WO2011124732A2 - Adición a la patente p200201710 por "sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día" - Google Patents

Adición a la patente p200201710 por "sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día" Download PDF

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WO2011124732A2
WO2011124732A2 PCT/ES2011/000105 ES2011000105W WO2011124732A2 WO 2011124732 A2 WO2011124732 A2 WO 2011124732A2 ES 2011000105 W ES2011000105 W ES 2011000105W WO 2011124732 A2 WO2011124732 A2 WO 2011124732A2
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monitoring
physical activity
intelligent
movement
hours
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Laura María ROA ROMERO
Luis Javier Reina Tosina
David NARANJO FERNÁNDEZ
Miguel Ángel ESTUDILLO VALDERRAMA
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Universidad De Sevilla
Ciber-Bbn
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1118—Determining activity level

Definitions

  • the object of the present invention is to improve the base architecture described in the invention patent P200201710 "Portable system for monitoring movement, postural state and physical activity of humans 24 hours a day", by including a Novel generic design for intelligent sensors applied in particular in the intelligent accelerometry units for monitoring the movement and postural state of the user.
  • the present addition also introduces functional and structural improvements in the personal server device and in the access router through new modules for positioning via satellite navigation systems, the online update of the firm / software, the addition of home automation services or the standardization of medical information to facilitate the interoperability of the system and its integration.
  • a new personal server design adds new functionalities in a multi-core architecture capable of housing an embedded operating system that allows the provision of services to the portable system. It has its application in the area of Information Technology and Communications (ICTs) in the context of biomedical engineering and medical technology, for the development of portable electronic devices for continuous monitoring of physiological variables of people and their status of health.
  • ICTs Information Technology and Communications
  • the remote monitoring of the movement is very useful when it comes to improving the health care of the population in general, and especially, of two especially important population groups: the elderly and patients with chronic pathologies.
  • the measurement of movement during daily activities in patients with chronic pathologies allows the calculation of metabolic activity indices that can be used for personalized insulin prescription, 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 renal failure.
  • the estimate of energy expenditure and daily activity is also useful in the follow-up of patients with heart problems, asthma, chronic obstructive pulmonary disease and in the post-operative follow-up [Ermes, J. Parkka, J. Mantyjarvi and I.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the framework of use of these devices covers applications of various kinds, such as the detection or classification of the activity of the carrier subject (US 6,433,690), the classification of movements (US 6,864,796), the estimation of energy expenditure or caloric consumption (US 2009/048540), the evaluation of the level of physical activity (ES 2,309,455) or the calculation of the number of steps when walking (US 2009/048540). They also apply to the detection of alarm or attention events, such as falls (US 2008/129518, EP 1,779,772, US 7,502,498), the beginning of a fall (US 7,150,048), periods of immobility of the carrier subject (US 7,145,461) or sudden death stages (WO 2008/050252).
  • the movement monitoring is also of interest in numerous applications apart from the medical context of the aforementioned application, such as the control of robots or bipedal movement assist devices (US 7,017,395) or the initial detection of fall in devices such as hard drives (EP 1,742,071).
  • Remote monitoring of movement or kinetic events is usually done through a telemonitoring or telecare center.
  • the link to this center is done wirelessly through a fixed base station with access to a fixed communication network (WO 2008/129451), through a WiFi link (US 7,394,385) or via connection Direct (US 2009/292227). It is also possible to perform monitoring at the base station itself, as outlined in (ES 2,309,455).
  • the portability of the system increases if the base station is made mobile using a portable electronic device with mobile connection (US 7,248,172), although GSM / GPRS / UMTS technology is also considered in the sensor unit for communication with the telemonitoring center (EP 1,779,772). This property is complemented if a terrestrial location module is added to the sensor device (EP 1.870.037) or to the mobile base station (US 2008/129518).
  • the information captured by the sensors must be treated and processed to extract the characteristics or kinetic events of interest.
  • This processing is carried out in some cases in the same sensor unit (US 2009/174565, WO 2009/138941), in others in the base station (US 6,810,349), in the monitoring center (ES 2,309,455) and even off-line on a personal computer (US 7,141,026).
  • simple processing is performed first in the sensor unit to extract parameters or filter signals, and more complex processing in the base station (US 7,423,537) or in a remote server (US 7,198,607).
  • Figure 1 Schematic representation of the portable system for monitoring the movement, postural state and physical activity of a person 24 hours a day, which is the object of the present invention.
  • Figure 2. Simplified block diagram corresponding to the intelligent accelerometry unit.
  • Figure 3. Diagram similar to that of the previous figure but corresponding to the personal server.
  • Figure 4. Block diagram corresponding to the access router to the management center.
  • the object of the present invention is the improvement of the system set forth in the main patent P200201710 ("Portable system for monitoring movement, postural state and physical activity of humans 24 hours a day"), based on a modular and open architecture , where the use of the sensor is completely transparent to the user, since it is integrated in a biocompatible and waterproof patch on the back at the height of the sacrum, which provides coverage in all environments, with expanded services for multi-user environments.
  • P200201710 Portable system for monitoring movement, postural state and physical activity of humans 24 hours a day
  • the present addition improves the base architecture by including a novel generic design of intelligent sensors based on the parallel execution of processing modules, which base their operation on three modes of operation.
  • This operating scheme is specially designed to optimize the monitoring system at multiple levels: A) optimization of the overall power consumption of the system, minimizing communications and processing needs, and maximizing the autonomy of the sensor device; B) improvement in robustness and portability, thanks to more efficient distributed processing; C) personalization and immediate adaptation to the environment and context, through optimization modules and two-way communication with the smart sensor; D) interoperability, through an open and modular architecture that allows easy redesign and integration of new sensors, technologies and services.
  • the novel generic design for intelligent sensors is applied in particular in the intelligent accelerometry units for monitoring the movement and postural state of the user, and is based on a modular scheme that facilitates the integration of new technologies, which is formed by:
  • Sensor device element responsible for transducing the monitored biomedical signal (accelerations, in this case) to signals suitable for transmission and / or processing
  • the intelligent unit may include more than one sensor device.
  • the design improvements make it possible to refine the algorithms of the intelligent accelerometer unit so that four axes are not necessary in the acceleration components of the user's movement, so the biaxial accelerometers corresponding to the original patent are replaced by a triaxial accelerometer.
  • This accelerometer is the sensor device in the generic design for intelligent sensors used in the intelligent accelerometer unit.
  • Processing unit where a microcontroller is responsible for the acquisition of the signals of the sensor device and its processing. Its operation is broken down into one or more processing modules, of parallel execution, which will independently treat the signals from the sensor device for the detection of events of different nature or to abstract relevant information from said signals.
  • the relevant information of each processing module is structured sequentially into information samples, defined over time by a configurable sampling frequency.
  • the processing unit also manages the overall operation of the device and the modes of operation of each processing module.
  • Communications module with another integrated microcontroller where a low consumption communications protocol is implemented and with real-time transmission capabilities. Having two microcontrollers in the smart sensor allows to separate the processing of the information from the communications, facilitating the redesign and integration of new technologies, while enabling the remote update of the processing unit and the communications module.
  • the system forms a star topology where the slave nodes are the intelligent units and the master node is the personal server.
  • the communications protocol is implemented in the microcontrollers of the communications transceivers of the smart units and the personal server.
  • the link from the personal server to the smart units is based on the sending of commands directed to the processing modules, whether they are operating configuration commands of the processing modules of the smart unit, or update commands of the algorithms of internal processing of the module to adapt its operation to the medium or the user.
  • the data flow in the communications link from the smart units to the personal server is based on the sending of the sensory information or other information extracted from it according to the operating modes of the processing modules of the devices described in paragraphs. previous.
  • the transceiver of each intelligent unit will manage the communications of all the processing modules executed in the processing unit.
  • the personal server transceiver is responsible for sending the configuration commands and assigning the transmission and listening intervals to each processing module of the smart units.
  • the transceivers are put into low consumption mode when they do not have to transmit or receive data, with the algorithm of assignment of personal server intervals responsible for maximizing at all times the time in low consumption of all transceiver devices (including yours) , and provide at all times the transmission capacity required for each processing module.
  • the processing modules of the intelligent sensor units base their operation on three modes of operation to minimize their energy consumption:
  • Mode 1 Continuous data transmission.
  • the intelligent sensor unit transmits in real time the information defined for that processing module, be it information from the sensor device or another, result of the processing module. This information is sent with a configurable sample rate.
  • This mode of operation is entered after the detection and sending of an alarm event until such time as it is confirmed by a command by the personal server. This confirmation can be delayed to gather more information about the alarm event.
  • This mode of operation can also be activated remotely by sending a command.
  • the information samples generated by the processing module are packaged in data frames for sending to the personal server in accordance with the communications protocol described.
  • Normal sub-mode set by default in the smart sensor unit, where attention is not paid to the occurrence of new alarm events.
  • Alarm submode where event detection does generate alarm sending.
  • Mode 2 Transmission based on events. This is the normal mode of operation of intelligent sensor units in order to minimize their consumption in communications. In this mode of operation, no data is sent until the sensor device detects an attention event related to the physiological variables monitored. This event can be the overcoming of one or several pre-established thresholds, whether maximum or minimum, of the monitored variables or of others resulting from the internal processing of the processing module.
  • the alarm that is generated includes in its transmission a window of samples prior to the alarm event of configurable size for later analysis on the personal server. This type of transmission can also be activated remotely on another sensor unit by means of a command.
  • data is only transmitted when the processing module detects an event. At that time, the sending of a preset and configurable amount of information samples prior to the event that have been stored in the memory of the processing unit begins. These samples are packaged in one or several alarm frames to be sent to the personal server in accordance with the communications protocol described.
  • Mode 3 Active standby. In this mode, no data is sent, but it continues to be stored in a buffer. This mode of operation can be established remotely, once the alarm event is recognized, so as not to saturate the system with redundant alarm transmissions while the patient is being treated.
  • the following accelerometer processing modules can be executed in the intelligent accelerometer unit: Processing module for the detection of energy events, in which the events detected correspond to situations that have a high energy load in a short period of time.
  • Each sample of information in this module corresponds to a variable that represents the level of physical activity of the sensor carrier, estimated in the period between the current sample and the previous one.
  • the detected events are associated with attention situations related to the performance or absence of activity in certain time slots of the daily life of the carrier of the intelligent accelerometer unit. Attention situations are configurable through commands.
  • the processing unit has implemented a real-time clock that is used in the establishment of the different configured time slots.
  • Processing module for estimating energy expenditure or caloric consumption.
  • Each sample of information in this module corresponds to a variable that represents the energy expenditure or caloric consumption of the sensor carrier estimated in the period between the current sample and the previous one.
  • the events detected are associated with attention situations related to exceeding a certain threshold in the estimation of energy expenditure or caloric consumption, either above or below, in certain time slots of the daily life of the bearer of the intelligent accelerometry unit. Attention situations are configurable through commands.
  • Patent 200201710 also introduces functional and structural improvements in the personal server device and in the access router through:
  • New modules for optimization of algorithms for detecting energy events, estimating the level of activity and energy expenditure or caloric consumption. They are executed in real time on the personal server or in the management center based on information captured by the intelligent sensor units to adapt the operation of the processing modules corresponding to the particular application of use, the user and the environment or situation in the one found.
  • a control system will be responsible for the management and maintenance of the energy level of the components of the system (smart sensor units, personal server and access router), activating, as appropriate, energy saving mechanisms: warning signals to the user and / or to the management center in case of detection of a low energy level, extension of the periods between transmissions / receptions, decrease of the sampling frequency, deactivation of dispensable modules, etc.
  • a global satellite navigation module that can be activated on demand, either by the GPS system, GLONASS, the future Galileo, or a combination of them.
  • the location coordinates, and therefore the location of the portable system, and obviously of its associated user can be quickly known.
  • an indirect positioning system is used, such as triangulation using beacons located in different places around the patient. This positioning is found by the personal server and is transmitted to the management center through the access router.
  • the unit is wrapped in a biocompatible material, the recharging of the battery is carried out by magnetic coupling with a technology similar to that of current pacemakers, and communication with the personal server is done through intracorporeal communication technologies.
  • the personal server is in a scenario outside the coverage domain of the access router, it must be in charge of communicating directly with the management center.
  • the personal server is provided with a mobile telephone transceiver module that comes into operation when the user is in open environments where the access router is not detected, to alert the management center of any event of interest captured by the smart units
  • the second scenario is established when the user returns to his home or equivalent, where the personal server automatically delegates this task to the access router and adopts its original functionality.
  • This home automation control module in the access router includes a functionality for monitoring the status of connections with the electricity network and the telephone network access to the management center, which will launch appropriate response mechanisms, if necessary, notice to the user, search for an alternative connection with the management center, etc.
  • the improvement patent proposes (1) participates the subject (2) to be monitored and a personal area wireless network (3 ), connected to the outside through an access unit (4).
  • the system simple incorporates a single intelligent unit (5) of accelerometry, with its corresponding personal server (6), while the access unit to the portable system (1) has been referenced with (4) and is connected to the management center (7) through a fixed connection (8) or mobile telephony (9).
  • the management center is connected to the personal server (6) through a mobile telephone link (10).
  • the intelligent accelerometry unit (figure 2) is embodied in a device implemented in accordance with the generic design for intelligent units described above.
  • the processing unit is formed by an 8-bit microcontroller (11) powered by 3 volts through a battery (12), as are the rest of the elements of this intelligent sensor unit.
  • This microcontroller makes use of the internal ROM (13a) and RAM (13b) memories thereof for the storage of the firmware and the processing variables.
  • the communications module is implemented in a transceiver (14) based on the IEEE 802.15.4 communications standard with an integrated microcontroller where a communications protocol built on said standard is implemented.
  • An antenna (15) will transmit and receive the signal in the ISM (Industrial, Scientific and Medical) frequency band.
  • the sensor device consists of a single triaxial accelerometer (16).
  • the processing unit three processing modules are executed: a processing module for the detection of impacts based on the detection of energy events, a processing module for the estimation of the level of activity and a processing module for the estimation of the energy expenditure or caloric consumption.
  • Each of the processing modules operates in one of the three modes of operation described in the generic design for smart units: mode 1 (continuous data transmission), mode 2 (event-based transmission) and mode 3 (active standby).
  • the communication protocol used between the sensor units and the personal server is based on the technique of access to the medium by time division (TDMA - Time Division Medium Access), based on a superframe structure that defines the personal server for transmission of information
  • This superframe is composed of N time intervals of the same duration, which are used by the processing modules of the intelligent units to transmit the samples.
  • the number of time slots N of the superframe is a parameter configurable by the personal server, and this is modified according to the Transmission needs at every moment of time.
  • the personal server sends a beacon frame so that all devices synchronize with the superframe.
  • beacon frame the devices are informed of the total duration of the superframe and of the time intervals assigned to each processing module for the realization of their transmissions / receptions, as well as the configuration commands of the processing modules of the sensor units
  • the information samples are encapsulated in data frames or alarm frames for sending as IEEE 802.15.4 standard data. These frames are sent at the time intervals of the superframe assigned to the processing modules.
  • a processing module for the detection of energy events based on accelerometric information is executed in the processing unit of the intelligent accelerometry unit.
  • the detection of energy events is oriented to an application for the detection of falls in the elderly, considering energy events as possible impacts of falling.
  • the processing module performs a first detection (detection of energy events or impacts), allowing the personal server to perform a deeper processing of the sensory information to discriminate in a more precise and reliable way between a real fall event and other types of impact (fall discrimination).
  • the accelerations are pre-processed by a continuous suppressor filter that eliminates the low frequency components and other components related to the force of gravity, unnecessary in the detection of impacts.
  • An estimation of the energy associated with the acceleration data in each of the axes is also made, analyzing whether customized acceleration and energy thresholds have been exceeded.
  • the processing module is in mode 2 of operation, the detection of an impact event would activate the sending of the accelerations of the three unfiltered axes, stored during the 2 seconds prior to the impact, and packed in alarm frames. After the impact event, operation mode 1 would be entered for 2 seconds to send the accelerations after the alarm event. The consumption of the device is thus reduced since only the accelerations corresponding to 4 seconds are sent each time an impact is detected. This time is enough to collect all the information from the impact event so that the personal server can decide if there has been a real crash.
  • a processing module for the estimation of the level of physical activity performed by the device carrier is also executed in the processing unit of the intelligent accelerometry unit.
  • the module is programmed to launch an alarm event if no physical activity is detected during a defined time interval.
  • the information samples correspond to the estimation of the level of activity carried out with a programmable sampling frequency.
  • a processing module is also executed for the estimation of the energy expenditure or caloric consumption of the device carrier.
  • the information samples correspond to the estimated energy expenditure or caloric consumption estimated with a programmable sampling frequency.
  • this personal server consists of a multi-core microcontroller (17), which at least has a digital signal processor (DSP) powered by a battery (18), like the rest of the personal server.
  • DSP digital signal processor
  • the information received from the intelligent units is processed by the DSP of the personal server using mathematical processing algorithms to discriminate, in the case of fall detection, between true fall events and other impact events previously detected by the intelligent accelerometry unit .
  • the personal server fall detection algorithm Since the personal server fall detection algorithm only analyzes 4 seconds of accelerometric information, it discriminates against a fall much earlier than systems that use the absence of movement after the fall event.
  • the accelerometric information is organized in segments of 90 samples, on which a double study is applied with thresholds adapted to the person and the environment.
  • the access router to the management center (figure 4) is composed of a microcontroller (28), a high capacity erasable memory (29), a user interface similar to that of the personal server (30), a wireless transceiver (31 ) and an antenna (32) for connection to the personal server, and an access point by mobile (33) or terrestrial (34) technology for communication with the management center, all powered by a battery (35).
  • the access router also facilitates two-way communication between the management center and the portable system, allowing the firmware update of the devices integrated in the portable system from the first and remotely. In the design of the access router, like the rest of the elements of the portable system, the lowest cost, minimum size and ease of operation are pursued.

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Abstract

El objeto de la presente invención consiste en la mejora de la arquitectura base descrita en la patente de invención P200201710 "Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día", mediante la inclusión de un novedoso diseño genérico para sensores inteligentes aplicado de forma particular en las unidades inteligentes de acelerometría para la monitorización del movimiento y estado postural del usuario. La presente adición también introduce mejoras funcionales y estructurales en el dispositivo servidor personal y en el router de acceso. Tiene su aplicación en el área de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en el contexto de la ingeniería biomédica y la tecnología médica, para el desarrollo de dispositivos electrónicos portables de monitorización continua de variables fisiológicas de las personas y de su estado de salud.

Description

Título
Adición a la patente Ρ20020Ί710 por "Sistema portable para la monitorizacion del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día"
Objeto de la invención
El objeto de la presente invención consiste en la mejora de la arquitectura base descrita en la patente de invención P200201710 "Sistema portable para la monitorizacion del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día", mediante la inclusión de un novedoso diseño genérico para sensores inteligentes aplicado de forma particular en las unidades inteligentes de acelerometría para la monitorizacion del movimiento y estado postural del usuario. La presente adición también introduce mejoras funcionales y estructurales en el dispositivo servidor personal y en el router de acceso a través de nuevos módulos para el posicionamiento mediante sistemas de navegación por satélite, la actualización on-line del firm/software, el añadido de servicios domóticos o la estandarización de la información médica para facilitar la interoperatividad del sistema y su integración. Por otro lado, un nuevo diseño del servidor personal agrega nuevas funcionalidades en una arquitectura multinúcleo capaz de albergar un sistema operativo embebido que permita la dotación de servicios al sistema portable. Tiene su aplicación en el área de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en el contexto de la ingeniería biomédica y la tecnología médica, para el desarrollo de dispositivos electrónicos portables de monitorizacion continua de variables fisiológicas de las personas y de su estado de salud.
Estado de la técnica
La monitorizacion remota del movimiento resulta de gran utilidad a la hora de mejorar la atención sanitaria de la población en general, y en especial, de dos grupos poblacionales especialmente importantes: las personas mayores y los pacientes con patologías crónicas. La medición del movimiento durante las actividades diarias en pacientes con patologías crónicas permite el cálculo de índices de actividad metabólica que pueden utilizarse para la prescripción personalizada de insulina, en el caso de pacientes diabéticos, o para estimar la generación de nitrógeno ureico, creatinina, y otros productos del metabolismo causantes del síndrome urémico, en el caso de pacientes con insuficiencia renal crónica. La estimación del gasto energético y de la actividad diaria también es de utilidad en el seguimiento de pacientes con problemas cardiacos, asma, enfermedad pulmonar obstructiva crónica y en el seguimiento del post-operatorio [Ermes, J. Parkka, J. Mantyjarvi and I. Korhonen, "Detection of Daily Activities and Sports With Wearable Sensors in Controlled and Uncontrolled Conditions," IEEE Trans. Infor. Tech. Biomed., vol. 12, no. 1 , pp. 20-26, 2008]. Es interesante hacer notar que un porcentaje significativo de pacientes con patologías crónicas como las nombradas son personas con más de 65 años.
Las personas mayores además se enfrentan a otro importante problema, las caídas, las cuales tienen una demostrada relación con la morbilidad y la mortalidad en este grupo poblacional [Y. Zigel, D. Litvak and I. Gannot, "A Method for Automatic Fall Detection of Elderly People Using Floor Vibrations and Sound-Proof of Concept on Human Mimickíng Dolí Falls," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 56, no. 12, pp. 2858- 2867, 2009]. ]. Además, representan una carga importante dentro del gasto público sanitario, que se va a ver incrementado notablemente en los próximos años debido a la inversión de la pirámide poblacional. Una detección temprana de la caída aumenta la tasa de supervivencia, reduce el gasto médico derivado y disminuye el tiempo medio de retorno a una vida independiente.
Las nuevas tecnologías de comunicación inalámbricas y los avances en sistemas microelectromecánicos (MEMS) han permitido el desarrollo de numerosos dispositivos portátiles para la monitorización autónoma del movimiento humano en el ámbito de la teleasistencia domiciliaria. La mayoría de estos dispositivos portables se basan en un diseño constituido por un acelerómetro, un procesador, una memoria y un módulo de comunicaciones, como en US 6.433.690, US 7.479.890 o WO 2009/138900. Otros diseños añaden al esquema anterior acelerometros en la misma unidad sensora (US 7.248.172) o en dispositivos distribuidos por el cuerpo (WO 2008/091227). Existen también propuestas que agregan otros sensores como giróscopos (US 2009/076419), magnetómetros (US 7.423.537), barómetros (WO 2009/138941), sensores de presión en los pies (US 2009/076419) o detectores RFID distribuidos por el entorno de seguimiento (WO 2007/057692). Incluso podemos encontrar diseños que complementan la monitorización con sensores de variables fisiológicas como el ritmo respiratorio, la presión parcial de C02, la temperatura (US 6.997.882) o sensores de ECG (US 2009/048540).
El marco de uso de estos dispositivos cubre aplicaciones de diversa índole, como la detección o clasificación de la actividad del sujeto portador (US 6.433.690), la clasificación de movimientos (US 6.864.796), la estimación del gasto energético o del consumo calórico (US 2009/048540), la evaluación del nivel de actividad física (ES 2.309.455) o el cómputo del número de pasos al caminar (US 2009/048540). También se aplican a la detección de eventos de alarma o atención, como pueden ser las caídas (US 2008/129518, EP 1.779.772, US 7.502.498), del inicio de una caída (US 7.150.048), de periodos de inmovilidad del sujeto portador (US 7.145.461) o estadios de muerte súbita (WO 2008/050252). La monitorización del movimiento resulta además de interés en numerosas aplicaciones aparte del contexto médico de aplicación mencionado, como puede ser el control de robots o aparatos de ayuda al movimiento bípedo (US 7.017.395) o la detección inicial de caída en dispositivos como discos duros (EP 1.742.071).
La monitorización remota del movimiento o de los eventos cinéticos normalmente se realiza a través de un centro de telemonitorización o teleasistencia. El enlace con dicho centro se realiza en muchos casos de forma inalámbrica a través de una estación base fija con acceso a una red fija de comunicación (WO 2008/129451), a través de un enlace WiFi (US 7.394.385) o mediante conexión directa (US 2009/292227). También es posible realizar la monitorización en la propia estación base, como se plantea en (ES 2.309.455). La portabilidad del sistema aumenta si se hace móvil la estación base utilizando un dispositivo electrónico portable con conexión móvil (US 7.248.172), aunque también se considera la tecnología GSM/GPRS/UMTS en la unidad sensora para la comunicación con el centro de telemonitorización (EP 1.779.772). Esta propiedad se complementa si se añade un módulo de localización terrestre al dispositivo sensor (EP 1.870.037) o a la estación base móvil (US 2008/129518).
La información capturada por los sensores debe ser tratada y procesada para extraer las características o eventos cinéticos de interés. Este procesado se realiza en algunos casos en la misma unidad sensora (US 2009/174565, WO 2009/138941), en otros en la estación base (US 6.810.349), en el centro de monitorización (ES 2.309.455) e incluso de forma off-line en un ordenador personal (US 7.141.026). En otros diseños se efectúa en primer lugar un procesado sencillo en la unidad sensora para extraer parámetros o filtrar señales, y un procesado más complejo en la estación base (US 7.423.537) o en un servidor remoto (US 7.198.607). Estas soluciones que prevén una importante carga de procesamiento fuera de la unidad sensora no resultan eficientes desde el punto de vista energético, ya que se produce un mayor consumo en las transmisiones de los dispositivos para soportar un flujo de datos más denso.
No existe una localización común en los sistemas de monitorización de movimiento mencionados, siendo frecuente su ubicación en la cintura (WO 2009/138900), aunque también en el pecho (ES 2.264.645), en la cadera (US 7.423.537), en la muñeca (WO 2004/100092), en el tobillo (US 7.107.180), en los pies y muslos (US 2009076419), en un colgante del cuello (US2009174565) o incluso implantados en el pecho (US2009292227). Numerosos estudios han mostrado que la calidad de la información relativa a las transiciones entre estados posturales y parámetros metabólicos o cinéticos puede ser optimizada si el sensor se coloca cerca del centro de gravedad del sujeto, es decir en la espalda, en el plano mediano, a la altura del sacro [C. V. C. Bouten, M. Koekkoek, M. Verduin, R. Kodde, and J. D. Janssen, "A triaxial accelerometer and portable data processing unit for the assessment of daily physical activity," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 44, no. 3, pp. 136-147, 1997]. Esta posición normalmente no se considera debido a su difícil accesibilidad, lo que se traduce en una mayor probabilidad de generación de falsos positivos en la detección de caídas. Para disminuir este efecto a menudo se utilizan un número mayor de dispositivos sensores, lo que aumenta el coste del dispositivo y las transmisiones necesarias, disminuyendo la autonomía de los mismos (WO 2008/129452). Otros métodos tienen en cuenta la inmovilidad posterior al evento para reducir el número de falsos positivos, pero presentan el inconveniente de que posibles intentos de levantarse por parte del paciente puedan dejar la caída sin detectar. Además, un retraso en el envío de la alarma podría provocar una situación de ansiedad en el paciente al no recibir un mensaje de confirmación indicándole que la ayuda está en camino. Tampoco resulta eficiente la utilización de algoritmos de procesamientos complejos y pesados que afinen en los procesos de detección y clasificación, ya que esto repercute de forma negativa en la portabilidad y en el consumo de los dispositivos, debido al incremento de los recursos hardware y tiempo de procesamiento necesarios.
Por otra parte, como la operación de los dispositivos está supeditada en gran medida a la colocación del mismo por parte del usuario, éste queda sin monitorizar cuando se olvida del mismo o cuando realiza actividades para las que se tiene que desprender de él, como cuando está en la cama o en la ducha, circunstancias en las que se producen muchas caídas. Estas situaciones sólo son atendidas con implantes invasivos como en US 6.937.900 o con dispositivos impermeabilizados de utilización no transparente para el usuario (US 2009/0048540), por lo que podría olvidar ponérselo. Aún obviando esta circunstancia, la mayoría de los dispositivos no están capacitados para operar en todos los escenarios, como cuando el usuario está fuera de casa o fuera del área de cobertura de monitorización, y tampoco están preparados para trabajar en entornos multiusuario, como puede ser un centro de mayores o un hospital.
Resulta interesante añadir que existen también sistemas de monitorización no portables que basan su funcionamiento en el uso de dispositivos sensoriales distribuidos por la vivienda o el entorno de seguimiento, como pueden ser sistemas de detección de caídas mediante cámaras o dispositivos ópticos (US 2009/278934, WO 2004/047039, US 7.110.569) o mediante sensores de vibración y micrófonos en el suelo (WO 2009/113056). La principal desventaja de estos sistemas es que su aplicabilidad se reduce sólo al ámbito de despliegue de los sensores.
Recapitulando, a lo largo de las últimas décadas se han desarrollado numerosos sistemas de monitorización del movimiento humano, algunos de ellos han dado lugar a dispositivos comerciales. Sin embargo, muchos de estos sistemas están demasiado orientados a aplicaciones concretas, como la detección de muerte súbita en bebés (US 6.765.489), la determinación de si un usuario supera o no un umbral determinado de ejercicio (WO 2009/042965, WO 2009/140360), aplicaciones para deportistas (WO 2007/027706) e incluso sistemas de uso no orientado a personas (WO 2009/090584). Cabe destacar también un claro déficit en la posibilidad de personalización para adaptar el dispositivo a las características particulares de la persona, como pueden ser su edad, peso, sexo o estado de movilidad. Además, se echa en falta la consideración de procedimientos de comunicación bidireccional que permitan optimizar el funcionamiento del dispositivo y adaptar en cada momento su uso al medio y al contexto de aplicación. Muchos de los sistemas desarrollados adolecen de una clara falta de interoperatividad y, en la mayoría de los casos, ni siquiera han sido ideados para ser integrados en una arquitectura abierta.
Descripción de las figuras
Para complementar la descripción de la solicitud de patente de adición y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la misma, se acompañan las figuras descritas a continuación con carácter ilustrativo y no limitativo: Figura 1.- Representación esquemática del sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de una persona durante las 24 horas del día, que constituye el objeto de la presente invención.
Figura 2.- Diagrama de bloques simplificado correspondiente a la unidad inteligente de acelerometría.
Figura 3.- Diagrama similar al de la figura anterior pero correspondiente al servidor personal.
Figura 4.- Diagrama de bloques correspondiente al router de acceso al centro de gestión.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención es la mejora del sistema planteado en la patente principal P200201710 ("Sistema portable para la monitorización del movimiento, estado postural y actividad física de humanos durante las 24 horas del día"), basado en una arquitectura modular y abierta, donde el uso del sensor es completamente transparente al usuario, ya que se integra en un parche biocompatible e impermeable en la espalda a la altura del sacro, que le proporciona cobertura en todos los entornos, con servicios ampliados para ambientes multiusuario.
La presente adición mejora la arquitectura base mediante la inclusión de un novedoso diseño genérico de los sensores inteligentes fundamentado en la ejecución paralela de módulos de procesamiento, que basan su funcionamiento en tres modos de operación. Este esquema de funcionamiento está especialmente diseñado para optimizar el sistema de monitorización en múltiples niveles: A) optimización del consumo global de potencia del sistema, minimizando las necesidades de comunicaciones y procesamiento, y maximizando la autonomía del dispositivo sensor; B) mejora en la robustez y en la portabilidad, gracias a un procesamiento distribuido más eficiente; C) personalización y adaptación inmediata al medio y al contexto, mediante módulos de optimización y una comunicación bidireccional con el sensor inteligente; D) interoperatividad, a través de una arquitectura abierta y modular que permite un fácil rediseño y la integración de nuevos sensores, tecnologías y servicios.
El novedoso diseño genérico para sensores inteligentes está aplicado de forma particular en las unidades inteligentes de acelerometría para la monitorización del movimiento y estado postural del usuario, y se fundamenta en un esquema modular que facilita la integración de nuevas tecnologías, el cual está formado por:
1) Dispositivo sensor: elemento encargado de la transducción de la señal biomédica monitorizada (aceleraciones, en este caso) a señales aptas para su transmisión y/o procesamiento, pudiendo incluir la unidad inteligente puede más de un dispositivo sensor. Las mejoras del diseño permiten perfeccionar los algoritmos de la unidad inteligente de acelerometría de manera que no son necesarios cuatro ejes en las componentes de aceleración del movimiento del usuario, por lo que se sustituyen los acelerómetros biaxiales correspondientes a la patente original por un acelerómetro triaxial. Este acelerómetro es el dispositivo sensor en el diseño genérico para sensores inteligentes utilizado en la unidad inteligente de acelerometría.
2) Unidad de procesamiento: donde un microcontrolador se encarga de la adquisición de las señales del dispositivo sensor y de su procesamiento. Su operación se descompone en uno o más módulos de procesamiento, de ejecución paralela, que tratarán de forma independiente las señales procedentes del dispositivo sensor para la detección de eventos de diferente naturaleza o para abstraer información relevante de dichas señales. La información relevante de cada módulo de procesamiento se estructura de forma secuencial en muestras de información, definidas en el tiempo mediante una frecuencia de muestreo configurable. La unidad de procesamiento gestiona también el funcionamiento global del dispositivo y los modos de operación de cada módulo de procesamiento.
3) Módulo de comunicaciones: con otro microcontrolador integrado donde se implementa un protocolo de comunicaciones de bajo consumo y con capacidades de transmisión en tiempo real. El disponer de dos microcontroladores en el sensor inteligente permite separar el procesamiento de la información de las comunicaciones, facilitando el rediseño y la integración de nuevas tecnologías, a la vez que se posibilita la actualización remota de la unidad de procesamiento y del módulo de comunicaciones. En la configuración presentada el sistema forma una topología en estrella donde los nodos esclavos son las unidades inteligentes y el nodo maestro es el servidor personal. El protocolo de comunicaciones está implementado en los microcontroladores de los transceptores de comunicaciones de las unidades inteligentes y del servidor personal. En este esquema el flujo de datos en el enlace desde el servidor personal hasta las unidades inteligentes está basado en el envío de comandos dirigidos a los módulos de procesamiento, ya sean comandos de configuración de operación de los módulos de procesamiento de la unidad inteligente, o comandos de actualización de los algoritmos de procesamiento internos del módulo para adaptar su operación al medio o al usuario. El flujo de datos en el enlace de comunicaciones desde las unidades inteligentes al servidor personal está basado en el envío de la información sensorial u otra información extraída de la misma de acuerdo con los modos de operación de los módulos de procesamiento de los dispositivos descritos en párrafos anteriores. El transceptor de cada unidad inteligente gestionará las comunicaciones de todos los módulos de procesamiento ejecutados en la unidad de procesamiento. El transceptor del servidor personal es el encargado del envío de los comandos de configuración y de asignar los intervalos de transmisión y de escucha a cada módulo de procesamiento de las unidades inteligentes. Los transceptores se ponen en modo de bajo consumo cuando no tengan que transmitir o recibir datos, siendo el algoritmo de asignación de intervalos del servidor personal el encargado de maximizar en cada momento el tiempo en bajo consumo de todos los dispositivos transceptores (incluido el suyo), y proporcionar en cada momento la capacidad de transmisión requerida para cada módulo de procesamiento.
Los módulos de procesamiento de las unidades sensoras inteligentes basan su funcionamiento en tres modos de operación para reducir al máximo su consumo de energía:
Modo 1 : Transmisión continua de datos. En este modo de funcionamiento la unidad sensora inteligente transmite en tiempo real la información definida para ese módulo de procesamiento, ya sea información procedente del dispositivo sensor u otra, resultado del módulo del procesamiento. Esta información se envía con una frecuencia de muestreo configurable. Se entra en este modo de funcionamiento después de la detección y envío de un evento de alarma hasta el momento en que ésta sea confirmada mediante un comando por el servidor personal. Esta confirmación puede ser retrasada para recabar más información del evento de alarma. También puede activarse este modo de funcionamiento de forma remota mediante el envío de un comando. En este modo, las muestras de información generadas por el módulo de procesamiento se empaquetan en tramas de datos para su envío al servidor personal de acuerdo con el protocolo de comunicaciones descrito.
Podemos considerar dos submodos de operación en el modo de operación de transmisión continua de datos: 1) Submodo normal: establecido por defecto en la unidad sensora inteligente, donde no se presta atención a la ocurrencia de nuevos eventos de alarma. 2) Submodo de alarma: donde la detección de eventos sí genera el envío de alarmas.
Modo 2: Transmisión basada en eventos. Este es el modo de funcionamiento normal de las unidades sensoras inteligentes con objeto de reducir al máximo su consumo en comunicaciones. En este modo de operación no se envía ningún dato hasta que el dispositivo sensor no detecte un evento de atención relativo a las variables fisiológicas monitorizadas. Este evento puede ser la superación de uno o varios umbrales preestablecidos, ya sean máximos o mínimos, de las variables monitorizadas o de otras resultantes del procesamiento interno del módulo de procesamiento. La alarma que se genere incluye en su transmisión una ventana de muestras anteriores al evento de alarma de tamaño configurable para su análisis posterior en el servidor personal. Este tipo de transmisión se puede activar también de forma remota en otra unidad sensora mediante un comando.
En este modo, sólo se transmiten datos cuando el módulo de procesamiento detecte un evento. En ese momento se inicia el envío de una cantidad prefijada y configurable de muestras de información previas al evento que han sido almacenadas en la memoria de la unidad de procesamiento. Estas muestras son empaquetadas en una o varias tramas de alarma para su envío al servidor personal de acuerdo con el protocolo de comunicaciones descrito.
Modo 3: Espera activa. En este modo no se envía ningún dato, pero continúa su almacenamiento en un buffer. Este modo de operación se puede establecer de forma remota, una vez reconocido el evento de alarma, para no saturar al sistema con redundantes transmisiones de alarma mientras se está atendiendo al paciente.
De acuerdo con la arquitectura planteada, en la unidad inteligente de acelerometría se pueden ejecutar los módulos de procesamiento basados en información acelerométrica siguientes: Módulo de procesamiento para la detección de eventos de energía, en el que los eventos detectados se corresponden con situaciones que presentan una elevada carga energética en un corto periodo de tiempo.
- Módulo de procesamiento para la estimación del nivel de actividad. Cada muestra de información de este módulo se corresponde con una variable que representa el nivel de actividad física del portador del sensor, estimado en el periodo transcurrido entre la muestra actual y la anterior. En este módulo los eventos detectados están asociados a situaciones de atención relacionadas con la realización o ausencia de actividad en determinadas franjas horarias de la vida diaria del portador de la unidad inteligente de acelerometría. Las situaciones de atención son configurables mediante comandos. La unidad de procesamiento tiene implementado un reloj en tiempo real que se utiliza en el establecimiento de las distintas franjas horarias configuradas.
Módulo de procesamiento para la estimación del gasto energético o consumo calórico. Cada muestra de información de este módulo se corresponde con una variable que representa el gasto energético o consumo calórico del portador del sensor estimado en el periodo transcurrido entre la muestra actual y la anterior. En este módulo los eventos detectados están asociados a situaciones de atención relacionadas con la superación de un determinado umbral en la estimación del gasto energético o consumo calórico, ya sea por encima o por debajo, en determinadas franjas horarias de la vida diaria del portador de la unidad inteligente de acelerometría. Las situaciones de atención son configurables mediante comandos.
La presente adición a la Patente 200201710 también introduce mejoras funcionales y estructurales en el dispositivo servidor personal y en el router de acceso a través de:
- nuevos módulos de optimización de los algoritmos de detección de eventos de energía, de estimación del nivel de actividad y del gasto energético ó consumo calórico. Se ejecutan en tiempo real en el servidor personal o en el centro de gestión a partir de información captada por las unidades sensoras inteligentes para adaptar el funcionamiento de los módulos de procesamiento correspondientes a la aplicación particular de uso, al usuario y al medio o situación en la que se encuentre éste.
- la actualización remota del firm/software de la unidad de procesamiento y del microcontrolador del transceptor de las unidades inteligentes. - la monitorización del nivel de energía restante del sistema de alimentación de la unidad inteligente para la generación de eventos de alarma cuando se alcance un nivel por debajo de un parámetro configurable mediante comandos. También se incluyen módulos de monitorización del nivel de carga y del estado de las baterías en el servidor personal y en el router de acceso. Un sistema de control se encargará de la gestión y del mantenimiento del nivel de energía de los elementos integrantes del sistema (unidades sensoras inteligentes, servidor personal y router de acceso) activando según el caso mecanismos de salvaguarda de energía: señales de aviso al usuario y/o al centro de gestión en caso de detección de un nivel bajo de energía, ampliación de los periodos entre transmisiones/recepciones, disminución de la frecuencia de muestreo, desactivación de módulos prescindibles, etc.
- la consideración en el sistema portable de una arquitectura multinúcleo, que integrando al DSP (Procesador Digital de Señales) de la patente original, permita la mejora del dispositivo servidor personal y facilite la instalación de un sistema operativo embebido de libre distribución y la dotación de nuevos servicios al sistema portable.
- la estandarización de la información enviada al centro de gestión, atendiendo a los organismos de normalización europeos e internacionales para así facilitar la interoperatividad del sistema portable y la integración de la información por él generada en los centros hospitalarios.
- la inclusión en el servidor personal de un módulo navegación global por satélite activable bajo demanda, ya sea por el sistema GPS, GLONASS, el futuro Galileo, o una combinación de ellos. De este modo, cuando se desee, se pueden conocer rápidamente las coordenadas de situación, y por tanto la ubicación del sistema portable, y obviamente de su usuario asociado. En caso de que el usuario quiera localizarse bajo techo donde la comunicación vía satélite no sea posible, se utiliza un sistema de posicionamiento indirecto, como por ejemplo la triangulación mediante balizas emplazadas en distintos lugares del entorno del paciente. Este posicionamiento es hallado por el servidor personal y se transmite al centro de gestión a través del router de acceso.
- la integración de nuevas tecnologías inalámbricas de comunicaciones en el enlace entre las unidades inteligentes y el servidor personal atendiendo a las mejoras conseguidas en tecnologías ULP (Ultra Low Power) de muy bajo consumo (Wibree, Ultra WideBand (UWB) e IntraBody Communications (IBC) son opciones en este sentido), o que permitan la compleción de redes de área personal inalámbricas tanto intra- como extra-corporales, para poder así integrar dispositivos sensores inteligentes tanto implantados como externos.
- el diseño de la unidad inteligente de acelerometría para ser implantada bajo la piel y así evitar la saturación en la banda ISM de frecuencias. En este caso la unidad está envuelta en un material biocompatible, la recarga de la batería se realiza por acoplo magnético con una tecnología análoga a la de los marcapasos actuales, y la comunicación con el servidor personal se realiza por medio de tecnologías de comunicaciones intracorporales.
- el establecimiento de una funcionalidad doble del servidor personal en función del escenario de aplicación. En caso de que el servidor personal se encuentre en un escenario fuera del dominio de cobertura del router de acceso, debe encargarse de comunicar directamente con el centro de gestión. Para tal fin se dota al servidor personal de un módulo transceptor de telefonía móvil que entra en funcionamiento cuando el usuario se encuentre en entornos abiertos donde no se detecte el router de acceso, para alertar al centro de gestión de cualquier evento de interés captado por las unidades inteligentes. El segundo escenario se establece cuando el usuario regrese a su hogar o equivalente, donde el servidor personal delega automáticamente esta tarea al router de acceso y adopta su funcionalidad original.
- la incorporación al router de acceso al centro de gestión la capacidad de monitorizar sensores domóticos para dotar de seguridad técnica al domicilio o lugar de residencia del usuario ante posibles eventos de peligro como fugas, humos o incendios. Este módulo de control domótico en el router de acceso incluye una funcionalidad para la monitorización del estado de la conexiones con la red eléctrica y la red telefónica de acceso al centro de gestión, que lanzará en su caso mecanismos de respuesta adecuados: aviso al usuario, búsqueda de una conexión alternativa con el centro de gestión, etc.
Modo de realización de la invención
A la vista de la figuras reseñadas, y más concretamente de la figura 1 , puede observarse como en el sistema portable que la patente de mejora propone (1) participa el sujeto (2) a ser monitorizado y una red inalámbrica de área personal (3), conectada al exterior mediante una unidad de acceso (4). En la realización más simple del sistema éste incorpora una sola unidad inteligente (5) de acelerometría, con su correspondiente servidor personal (6), mientras que la unidad de acceso al sistema portable (1) ha sido referenciada con (4) y está conectada al centro de gestión (7) a través de una conexión fija (8) o de telefonía móvil (9). A su vez, el centro de gestión está conectado con el servidor personal (6) a través de un enlace de telefonía móvil (10).
La unidad inteligente de acelerometría (figura 2) se materializa en un dispositivo implementado de acuerdo con el diseño genérico para unidades inteligentes descrito anteriormente. Según este diseño, la unidad de procesamiento está formada por un microcontrolador de 8 bits (11) alimentado con 3 voltios a través de una batería (12), al igual que el resto de elementos de esta unidad sensora inteligente. Este microcontrolador hace uso de las memorias internas ROM (13a) y RAM (13b) del mismo para el almacenamiento del firmware y las variables de procesamiento. El módulo de comunicaciones se implementa en un transceptor (14) basado en el estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4 con un microcontrolador integrado donde se implementa un protocolo de comunicaciones construido sobre dicho estándar. Una antena (15) transmitirá y recibirá la señal en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de frecuencias. Finalmente, el dispositivo sensor está constituido por un único acelerómetro triaxial (16). En la unidad de procesamiento se ejecutan tres módulos de procesamiento: un módulo de procesamiento para la detección de impactos basado en la detección de eventos de energía, un módulo de procesamiento para la estimación del nivel de actividad y un módulo de procesamiento para la estimación del gasto energético o consumo calórico. Cada uno de los módulos de procesamiento opera en uno de los tres modos de operación descritos en el diseño genérico para unidades inteligentes: modo 1 (transmisión continua de datos), modo 2 (transmisión basada en eventos) y modo 3 (espera activa).
El protocolo de comunicaciones utilizado entre las unidades sensoras y el servidor personal está basado en la técnica de acceso al medio por división en el tiempo (TDMA - Time División Médium Access), a partir de una estructura de supertrama que define el servidor personal para la transmisión de la información. Esta supertrama está compuesta por N intervalos temporales de la misma duración, los cuales son utilizados por los módulos de procesamiento de las unidades inteligentes para transmitir las muestras. El número de intervalos temporales N de la supertrama es un parámetro configurable por el servidor personal, y éste lo modifica según las necesidades de transmisión en cada instante de tiempo. En el primer intervalo temporal de la supertrama, el servidor personal envía una trama de baliza para que todos los dispositivos se sincronicen con la supertrama. En esta trama de baliza se informa a los dispositivos de la duración total de la supertrama y de los intervalos temporales asignados a cada módulo de procesamiento para la realización de sus transmisiones/recepciones, así como los comandos de configuración de los módulos de procesamiento de las unidades sensoras. Las muestras de información se encapsulan en tramas de datos o tramas de alarma para su envío como datos del estándar IEEE 802.15.4. Estas tramas son enviadas en los intervalos temporales de la supertrama asignados a los módulos de procesamiento.
En la unidad de procesamiento de la unidad inteligente de acelerometría se ejecuta un módulo de procesamiento para la detección de eventos de energía basados en información acelerométrica. La detección de eventos de energía se orienta a una aplicación para la detección de caídas en personas mayores, considerando los eventos de energía como posibles impactos de caída. En esta aplicación para la detección de caídas, el módulo de procesamiento realiza una primera detección (detección de eventos de energía o impactos), dejando que el servidor personal efectúe un procesamiento más profundo de la información sensorial para discriminar de una forma más precisa y fiable entre un evento de caída real y otros tipos de impacto (discriminación de caídas). En el algoritmo de detección de eventos de energía del módulo de procesamiento, las aceleraciones son pre-procesadas por un filtro supresor de continua que elimina las componentes de baja frecuencia y otras componentes relacionadas con la fuerza de gravedad, innecesarias en la detección de impactos. Se realiza también una estimación de la energía asociada con los datos de aceleración en cada uno de los ejes, analizando si se han superado unos umbrales personalizados de aceleración y energía.
Si el módulo de procesamiento se encuentra en el modo 2 de operación, la detección de un evento de impacto activaría el envío de las aceleraciones de los tres ejes sin filtrar, almacenadas durante los 2 segundos previos al impacto, y empaquetadas en tramas de alarma. Después del evento de impacto se entraría en el modo 1 de operación durante 2 segundos para enviar las aceleraciones posteriores al evento de alarma. Se reduce así el consumo del dispositivo ya que sólo se envían las aceleraciones correspondientes a 4 segundos cada vez que se detecta un impacto. Este tiempo es suficiente para recoger toda la información del evento de impacto para que así el servidor personal pueda decidir si se ha producido una verdadera caída.
En la unidad de procesamiento de la unidad inteligente de acelerometría se ejecuta también un módulo de procesamiento para la estimación del nivel de actividad física realizada por el portador del dispositivo. El módulo está programado para lanzar un evento de alarma si no se detecta actividad física durante un intervalo temporal definido. Las muestras de información se corresponden con la estimación del nivel de actividad realizada con una frecuencia de muestreo programable.
En la unidad de procesamiento de la unidad inteligente de acelerometría se ejecuta también un módulo de procesamiento para la estimación del gasto energético o consumo calórico del portador del dispositivo. Las muestras de información se corresponden con la estimación del gasto energético o consumo calórico estimado con una frecuencia de muestreo programable.
La información capturada o generada por los módulos de procesamiento de la unidad de acelerometría inteligente es enviada al servidor personal (6) en función del modo de operación particular de cada uno de ellos. De acuerdo con la figura 3, este servidor personal consta de un microcontrolador multinúcleo (17), que al menos dispone de un procesador digital de señal (DSP) alimentado por una batería (18), al igual que el resto del servidor personal. Está formado también por módulos lógicos embebidos (19), una memoria borrable para el código (20), un módulo interfaz (21) compuesto por botonera (22) e interfaz visual-acústica (23), un módulo GPS (24) para la localización del usuario, un módulo de radiofrecuencia para su comunicación con los dispositivos pertenecientes al sistema portable mediante un transceptor ISM (25) junto a su correspondiente antena (26), y otro módulo de radiofrecuencia para su comunicación directa con el centro de gestión mediante un módulo de telefonía móvil (27). La información recibida de las unidades inteligentes es procesada por el DSP del servidor personal usando algoritmos matemáticos de procesamiento para discriminar, en el caso de la detección de caídas, entre verdaderos eventos de caída y otros eventos de impacto previamente detectados por la unidad inteligente de acelerometría.
Como el algoritmo de detección de caídas del servidor personal sólo analiza 4 segundos de información acelerométrica, éste discrimina una caída mucho antes que los sistemas que utilizan la ausencia de movimiento después del evento de caída. En este algoritmo se organiza la información acelerométrica en segmentos de 90 muestras, sobre los cuales se aplica un doble estudio con umbrales adaptados a la persona y al medio.
El router de acceso al centro de gestión (figura 4) está compuesto por un microcontrolador (28), una memoria borrable de alta capacidad (29), una interfaz de usuario similar a la del servidor personal (30), un transceptor inalámbrico (31) y una antena (32) para su conexión con el servidor personal, y un punto de acceso mediante tecnología móvil (33) o terrestre (34) para su comunicación con el centro de gestión, todos ellos alimentados por una batería (35). El router de acceso facilita además la comunicación bidireccional entre el centro de gestión y el sistema portable, permitiendo desde el primero y de forma remota la actualización del firmware de los dispositivos integrantes en el sistema portable. En el diseño del router de acceso, al igual que el resto de los elementos del sistema portable, se persigue el menor coste, mínimo tamaño y facilidad de manejo.

Claims

Reivindicaciones
1. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes caracterizado por estar constituido por a) uno o varios dispositivos sensores, b) una unidad de procesamiento basada en otro microcontrolador, y c) un módulo de comunicaciones con un microcontrolador integrado. El funcionamiento de la unidad de procesamiento se descompone en uno o más módulos de procesamiento, de ejecución paralela, con tres modos de operación: transmisión continua de datos que comprende un submodo normal y un submodo de alarma, transmisión basada en eventos y espera activa.
2. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicación anterior caracterizado porque los módulos de procesamiento tratarán las señales procedentes del dispositivo sensor para la detección de eventos o para extraer información relevante de las señales del dispositivo sensor de manera que la información de cada módulo de procesamiento se estructura de forma secuencial en muestras de información, definidas en el tiempo mediante una frecuencia de muestreo configurable y pudiendo los módulos de procesamiento ejecutar algoritmos para la detección de eventos de alarma o atención derivados de las muestras de información.
3. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 Horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende un protocolo de comunicaciones entre las unidades inteligentes y el servidor personal para reducir al máximo el consumo energético del sistema basado en una asignación dinámica de intervalos de transmisión a las unidades sensoras que maximice en cada momento el tiempo en bajo consumo de todos los dispositivos transceptores, y proporcione en cada momento la capacidad de transmisión requerida para cada módulo de procesamiento.
4. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado por la dotación de módulos de procesamiento en la unidad inteligente de acelerometría para la detección de eventos de energía, estimación del nivel de actividad física, y de estimación gasto energético o consumo calórico, basados en información acelerométrica triaxial.
5. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado por dotación al servidor personal de un microcontrolador multlnúcleo que permita la instalación de un sistema operativo embebido y la implementación de una arquitectura de servicios distribuida en el sistema portable.
6. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado por la dotación de un módulo software encargado de la estandarización de la información médica en el sistema portable y del flujo de información con el centro de gestión.
7. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado por la dotación de un módulo de posicionamiento del usuario final que consiste en un dispositivo de navegación global por satélite de tamaño reducido, bajo consumo y con antena integrada, y un sistema de posicionamiento por medio de triangulación a través de balizas móviles.
8. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado por la dotación al sistema de las tecnologías de comunicaciones ULP (Ultra Low Power) de manera que se permita la compleción de una red de área personal inalámbrica portada por el usuario tanto intra como extracorporal, para poder integrar tanto dispositivos sensores inteligentes implantados como externos.
9. - Adición a la patente P200201710 por "Sistema Portable para la Monitorización del Movimiento, Estado Postural y Actividad Física de Humanos durante las 24 horas del día", de un sistema genérico para unidades inteligentes según reivindicaciones anteriores caracterizado por la dotación al sistema de un módulo de control domótico gestionado por el router de acceso que atenderá las alarmas provenientes de variados sensores de campo situados en el domicilio del usuario, así como del estado de la conexiones con la red eléctrica y la red telefónica de acceso al centro de gestión, para lanzar los mecanismos de respuesta necesarios.
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