Resumo

Este documento apresenta a implementa��o e desenvolvimento de um prot�tipo multimodal que mede determinadas vari�veis ​​fisiol�gicas humanas, que est� conectado via Internet a um servidor AWS com banco de dados MondoBD. Al�m do desenvolvimento de uma p�gina web e aplicativo m�vel, para uso dos profissionais de sa�de do centro m�dico Semedic, localizado em Guayaquil, onde se administra, registra e visualiza as informa��es do paciente e a medi��o enviada pelo prot�tipo. Desta forma, contribui para a otimiza��o de ferramentas digitais na gest�o m�dica em rela��o � telemedicina, que atualmente vem aumentando seu uso e implementa��o devido � pandemia do COVID-19, pois permite uma conex�o paciente e m�dico remotamente e melhorando seu atendimento.

Introducci�n

El desarrollo de la electr�nica ha tenido un gran avance desde sus primeros descubrimientos, al punto de encontrarse en nuestra vida cotidiana. En la medicina tambi�n ha tenido un gran impacto, encontr�ndose en la detecci�n del ritmo cardiaco, radiograf�as, scanner, incubadoras, medidores autom�ticos de presi�n, entre otros, que ayudan al monitoreo, diagn�stico, tratamiento, o mejorar la calidad de vida [1].� Entre ellos se encuentran los sistemas de monitores de variables fisiol�gicas, en los cuales, mediante el uso de diferentes sensores, llamados bio-sensores, detectan se�ales el�ctricas, qu�micas o biol�gicas producidas por el cuerpo y permiten medir y monitorear diferentes variables, entre las m�s utilizadas est�n: actividad cardiaca, temperatura corporal, frecuencia respiratoria, saturaci�n de ox�genos, tasa de pulso cardiaco, entre otros [2].

En los �ltimos a�os se ha dado un crecimiento en el uso e implementaci�n de la telemedicina, la cual, integra la electr�nica con las tecnolog�as de la comunicaci�n, permitiendo una conexi�n entre los profesionales de la salud y el paciente. Dentro de la telemedicina se tiene la teleconsulta, tele diagn�stico, telecirug�a, entre otros. En el Ecuador se han tenido algunos proyectos de Telemedicina, inici�ndose en 1998 con una telecirug�a, con el proyecto Fundaci�n Cinterantes, y continuando a lo largo de los a�os con diferentes proyectos de telemedicina [3] [4].� Adicionalmente debido a la emergencia mundial por el covid-19, en la actualidad ya es cotidiano escuchar t�rminos de telemedicina o telesalud, relacionados a las consultas, tratamiento, procedimientos, etc. En los cuales el medico puede cuidar la salud del paciente de manera remota mediante una conexi�n online.

Con lo expuesto anteriormente, este trabajo plantea el dise�o e implementaci�n de un prototipo multimodal para medici�n de variables fisiol�gicas en humanos, la cual permita una comunicaci�n inal�mbrica con una p�gina web y aplicaci�n m�vil en la donde el personal m�dico que trabaja en el Centro M�dico �Semedic� podr� visualizar y monitorear las variables obtenidas por el prototipo biom�dico.

Para la implementaci�n del prototipo, se utiliz�; para la medici�n de las variables, sensores comerciales con comunicaci�n I2C, para el m�dulo de comunicaci�n, las tarjetas electr�nicas arduino nano y ESP8266. El servidor se implement� en una m�quina virtual de Amazon Web Services con la base de datos en Mongo DB y se us� la arquitectura cliente servidor para la comunicaci�n. Finalmente, mediante framework Flutter se desarroll� la p�gina web y el aplicativo m�vil.�

Telemedicina

Esta secci�n se da una breve descripci�n sobre la telemedicina. La telemedicina se relaciona con la atenci�n m�dica remota, lo cual significa que el doctor y paciente no tienen contacto f�sico, por lo cual se puede dar una atenci�n y diagn�stico oportuno. Por lo tanto, este sistema se puede aplicar en cualquier especialidad m�dica. Por consiguiente, el uso de la tecnolog�a ha permitido facilitar y solucionar diversos inconvenientes presentados como: la distancia, falta de personal, transporte, entre otros [5].

Red de telemedicina

Para comprender mejor lo que es la telemedicina, en la Figura 1, se muestra la estructura fundamental de la red de telemedicina. Esta red est� compuesta por pacientes, m�dicos, especialistas, perif�ricos de adquisici�n de datos, equipos de comunicaci�n y un medio de transmisi�n. Todos estos componentes interact�an entre s� para lograr una comunicaci�n entre el m�dico y paciente, empleando como nexo el Internet.

Figura 1: Red de telemedicina

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Variables fisiol�gicas

El control de los signos vitales se lo realiza a trav�s de la medici�n de las variables fisiol�gicas mediante el uso de sensores que perciben la se�al anal�gica y la transforma en digital con el uso de un microcontrolador para su visualizaci�n. La monitorizaci�n puede ser de modo invasiva y no invasiva [2]. Para el presente proyecto emplea la medici�n de las variables de manera no invasiva, es decir el sensor no atraviesa ni penetra la piel para la toma de datos.

Las variables fisiol�gicas humanas que se miden en el prototipo son: frecuencia card�aca, frecuencia respiratoria, presi�n arterial, saturaci�n de ox�geno y temperatura corporal.

Sensores fisiol�gicos

Los sensores son dispositivos electr�nicos que miden un cambio en una propiedad f�sica, la almacenan y dan una respuesta de la misma. Las variables f�sicas como longitud, peso, temperatura, presi�n y electricidad pueden ser medidas con ayuda de sensores fisiol�gicos, dichas variables son de gran importancia para la evaluaci�n del estado funcional de los seres humanos [6].�

Los sensores fisiol�gicos utilizados en este proyecto se detallan a continuaci�n:

�         Term�metro infrarrojo temporal MLX90614.

�         Sensor De Frecuencia Cardiaca Oximetro Max30100.

�         M�dulo de ritmo card�aco ECG Ad8232.

�         Tensi�metro de presi�n arterial comercial

Internet de las cosas IdC

El internet de las cosas o internet de los objetos (IdC) es de gran importancia ya que recopila, estudia y reparte datos convirti�ndolos en informaci�n para el IdC. El internet es uno de los inventos m�s revolucionarios en la historia, ya que ha tenido un impacto importante en diferentes �reas como la educaci�n, finanzas, y la forma de vida en general [7].

En el proyecto se consider� la tarjeta electr�nica Arduino nano,� y el m�dulo ESP8266, la primera se emplea para la recolecci�n de datos, y la segunda permite la conectividad al microcontrolador asociado a la red WiFi utilizando el protocolo TCP/IP integrado.

Servidor y base de datos.

Arquitectura cliente/servidor

La arquitectura Cliente/Servidor es un ejemplo de aplicaci�n distribuida, cada asignaci�n es compartida entre proveedores de servicio (servidores) y demandantes (clientes). La aplicaci�n Cliente manda la orden a la aplicaci�n Servidor, y este �ltimo al estar en ejecuci�n, es el encargado de atender dichas peticiones. En la Figura 2,� se puede observar como es una arquitectura cliente/servidor [8].

Figura 2: Arquitectura cliente/servidor

Base de datos

Una base de datos es una cadena estructurada de informaci�n, ordenada en forma de registros y guardada de manera electr�nica, la cual es descifrable por un ordenador. Cada unidad aut�noma es un registro de informaci�n que puede estar formado por diferentes tipos de datos recopilados en esta base de datos [9].

Se emplea MongoBD como sistema de base de datos, en el cual se almacenan los datos en forma documentada y no en tablas, es decir los datos se guardan en documentos tipo JSON.

Dise�o del prototipo

Esquema general del sistema

El sistema planteado est� comprendido por sensores de variables fisiol�gicas, los cuales permiten tener una lectura del paciente por medio del sistema de adquisici�n de datos, el mismo que est� compuesto por tarjetas de desarrollo para complementar la etapa de adquisici�n y tratamiento de datos de las variables medidas. El dispositivo de conectividad a internet permite el intercambio de informaci�n con los diferentes usuarios de la red de telemedicina, el servidor o nube es el encargado de realizar la conexi�n al m�dulo de adquisici�n con la base de datos y las aplicaciones web o m�vil, la base de datos es responsable de guardar variables y generar reportes. Para finalizar, la p�gina web y la aplicaci�n m�vil se presentan como las interfaces para el usuario final, las cuales son las encargadas de mostrar las variables en tiempo real y las variables hist�ricas.

En la Figura 3, se muestra la estructura del prototipo y como est� conectada cada una de las partes que componen el sistema.

Figura 3: Estructura general del prototipo

Esquema del sistema de adquisici�n de datos

En la implementaci�n del m�dulo se us� dos tipos de tarjetas electr�nicas: Arduino Nano y ESP8266, la primera trabaja con los datos recopilados, mientras, la segunda tarjeta tiene como funci�n, enviar todos los datos a un servidor.

Figura 4: Conexi�n del prototipo y distribuci�n de elementos

En la Figura 4, se observa c�mo se env�an los datos a la nube. De las variables medidas en el prototipo, los datos de la presi�n arterial y ox�geno de la sangre son tomados por el arduino nano y luego enviados al m�dulo ESP8266 mediante comunicaci�n I2C, mientras que los valores del ritmo cardiaco y la temperatura corporal se env�an directamente al m�dulo ESP8266.� Posteriormente el m�dulo ESP8266 se conecta a una red Wifi y env�a los datos recopilados al servidor, para poder ser visualizados en la p�gina web y aplicativa m�vil.

Montaje del sistema de adquisici�n de datos

Con el fin de organizar la distribuci�n de los sensores, tarjetas utilizadas y dem�s componentes se realiz� una placa electr�nica, misma que fue desarrollada en el programa ARES de Proteus. En esta placa se encuentra de forma compacta, dos tarjetas de arduino nano, un m�dulo ESP8266, conectores para los sensores de saturaci�n de ox�geno en la sangre, sensor de temperatura, sensor de ritmo card�aco, el monitor de tensi�n arterial, leds indicadores y resistencias de pull-up para la comunicaci�n I2C. Adem�s de un circuito de regulaci�n con dos salidas de 3.3V y 5V, con lo cual se alimentar� los sensores y tarjetas utilizados. En la Figura 5, se muestra la placa dise�a.

Figura 5: Placa electr�nica del m�dulo de telemedicina

A continuaci�n, se dise�� de la carcasa el software Inventor de Autodesk. La misma alberga en su inferior la placa electr�nica y adem�s se tiene un soporte para uno de los sensores. En la Figura 6, se muestra las impresiones 3D de la carcasa.���

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Figura 6: a) Carcasa ensamblada b) soporte para sensor de temperatura

En la Figura 7, se muestra el prototipo con los sensores y dem�s componentes.

Figura 7: M�dulo de telemedicina ensamblado

Configuraci�n del servidor y base de datos

El servidor es una computadora virtual alojada en los servidores de Amazon Web Services, que cumple con caracter�sticas m�nimas de manejo de datos. Esta se conecta con MongoBD, el cual es usado como gestor de datos.

Finalmente, el servidor seleccionado utiliza el conjunto de buenas pr�cticas de REST API para conectarse con los clientes que en este caso ser� el sistema de adquisici�n de datos y los usuarios finales como son la p�gina web y aplicativo m�vil por medio de solicitudes de tipo http del lado del servidor y formato JSON para las interfaces gr�ficas.

En la Figura 8, se muestra la comunicaci�n entre el servidor y el cliente.

Figura 8: Funcionamiento del servidor

P�gina web y aplicativo m�vil

Para la interfaz de usuario final se utiliz� el framework Flutter, que permite realizar tanto aplicaciones m�viles como aplicaciones web. Esta interfaz ofrece la facilidad de usar el mismo c�digo para obtener aplicaciones en ambas plataformas, siempre que se tome en cuenta el criterio de dise�o responsive para un resultado satisfactorio en ambas plataformas. En la Figura 9, se muestra el dise�o para la p�gina web y aplicaci�n m�vil.

Figura 9: Interfaz implementada tanto en p�gina web como aplicativo m�vil.

Las pantallas implementadas fueron dos, un dashboard donde muestra los datos obtenidos en tiempo real de los pacientes utilizando el sistema de adquisici�n de datos, y otro una base de datos de pacientes anteriores los cuales permite el desarrollo del historial de pacientes, elementos primordiales en un sistema de administraci�n para una cl�nica m�dica.�

Resultados

Una vez el sistema implementado se procedi� a realizar pruebas entre el dispositivo de adquisici�n de datos, el servidor, base de datos e interfaz de usuario. Obteni�ndose los siguientes resultados para los sensores utilizados.

Figura 10: Pruebas ECG enviado desde el dispositivo a trav�s del servidor implementado

Figura 11: Sensor de temperatura y tensi�metro conectados a trav�s del internet.

Utilizando dispositivos estandarizados y de uso comercial se procedi� a validar el prototipo compar�ndolos siguientes resultados mostrados en las tablas a continuaci�n.

�Figura 12: Comparaci�n entre un ox�metro comercial y el prototipo

Figura 13: Comparaci�n entre un term�metro comercial y el prototipo

De los resultados obtenidos en las pruebas realizadas se observa que el ox�metro se redujo su error llegando a obtener valores muy cercanos al dispositivo estandarizado por lo que no habr�a inconvenientes al implementarlo en el centro m�dico. Mientras que, en el sensor de temperatura corporal debido a su error de precisi�n por las condiciones constructivas de este, se obtuvo un error a considerar al momento de implementarlo aun as� satisface la funcionalidad de este sensor.

Conclusiones

Se desarroll� un sistema de adquisici�n de datos de las variables fisiol�gicas de humanos, a partir de un modelo comercial, en el que se implement� tanto hardware como software, mediante el IDE de Arduino y sensores compatibles con este.

Se valid� el prototipo implementado con dispositivos estandarizados y de uso comercial para las variables de temperatura y concentraci�n de ox�geno en la sangre obteniendo errores aceptables.

Se dise�� e implement� una p�gina web con dominio gratuito y una aplicaci�n m�vil para el sistema operativo Android, los cuales permitieron realizar la gesti�n de datos enviados por el dispositivo. Adem�s, de permitir la interacci�n con el usuario final en este caso pacientes o m�dicos.

Se desarroll� la programaci�n del m�dulo de comunicaci�n inal�mbrica, que establece la conexi�n entre servidor web y la base de datos, de esta forma se realiza el env�o de datos que proveen los sensores del prototipo

Referencias

1.      R. Areny, �La ingenier�a electr�nica y la medicina�. DYNA, vol. 71, pp. 64-67, 1996.

2.      C. Guti�rrez, �Sistema de monitoreo Continuo de Signos Vitales con Sensores No Invasivos y Transmisi�n Inal�mbrica de Datos�, Proyecto de titulaci�n, Universidad de concepci�n, Concepci�n, Chile. Marzo, 2016.

3.      H. Rold�n, �Desarrollo de un modelo de gesti�n de servicios de TI para aplicaciones de telemedicina en el Ecuador�, Proyecto de titulaci�n master, Quito, Ecuador. Enero, 2016.

4.      Desarrollo de un modelo de gesti�n de servicios de TI para aplicaciones de telemedicina en el Ecuador

5.      D. Alvarado, �Telecirug�a: un an�lisis tecnol�gico de la telecirug�a laparosc�pica�, Proyecto de titulaci�n, Guatemala. Mayo, 2005.

6.      B. Eggins, �Chemical sensors� and biosensors�� (J. Wiley (ed.); Primera Ed).� John Wiley & Sons Ltd. 2002.

7.      D. Evans, �The Internet of Things How the Next Evolution of the Internet� Is Changing Everything�. Cisco IBSG, pp. 2�10, 2011.

8.      E. Marini, �El Modelo Cliente/Servidor�, pp 5�6, Octubre, 2012.

9.      L. Rodr�guez, L. �Bases de datos documentales: estructura y principios de uso�. In CINDOC-CSIC.�

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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