UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
“Desarrollo de un sistema de monitoreo remoto de signos vitales:
pulso, temperatura y saturación de oxígeno para pacientes con tratamiento domiciliario empleando cloud computing”
AUTOR: Br. Bejarano Reyes, Mauricio Alonso ASESOR: Mg. Manzano Ramos, Edgar André
TRUJILLO – PERÚ
2022
TESIS
PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECATRÓNICO
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. i
Para mis padres, Hugo Bejarano Torres y Rocío del Carmen Reyes Agreda, mis hermanos y mis tías por el apoyo en este camino
ii AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primer lugar a mí familia por el apoyo incondicional que me han brindado y la confianza.
A mi asesor de Tesis, por sus enseñanzas, su tiempo, su confianza y por su asesoramiento.
Mauricio Alonso Bejarano Reyes
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. iii
RESUMEN
Mauricio Alonso Bejarano Reyes; Edgar André Manzano Ramos. Desarrollo de un sistema de monitoreo remoto de signos vitales: pulso, temperatura y saturación de oxígeno para pacientes con tratamiento domiciliario empleando cloud computing.
Trujillo, 2022, 234 páginas. Tesis para optar el título de Ingeniero Mecatrónico, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Trujillo.
La presente investigación tiene como objetivo desarrollar un sistema de monitoreo remoto que mide signos vitales: pulso, temperatura y saturación de oxígeno en pacientes con tratamiento domiciliario utilizando los modelos de cloud computing y cliente-servidor, identificándose como un proyecto de ingeniería. Para ello se inició aplicando una encuesta a personal sanitario. Posteriormente, la selección de componentes se realizó en función a la elaboración de cuadros comparativos y matrices de compatibilidad de los sensores, las tarjetas para la adquisición y transmisión de datos y las interfaces de comunicación, así como las plataformas que emplean el modelo de cloud computing, la interfaz de programación API REST y sus respectivos protocolos de comunicación. Así mismo, se seleccionó la mejor combinación compatible de los conceptos de solución para el sistema, siguiendo los lineamientos de la metodología de diseño en función a la Norma VDI2206.
Para el diseño se utilizaron los softwares Eagle y SolidWorks para el circuito impreso y las piezas de soportes de los sensores y contenedor respectivamente. Se realizó su implementación utilizando el método de serigrafía y manufactura aditiva con PLA. Para la programación, se implementaron librerías para Arduino y Python, como las desarrolladas por SparkFun y Adafruit, para los sensores de pulso y saturación de oxígeno, y temperatura respectivamente. Así como, las librerías Request, time y PySerial en la programación de la tarjeta de transmisión de datos, realizando ensayos con diferentes configuraciones para el sistema e implementando la plataforma ThingSpeak.
Finalmente, se realizó la validación, empleando pruebas estadisticas y un muestreo de datos de acuerdo al juicio de expertos y a los antecedentes de la investigación.
Palabras Claves: Sistema de monitoreo, pulso, temperatura, saturación de oxígeno, Cloud Computing, API REST.
iv ABSTRACT
Mauricio Alonso Bejarano Reyes; Edgar André Manzano Ramos. Development of a remote monitoring system of vital signs: pulse, temperature and oxygen saturation for patients with home treatment using cloud computing. Trujillo, 2022, 234 pages.
Thesis to opt for the title of Mechatronics Engineer, Faculty of Engineering, National University of Trujillo.
The objective of this research is to develop a remote monitoring system that measures vital signs: pulse, temperature and oxygen saturation in patients with home treatment using cloud computing and client-server models, identifying itself as an engineering project. For it, a survey was applied to health personnel. Then, the selection of components was made based on the preparation of comparative tables and compatibility arrays for the sensors, the cards for the acquisition and transmission of data and the communication interfaces, as well as the platforms that use the cloud computing model, the API REST programming interface and their respective communication protocols.
Likewise, the best compatible combination of the solution concepts for the system was selected following the guidelines of the design methodology according to standard VDI- 2206.
For the design, Eagle and SolidWorks software were used for the circuit board and the support pieces for the sensors and container, respectively. Its implementation was carried out using the serigraphy method and additive manufacturing with PLA. For programming, libraries for Arduino and Python were implemented, such as those developed by SparkFun and Adafruit, for pulse and oxygen saturation sensors, and temperature, respectively. As well as the Request, time and PySerial libraries in the programming of the data transmission board, carrying out tests with different configurations for the system and implementing the ThingSpeak platform.
Finally, the validation was carried out, using statistical tests and a demonstration of data according to the judgment of experts and the background of the investigation.
Keywords: Monitoring system, pulse, temperature, oxygen saturation, Cloud Computing, API REST.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. v
Índice
1 CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN ...1
1.1 SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ... 1
1.1.1 Realidad problemática ... 1
1.1.2 Enunciado del problema ... 2
1.2 JUSTIFICACIÓN ... 3
1.2.1 Relevancia tecnológica ... 3
1.2.2 Relevancia Institucional ... 3
1.2.3 Relevancia económica ... 3
1.3 OBJETIVOS ... 4
1.3.1 Objetivo general ... 4
1.3.2 Objetivos específicos... 4
1.4 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ... 4
1.4.1 Marco teórico ... 4
1.4.2 Antecedentes ... 17
2 CAPÍTULO II: MATERIALES Y MÉTODOS ...22
2.1 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ... 22
2.1.1 Tipo de investigación ... 22
2.2 CONTROL DE CALIDAD ... 22
2.3 CONSIDERACIONES ÉTICAS ... 22
2.4 METODOLOGÍA ... 22
2.4.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 24
2.4.2 DISEÑO CONCEPTUAL ... 24
2.4.3 DISEÑO ESPECIFICO ... 54
2.4.4 DETERMINACIÓN DE LOS VALORES NORMALES DE LOS SIGNOS VITALES DEL PACIENTE ... 60
2.4.5 VALIDACIÓN DEL SISTEMA ... 60
vi
3 CAPÍTULO III: RESULTADOS ...62
3.1 ENCUESTA A PERSONAL SANITARIO ... 62
3.2 LISTA DE REQUERIMIENTOS ... 65
3.3 EVALUACIÓN DE LOS CONCEPTOS DE SOLUCIÓN ... 67
3.4 MODELAMIENTO DEL SISTEMA ... 68
3.4.1 Ensayos de configuración de hardware y software ... 68
3.4.2 Estudio de confiabilidad del sistema ... 85
3.4.3 Arquitectura del sistema ... 89
3.5 DISEÑO ESPECIFICO ... 91
3.5.1 Diseño de la tarjeta de control, procesamiento y transmisión de datos 91 3.5.2 Diseño físico del sistema ... 97
3.6 IMPLEMENTACIÓN DEL CONCEPTO DE SOLUCIÓN ... 101
3.6.1 Implementación de la PCB ... 101
3.6.2 Implementación de los soportes y contenedor ... 103
3.6.3 Programación del sistema... 107
3.7 DETERMINACIÓN DE LOS VALORES NORMALES DE LOS SIGNOS VITALES DEL PACIENTE ... 112
3.8 DETERMINACIÓN DE LOS SIGNOS VITALES CON EL SISTEMA DESARROLLADO ... 113
3.9 VALIDACIÓN DEL SISTEMA ... 113
3.9.1 Verificación de la correcta obtención de datos en comparación con dispositivos comerciales. ... 113
3.9.2 Análisis del tiempo de retardo del monitoreo remoto de signos vitales. 118 3.10 PRESUPUESTO ... 119
4 CAPÍTULO IV: DISCUSIONES ...120
4.1 ENCUESTA A PERSONAL SANITARIO ... 120
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. vii
4.2 LISTA DE REQUERIMIENTOS ... 121
4.3 EVALUACIÓN DE LOS CONCEPTOS DE SOLUCIÓN ... 124
4.4 MODELAMIENTO DEL SISTEMA ... 125
4.4.1 Ensayos de configuración de hardware y software ... 125
4.4.2 Estudio de confiabilidad del sistema ... 130
4.5 DISEÑO ESPECIFICO ... 132
4.5.1 Diseño de la tarjeta de control, procesamiento y transmisión de datos 132 4.5.2 Diseño físico del sistema ... 133
4.6 IMPLEMENTACIÓN DEL CONCEPTO DE SOLUCIÓN ... 133
4.6.1 Implementación de la PCB ... 133
4.6.2 Implementación de los soportes y contenedor ... 133
4.6.3 Programación del sistema... 135
4.7 DETERMINACIÓN DE LOS VALORES NORMALES DE LOS SIGNOS VITALES DEL PACIENTE ... 137
4.8 DETERMINACIÓN DE LOS SIGNOS VITALES CON EL SISTEMA DESARROLLADO ... 137
4.9 VALIDACIÓN DEL SISTEMA ... 137
4.9.1 Verificación de la correcta obtención de datos en comparación con dispositivos comerciales. ... 137
4.9.2 Análisis del tiempo de retardo del monitoreo remoto de signos vitales. 138 4.10 PRESUPUESTO ... 139
5 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...140
5.1 CONCLUSIONES ... 140
5.2 RECOMENDACIONES ... 141
6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...143
7 ANEXOS ...148
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Nueve puntos empleados generalmente para valorar el pulso. Fuente:
(Dugas, 2000) ... 6 Figura 2: Componentes de un sensor biomédico. Fuente: Gutiérrez (2019) ... 9 Figura 3: Formato básico de un paquete UART. Fuente: Gutiérrez (2019) ... 11 Figura 4: Maestro y esclavo de comunicación Bus SPI. Fuente: Gutiérrez (2019) ... 11 Figura 5: Comunicación I2C. Fuente: Gutiérrez (2019) ... 11 Figura 6: Clasificación de las redes inalámbricas en función a su cobertura. Fuente:
(Salazar, 2016) ... 12 Figura 7. Diagrama de flujo de la metodología. Fuente: Elaboración propia ... 23 Figura 8: Representación de la función general del sistema. Fuente: Elaboración propia ... 25
Figura 9: Leyenda de: Función general, Estructura de funciones básicas y Estructura de funciones. Fuente: Elaboración Propia ... 25
Figura 10: Estructura de funciones básica del sistema. Fuente: Elaboración Propia ... 25 Figura 11: Estructura de funciones del sistema de monitoreo remoto. Fuente:
Elaboración Propia ... 27 Figura 12: Leyenda de combinaciones compatibles. Fuente: Elaboración Propia 46 Figura 13: Bosquejo de la combinación compatible 1. Fuente: Elaboración Propia ... 47 Figura 14: Diagrama de bloques de la combinación compatible 1. Fuente:
Elaboración Propia ... 47 Figura 15: Bosquejo de la combinación compatible 2. Fuente: Elaboración Propia ... 48 Figura 16: Diagrama de bloques de la combinación compatible 2. Fuente:
Elaboración Propia ... 48 Figura 17: Bosquejo de la combinación compatible 3. Fuente: Elaboración Propia ... 49 Figura 18: Diagrama de bloques de la combinación compatible 3. Fuente:
Elaboración Propia ... 49
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. ix Figura 19. Diagrama de la metodología para el modelamiento del sistema. Fuente:
Elaboración propia ... 52 Figura 20. Diagrama de la metodología para el diseño del esquemático y circuito impreso del sistema de monitoreo remoto. Fuente: Elaboración propia. ... 54
Figura 21. Diagrama de la metodología para el diseño de las librerías necesarias para el diseño del circuito impreso. Fuente: Elaboración propia ... 55
Figura 22. Diagrama de la metodología para el diseño físico del sistema. Fuente:
Elaboración propia. ... 57 Figura 23. Diagrama de la metodología para la implementación de la PCB utilizando el método de serigrafia. Fuente: Elaboración propia. ... 58
Figura 24. Diagrama de la metodología empleada para la programación del sistema.
Fuente: Elaboración propia ... 60 Figura 25. Gráfico circular de las respuestas a la primera pregunta de la encuesta del Anexo 32. Fuente: Google Forms. ... 62
Figura 26. Gráfico de barras de las preferencias de las características de operación del sistema. Fuente: Google Forms ... 63
Figura 27. Gráfico de barras de las características de operación del sistema. Fuente:
Google Forms. ... 63 Figura 28. Gráfico de barras de las zonas ideales para medir el pulso. Fuente:
Google Forms. ... 63 Figura 29.Gráfico de barras de las zonas ideales para medir la saturación de oxígeno en la sangre. Fuente: Google Forms. ... 64
Figura 30. Gráfico de barras de las zonas ideales para medir la temperatura corporal con sensores por contacto. Fuente: Google Forms. ... 64
Figura 31. Gráfico de barras de las zonas ideales para medir la temperatura corporal con sensores sin contacto. Fuente: Google Forms. ... 64
Figura 32. Gráfico de barras de los materiales para los soportes y contenedor del sistema. Fuente: Google Forms. ... 65
Figura 33. Diagrama de conexiones de los pines del módulo GY-906. Fuente:
Elaboración Propia ... 68 Figura 34: Diagrama de conexiones del Arduino Mega 2560. Fuente: Elaboración Propia ... 68
x Figura 35: Código para la obtención de datos del sensor MLX90614. Fuente:
Elaboración Propia ... 69 Figura 36. Obtención de la dirección I2C del módulo sensor de temperatura. Fuente:
Elaboración Propia ... 69 Figura 37. Obtención de la dirección I2C del módulo LCD a I2C. Fuente:
Elaboración Propia ... 70 Figura 38. Código para la obtención de datos del sensor MLX90614 con LCD I2C.
Fuente: Elaboración Propia ... 70 Figura 39. Obtención de datos de temperatura corporal del sensor MLX90614.
Fuente: Elaboración Propia ... 71 Figura 40. Obtención de datos de temperatura corporal del sensor MLX90614 implementando una LCD I2C. Fuente: Elaboración Propia ... 71
Figura 41. Diagrama de conexiones de los pines del módulo GY-906. Fuente:
Elaboración Propia ... 72 Figura 42. Diagrama de conexiones del Arduino Mega 2560. Fuente: Elaboración Propia ... 72
Figura 43. Obtención de la dirección I2C del sensor MAX30102. Fuente:
Elaboración Propia ... 73 Figura 44. Obtención de datos de pulso cardíaco del sensor MAX30102. Fuente:
Elaboración Propia ... 73 Figura 45. Datos del pulso cardíaco obtenidos del sensor MAX30102 mostrados por el monitor serie de Arduino IDE. Fuente: Elaboración Propia ... 74
Figura 46. Obtención de datos de pulso cardíaco del sensor MAX30102 implementando una LCD I2C. Fuente: Elaboración Propia ... 74
Figura 47. Obtención de datos de saturación de oxígeno en la sangre del sensor MAX30102 a través del Arduino IDE. Fuente: Elaboración Propia ... 75
Figura 48. Obtención de datos de saturación de oxígeno en la sangre del sensor MAX30102 implementando una LCD I2C. Fuente: Elaboración Propia ... 75
Figura 49. Placa Arduino Mega-Embebido reconocida por el puerto COM7. Fuente:
Elaboración Propia ... 76 Figura 50. Canal de prueba en la plataforma ThingSpeak. Fuente: Elaboración Propia ... 77
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. xi Figura 51. Ventana de configuración para solicitudes a la API de la plataforma ThingSpeak. Fuente: Elaboración propia ... 78
Figura 52. Representación gráfica creada a partir de la tabla “Pacientes” de la base de datos. Fuente: Elaboración propia ... 80
Figura 53. Ventana de comandos en ejecución de la API REST en el servidor de pruebas de FLASK. Fuente: Elaboración propia ... 81
Figura 54. Peticiones GET para cerciorar la actualización en la base de datos utilizando POSTMAN. Fuente: Elaboración propia... 81
Figura 55. Ejecución de NGROK otorgando la dirección publica para el servidor.
Fuente: Elaboración propia ... 82 Figura 56. Ejecución del API REST con Ngrok. Fuente: Elaboración propia ... 82 Figura 57. Petición GET para cerciorar la actualización en la base de datos utilizando la app REST Api Client. Fuente: Elaboración propia ... 83
Figura 58. Ejecución de la API REST en el servidor. Fuente: Elaboración propia ... 84 Figura 59. Ejecución del código cliente para la tarjeta principal del sistema de monitoreo. Fuente: Elaboración propia ... 84
Figura 60. Empleo de POSTMAN como cliente para pruebas de comunicación.
Fuente: Elaboración propia ... 85 Figura 61. Diagrama del consumo de potencia del sistema. Fuente: Elaboración Propia. ... 88
Figura 62. Diagrama de la arquitectura del sistema. Fuente: Elaboración propia. 90 Figura 63. Esquemas del encapsulado y símbolo del dispositivo Arduino Mega- Embebido. Fuente: Elaboración Propia ... 91 Figura 64. Conexiones entre el símbolo y el encapsulado de la librería para el Arduino Mega-Embebido. Fuente: Elaboración Propia ... 92
Figura 65. Esquemas del encapsulado y símbolo del dispositivo Raspberry Pi Zero W. Fuente: Elaboración Propia ... 92
Figura 66. Conexiones entre el símbolo y el encapsulado de la librería para el RaspberryPi Zero W. Fuente: Elaboración Propia ... 93
Figura 67. Esquemas del encapsulado y símbolo del dispositivo Convertidor de nivel. Fuente: Elaboración Propia ... 93
xii Figura 68. Conexiones entre el símbolo y el encapsulado de la librería para el Convertidor de nivel. Fuente: Elaboración Propia ... 94
Figura 69. Esquemas del encapsulado y símbolo del dispositivo Regulador de voltaje. Fuente: Elaboración Propia... 94
Figura 70. Conexiones entre el símbolo y el encapsulado de la librería para el Regulador de voltaje. Fuente: Elaboración Propia ... 94
Figura 71. Cálculo del ancho de pista para una corriente máxima de 0.23A. Fuente:
Elaboración Propia ... 96 Figura 72. Cálculo del ancho de pista para una corriente máxima de 1.35A. Fuente:
Elaboración Propia ... 96 Figura 73. Cálculo del ancho de pista para una corriente máxima de 2.5A. Fuente:
Elaboración Propia ... 97 Figura 74. Vista isométrica de la pieza superior del soporte para el sensor MAX30102. Fuente: Elaboración Propia ... 98
Figura 75. Vista isométrica de la pieza inferior del soporte para el sensor MAX30102. Fuente: Elaboración Propia ... 98
Figura 76. Vista isométrica de la tapa de la pieza inferior del soporte para el sensor MAX30102. Fuente: Elaboración Propia ... 99
Figura 77. Vista isométrica de la pieza superior del soporte para el sensor MLX90614. Fuente: Elaboración Propia... 99
Figura 78. Vista isométrica de la pieza inferior del soporte para el sensor MXL90614. Fuente: Elaboración Propia... 100
Figura 79. Vista isométrica de la pieza superior de la caja. Fuente: Elaboración Propia ... 100
Figura 80. Vista isométrica de la pieza inferior de la caja. Fuente: Elaboración Propia ... 101
Figura 81. Vista isométrica del soporte de la caja. Fuente: Elaboración Propia 101 Figura 82. Diagrama de la placa impreso en papel Couché. Fuente: Elaboración propia ... 102
Figura 83. Sumergido de la placa en ácido férrico. Fuente: Elaboración Propia.102 Figura 84. Circuito impreso en placa de baquelita. Fuente: Elaboración propia 102 Figura 85. Placa terminada con sus componentes modulares conectados. Fuente:
Elaboración propia. ... 103
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. xiii Figura 86. Implementación del soporte del sensor MXL90614. Fuente: Elaboración propia. ... 103
Figura 87. Implementación del soporte del sensor MAX30102 interior. Fuente:
Elaboración propia. ... 104 Figura 88. Implementación del soporte del sensor MAX30102 exterior. Fuente:
Elaboración propia. ... 104 Figura 89. Mapeo del cableado del sensor MAX30102. Fuente: Elaboración propia.
... 105 Figura 90. Mapeo del cableado del sensor MLX90614. Fuente: Elaboración propia.
... 105 Figura 91. Implementación de las conexiones eléctricas internas. Fuente:
Elaboración propia ... 106 Figura 92. Implementación del contenedor. Fuente: Elaboración propia. ... 106 Figura 93. Sistema de monitoreo remoto de signos vitales implementado. Fuente:
Elaboración propia ... 107 Figura 94. configuración de la librería Liquid Crystal I2C master. Fuente:
Elaboración propia ... 107 Figura 95. Configuración del sensor MAX30102. Fuente: Elaboración propia. 108 Figura 96. Variación de los resultados del algoritmo de depuración de la función
“oxi” del Anexo 30 de acuerdo a la posición del sensor sobre el dedo del paciente. Fuente:
Elaboración propia ... 108 Figura 97. Diseño de la interfaz gráfica en la plataforma ThingSpeak. Fuente:
Elaboración propia. ... 112 Figura 98. Grafica comparativa entre los datos de pulso muestreados con el sistema comercial y propio. Fuente: Elaboración propia. ... 115
Figura 99. Gráfica comparativa entre los datos de temperatura corporal muestreados con el dispositivo comercial y propia. Fuente: Elaboración propia. ... 116
Figura 100. Gráfica comparativa entre los datos de saturación de oxígeno muestreados con el dispositivo comercial y propia. Fuente: Elaboración propia. ... 117
xiv
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Tiempo necesario para ocasionar daño celular por ausencia de oxígeno . 8 Tabla 2. Principios de funcionamiento para el sistema de monitoreo remoto. Fuente:
Elaboración Propia. ... 28 Tabla 3. Comparación de los principios de funcionamiento de la función “Regular energía eléctrica”. Fuente: Elaboración Propia ... 30
Tabla 4. Comparación de Sensores de pulso cardíaco. Fuente: Elaboración Propia ... 32 Tabla 5. Comparación de sensores de Temperatura. Fuente: Elaboración Propia 33 Tabla 6. Comparativa de Sensores de saturación de oxígeno. Fuente: Elaboración Propia ... 35
Tabla 7. Comparativa entre Interfaces de Comunicación. Fuente: Gutiérrez (2019) ... 36 Tabla 8. Comparación de los principios de funcionamiento de la función “Recopilar y procesar los signos vitales”. Fuente: Elaboración Propia ... 37
Tabla 9. Comparación de los principios de funcionamiento de la función
“Transmitir datos remotamente”. Fuente: Elaboración propia ... 39 Tabla 10 . Comparación de las plataformas de Cloud Computing. Fuente:
Elaboración Propia ... 41 Tabla 11. Matriz de compatibilidad entre las funciones “Regular energía eléctrica”
y las que poseen entrada de energía regulada según la estructura de funciones. Fuente:
Elaboración Propia ... 42 Tabla 12. Matriz de compatibilidad entre las funciones “Recopilar y procesar los signos vitales” y las que cuantifican los signos vitales acotados para el proyecto. Fuente:
Elaboración Propia ... 43 Tabla 13. Matriz de compatibilidad entre las funciones “Transmitir datos remotamente” y “Recopilar y procesar los signos vitales”. Fuente: Elaboración Propia 43
Tabla 14. Matriz de compatibilidad entre las funciones “Recepcionar información”
y “Transmitir datos remotamente”. Fuente: Elaboración Propia ... 44 Tabla 15. Matriz de compatibilidad entre las funciones “Recepcionar información”
y “Generar información visual”. Fuente: Elaboración propia ... 44 Tabla 16. Matriz morfológica con conceptos de solución para el sistema monitoreo remoto. Fuente: Elaboración propia ... 45
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. xv Tabla 17. Valoración de los criterios considerados para las matrices de selección.
Fuente: Elaboración propia. ... 50 Tabla 18. Carta de comparación por pares para los conceptos de solución. Fuente:
Elaboración Propia. ... 51 Tabla 19. Lista de requerimientos para el sistema de monitoreo remoto. Fuente:
Elaboración Propia ... 65 Tabla 20. Evaluación técnica-económica de los conceptos de solución. Fuente:
Elaboración propia ... 67 Tabla 21. Configuración de los widgets del frontend en la plataforma Thingspeak.
Fuente: Elaboración propia. ... 111 Tabla 22. Prueba de normalidad de los datos muestreados de pulso. ... 113 Tabla 23. Prueba de normalidad de los datos muestreados de temperatura. ... 114 Tabla 24. Prueba de normalidad de los datos muestreados de saturación de oxígeno.
... 114 Tabla 25. Tabla de parámetros obtenidos de la prueba z para medias de dos muestras para el signo vital pulso ... 115
Tabla 26. Tabla de parámetros obtenidos de la prueba z para medias de dos muestras para el signo vital temperatura... 116
Tabla 27. Tabla de parámetros obtenidos de la prueba de Wilconxon para dos muestras emparejadas para el signo vital saturación de oxígeno ... 118
1 1 CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
1.1 SITUACIÓN PROBLEMÁTICA 1.1.1 Realidad problemática
El Internet de las cosas (IoT), es un concepto de interconexión de objetos cotidianos con Internet, el cual se emplea por lo general para optimizar negocios y mejorar el nivel de comodidad en tareas cotidianas. Sin embargo, se puede integrar al mundo de la salud para darle aplicaciones médicas, denominándose Internet of Medical Things (IoMT). Un escenario típico de aplicación del IoMT es el servicio de telemedicina, como una práctica de la atención médica a través de TIC’s, tecnología médica y el personal sanitario que emplean estas herramientas para realizar servicios a pacientes de forma remota.
(Sanmartín, Ávila, Vilora, & Jabba, 2016)
En medicina, es necesaria la monitorización de signos vitales de pacientes para evaluar su estado físico. Existe gran variedad de sistemas que permite la monitorización de signos vitales, de los cuales resaltan los sistemas que aplican las tecnologías de telemedicina, como las plataformas de telemonitorización de constantes vitales. En la Fundación Cardiovascular de Colombia (FCV), niños con cardiopatías congénitas en cuidados intensivos, forman parte de un programa el cual consiste en realizar teleconsultas y telemonitorización con el centro cardiovascular pediátrico del Children’s Hospital of Pittsburgh, en Estados Unidos. Los médicos en Pittsburgh, poseen acceso a expedientes electrónicos, estudios de imagen, telemetría de signos vitales, registros electrocardiográficos, y videovigilancia en tiempo real, para evaluar su evolución. Este programa dio como resultado una significativa reducción en la estancia hospitalaria y la tasa de mortalidad de la Unidad de Cuidados Intensivos Cardiacos, del 2011 con 10.7%
al año 2015 que se registró 3.7%. (Fundación Cardiovascular de Colombia [FCV], 2017) En el Perú, en el año 2016, ESSALUD aprobó un programa de cuidado integral de pacientes con hipertensión arterial. Para el cual implemento un modelo de telemonitoreo.
Para ello, sigue un proceso que inicia con el ingreso de los signos vitales e información biométrica a través de equipos portables especiales, se transfiere la data generada hacia una plataforma con base de datos. En dicha plataforma se lleva a cabo el procesamiento de información con un análisis y pre tamizaje, además de otorgar soporte de seguimiento clínico para la atención por medio de profesionales de la salud. (Seguro social de salud [EsSalud], 2016)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 2 Asimismo, en el Perú, en función a la coyuntura del COVID-19. EsSalud desarrolló un reporte sobre la viabilidad de implementar un sistema de telemedicina utilizando un pulsioxímetro de dedo para ser empleado en pacientes con tratamiento domiciliario con COVID-19, los cuales cataloga como casos leves que presentan factores de riesgo. En este reporte concluyen que el factor primordial para mortalidad en este tipo de pacientes fue llegar al hospital con baja saturación de oxígeno, por lo que se consideran como admitidos tardíamente. Es por ello que el empleado de un pulsioxímetro en este tipo de pacientes serviría como una herramienta para alertar de forma temprana casos de hipoxemia silenciosa.
Hoy en día, el creciente acceso a Tecnologías de la información y comunicaciones (TIC’s) genera más interés para el desarrollo de nuevas iniciativas de Telemedicina, con el fin de aminorar la brecha de acceso de la población (Henríquez-Suarez, 2017). El IoMT puede llegar a permitir que más personas, independientemente de su clase social y ubicación geográfica, accedan a servicios de salud de calidad; ya que un control constante de los signos vitales del paciente, tomando en cuenta que muchas enfermedades poseen síntomas silenciosos, podría conllevar a un diagnóstico temprano de prevención de enfermedades que podrían resultar mortales (Sanmartín, Ávila, Vilora, & Jabba, 2016).
Es así que se evidencia la viabilidad del modelo de Cloud Computing el cual propicia la monitorización remota a través del uso del modelo cliente-servidor.
Los sistemas de monitorización de signos vitales son mayormente aplicados en ambientes hospitalarios; sin embargo, por lo anteriormente expuesto existen enfermedades que podrían resultar mortales si no son tratadas a tiempo con síntomas que solo personal calificado podría detectar de forma oportuna. De modo que el desarrollo de un sistema de monitoreo remoto empleando Cloud Computing de signos para pacientes con tratamientos domiciliarios, representa un paso significativo en la operación de los sistemas de salud.
1.1.2 Enunciado del problema
Falta de un sistema de monitoreo remoto de signos vitales: pulso, temperatura y saturación de oxígeno para pacientes con tratamiento domiciliario empleando cloud computing.
3 1.2 JUSTIFICACIÓN
Esta investigación es necesaria para el sistema de atención sanitaria del Perú debido a que el desarrollo adecuado de un sistema de monitoreo remoto o telemonitoreo de signos vitales de pacientes con tratamiento domiciliario favorecería en gran medida a mejorar la calidad de servicio prestado por el personal sanitario al automatizar las tareas de rutina.
La investigación es conveniente para pacientes con tratamientos domiciliarios porque supone una medida de prevención, y para el personal sanitario puesto que supone una herramienta versátil para el diagnóstico y observación de sus pacientes; pudiendo reducir significativamente la saturación en los servicios de hospitalización o estancia hospitalaria y la tasa de mortalidad general por falta de una atención oportuna.
1.2.1 Relevancia tecnológica
Los beneficios del uso de tecnologías de software y hardware con aplicaciones de los conceptos del Internet de las cosas en el sistema de atención sanitaria del Perú, como una aplicación de telemedicina, son cada vez más evidentes. Siendo el avance de estas tecnologías en el mundo cada vez más notorio en el surgimiento de nuevos dispositivos y softwares que posibilitan una mejor integración en sistemas cada vez más portátiles y menos complejos. Debido a esto es que, en esta investigación, se pretende desarrollar un sistema de telemonitoreo de signos vitales, empleando la menor cantidad de hardware que permita la implementación de un dispositivo de tamaño reducido con capacidad de emplear el modelo de cliente-servidor, el consumo o implementación de tecnologías tales como API REST y protocolos de comunicación, así como otros softwares que apliquen los conceptos del IoT.
1.2.2 Relevancia Institucional
El desarrollo de esta investigación permitirá que se amplíe el panorama respecto al uso de los sistemas con aplicaciones del IoT, los cuales aún se encuentran en constante crecimiento y que son motivo de estudio como aplicación en distintas líneas de investigación de la carrera de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Nacional de Trujillo.
1.2.3 Relevancia económica
Los buenos resultados que ofrecen investigaciones similares pueden dar inicio a una expansión de estos en el sistema de atención sanitaria del Perú, el cual se conforma por
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 4 las entidades públicas y privadas del sector salud del Perú, debido a que pueden reducir los costos que implican las visitas domiciliarias y las estancias hospitalarias.
1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo general
Desarrollar un sistema de monitoreo remoto de signos vitales: pulso, temperatura y saturación de oxígeno para pacientes con tratamiento domiciliario empleando cloud computing.
1.3.2 Objetivos específicos
- Aplicar una encuesta a personal especializado y definir los requerimientos específicos del sistema.
- Desarrollar el diseño conceptual del sistema.
- Modelar la configuración del sistema.
- Desarrollar el diseño de detalle del sistema - Implementar y validar el sistema.
1.4 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 1.4.1 Marco teórico
1.4.1.1 Signos vitales
Los signos vitales o también denominados cardinales, son mediciones que permiten percibir cual es el funcionamiento fisiológico de cierto individuo. Estos se reconocen por lo general como: pulso, temperatura y respiraciones.
En la evaluación de los signos cardinales es importante discernir el ritmo circadiano es distinto entre cada individuo de acuerdo a sus acontecimientos diarios, como cuando experimenta emociones intensas. (Dugas, 2000) De acuerdo a lo anteriormente mencionado, se evidencian cambios de los signos vitales de un mismo paciente según la hora del día.
A pesar de que las lecturas de los signos vitales difieren entre distintos individuos y en a distintas horas (Dugas, 2000), existen márgenes normales de cada individuo de acuerdo a cada signo vital. Por ello, debido a la naturaleza variable de los signos vitales entre individuos y uno mismo, es importante establecer datos básicos de cada paciente tan pronto ingrese a una institución de salud a manera de historia clínica. Para ello se deben
5 tomar una serie de lecturas sistemáticas y constantes, que ayudaran a determinar los valores normales de un individuo particular e identificar anormalidades y captar tendencias en las etapas iniciales. (Dugas, 2000)
1.4.1.1.1 Temperatura
Existe una diferencia significativa entre la temperatura de la superficie del cuerpo y la interna, debido que la temperatura externa varía de acuerdo al ambiente, mas la interna se regula y conserva de forma precisa. En condiciones normales, la temperatura interna, no baja ni se eleva más de un grado respecto al promedio de cierto individuo; por lo que, variaciones mayores frecuentemente indican mal funcionamiento del sistema de regulación de la temperatura corporal. (Dugas, 2000)
Existen distintos procedimientos para medir la temperatura del cuerpo, como el empleo de termómetros ya sean clínico estándar o electrónicos, los cuales pueden ser empleados en zonas como el zona bucal, axilar y rectal. Además, termómetros infrarrojos, que utilizan métodos tales como el de membrana timpánica. (Dugas, 2000)
Existen diversos factores que afectan el ritmo circadiano y por ende la temperatura de un individuo, como signo vital. Se considera que en la mayoría de los adultos la variación normal de la temperatura corporal es entre 36.2°C y 38°C cuando se mide en la boca. La temperatura rectal es 0.6°C más alta y la axilar 0.6°C más baja con respecto a los datos antes mencionados. Por otro lado, la temperatura medida mediante el método de infrarrojos posee una precisión dependiendo del fabricante de entre ±0.2°𝐶 a ±0.5°𝐶.
(MB Metrología, 2020)
Como ya se mencionó anteriormente, existen procedimientos para medir la temperatura, siendo uno de ellos y el más común, el de termómetro clínico. Este consta de un tubo largo fabricado en vidrio, el cual se calibra en grados Fahrenheit o Celsius. Dicho tubo está conformado por una columna de mercurio la cual se expande como reacción al calor.
La escala de este suele empezar desde 34°C hasta 42°C, los datos fuera de esta escala son considerados innecesarios ya que pocas veces se evidencian temperaturas inferiores o superiores a estas. (Dugas, 2000)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 6 1.4.1.1.2 Pulso
Se denomina pulso a la onda de sangre, que se percibe al contraer el ventrículo izquierdo del corazón y pasar la sangre por las arterias del cuerpo. Al evaluar el pulso se tiene en consideración: la frecuencia, ritmo, tamaño o volumen y la tensión (Dugas, 2000). La frecuencia es la cantidad de latidos por minuto (LPM). El ritmo hace referencia al patrón de latidos, es decir el tiempo entre cada latido. La amplitud de la onda de pulso, determina el volumen de sangre impulsada. Finalmente, la tensión o elasticidad es el grado de compresión de la pared arterial. El pulso se valora por palpitación y existen muchos lugares del cuerpo en los que se puede observar, como se muestra en la Figura 1. (Dugas, 2000)
Figura 1: Nueve puntos empleados generalmente para valorar el pulso. Fuente:
(Dugas, 2000)
Como se mencionó anteriormente, el pulso se mide a través de la palpitación la cual se produce en diferentes zonas o áreas del cuerpo en las que existan arterias. A partir de la Figura 1, se pueden distinguir zonas del cuerpo en las que se pueden efectuar mediciones de pulso, los cuales se describen a continuación.
• Pulso temporal: Se ubica en la zona de la cabeza cerca de las orejas, debajo de la sien.
• Pulso carotídeo: Encontrado al lado de la tráquea, en el cuello.
• Pulso braquial o humeral: Encontrado en el área en donde se inserta el tendón con los bíceps de cada brazo.
• Pulso radial: Se halla en el área de la muñeca más próxima al pulgar.
• Pulso poplíteo: Se halla al reflexionar una pierna, midiendo en la fosa poplítea.
7
• Pulso pedial: Se encuentra entre tendones del segundo y primer dedo, en la zona del empeine del pie.
A parte de las áreas antes mencionadas, existen otras zonas del cuerpo que propician el acceso vascular a arterias periféricas, pudiendo medir el pulso a pesar de no estar cerca de una arteria principal, los cuales se describen a continuación. (González, 2019)
• Dedo: Es un área periférica del cuerpo translúcida y accesible.
• Oreja. De forma similar al dedo es una zona del cuerpo con una gran cantidad de pequeñas arterias.
• Frente. Se considera un buen lugar para realizar mediciones debido a que se trata de una superficie plana con pocos tejidos que distancien las arterias al sensor que se esté empleando.
• Zona sobre la ceja. Esta área concentra gran número de arterias en una superficie relativamente plana, de forma similar a la frente.
Un dato a tomar en consideración para la investigación es que el pulso suele ser más lento en varones que en mujeres. (Dugas, 2000) A su vez, en la mayoría de adultos suele considerase normal una frecuencia entre 60 y 80 LPM. Si está muy acelerado con respecto al rango antes mencionado, el trastorno se denomina taquicardia. Además, un pulso muy lento evidencia un trastorno llamado bradicardia. (Dugas, 2000)
1.4.1.1.3 Saturación de oxígeno en la sangre
Es posible distinguir la respiración en dos: la interna y la externa, que hacen referencia a el intercambio en los pulmones y tejidos de oxígeno y dióxido de carbono. Asimismo, la saturación de oxígeno es considerada como un quinto o sexto signo vital, siendo importante ya que denota un método no invasivo de prevención y sin una intervención directa de personal sanitario; por tanto, se puede considerar primordial para diagnosticar complicaciones respiratorias.
En la respiración interna, el dióxido de carbono y oxígeno son transportados por la sangre de dos diferentes formas. El oxígeno no es tan soluble en agua, ya que tan solo el 1,5%
del O2 inspirado se llega a disolver en el plasma, que posee como compone principal el agua; asimismo el 98,5% restante de O2 se une a la hemoglobina. El oxígeno y la hemoglobina al combinarse en una reacción que es fácil de revertir forman la oxihemoglobina (HbO2). Por otro lado, el dióxido de carbono puede transportarse en la sangre de tres formas, cerca del 7% es soluble en el plasma de la sangre, el 23% es
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 8 combinado con grupos amino de aminoácidos y proteínas de la sangre para así generar compuestos carbomínicos (Hb-CO2); además el 70% que resta se transporta en el plasma como iones de bicarbonato (HCO3-).
El parámetro que es utilizado para expresar cuanta hemoglobina oxigenada (HbO2) con respecto a la hemoglobina (HbO2+Hb) total que existe en el organismo de un ser humano es la saturación de oxígeno en sangre (SaO2). (Chan & Chan, 2013) Es así que este parámetro muestra la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. El cual al ser medido por oxímetro de pulso se denomina (SpO2).
Por otro lado, existen afecciones con respecto este signo vital. Una de ellas es la hipoxia, la cual viene a ser un estado de deficiencia en la oxigenación de la sangre, células y tejidos del organismo que se da cuando la demanda de oxígeno se eleva con respecto a la cantidad de oxígeno disponible. (Tortora & Derrickson, 2013) Algunos síntomas que puede evidenciar que existe una hipoxia son: fuertes dolores de cabeza, náuseas, hiperventilación y fatiga.
El tiempo que demora en provocarse problemas a nivel celular del organismo por causa de la pérdida de oxígeno indica la importancia del proceso de oxigenación en el organismo. (Nunn, 2013) En la Tabla 1 se muestra este tiempo para distintas partes del cuerpo.
Tabla 1
Tiempo necesario para ocasionar daño celular por ausencia de oxígeno
Órgano Tiempo
Corazón 5 min.
Riñón /Hígado 10 min.
Músculo esquelético 120 min.
La saturación de oxígeno en la sangre puede ser medida en una zona donde sea localizado que puede ser medido el pulso. Los valores saturación de oxígeno en sangre que se obtienen para una persona sana se encuentran entre el 95% y el 100%, según la investigación de González (2019).
9 1.4.1.2 Sensores Biomédicos
Las enfermeras, en su ambiente laboral, emplean técnicas de observación y validación en pacientes. El termino observación se usa para indicar que se obtienen datos del paciente utilizando los sentidos, tales como: la vista, el oído, el olfato y el tacto (Dugas, 2000).
Los sentidos de la enfermera aumentan con el empleo de instrumentos específicos desarrollados para obtener datos de los diversos procesos del cuerpo humano (Dugas, 2000). Las anotaciones de la enfermera se determinan por datos objetivos, es decir lo que percibe a través de sus sentidos y/o mediante instrumentación, y datos subjetivos, los cual el paciente percibe de él mismo. Al hablar de validación se hace referencia a la comprobación de los datos objetivos que obtiene la enfermera con los datos subjetivos que proporciona el paciente.
Los sensores biomédicos, son empleados mayormente para medir variedad de variables fisiológicas, en ámbitos como la medicina e investigación científica. A dichos sensores se les denomina también, transductores biomédicos. Un transductor es un dispositivo el cual convierte un tipo de energía en otra, siendo los sensores quienes convierten parámetros físicos en salidas eléctricas.
Este tipo de sensores generalmente se categorizan como físicos, eléctricos y químicos en función de su aplicación. Poseen dos componentes importantes que son un elemento de reconocimiento biológico y una estructura de soporte que actúa también como transductor, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Componentes de un sensor biomédico. Fuente: Gutiérrez (2019) Los sensores biomédicos pueden clasificarse a su vez según la manera de como toman las señales del ser humano, siendo no invasivos, mínimamente invasivos e invasivos tal como se resalta en la investigación de Meneses (2013). En dicho contexto el termino invasivo hace referencia a la cantidad de contacto que hace el dispositivo con el ser humano, sea interno o externo.
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 10 1.4.1.2.1 Procesamiento de señales biomédicas
Las señales biomédicas pueden ser voltajes muy pequeños, o elevados, pueden ser señales que no son eléctricas, como presión o temperatura. Por ello, el procesador puede realizar una serie de manipulaciones que sean requeridas para facilitar su inspección, solo cuando la señal ya haya sido leída, tales como reducir o amplificar la amplitud, contraer o expandir la base de tiempo, e inclusive el uso de ciertos filtros para restringir algunos rangos de señal.
El desarrollo de sistemas que implican la implementación de sensores biomédicos varía de acuerdo a los procesos de selección de los sensores idóneos, ya sea por parámetros de costos, objetivos de estudio o características técnicas. Ciertos sistemas desarrollados simplifican el proceso de acondicionamiento de la señal trabajando con módulos de sensores, sensores comerciales listos para su utilización, soluciones OEM y similares, como se menciona en Meneses (2013).
Por tal motivo, cuando se implementan a estos sistemas sensores-transductores comerciales o módulos, se asume por integrado en el módulo el acondicionamiento de la señal. No obstante, en ciertos casos se puede tomar como un aspecto importante, dentro del desarrollo de la investigación de acuerdo a las propuestas o variantes de sensores biomédicos en función a los requerimientos del sistema, es por ello que se deben tener en cuenta ciertos procesos o técnicas para el acondicionamiento de señales.
1.4.1.3 Interfaces de comunicación
Es el medio con el cual se propicia la comunicación entre partes del sistema, para la transmisión de datos, a continuación, se describen algunas de estas interfaces en función a lo desarrollado por Gutiérrez (2019).
• UART. Es uno de los protocolos más empleados, puesto que utiliza una línea de datos para transmitir y otra para recepcionar. Transmite ocho bits, el del inicio de nivel bajo, ocho de datos y uno de nivel alto. Los bits de inicio y el final sirven para indicar que existe una transmisión de alto a bajo antes una transmisión, como se muestra en la Figura 3. Los microcontroladores que utilizan UART requieren fijar la tasa de bits y velocidad de transmisión, ya que poseen una comunicación asíncrona.
11 Figura 3: Formato básico de un paquete UART. Fuente: Gutiérrez (2019)
• Bus SPI. Es un protocolo serie en el cual existe un maestro que envía un bit al esclavo seleccionado y a su vez recibe un bit de este por cada pulso que manda, normalmente en el flanco de subida. Para el reloj se utiliza la denominación SCK, para el maestro MOSI y para el esclavo MISO. Además, puede controlar más de un esclavo empleando la señal de selección de esclavo denominada SS. A continuación, en la Figura 4 se muestra un esquema de lo explicado.
Figura 4: Maestro y esclavo de comunicación Bus SPI. Fuente: Gutiérrez (2019)
• I2C (Inter-Integrated Circuit). Protocolo de comunicación serial síncrono el cual emplea solo dos cables, el primero para el reloj que denominan SCL, y otro para datos que denominan SDA, como se muestra en la Figura 5. El maestro genera la señal del reloj y controla el único cable, por donde ambos envían sus datos. A diferencia del Bus SPI, este empela un direccionamiento de esclavos. El maestro envía en el primer bit una parte de 7 bits de dirección, además de un bit de lectura y escritura, el cual indica si el siguiente bit llegara del maestro o el esclavo. Por cada byte recibido se envía una confirmación con el noveno pulso de reloj.
Figura 5: Comunicación I2C. Fuente: Gutiérrez (2019)
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 12 1.4.1.4 Redes inalámbricas
Son redes que emplean ondas electromagnéticas para interconectar dispositivos, erradicando la necesidad de emplear cables.
1.4.1.4.1 Tipos de redes inalámbricas
Las Redes Inalámbricas pueden ser calificadas de acuerdo a diferentes criterios, siendo el más usual, en función a su cobertura como se esquematiza en la Figura 6. (Beard &
Stallings, 2018)
Figura 6: Clasificación de las redes inalámbricas en función a su cobertura.
Fuente: (Salazar, 2016) 1.4.1.5 Internet de las cosas (IoT)
El Internet de las cosas es un concepto que hace referencia a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet, fue propuesto por Kevin Ashton, en el año 1999, cuando realizaba investigaciones de tecnologías de sensores e identificación por radiofrecuencia en red. (Rose, Eldridge, & Chapin, 2015)
Existen distintas aplicaciones para dispositivos interconectados a internet, entre ellas destacan aplicaciones de monitoreo ambiental, urbano, compra inteligente, interconexión de dispositivos, contabilidad de productos, domótica, computación en la nube, suministro de servicios, telemedicina y automatización.
1.4.1.5.1 Tipos de interacciones en IoT
Ya que el IoT se puede definir como la interconexión de objetos o dispositivos por medio de una red, entonces cualquier objeto se podría conectar e interactuar con otro con o sin intervención humana, es así que se definen tres tipos de conexiones principales entorno
13 al IoT, siendo estas: P2P, M2P y M2M, por sus siglas en ingles. De acuerdo a lo anteriormente descrito y siendo más relevantes para este proyecto las interacciones M2P y M2M, se describen a continuación.
• Máquinas que se comunican con personas (M2P). Este tipo de conexiones tienen lugar cuando se obtiene información, por parte de una persona, de una base de datos o se efectúa un análisis complejo. Dichas acciones generan un ciclo de realimentación de Internet de las Cosas. (Cisco, 2018)
• Máquinas que se comunican con máquinas (M2M). Estas conexiones se llevan a cabo cuando se transfieren datos desde un objeto o maquina a otro por medio de una red. Estos pueden ser o poseer sensores, computadoras, dispositivos móviles y robots. A estas conexiones por lo general se les llama Internet de las cosas.
(Cisco, 2018)
1.4.1.5.2 Modelo informático de Cloud Computing
De acuerdo a el National Institute of Standards and Technology (NIST) se define el Cloud computing como un modelo que propicia el acceso por medio de la red a recursos computacionales modificables tales como: redes, servidores, almacenamiento, aplicaciones y servicios, los cuales suministrar fácilmente con un esfuerzo mínimo de interacción y gestión del proveedor. (Joyanes Aguilar, 2011)
Dentro de la computación en nube existen distintas soluciones tecnológicas, las cuales se describen a continuación de acuerdo a la investigación de Yauri (2018).
• Software como servicio (por sus siglas en ingles SaaS, Software as a Service).
Se denomina así a los servicios basados en la web a los cuales se accede a través de un navegador sin emplear algún software en el dispositivo. Una forma de ejemplificar este tipo de soluciones tecnológicas, de una forma más comercial o cotidiana, es a través de los servicios de correo electrónico tales como Google Docs, DropBox, entre otros. Entre los SaaS más utilizados para el IoT se tienen:
Adafruit.io, Ubidots, ThinkSpeak, Xively y IFI'I'(IF/THEN).
• Plataforma como servicio (por sus siglas en ingles PaaS, Platform as a Service). Este tipo de solución consiste de un entono que contiene componentes o módulos de software previamente configurados para integrarse sobre tecnología específica de desarrollo, ofreciendo a los usuarios una plataforma de desarrollo y
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 14 herramientas de programación para desarrollar, controlando sus propias soluciones, pero no la infraestructura de la plataforma. Como por ejemplo servicios como, Heroku, Microsoft Azixrre Web Sites, Google App engine, Openshift, AWS (Amazon Web Services), entre otros.
• Infraestructura como servicio (por sus siglas en ingles IaaS, Infraestructure as a Service). En este tipo de tecnología posee gestión y control de la infraestructura donde se implementarán las aplicaciones, a diferencia de los PaaS.
Estas soluciones tienen la ventaja de poder gestionar la velocidad de cada servidor, la capacidad de la memoria y el procesador.
1.4.1.5.3 Protocolos de comunicación
Existe gran cantidad de protocolos de comunicación utilizados para la transmisión de información a aplicaciones en Internet los cuales varían de acuerdo a la plataforma que se utilice, a continuación, se describirán algunos de ellos. (Wang, Salim, & Moskovits, 2013)
• REST. Es una arquitectura de desarrollo basada totalmente HTTP para intercambiar datos en cualquier formato. Está basado en las siguientes características fundamentales: protocolo de comunicación sin estado, operaciones definidas (GET, POST, PUT y DELETE), sintaxis URI y uso de recursos HTML y XML.
• Websocket. Es una extensión de la idea de socket TCP/IP. Mientras HTTP se desarrolló para el World Wide Web y ha sido utilizado por los exploradores de Internet, tiene limitaciones, las cuales no ocurren con los Websockets, los cuales realizan una conexión full duplex persistente con el servidor para realizar transferencia de datos y cualquiera de los dos puntos de la conexión puede enviar datos cuando sea necesario.
• MQTT (Message Queue Telemetry Transport). Es un protocolo de conectividad para sistemas de comunicaciones M2M en el IoT y su funcionamiento está basado en mensajes de “suscripción” y “publicación”. Este sigue una topología estrella en la cual el nodo central funciona como broker o servidor de la red. Este broker se encarga de gestionar la red, de recibir, transmitir y recibir mensajes. Las comunicaciones se basan en uso de tópicos, sobre los cuales un cliente puede publicar un mensaje y si otros clientes desean recibirlo,
15 pueden suscribirse a este tópico. Los métodos que define MQTT son: Conexión, desconexión, cancelar, suscribir y publicar.
1.4.1.5.4 Arquitectura cliente-servidor
La arquitectura cliente-servidor, conocida también como arquitectura de dos niveles, los cuales comunican entre ellos directamente (Ingeno, 2018) se define como un modelo informático para el desarrollo de sistemas basados en la distribución de funciones entre dos tipos de niveles independientes y procesos autónomos: Servidor y Cliente (Chandra Yadav, 2009).
1.4.1.5.4.1 Cliente
Un Cliente es cualquier proceso que solicita algún recurso o llama a algún servicio del proceso del servidor (Ingeno, 2018). La red une al cliente y el servidor, generando el medio a por el cual ambos se comunican. Un cliente puede solicitar servicios de diferentes servidores en la red sin considerar su ubicación o sus características físicas del hardware del servidor (Chandra Yadav, 2009).
1.4.1.5.4.2 Servidor
Un servidor puede definirse como un proceso que proporciona servicios que son solicitados por el cliente. Como ya se mencionó anteriormente la red une al cliente y servidor, es así que los procesos de cliente y servidor podrían residir en el mismo hardware o en diferentes unidos por una red. Cuando estos procesos de cliente y servidor residen en dos o más hardware independientes en una red, el servidor puede prestar servicios a más de un cliente. (Chandra Yadav, 2009)
Existen diferentes tipos de servidores en los cuales puede distribuirse la responsabilidad de los procesos, de acuerdo al grado de complejidad de los sistemas a implementar, los cuales se mencionan a continuación.
• Servidor de archivos
• Servidor de impresión
• Servidor de aplicaciones
• Servidor de correo
• Servidor de fax
• Servidor de servicios de directorio
• Servidor web
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 16
• Servidor de base de datos
• Servidor de transacciones
De acuerdo a la línea de investigación de este trabajo que busca la implementación de un sistema de monitoreo remoto se denota la importancia de cierto tipo de servidores como es el servidor web y el de aplicaciones, orientados a la implementación de una interfaz web para el monitoreo y/o el acceso a los datos por medio de una aplicación de parte del servidor, a través de peticiones desde algún tipo de GUI.
• Servidor web
Un servidor web es un programa informático que almacena y recupera datos de Internet, implementando aplicaciones web que proporcionan acceso a los datos a través de conexiones unidireccionales o bidireccionales con el cliente (Chandra Yadav, 2009). El código recibido por el cliente es renderizado por un navegador web. El protocolo más utilizado es HTTP (Protocolo de transferencia de hipertexto) (Chandra Yadav, 2009). Entre los servidores web más utilizados están APACHE y NGINX.
• Servidor de aplicaciones
Este tipo de servidor es el cual gestiona el acceso al software de aplicación centralizado, como puede ser una base de datos compartida a través de una interfaz que propicia la comunicación y un protocolo, procesando la solicitud y devolviendo el resultado del proceso al usuario. (Chandra Yadav, 2009) Estos servidores deben ser capaces de soportar múltiples usuarios y solicitudes concurrentes. Existen servidores de aplicaciones basados en WSGI, que soportan alta carga de trabajo y diferentes lenguajes de programación, tales como Gunicorn, uWSGI o CherryPy.
• Aplicación del lado del servidor
Una aplicación del lado del servidor es un programa diseñado con la finalidad de que un servidor lo procese para realizar acciones de acuerdo a las peticiones de los clientes. Estos programas están escritos con algún lenguaje de programación, entre los que destacan: PHP, ASP, Perl y Python. Para el desarrollo de una aplicación web o del lado del servidor existen como ya se mencionó anteriormente distintos lenguajes de programación y a su vez múltiples frameworks, como son
17 el caso de Django y Flask, por mencionar algunos basados en el lenguaje Python.
Dichos frameworks permiten la implementación de prototipos, capas API’s para aplicaciones y aplicaciones en general. Además, se define a los frameworks como entornos de trabajo que poseen variedad de patrones y tácticas para agilizar el desarrollo de proyectos (Cervantes Maceda, Velasco Elizondo, Castro Careaga, &
Kinney Romero, 2016), y a una API como una interfaz que conecta aplicaciones entre sí, empleando un conjunto de definiciones y protocolos que propician la integración.
1.4.2 Antecedentes
Para la presente investigación se ha realizado un estudio de proyectos previos que están relacionados al tema, obteniendo experiencia con el problema objeto de investigación.
Gutiérrez (2019), realizó la tesis para obtener el título de Ingeniero en Telecomunicaciones en la Universidad Nacional San Agustín de Arequipa, denominada:
“Implementación de un prototipo de una red inalámbrica de sensores biomédicos, para la adquisición y almacenamiento de datos, usando Cloud Computing, para pacientes en casa”, con el objetivo de desarrollar un prototipo de red inalámbrica que utiliza sensores biomédicos para adquirir y almacenar datos de signos vitales, implementando la computación en la nube. El sistema a nivel hardware utiliza una configuración por nodos de microcontroladores y sensores, para adquirir los datos de ritmo cardíaco, nivel de oxígeno en la sangre, inclinación del cuerpo y temperatura corporal. Los datos son enviados empleando un modem inalámbrico para su posterior publicación consumiendo el API de la plataforma ThingSpeak. El autor presenta un diagrama de los sistemas con sus funciones, las características de los elementos empleados y su funcionamiento, así como ciertas consideraciones técnicas, configuración, programación y diferentes aspectos teóricos de los dispositivos utilizados. El principal aporte de esta tesis fue el desarrollo a nivel de software de la API ThingSpeak para la presentación de los parámetros fisiológicos.
Esquicha (2019), realizó la tesis para optar el título profesional de Ingeniero de Sistemas en la Universidad Católica de Santa María, denominada: “Implementación de un prototipo de seguridad física, para monitorear gases, agua, temperatura y humedad en ambientes hospitalarios por medio de Raspberry Pi y Beebotte”. El autor pretende demostrar que se pueden controlar los riesgos que existen en ambientes hospitalarios y
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 18 de los almacenes de archivos clínicos implementando un computador de bajo costo y consumo. Además, mediante el uso de una plataforma IOT Beebotte, el personal asistencial puede monitorear en tiempo real a los pacientes hospitalizados. El principal aporte de esta tesis fue la implementación de un único microcontrolador con capacidad de adquisición, procesamiento y transmisión los datos obtenidos de los sensores, con la integración final de la plataforma en la nube Bebbote, la cual utiliza una intefaz API REST y el protocolo de comunicación MQTT.
Yauri (2018), realizó la tesis para optar el grado académico de Maestro en Ciencias de la Electrónica con Mención en Ingeniería Biomédica en la Universidad Nacional del Callao, denominada: “Implementación de una red inalámbrica de sensores para el monitoreo remoto de variables fisiológicas en pacientes ambulatorios”, donde determina la importancia del uso de tecnologías de comunicación inalámbrica en redes de sensores, para la transmisión de señales fisiológicas y plantea una alternativa de solución de monitoreo de pacientes mediante la implementación de nodos inalámbricos de sensores para la adquisición de señales electrocardiográficas, temperatura y pulso, y su envió a una aplicación web en Internet. El autor pretende demostrar que, en la telemedicina, las redes de sensores pueden facilitar soluciones tecnológicas para acceder al monitoreo de parámetros fisiológicos, permitiendo su visualización remota por el personal médico. Los principales aportes de este trabajo fueron el análisis de las tecnologías de transmisión inalámbrica y los protocolos de comunicación.
García (2019), realizó el trabajo de fin de carrera para optar el título profesional de Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones en la Universitat Oberta de Catalunya (UOC), denominado: “IoT con Raspberry pi”. El autor realiza un estudio de diversas plataformas IoT en el mercado, describiendo así sus principales características. Así mismo, describe el hardware compatible con tecnologías de Internet de las cosas, analizando sus propiedades tales como consumo de energía, tamaño y costo; además, resaltando su ámbito de aplicación, para la emisión y recepción de los datos recogidos por sensores.
Finalmente, describe la implementación de un servidor, con control de datos en su totalidad y sin límite en la cantidad de sensores. El resultado fue la implementación de un caso real, usando una Raspberry pi y una serie de sensores (temperatura, humedad, cámara, etc.), mediante los cuales publica recopila datos y los publica en una plataforma software para el monitoreo remoto por el usuario y por otro lado interactúa con
19 aplicaciones de mensajería instantánea como Whatsapp y Telegram. Los principales aportes de este trabajo de fin de carrera fueron el análisis de las principales plataformas de software y hardware para aplicaciones de los conceptos de IoT.
Reyes (2018), realizó la tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecatrónico en la Universidad Nacional de Trujillo, denominado: “Diseño de sistema de monitoreo de signos vitales de pacientes en emergencias de la Cía. de Bomberos Salvadora Trujillo N° 26”, donde plantea el diseño y construcción de un dispositivo portátil que emplea sensores para medir signos vitales (Frecuencia cardiaca, presión arterial saturación de oxígeno y temperatura corporal). El autor realizó la selección de los sensores y componentes para la adquisición, procesamiento, comunicación inalámbrica y transmisión de las señales emitidas por los sensores. Asimismo, diseñó una APP para la visualización de los signos vitales del paciente. Además, realizó una comparación de la variabilidad en las lecturas de la tarjeta de adquisición de signos vitales desarrollada con dispositivos comerciales, concluyendo que las lecturas obtenidas fueron estadísticamente similares a los dispositivos comerciales que se encuentran en los hospitales de la zona.
Finalmente, el autor recomienda que para trabajos posteriores se considere la implementación de una base de datos o una plataforma web donde el médico o paciente pueda visualizar los signos vitales o ver un registro de su evolución. De acuerdo a lo anteriormente mencionado, el principal aporte de la tesis es el análisis y discusión de resultados del prototipo, el cual evidencia ciertas características a tener en cuenta al momento de la selección de componentes y la aplicación de la prueba t de Student para la validación del sistema.
Meneses (2013) realizó el Trabajo de Investigación para optar el título de Maestría en Ingeniería, en el área de Electrónica, línea de Bioinstrumentación, denominado: “Modelo de plataforma para el desarrollo de redes de sensores portables en monitoreo fisiológico ambulatorio”, donde plantea el diseño y construcción de una plataforma para desarrollo de sensores portátiles en monitorización de señales fisiológicas. El autor tras el análisis de diversas plataformas desarrolladas, realizó la formulación de su propia plataforma a la que denomino EnViBo. Asimismo, los principales aportes para la presente investigación, fueron la implementación de su modelo, realizó el análisis y pruebas de acondicionamiento de señales de sensores biomédicos, configuraciones de seguridad y distribución de su sistema.
