correcting baseband coding.
  • ICM band industrial, scientific and medical devices
  • a master-slave protocol is used, being master the server of the wireless network of personal area and slaves the rest of the elements of the personal network.
  • the communication between the network server (5) and the fixed external unit (6) of the device, inside the home, is carried out by a peer-to-peer protocol.
  • the assignment of the communications channel is managed by the aforementioned elements, server (5) and fixed unit (6).
  • the information of the wireless network of personal area is sent by means of vectorized packets addressed to particular elements or to the entire personal network (broadcast packages).

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Abstract

En el sistema participa un dispositivo (1) destinado a fijarse al cuerpo del sujeto (2), participando a su vez en dicho dispositivo (1) una unidad de acelerometría inteligente (4), la combinación de un router (3) y un teléfono móvil, y un servidor de red (5), estando dicho dispositivo (1) en conexión con un centro de gestión (7) desde el router (3) a través de un enlace de telefónica móvil (9), o desde el propio servidor de red (5), que está a su vez inalámbricamente con una unidad fija (6), la cual, a través de una conexión de telefonía básica (8) (red telefónica conmutada o PSTN), conecta también el dispositivo (1) con el centro de gestión (7).

Description

SISTEMA PORTABLE PARA LA MONITORIZACIÓN DEL MOVIMIENTO, ESTADO POSTURAL Y ACTIVIDAD FÍSICA D E HUMANOS DURANTE LAS 24 HORAS DEL DÍA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCKN
La presente invención tiene por objeto un sistema que permite la monitorizaciάi en línea y durante las 24 horas del día del movimiento y estado postural del sujeto que lo porta, así como de su actividad física. Estas capacidades sirven como soporte para otros valores añadidos, como la detección de caíd as e impactos y la posterior generaciάi de eventos y alarmas. El sistema está constituido por una red inalámbrica de área personal, portada por el sujeto, que integra al menos a una unidad de acelerometrí a inteligente y un servidor de dicha red. Este último tiene capacidad para el procesado de las señales procedentes de la unidad de acelerometrí a inteligente. La red inalá mbrica de ár ea personal mantiene comunicación inalámbr ica, a través del servidor de red, con un sistema central de almacenamiento de datos y gestión de incüencias.
ANTECEDENTES DE LA INVENCKN
El estudio del equilibrio y la motilidad humana es un área de estudio desde hace mucho tiempo dentro del campo de la quinesiología. La capacidad de medir el movimiento humano mediante sistemas autónomos y discretos está cobrando actualmente una gran importancia tanto para la investigación médica, como para la mejora de la asistencia sanitaria sobre dos grupos poblacionales especialmente importantes: personas mayores y personas con patologías crάiicas.
Un importante problema con que se enfrentan las personas mayores, como consecuencia tanto de la perdida de fuerza y flexibilidad, como de la capacidad motora y sensorial, son las caí das. Estas tienen una demostrada relaciά con la morbilidad y la mortalidad en este grupo poblacional. Adema s representan una carga importante dentro del gasto público sanitario, que se va a ver incrementado notablemente en los próαmos arbs, debido a la inversión de la pira mide poblacional. Existe adema s un aspecto psicológico, el miedo a caer, que acelera la pérdida de fuerza y el deterioro del control motor de estas personas, incrementado la frecuencia de las caí das y deteriorando su autonomí a y calidad de vida.
Las patologías crónicas, como la diabetes o la insuficiencia crónica renal, afectan cada vez a un porcentaje mayor de la población. Las causas son diversas y no son el objeto del presente informe, no obstante sí es interesante hacer notar que un porcentaje significativo de pacientes con patologí as crónicas como las nombradas son personas con má s de 65 afbs y por tanto forman parte del grupo anterior. La medición del movimiento durante las actividades diarias en este segundo grupo, permite el cá lculo de í ndices de actividad metabdica que pueden ser usados en conjunción con modelos fisiológicos u otros algoritmos como ayuda a la prescripción de insulina, en el caso de pacientes diabéticos, o para estimar la generación de nitrógeno ureico, creatinina, y otros productos del metabolismo causantes del sí ndrome urémico, en el caso de pacientes con insuficiencia crónica renal.
Desde el punto de vista asistencial, la medición postural y del movimiento, permite detectar caídas y otros impactos menores, y sirve de ayuda en la prescripción de insulina (diabéticos) y dosis de diá lisis
(enfermos renales). Pero adema s, es un importante instrumento de ayuda en la investigación de la etiologí a de las caí das y en el conocimiento de la dina mica de la glucosa y de las toxinas urémicas.
Con objeto de posibilitar la medición del movimiento, sin perturbaciones ni restricciones, durante los últimos aros se han desarrollado diferentes dispositivos porta tiles, dentro del campo de la teleasistencia domiciliaria. Algunos de esos desarrollos han alcanzado la fase comercial y se encuentran actualmente disponibles en el mercado. Sin embargo, todos ellos adolecen de una clara falta de interoperabilidad y presentan importantes limitaciones en su funcionalidad, tal como se describe a continuación.
Sintetizando, los dispositivos autónomos desarrollados hasta el momento pueden clasificarse en tres grupos. El grupo má s simple se basa en la detección de la inclinación del sujeto, usualmente mediante dispositivos electrónicos de no mucha precisión. Estos dispositivos únicamente detectan que el individuo yace en posición horizontal. La suma de esa información junto con el conocimiento de las costumbres diarias del sujeto, permite la estimación de posibles caí das. El segundo grupo de dispositivos afade un sensor de impacto, el cual usado en conjunción con el sensor de inclinación aumenta la fiabilidad de detección de caí das. Pese a sus evidentes limitaciones, estos modernos dispositivos pueden realizar la monitorización on-line del sujeto durante una gran parte del dí a, siempre que éste se mantenga en entornos reducidos, como puede ser el hogar. Son pequeros y pueden portarse sujetos al cinturάi.
Aprovechando los recientes avances en sistemas micro- electromecá nicos (MEMS) y el incremento de capacidad y reducción de tamafb de los microcontroladores, muy recientemente se está empezando a investigar en nuevos dispositivos con capacidad para monitorizar en tiempo real el movimiento del sujeto portador, calculando coeficientes posturales y cinema ticos. Sin embargo, estos dispositivos siguen trabajando en entornos reducidos, y adema s excluyen de la supervisión periodos de demostrado alto riesgo, cuando el sujeto no lleva puesto cinturάi o va desvestido, como son el cuarto de bafb o el dormitorio.
Un problema adicional de estos dispositivos es la incompatibilidad entre dos especificaciones funcionales importantes: la fá cil accesibilidad al aparato y la medición de aceleraciones en el lugar corporal adecuado. Con relación a esta última especificación, diferentes estudios han demostrado que es posible detectar transiciones entre estados posturales y para metros metabdicos o cinéticos a partir de registros de aceleración adquiridos mediante un sensor colocado en la cintura o en el pecho. Sin embargo la calidad de la información y por tanto la precisión de estos para metros y la capacidad de proceso necesaria, pueden ser optimizados 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. Por otro lado, las aceleraciones medidas por los dispositivos actuales presentan componentes dina micas ligadas al movimiento relativo del aparato respecto al cuerpo. Esto complica los algoritmos de procesado de sefal, que requieren a su vez muchos má s recursos computacionales, dificultando su ana lisis en tiempo real.
Adema s de las limitaciones anteriores, los dispositivos actuales no son claramente interoperables. En muchos casos, ni siquiera han sido ideados para ser integrados en una arquitectura modular y abierta.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención propone un nuevo sistema que permite la monitor ización del sujeto las 24 horas del dí a y resuelve todos los problemas que han sido citados. La invención está basada en el estado actual de las tecnologí as de la información y las comunicaciones, los nuevos sistemas micro-electromecá nicos y de tecnologí a electrónica, y supone un aporte innovador en la aplicación de éstas para resolver ciertas necesidades actuales y futuras en el á rea de la asistencia sanitaria.
El sistema ideado se caracteriza por permitir la monitorización en tiempo real del movimiento y estado postural del sujeto portador, detectando automá ticamente las posibles caí das y calculando el í ndice de actividad metabdica, durante las 24 horas del dí a, mediante una red personal inalá mbrica constituida, de acuerdo con la reivindicación 1 , por un dispositivo servidor, y al menos una unidad inteligente sensora de aceleraciones corporales.
De acuerdo con lo anterior, el sistema está constituido por un servidor, un conjunto de unidades inteligentes sensoras de aceleración y un router. Todos estos elementos son portados por la persona monitorizada, y está n conectados entre ellos de forma inalá mbrica, creando lo que se denomina una red personal inalá mbrica. El servidor ejerce la función de servidor de la red, se encarga del proceso en tiempo real de las seniles medidas por las unidades inteligentes y gestiona la comunicación entre la red y un centro externo de gestión de los datos y serales monitorizadas. El centro de gestión hace referencia a un sistema informa tico capaz de almacenar y tratar de forma adecuada las serales monitorizadas de cualquier sujeto, proporcionando avisos a centros de emergencia sanitarios. Como tal, forma parte del concepto actual de teleasistencia sanitaria, y es externo al sistema que aquí se describe.
La comunicación entre la red y el centro de gestión se efectúa de manera diferente según la localización del paciente. En el hogar, o residencia equivalente, el servidor se comunica de manera inalá mbrica con una unidad fija, a su vez conectada a un teléfono fijo. La unidad fija es un elemento también externo a la presente invención. En entornos abiertos, cuando la unidad fija no es detectada, la comunicación se efectúa a través de un dispositivo porta til, que denominamos router, conectado al puerto local de un teléfono móvil del sujeto. El tamaífo del router es similar (muy pequero) a la unidad inteligente, con una arquitectura interna muy parecida a la de esta, sustituyendo los sensores, por un buffer de memoria adicional, con objeto de reducir el número de conexiones por unidad de tiempo con el centro de gestión. El esquema de conectividad presentado tiene por objeto garantizar un acceso universal al centro de gestión, incluso para sujetos que residan en medios rurales, a un coste muy económico.
Tanto la red como los propios elementos de ésta se identifican mediante números (IDs) grabados en memoria borrable, no vola til. Esta caracterí stica permite incrementar o modificar la monitorizaciά de aceleraciones de un determinado sujeto, atendiendo a las necesidades del equipo médico, para efectuar determinados diagnósticos y estudios de investigación, pudiendo después volver a reusar la unidad inteligente correspondiente en otro paciente o sujeto.
Por último, el esquema de comunicaciones empleado en la propia red es un aspecto abierto del presente sistema, existiendo actualmente diferentes protocolos y está ndares, así como soluciones comerciales que pueden ser implementadas. No obstante, en la descripción de una realización preferente se presenta una solución concreta, pero no exclusiva, para este sistema.
Cada unidad inteligente consta al menos de un microcontrolador con código (ROM) y datos vola tiles (RAM) en el propio chip, uno o má s acelerómetros con capacidad de medición de aceleraciones está ticas y dina micas, controlado por el microcontrolador, una memoria de almacenamiento no vola til, un transceptor integrado, una antena PCB y una baterí a o pila tamaño botón o similar, para la alimentación.
El sistema también se caracteriza, de acuerdo por la reivindicación 3, porque una unidad sensora es llevada pegada a la piel como un parche transdérmico. Esto se ha logrado gracias al pequero tamafb que la tecnologí a actual ha conseguido en dispositivos micro- electromecá nicos (MEMS) y en microprocesadores y dispositivos programables. Para garantizar que la unidad sensora pueda ser portada en cualquier situación y de manera continua, ésta se encuentra recubierta por un material impermeable e hipoalergénico, de modo que no tiene necesidad de ser desprendida ni en el baro ni durante la noche.
El sistema también se caracteriza, de acuerdo con la reivindicación 4, por su capacidad para medir aceleraciones corporales en lugares de difí cil acceso por el propio sujeto que lo porta. Esta característica es de gran importancia, ya que el presente sistema está dirigido a grupos poblacionales con dificultades de movilidad incrementadas, y como ha sido descrito en la sección de antecedentes, diferentes estudios han demostrado la viabilidad de medir para metros posturales y cinéticos que representen claramente el tipo de movimiento y la postura del sujeto, mediante las aceleraciones dina micas y está ticas del centro de gravedad del sujeto. Un punto φtimo para la medición, estarí a en la espalda a la altura del sacro, dentro del plano mediano corporal (paralelo al sagital).
Una caracterí stica adicional del presente sistema, ligado a la forma de fijación de la unidad sensora, es la ausencia de componentes dina micas de la aceleración asociadas al movimiento relativo del sensor respecto del cuerpo del sujeto. La eliminación de estas componentes supone otra importante ventaja de este sistema frente a los existentes actualmente, al simplificar el procesado de sefal y facilitar la ejecución de algoritmos en el servidor, adema s de eliminar falsos eventos de impacto.
De acuerdo con las reivindicaciones 2 y 5, el sistema ideado se caracteriza por el elevado tiempo de autonomí a de las unidades inteligentes sensoras. Esta caracterí stica se logra gracias a los reducidos consumos de los dispositivos MEMS actuales, a las bajas potencias de transmisión necesarias, y por último gracias al modo de funcionamiento establecido en el diseño. Todos los elementos de una unidad sensora se encuentran apagados o en modo SLEEP (microcontrolador) durante la mayor parte del tiempo, a excepción del transceptor, que se encuentra en modo recepción (mí nimo consumo) casi siempre. Se aprovecha el tiempo de reestablecimiento de los sensores y el de medición, en cada periodo de muestreo, para efectuar el procesado de sefal correspondiente al instante anterior.
El sistema también se caracteriza por aprovechar diseño de sistemas de bajo mantenimiento y con capacidad de detección de fallos propios, para asegurar la mí nima necesidad de mantenimiento de la unidad inteligente, y la captura de cualquier posible error de manera automá tica, avisando al centro de gestión si esto ocurriese. Para ello, la arquitectura de la unidad dispone de dos sistemas de vigilancia. El primero detecta y recupera bloqueos en el firmware (módulo watch-dog). El segundo es un sistema de supervisión del hardware, el cual realiza de manera automá tica el apagado-encendido de la unidad sensora completa, cuando detecta algún problema fí sico en la unidad. Todo error, permanente o transitorio de la unidad, es comunicado al servidor, que lo analiza y envía si procede al centro de gestión. Esta arquitectura automatiza el proceso de detección de averí as o deterioros de las unidades sensoras, incluyendo el fallo y la perdida de precisión de los acelerάnetros. Si el error inhabilita la comunicación de la unidad con el servidor, este último elemento se encarga de avisar del evento al centro de gestión.
El sistema también se caracteriza, de acuerdo con la reivindicación 6, por proporcionar una interfaz muy completa y de fá cil acceso al sujeto. La interfaz está soportada por el servidor de la red inalá mbrica personal, que es llevado en la mufeca. Este dispone de un pulsador para efectuar llamadas de emergencia al centro de atención sanitario, junto con un subsistema φtico y acústico, constituido por un pequero altavoz y un indicador luminoso. Una de las funciones má s importantes de este subsistema es la información al sujeto acerca del estado de la solicitud de una petición de ayuda, en caso de que se haya producido una caí da. También informa al usuario del correcto estado de todos los sensores que configuran el sistema. La información se presenta duplicada de forma acústica y φtica, con objeto de atender a posibles déficits auditivos y visuales del sujeto monitorizado.
La unidad servidora, se encuentra constituida por un procesador digital de seral (DSP) con módulos lógicos embebidos (e.g. timers) y memoria borrable para el código, el malulo de interfaz descrito en el pá rrafo anterior, un transceptor integrado, una antena para PCB y baterí a. El firmware de la unidad puede ser actualizado mediante un puerto local, para atender a la posible adición o eliminación de elementos de la red, y al diseño de nuevos algoritmos de procesado de sefal. Esta caracterí stica permite personalizar el sistema presentado, para ajustarlo a las necesidades del sujeto que lo lleva, y a las del equipo médico o de investigación. Aunque el sistema ideado deja abierta la elección de la tecnologí a má s adecuada para la memoria borrable, no obstante se presenta una solución concreta, pero no exclusiva, en la realización preferente que se describe a continuación.
El sistema también se caracteriza por su capacidad para realizar, en tiempo real y de manera autónoma, el ana lisis de la sefal de los acelerónetros, computando los diferentes para metros cinema ticos, posturales e í ndices de actividad, y enviá ndolos al centro de gestión. También se caracteriza por su cara cter distribuido, de modo que las unidades sensoras realizan un ana lisis inicial de la sefal, mediante un muestreo a una frecuencia superior a la necesaria para el cómputo de los para metros cinema ticos y posturales, y enví an la sefal con una velocidad de muestreo inferior al servidor, para su ana lisis completo. Este esquema reduce la carga computacional del procesador perteneciente al servidor y mejora la detección de posibles eventos de caí da o impacto, caracterizados por frecuencias y amplitudes superiores a las medidas durante actividades normales del sujeto. Cuando un posible evento de impacto es capturado, la unidad inteligente manda este dato al servidor, que analiza con má s detalle el entorno temporal que rodea a dicho impacto. La información del conjunto de unidades inteligentes es periódicamente enviada al servidor. El periodo de actualización es de un segundo aproximadamente.
Sobre la base del diseño funcional y arquitectural que se ha descrito, el sistema también se caracteriza, por garantizar la supervisión del sujeto las 24 horas del dí a, tanto dentro como fuera de casa.
El diseño abierto y modular del sistema también facilita la adición de nuevos biosensores a la red personal inalá mbrica. Esto es posible gracias a que la distribución en el consumo de recursos deja tiempos libres al procesador para atender la captura de otras sefales, siempre que no requieran un tratamiento excesivo. Existen muchas sefales de interés clí nico y que cumplen con estos requisitos, como la presión sanguínea, temperatura, nivel de saturación de oxigeno en sangre, etc. El sistema garantiza la interoperabilidad con posibles nuevos sensores, por medio de la recarga del firmware del servidor, que permite configurar el número y los identificativos de los elementos nuevos en la red, así como el propio programa de procesado.
DESCRD7CICN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las caracterí sticas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización prá etica del mismo, se acompafa como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con cara cter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación esquema tica del sistema portable para la monitorizaciά del movimiento, estado postural y actividad fí sica de una persona durante las 24 horas del di a, que constituye el objeto de la presente invención.
La figura 2.- Muestra un diagrama de bloques simplificado correspondiente a la unidad de acelerometrí a inteligente.
La figura 3.- Muestra un diagrama similar al de la figura anterior pero correspondiente al router.
La figura 4.- Muestra, finalmente, un diagrama de bloques correspondiente al servidor de red. REALIZACICN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras resefadas, y má s concretamente de la figura 1, puede observarse como en el sistema que la invención propone participa un dispositivo (1) destinado a ser portado por el sujeto (2), dispositivo en el que participa una red inalá mbrica de á rea personal (3), conectada con el exterior mediante una unidad fija (6). En la realización má s simple del sistema éste incorpora una sola unidad (4) de acelerometrí a inteligente, con su correspondiente servidor de red (5), mientras que la unidad fija externa al dispositivo (1) ha sido referenciada con (6) y está conectada al centro de gestión (7) a través de una conexión de telefoní a bá sica (8). El centro de gestión (7) está a su vez conectado con el router (3) a través del enlace de telefoní a mcVil (9).
La unidad de acelerometrí a inteligente (4) aparece representada en el diagrama de bloques de la figura 2 y se materializa en un microcontrolador (10) de 8 bits alimentados con 3 voltios a partir de una baterí a (11), al igual que el resto de elementos de esta unidad inteligente sensora, con una frecuencia de reloj adecuada para esta aplicación.
Con el microcontrolador (10) colaboran una memoria borrable (12), un transceptor (13), una antena (14) y dos acelerάnetros (15) y (16).
El microcontrolador (10) gestiona el encendido y apagado de los acelerómetros (15) y (16), capacitivos, de doble eje, con salida digital modulada por anchura de pulso y función de autotest. Los cuatro canales correspondientes al total de ejes son demodulados por el microcontrolador en cada punto de muestreo. La rutina de demodulación es disparada por las interrupciones generadas por los flancos de las sefales de cada uno de los canales anteriores. El tiempo de demodulación es inferior a 0,5 ms. A este tiempo se le afade el tiempo de establecimiento de los acelerάnetros (15) y (16), tras su encendido. El microcontrolador (10) permanece dormido, hasta el siguiente instante de muestreo, salvo si recibe un comando procedente del servidor de red (5), en cuyo caso es despertado por medio de una interrupción generada desde el transceptor (13) que se encuentra funcionando en modo receptor.
El procesado inicial de la sefal correspondiente al periodo de muestreo anterior es realizado aprovechando los intervalos de tiempo correspondientes al encendido y demodulación de la señal medida durante el instante de muestreo actual.
Los ejes de medición está n situados de manera que tres de ellos pertenecen al plano mediano del sujeto (2), siendo el cuarto perpendicular a éste. La presencia de tres ejes en el plano mediano incrementa la sensibilidad de la unidad de acelerometrí a inteligente (4) a la inclinación del sujeto en este plano, lo que es de interés para captar con mayor precisión los cambios posturales má s frecuentes (posición erguida, sentada u horizontal).
La sefal correspondiente a los tres ejes ortogonales es enviada al servidor de red (5) tras un re-muestreo del buffer. El router (3) está estructurado, tal como se observa en la figura 3, a partir de un microcontrolador (17) asistido por una memoria borrable (18), un transceptor (19) y su correspondiente antena (20), todos ellos alimentados por una batería (21), colaborando también con el microcontrolador (17) un buffer de memoria (22) y transmitiendo los datos a través del puerto local (23) del router con el que a su vez colabora el teléfono móvil (24), externo al router.
Finalmente el servidor de red (5), como a su vez se observa en la figura 4, está estructurado a base de un procesador digital de sefal (25), que consta de varios periféricos embebidos (26), el propio procesador (27) y una memoria borrable (28) para código. El procesador de sefales (25) es asistido por un transceptor (29) con su correspondiente antena (30), que al igual que el resto del servidor está alimentado por una batería (31), colaborando también con el procesador (25) un puerto local (32) y una interfaz (33), con un pulsador (34) y un avisador φtico-acústico (35).
En una realización preferente y para la configuración mínima anteriormente citada, se emplea una transmisión inalá mbrica dentro de la banda libre para aparatos industriales, cientí ficos y médicos (banda ICM), con codificación en banda base auto-correctora. Se emplea un protocolo master-slave, siendo master el servidor de la red inalá mbrica de á rea personal y esclavos el resto de elementos de la red personal. La comunicación entre el servidor de red (5) y la unidad fija (6) externa del dispositivo, en el interior del hogar, es realizada por un protocolo peer-to-peer. La asignación del canal de comunicaciones es gestionada por los elementos citados, servidor (5) y unidad fija (6). Por último y en relación con la etapa de transporte, la información de la red inalá mbrica de á rea personal es enviada mediante paquetes vectorizados dirigidos a elementos particulares o a toda la red personal (paquetes broadcast). La seguridad de la información es garantizada mediante la adecuada encriptaciάi de los datos. Asimismo, todas las peticiones desde el centro de gestión (7) al dispositivo (1), y desde el servidor de red (5) al resto de los elementos de la red inalá mbrica, que pueda implicar algún riesgo técnico o de reducción del nivel de monitorización de un paciente, está n protegidas por clave.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia .- Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad fí sica de humanos durante las 24 horas del di a, que estando constituido a partir de un dispositivo (1), destinado a ser portado por el sujeto (2), y un centro de gestión (7) que recibe información del citado dispositivo (1), se caracteriza porque en dicho dispositivo participa una unidad de acelerometrí a inteligente (4) con la que colabora un router (3), complementado con un teléfono móvil, así como un servidor de red (5) conectado con una unidad fija de acceso remoto (6), de manera que el router (3) y la unidad fija (6) establecen comunicación con el centro de gestión (7), respectivamente a través de un enlace (9) de telefoní a móvil y un enlace (8) de telefoní a bá sica.
2a .- Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad fí sica de humanos durante las 24 horas del di a, según reivindicación Ia , caracterizado porque el sensor inteligente de aceleración (4) está estructurado a base de un microcontrolador (10) asistido por una memoria borrable (12), un transceptor (13) con su antena (14) y una baterí a (11) de alimentación de todos estos elementos, gobernando dicho microcontrolador (10) un conjunto de acelerómetros.
3a . - Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad fí sica de humanos durante las 24 horas del di a, según reivindicación Ia , caracterizado porque el router (3) está estructurado a partir de un microcontrolador (17), asistido por una memoria borrable (18), un transceptor (19) con su correspondiente antena (20) y un buffer de memoria (22), todos ellos alimentados por una batería (21), así como un puerto local (23) asociado a un teléfono móvil (24) exterior al router.
4a . - Sistema portable para la monitor izació del movimiento, estado postural y actividad fí sica de humanos durante las 24 horas del di a, según reivindicación Ia , caracterizado porque el servidor de red (5) está estructurado a base de un procesador digital de sefal (25), con módulos periféricos embebidos (26) y una memoria borrable (28) para código, estando el procesador (25) asistido por un transceptor (29) con su correspondiente antena, por un puerto local (32) y por una interfaz (33), con un pulsador (34) y un avisador acústico-φtico (35), todos ellos alimentados por la correspondiente baterí a (31).
5a . - Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad fϊ sica de humanos durante las 24 horas del di a, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo (1), de muy reducidas dimensiones, está capacitado para colocarse en lugares corporales de muy difí cil acceso, como es la espalda del sujeto (2), a la altura del sacro, cerca de su centro de gravedad.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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