Presentacion Plataforma EnViBo

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Plataforma para el desarrollo de aplicaciones de monitorización ambulatoria de signos vitales y señales biomédicas con nodos sensores portables utilizando el protocolo MiWi P2P

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Presentacion Plataforma EnViBo

  1. 1. Gustavo Meneses Benavides Tutor: Juan Diego Lemos Duque Grupo de Investigación en Bioinstrumentación e Ingeniería Clínica
  2. 2. Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería 2013
  3. 3. Glosario  IEEE 802.15.4: Estándar para la comunicación inalámbrica especialmente para redes del rango de área personal (PAN) con bajas tasas de datos y pocos o ningún requerimiento de infraestructura. Una de sus implementaciones más conocida es Zigbee, pero también encontramos opciones como MiWi de Microchip Inc.  Sensores Vestibles (Wearable Sensors): Se denomina así al conjunto de sensores que pueden ser portados por las personas de manera similar a las prendas de vestir o como accesorios de uso diario como anillos, relojes, aretes, pulseras o similares.
  4. 4. Glosario  Energy Harvesting-Scavenging: Técnicas para la captación o recolección de energía bien sea del medio (por ejemplo, tomando energía solar) o a partir de la energía y movimiento de las personas.  MiWi P2P: Una versión particular del protocolo MiWi de Microchip Inc. (Basado en IEEE 802.15.4) que se caracteriza por su flexibilidad y su rápida adaptibilidad para el despliegue de redes inalámbricas de tipo ad hoc.
  5. 5. Glosario  Nodo Sensor: En las aplicaciones de monitorización con redes inalámbricas se llama así a cada punto de red que se encarga de la recolección y transmisión de los datos captados por uno o varios sensores, adaptados a su circuitería interna, hacia un punto de red con mayor jerarquía.  Nodo Coordinador: En las aplicaciones con redes de sensores inalámbricos desplegadas según el estándar IEEE 802.15.4 se llama así a un nodo con mayor jerarquia que los nodos sensores. Este nodo posee mayores capacidades para la gestión de las comunicaciones y una mayor autonomía de funcionamiento.
  6. 6. AGENDA  Problema  Objetivo General  Objetivos Específicos  Desarrollo del Tema  Resultados Obtenidos  Conclusiones  Trabajo Futuro  Referencias
  7. 7. Problema Se requiere un modelo de plataforma de sensores para la monitorización fisiológica ambulatoria que pueda servir de apoyo para el grupo GIBIC y sus integrantes en diferentes actividades investigativas, tales como la validación de modelos biomédicos, la verificación de procedimientos de registro de variables fisiológicas, estudios sobre las características físicas de personas pertenecientes a grupos de interés especial, el diseño de pruebas, el seguimiento y valoración de la respuesta a medicamentos en pacientes, entre otras.
  8. 8. Objetivo General Desarrollar un modelo de plataforma de sensores portables para el monitoreo ambulatorio de parámetros fisiológicos.
  9. 9. Objetivos específicos • Determinar las especificaciones técnicas y regulatorias a las que debe ajustarse una plataforma de sensores portables para el monitoreo ambulatorio de parámetros fisiológicos. • A partir del análisis comparativo de los estándares de comunicación para redes de área personal formular un modelo de plataforma de sensores portables para el monitoreo ambulatorio de parámetros fisiológicos. • Validar el modelo frente a un sistema de monitoreo, implementado según sus lineamientos, que agrupe varios de los prototipos de nodos sensores portables desarrollados al interior del grupo de investigación GIBIC.
  10. 10. Hipótesis En Colombia no se ha encontrado un desarrollo a nivel de plataformas de monitorización ambulatoria de signos vitales y señales biomédicas en personas que llegue al nivel de plantear metodologías para el despliegue de las redes inalámbricas y de los sensores Se propone una plataforma denominada EnViBo, ésta plataforma utiliza nodos que se comunican bajo el estándar IEEE 802.15.4 y se apoya en una interfaz desarrollada en Labview para el análisis, registro, procesamiento y visualización de los datos adquiridos por los diferentes sensores. Para efectos de pruebas y validación de la plataforma se utilizará un par de nodos sensores que captan la temperatura corporal y un nodo actígrafo basado en acelerómetro.
  11. 11. Fuente: Elaboración propia
  12. 12. Fuente: Elaboración propia
  13. 13. Aspectos Técnicos
  14. 14. Elementos principales de una plataforma para monitorización ambulatoria  Señales  Sensores  Comunicaciones  Adquisición y acondicionamiento de señales  Procesamiento  Almacenamiento de los datos  Administración de la energía  Seguridad de los datos
  15. 15. Elementos principales de una plataforma para monitorización ambulatoria
  16. 16. Señales Dependiendo del tipo de variables y del interés que estas revistan desde el punto de vista biomédico, la plataforma puede tomar unas u otras características. Es muy común que las señales monitorizadas correspondan a lo que se conoce como signos vitales, pero también existen otras señales que son utilizadas para análisis complementarios o de mayor complejidad.
  17. 17. Sensores Los sensores biomédicos se pueden clasificar según la manera como toman las señales del ser humano, desde este punto de vista, hay sensores sin contacto, no invasivos, que se apoyan en principios de radiación de energía, de ondas sonoras o similares. También existe una gran cantidad de sensores por contacto externo con la piel u otros órganos que pertenecen a la categoría de sensores no invasivos por contacto directo.
  18. 18. Comunicaciones A nivel internacional existe una normativa que establece Bandas tipo ISM (Industrial, científica y médica, por sus siglas en inglés) en las que eventualmente pueden funcionar soluciones de monitorización ambulatoria. La mayoría de aplicaciones se basan en estándares de comunicación que apuntan a las redes de área personal.
  19. 19. Comunicaciones La elección de la topología es un factor crítico, también lo es la elección del radio o transceptor. Las tasas de transferencia de datos son de decenas de kilobits por segundo y en algunos casos se alcanzan los megabits por segundo. En cuanto al rango o alcance, este varía si se trata de espacios abiertos (outdoor) o en interiores (indoorenclosed), en general se alcanzan metros, decenas o cientos de ellos dependiendo del transceptor y del estándar de comunicación adoptado [86].
  20. 20. Topología (Peer-to-Peer) P2P para el protocolo MiWi  PAN: Personal Area Network (Red de Área Personal)  FFD: Full-Function Device (Dispositivo de Funciones Completas)  RFD: Reduced-Function Device (Dispositivo de Funciones Reducidas)
  21. 21. Estándar IEEE 802.15.4
  22. 22. Adquisición y acondicionamiento de señales       Amplificación Filtrado Conversión A/D y D/A Acople (Matching) Cambio de Modo Cambio de variable Vector y ángulos finales derivado de las lecturas arrojadas por el acelerómetro.
  23. 23. Procesamiento  Arquitectura del procesador  RTOS o secuencial  Punto flotante
  24. 24. Almacenamiento de los datos  Memoria  EEPROM Interna  EEPROM Externa  Medio Extraíble
  25. 25. Administración de la energía  Baterías primarias  Baterías Secundarias  Convertidor DC-DC  Recolección de Energía (Energy HarvestingScavenging)
  26. 26. Seguridad de los datos  Encriptación (Durante la transmisión de los paquetes entre los nodos de red)  Integridad (aspectos tanto técnicos como bioéticos)  Autenticación (administrador, usuarios, interfaces) Sobre los nodos se puede ejecutar el motor de seguridad por hardware (AES-128). Soporta encriptación y desencriptación para las subcapas MAC y las capas superiores.
  27. 27. Aspectos Regulatorios
  28. 28. Entidades que emiten regulaciones ligadas con los dispositivos médicos de tecnología inalámbrica de radiofrecuencia. (Fuente: Elaboración Propia)
  29. 29. Aspectos principales de los que se ocupa la regulación existente para dispositivos médicos inalámbricos (Fuente: Elaboración propia)
  30. 30. Aspectos de Implementación
  31. 31. Flujograma simplificado de integración de un nuevo nodo a la plataforma EnViBO (Fuente: Elaboración Propia)
  32. 32. Arquitectura propuesta para la plataforma EnViBo (Fuente: Elaboración Propia)
  33. 33. Arquitectura propuesta para los nodos de red (Fuente: Elaboración propia)
  34. 34. Generación “cero” de nodos para la plataforma EnViBo
  35. 35. Diseño de nodos de red
  36. 36. Integración y desarrollo de Firmware
  37. 37. Diagrama de Flujo para el Coordinador PAN (Fuente: Elaboración Propia)
  38. 38. Diagrama de flujo para nodo sensor genérico (Fuente: Elaboración propia)
  39. 39. Desarrollo de Nodos Sensores Nodo Sensor de Temperatura Corporal Nodo actígrafo basado en acelerómetro
  40. 40. Desarrollo de Nodos Sensores Nodo sensor de Pulso (BPM) Nodo Frecuencia Respiratoria
  41. 41. Pruebas y Validación
  42. 42. Esquema de asignación de direcciones y de roles dentro de la red durante una prueba con la plataforma EnViBo (Fuente: Elaboración Propia)
  43. 43. Nodos utilizados para una prueba de red
  44. 44. Detalle de medios de sujeción y ubicación de los nodos sensores para pruebas de monitorización ambulatoria
  45. 45. Paquetes iniciales de identificación enviados desde los nodos sensores al Coordinador de red durante una prueba con dos nodos sensores de temperatura corporal y el nodo actígrafo
  46. 46. Detalle de las transacciones de red durante la prueba captados con un analizador de paquetes MiWi
  47. 47. Conteo de paquetes recibidos desde cada nodo durante las pruebas
  48. 48. Conteo de paquetes recibidos desde cada nodo durante las pruebas
  49. 49. Valoración de desempeño de diversos tipos de baterías utilizados durante las pruebas
  50. 50. Medición de consumo de corriente durante periodos de transmisión y de modo “sleep” en nodo sensor de temperatura corporal
  51. 51. Medición de consumo de corriente durante periodos de transmisión y de modo “sleep” en nodo actígrafo
  52. 52. Pantalla inicial de la interfaz desarrollada en Labview para la plataforma EnViBo
  53. 53. Panel frontal con las indicaciones de las mediciones activas
  54. 54. Gráficos de tendencias para las variables sensadas
  55. 55. Registro de los datos recibidos en archivos txt generados desde la interfaz (instrumento virtual) desarrollado para la plataforma EnViBo
  56. 56. Sitio Web de la Plataforma EnViBo
  57. 57. Interfaz para smartphone bajo desarrollo
  58. 58. Conclusiones  La mayoría de pruebas de funcionamiento continuo para verificar la funcionalidad de las comunicaciones en red, así como para evaluar el desempeño de los nodos en aspectos como autonomía de funcionamiento y porcentaje de éxito en la transmisión de paquetes, se han realizado con baterías recargables. Estas baterías se consideran la opción más recomendable para la operación de los nodos durante los periodos de monitorización si se considera que la Plataforma y sus elementos de red resulten viables desde el punto de vista económico.
  59. 59. Conclusiones  En general con pruebas de funcionamiento extendido se lograron periodos de operación entre 3 y 10 horas continuas hasta que las baterías se agotaran. En muchos casos algunas baterías se agotaban primero que otras pero este periodo de tiempo ha sido el más característico. La cantidad de paquetes trasmitidos en un periodo de 1 a 10 horas oscila entre 100 y 5000.  Durante las pruebas con los nodos siendo portados durante las actividades normales se nota un incremento de hasta un 10% en el porcentaje de pérdida de paquetes transmitidos, estas pérdidas están asociados a movimientos de la persona, obstáculos en el enlace nodos-coordinador, presencia de pantallas de computador e interferencia de fuentes electromagnéticas cercanas.
  60. 60. Conclusiones  En pruebas durante las cuales la persona está en reposo el porcentaje de pérdida de paquetes disminuye por debajo del 5%.  Cuando todos los nodos se incorporan al mismo tiempo en la red el tiempo en que se logran sincronizar es menor que cuando los nodos se incorporan asincrónicamente a la red de monitorización.  En general se ha dado transmisiones exitosas, para interiores de espacios domésticos para distancias en el rango de 1 a 10 metros. Es evidente la influencia de obstáculos como muros y puertas en las conexiones. Para espacios exteriores no se han realizado pruebas pero se prevee que el rango de alcance de las transmisiones debe incrementarse considerablemente.
  61. 61. Conclusiones  La plataforma planteada, EnViBo, se presenta como una herramienta que permitirá el desarrollo de proyectos de monitorización ambulatoria de personas para análisis, registro, procesamiento, visualización y transmisión de datos relativos a signos vitales y señales biomédicas de interés. En un principio la plataforma está concebida para realizar pruebas de monitorización en ambientes indoor, pero con pocos cambios y adecuaciones se pueden realizar experimentos de registro en ambientes exteriores si se cubre la alimentación del coordinador de red con baterías y se utilizan medios extraíbles para hacer el registro de los datos arrojados por los nodos sensores.
  62. 62. Trabajo Futuro  A partir de la incorporación de nuevos nodos sensores, realizados bajo la metodología planteada en este trabajo de investigación, será posible evaluar el desempeño de la plataforma EnViBo en pruebas de monitorización multiparamétrica de personas en ambientes diversos según los requerimientos específicos de los experimentos a realizar. Para esto es necesario la integración de los miembros del grupo GIBIC mediante la realización de proyectos de investigación relacionados con sensores portables o vestibles, tanto a nivel de pregrado como de posgrado, que garanticen la continuidad en el tiempo y la mejora y optimización de esta herramienta.
  63. 63. Trabajo Futuro  Es necesario seguir avanzando en el diseño y construcción de nuevos nodos sensores bajo preceptos de portabilidad, comodidad y eficiencia para lograr el soporte de pruebas de duración extendida por horas y por días. En los nodos desarrollados se ha observado que la comodidad del usuario es un aspecto clave que debe ser mejorado y que se deben refinar las técnicas de procesamiento de señal especialmente para aquellas señales biomédicas que son susceptibles a artefactos ligados al movimiento de las personas.
  64. 64. Referencias  P. Bonato, “Wearable Sensors/Systems and Their Impact on Biomedical Engineering,” IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 22, no 3. June, pp. 18-20, 2003.  A. Milenkovid, C. Otto, and E. Jovanov, “Wireless sensor networks for personal health monitoring: Issues and an implementation,” Computer Communications, vol. 29, no. 13–14, pp. 2521–2533, Aug. 2006.  “Shimmer - Wireless Sensor Platform for Wearable Applications.” *Online+. Available: http://www.shimmerresearch.com/. [Accessed: 04-Feb-2013].
  65. 65. Referencias  Microchip Technology inc., “Microchip MiWi P2P Wireless Protocol,” 2010.  Microchip Technology inc., “Microchip Wireless (MiWi) Application Programming Interface - MiApp,” 2009.  Microchip Technology, “Microchip Wireless (MiWiTM) Media Access Controller – MiMAC,” 2009.  P. Kuryloski, A. Giani, R. Giannantonio, K. Gilani, R. Gravina, V. Sepp, P. Yan, A. Y. Yang, J. Hyttinen, S. Sastry, S. Wicker, and R. Bajcsy, “DexterNet : An Open Platform for Heterogeneous Body Sensor Networks and Its Applications ∗,” in BSN ’09 Proceedings of the 2009 Sixth International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks, 2009, pp. 92–97.
  66. 66. Referencias  IEEE Computer Society, IEEE Standard for Telecommunications and information Local and metropolitan area networks — Specific requirements Part 15 . 4 : Wireless Medium Access Control ( MAC ) and Physical Layer ( PHY ) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks, IEEE Std 802.15.4™2006(Revision of IEEE Std 802.15.4-2003), September 2006  Teco: Smart ITS University of Karlsruhe Particle Computer.” *Online]. Available: http://particle.teco.edu/. [Accessed: 04-Feb-2013].

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