Estándar para dispositivos de comunicación inalámbrica ubicados cerca o dentro del cuerpo humano

Resumen

En los últimos tiempos, se ha producido un crecimiento significativo en las redes conocidas como redes inalámbricas de área corporal (WBAN, por sus siglas en inglés). Una WBAN conecta nodos distribuidos por todo el cuerpo humano, que pueden colocarse sobre la piel, debajo de la piel o en la ropa, y pueden utilizar las ondas electromagnéticas del cuerpo humano. Constantemente se busca un enfoque para reducir el tamaño de los diferentes equipos de telecomunicaciones; esto permite que estos dispositivos estén más cerca del cuerpo o incluso pegados e incrustados en la piel sin causar incomodidad al usuario ni representar un peligro para él. Estas redes prometen nuevas aplicaciones médicas; sin embargo, estas siempre se basan en la libertad de movimiento y la comodidad que ofrecen. Entre las ventajas de estas redes se encuentra que pueden aumentar significativamente la calidad de vida del usuario. Por ejemplo, una persona puede llevar una WBAN con sensores incorporados que calculan la frecuencia cardíaca del usuario en cualquier momento y envían estos datos a través de internet al médico del usuario. Este estudio proporciona una revisión sistemática de las WBAN, describiendo las aplicaciones y tendencias que se han desarrollado con este tipo de red y, además, los protocolos y estándares que deben considerarse

1. Introducción

Una WBAN es una red construida con diferentes elementos inteligentes como sensores, nodos y actuadores. Esta red está diseñada para funcionar en el cuerpo humano y su entorno. Los elementos que la conforman deben ser altamente confiables, presentar un bajo consumo, operar a un largo alcance (máximo 5 m), ser resistentes a las interferencias y poder operar dentro de un amplio rango de velocidades de transmisión [ 1 ]. Estas redes se concibieron por primera vez en la década de 1990 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) bajo la hipótesis de poder conectar dispositivos eléctricos al cuerpo humano. Desde entonces, se ha puesto gran énfasis en aumentar el ancho de banda de los dispositivos y, en consecuencia, disminuir su alcance, consumo y precio. La Figura 1 a continuación proporciona una comparación entre una red WBAN y otras redes [ 2 ].

Figura 1

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1.1. Normativa

El estándar actual IEEE 802.15.6 para tecnologías WBAN se publicó en 2012 y es “un estándar para dispositivos de comunicación inalámbrica de corto alcance” ubicados cerca o dentro del cuerpo humano (aunque puede no limitarse solo a seres humanos). Las tecnologías WBAN utilizan bandas industriales, científicas y médicas (ISM) existentes, así como las diferentes bandas de frecuencia avaladas por médicos locales o autoridades reguladoras [ 3 ]. Este estándar considera los efectos en las antenas portátiles debido a la presencia de un ser humano (esto varía según si es hombre, mujer, alto o delgado) y los patrones de radiación necesarios para reducir las tasas de absorción específica (SAR) en el cuerpo y los cambios debidos a los movimientos personales característicos. La Tabla 1 a continuación muestra el modelo OSI para una red WBAN [ 4 ].

Tabla 1. Modelo OSI para una WBAN.

Control de acceso a los medios y seguridad
Capa física (PHY) de banda estrecha (NB)	Banda ultraancha (UWB)	PHY de comunicaciones

Basada en IEEE 802.15.6, la arquitectura de comunicación WBAN se presenta en la Figura 2

Figura 2

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Dentro de la normativa, existen algunos requisitos que deben tenerse en cuenta, tal como se presenta a continuación [ 5 – 7 ]:

• (i)

  Los nodos deben eliminarse e insertarse en la red en menos de 3 s

• (ii)

  Cada WBAN debe admitir 256 nodos.

• (iii)

  Incluso si la persona está en constante movimiento, los nodos deben poder proporcionar una comunicación estable y confiable

• (iv)

  La latencia del sistema debe ser inferior a 125 ms para aplicaciones médicas e inferior a 250 ms para aplicaciones no médicas. Su fluctuación debe ser inferior a 50 ms

• (v)

  Las redes WBAN sobre y dentro del cuerpo deben poder coexistir dentro del mismo rango. Deben ser compatibles con 10 redes WBAN distribuidas aleatoriamente y estar ubicadas en una capa física dentro de un cubo de 6 m³.

• (vi)

  Una WBAN puede incorporar la tecnología UWB con transmisión de banda estrecha para cubrir diferentes entornos y admitir altas velocidades de datos

• (vii)

  También deben incorporar funciones de gestión de QoS para que sean autocorrectivas y seguras, y para admitir servicios prioritarios

• (viii)

  Las WBAN también deben incluir sistemas de ahorro de energía que les permitan operar en entornos con restricciones de energía

• (ix)

  Los enlaces WBAN deben admitir velocidades de transferencia en un rango de 10 Kb/s a 10 Mb/s

• (x)

  La tasa de error de paquetes (PER) para una carga útil de 256 octetos debe ser inferior al 10 % para la mayoría de los enlaces que se basan en el mejor rendimiento de PER [ 8 – 12 ].

• (xi)

  Todos los equipos deben ser capaces de transmitir a 0,1 mW (−10 dBm). La potencia máxima de transmisión radiada debe ser inferior a 1 mW (0 dBm). Esto cumple con la tasa de absorción específica (SAR) que ha establecido la Comisión Federal de Comunicaciones, que es de 1,6 W/kg por cada 1 g de tejido corporal

• (xii)

  Deben poder funcionar en un entorno donde redes de diferentes estándares operan entre sí para recibir información

La Tabla 2 a continuación enumera las bandas de frecuencia designadas por el IEEE para WBAN [ 13 , 14 ].

Tabla 2. La Tabla 2 se reproduce de Movassaghi et al. [ 15 ], [bajo la Licencia de Atribución Creative Commons/dominio público [ 15 ]].

Comunicación del cuerpo humano
Frecuencia	Ancho de banda
16 MHz	4 MHz
27 MHz	4 MHz
Comunicación de banda estrecha
Frecuencia	Ancho de banda
402–405 MHz	300 kHz
420–450 MHz	300 kHz
863–870 MHz	400 kHz
902–928 MHz	500 kHz
956–956 MHz	400 kHz
2320–2400 MHz	1 MHz
2400–2438,5 MHz	1 MHz
Comunicación UWB
Frecuencia	Ancho de banda
3,2–4,7 GHz	499 MHz
6,2–10,3 GHz	499 MHz

1.2. Aplicaciones

Como las aplicaciones se pueden categorizar según el campo en el que se utilicen las WBAN, algunas abarcan desde el uso militar hasta la atención médica ubicua, la capacitación, los deportes y el entretenimiento. La norma IEEE 802.15.6 ha categorizado las aplicaciones de naturaleza médica y no médica. La Tabla 3 a continuación contiene esta distribución y proporciona evidencia de que las características principales de todas las aplicaciones de WBAN están dirigidas a mejorar la calidad de vida del usuario

Tabla 3. Aplicaciones WBAN según IEEE 802.15.6.

Aplicaciones WBAN
Médicas			No médicas
WBAN portátil	WBAN implantable	Control remoto de dispositivos médicos
Asma. Monitorización portátil de la salud (enfermedades cardiovasculares, diabetes y temperatura).	Detección del cáncer. Enfermedades cardiovasculares (EC).	Sistemas de telemedicina Seguridad para el personal uniformado.	Aplicaciones de entretenimiento. Emergencias (no médicas).

En la literatura existente, se encontraron diversas aplicaciones de WBAN para el sector salud. La Tabla 4 describe algunos de estos hallazgos. El proceso implementado para la búsqueda, el filtrado y la selección de esta información se describirá en la sección de metodología.

Tabla 4. Diferentes aplicaciones de WBAN.

Referencia	Aplicación	Contribución	Médicas
			WBAN portátil	Control remoto de dispositivos médicos
[ 16 ]	Utiliza la comunicación Bluetooth para medir la temperatura corporal, los latidos del corazón y posibles caídas.	Funciona con energía solar.	x
[ 17 ]	Utiliza un módulo GSM para enviar información sobre latidos cardíacos y temperatura corporal	Sensor óptico.		x
[ 18 ]	Mantiene una medición constante de diferentes parámetros médicos del paciente	Sistema con instrucciones de primeros auxilios.		x
[ 19 ]	Utiliza un ARM7 para determinar la condición cardíaca del paciente.	Utiliza la plataforma Android para comunicar el sistema con el médico.		x
[ 20 ]	Mide la frecuencia cardíaca, la presión arterial, la temperatura y la respiración de la persona.	Utiliza un módem GSM para enviar la información al médico.		x
[ 21 ]	Evalúa las vibraciones del paciente para determinar si padece la enfermedad de Parkinson (EP).	El sistema permite determinar la evolución de la enfermedad.	x
[ 22 ]	Utiliza sensores del teléfono móvil para analizar la forma de caminar del paciente y determinar si padece la enfermedad de Parkinson.	Implementar una aplicación para smartphone, una base de datos y una aplicación web.		x
[ 23 ]	Mide la cinemática de la marcha del paciente para determinar si padece la enfermedad de Parkinson.	Instalar sensores en las extremidades inferiores y la parte superior del cuerpo.	x
[ 24 ]	Sensores colocados en las plantas de los pies para determinar si el paciente padece la enfermedad de Parkinson.	Se implementó una aplicación móvil para monitorizar al paciente.	x
[ 17 ]	Sensores en la parte inferior del cuerpo para determinar si el paciente padece la enfermedad de Parkinson.	Utiliza tecnología y protocolos ZigBee.	x
[ 25 ]	Implementación de sensores inerciales para determinar si el paciente padece esclerosis múltiple.	—	x
[ 26 ]	Sensor EEG para evaluar diferentes actividades cerebrales	Utiliza un clasificador de conjunto para la detección de crisis epilépticas en datos EEG imperfectos.	x
[ 27 ]	Sistema para la detección en tiempo real de epilepsias.	El protocolo de control de acceso al medio del sensor (SMAC) se utiliza para reducir los retrasos en el tiempo de envío de información.		x
[ 28 ]	Sensor de reloj para la detección de epilepsias en tiempo real.	—		x
[ 29 ]	Sensor de reloj para monitorizar las convulsiones en tiempo real.	Implementar la comunicación a través de la nube.		x

• No se tuvieron en cuenta las redes inalámbricas de banda ancha implantables ni las aplicaciones no médicas.

1.3. Desafíos de las redes de área corporal inalámbricas (WBAN)

Los nodos WBAN se caracterizan por tener recursos limitados de memoria, procesamiento y energía. La gestión de la energía se considera, de hecho, un desafío importante. Dado que las baterías son pequeñas y la energía del nodo es limitada, es necesario reducir el consumo de energía de los diferentes dispositivos para asegurar una larga duración de la batería [ 30 ].

Las redes de área corporal inalámbricas (WBAN) son importantes para las funcionalidades de comunicación que ofrecen las aplicaciones médicas y otras aplicaciones de menor alcance. Debido a sus características, a continuación se analizan algunos de los retos y problemas existentes.

Aunque las WBAN permiten una conexión ubicua a la red global, no solo requieren soporte de la infraestructura de red, sino también de diferentes implementaciones de software, como procedimientos remotos, procesamiento de bases de datos e interfaz de usuario. Aun así, estas implementaciones deben tener un bajo consumo y un impacto mínimo en el proceso de enrutamiento [ 31 ].

Aún se requieren estándares para formatos de datos de alto nivel que también puedan admitir el uso de la interfaz de usuario a través de redes sociales. El método y el formato utilizados para entregar información fuera de la red no suelen estar implementados. Por lo tanto, el desarrollador es responsable de la forma en que se entregan los datos a ciertas aplicaciones, lo que implica que la interoperabilidad puede generarse dependiendo de las diferentes soluciones propuestas [ 32 , 33 ].

2. Métodos

Como parte de los criterios de elegibilidad para realizar esta revisión sistemática, se tomó en consideración la siguiente pregunta de investigación: ¿Cuáles son las diferentes aplicaciones médicas en las que interviene la tecnología WBAN portátil?

Teniendo en cuenta esta pregunta de investigación, se definió el objetivo de este estudio: describir las diferentes aplicaciones médicas en las que interviene la tecnología WBAN.

Fuentes de búsqueda: a continuación se enumeran las fuentes bibliográficas que se utilizaron para realizar esta investigación:

• (1)

  IEEE

• (2)

  Springer

• (3)

  ScienceDirect

Búsqueda: una vez seleccionado el tema y las bases de datos, se realizó la búsqueda sistemática, implementando las diferentes palabras clave y sus respectivos conectores lógicos. Las palabras clave utilizadas y la combinación ideal de conectores lógicos para su posterior implementación en las bases de datos se enumeran a continuación:

• (1)

  Sensor Y salud Y WBAN

• (2)

  Sensor Y salud Y “red inalámbrica de área corporal”

• (3)

  Sensor Y salud Y (enfermedad Y monitor Y microcontrolador)

2.1. Selección

En esta sección se mencionan los diferentes criterios de inclusión y exclusión que se consideraron para filtrar la información

Criterios de inclusión: los artículos que deben figurar principalmente en la lista seleccionada son aquellos que cumplen las siguientes características:

• (1)

  Deben estar en español, inglés o portugués.

• (2)

  Los artículos deben tener fechas de publicación no anteriores a cinco años (2015-2020).

• (3)

  Estos deben ser artículos descargables.

• (4)

  El tema principal abordado por los autores debe estar vinculado a las redes WBAN portátiles y sus diferentes implementaciones.

• (5)

  Las aplicaciones descritas por los autores deben estar orientadas al uso médico en pacientes con diferentes patologías

Criterios de exclusión: artículos cuya información sea la siguiente:

• (1)

  No se considera preciso o el autor no ha resuelto el problema de investigación

• (2)

  Las aplicaciones en las que participa la WBAN no son médicas, sino que esta tecnología se utiliza como pasatiempo, práctica de laboratorio o para medir información que no está relacionada con la salud

Teniendo en cuenta esta metodología, iniciamos el proceso de exploración, que duró 31 días y contó con la participación de tres ingenieros. Uno de ellos cursa actualmente una maestría en informática y los otros dos poseen un doctorado en ingeniería. Esto permite consolidar la experiencia de los investigadores para llevar a cabo la investigación, con un número impar de investigadores, lo que facilita la correcta selección de artículos. La Tabla 5 muestra el resultado de los diferentes filtros aplicados en la revisión.

Tabla 5. Resumen de los artículos filtrados.

	Palabras clave	Filtro de año y tipo	Título	Resumen	Elegido
IEEE	750	572	84	76	18
Springer	2415	678	51	40	10
ScienceDirect	1.107	900	34	10	6
				Total	34

Como resultado, la Tabla 6 presenta las aplicaciones portátiles que involucran WBAN en salud, los sensores utilizados y las características consideradas por los autores

Tabla 6. Aplicaciones de redes de área corporal inalámbricas portátiles en el ámbito de la salud.

Referencia	Sensores utilizados	Patología o tipo de medición	Método de comunicación	Fiabilidad del sensor	Errores al enviar datos	Seguridad	Ahorro de energía	Tiempo real
[ 34 ]	Biompedancia	Enfermedad renal crónica	Bluetooth	X
[ 35 ]	Sensores inerciales MEMS [ 35 ]	Osteoporosis, osteoartritis, demencia, Alzheimer, Parkinson	Bluetooth	X
[ 36 ]	Sensor de sonidos cardíacos	Enfermedad cardiovascular (ECV)	Bluetooth 4.0	X
[ 37 ]	Flujo, acelerómetro, micrófono, tensión, impedancia cutánea, ECG, pulso, COV, ozono, humedad/temperatura	Enfermedad respiratoria crónica	BLE	X			X
[ 38 ]	ECG, acelerómetro [ 38 ]	CD	NFC	X		X
[ 39 ]	Monitorización de la señal ECG	CD	Bluetooth 4.0	X
[ 40 ]	Electromiografía capacitiva (CEMG)	Miopatías inflamatorias crónicas	Cable	X
[ 41 ]	Microsoft Band [ 41 ]	Disreflexia autonómica (DA)	Bluetooth	X
[ 42 ]	Dispositivo de detección de concentración de dióxido de carbono e inercia	Trastornos respiratorios	Cable
[ 43 ]	Inerciales, magnetómetro	EP	Bluetooth
[ 44 ]	Cualquier sensor de ECG	Cuidados cardíacos	Bluetooth/wifi/3G	X				X
[ 45 ]	Espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS)	Enfermedades cerebrovasculares (ECV)	Bluetooth	X
[ 46 ]	ECG	CD	BLE				X
[ 47 ]	ECG	Apnea del sueño	BLE	X			X
[ 48 ]	Sensor basado en luz	Medición diaria de la presión arterial	WIFI			X
[ 49 ]	Capacitancia de humedad	Enfermedades respiratorias irregulares	Bluetooth	X
[ 50 ]	Frecuencia cardíaca, sensor de temperatura, presión	Parámetros físicos	WIFI			X
[ 51 ]	Fotopletismograma (PPG), ECG	Enfermedad cardíaca y accidente cerebrovascular o cualquier condición de emergencia	WIFI			X
[ 52 ]	Electrocardiograma, acelerómetro Giroscopio Magnetómetro	Síndrome de apnea del sueño (SAOS)	Bluetooth de bajo consumo (BLE)	X
[ 53 ]	Frecuencia cardíaca, temperatura, presión arterial	Supervisión continua	Bluetooth	X	X		X
[ 54 ]	Sistema de presión	Trastorno venoso crónico	Bluetooth	X
[ 55 ]	Unidades de medida	Monitorización de la frecuencia respiratoria	BLE				X
[ 56 ]	ECG	Cuidados domiciliarios a largo plazo	ZigBee	X			X
[ 57 ]	Sensores inerciales	Monitoreo doméstico de fluctuaciones motoras en PD	BLE	X
[ 58 ]	ECG	Telemonitoreo y nube	NRF24L01		X			X
[ 59 ]	Dispositivo EMG	Actividad del músculo masticatorio	BLE	X
[ 60 ]	Oximetría de pulso	Detección de apnea del sueño	WIFI/Bluetooth	X			X

En secciones posteriores, se presentan los resultados obtenidos de esta exploración

3. Resultados y Discusión

En la Tabla 7 se observa una tendencia hacia el uso de dispositivos de comunicación como Bluetooth y Wi-Fi de bajo consumo, debido a su alta estandarización y capacidad de conexión a un hub móvil, como los que se encuentran en la mayoría de los smartphones. Esto se debe a que la mayoría de las aplicaciones analizadas utilizan un hub, ya que permite cargar la información directamente a un servicio en la nube cuando sea necesario.

Tabla 7. Tendencias de WBAN.

Referencia	Aplicación	Novedad	Sensores
[ 61 ]	Monitorización médica continua a largo plazo	Sistema autónomo, mediante energía solar	Inercia, temperatura y pulso
[ 62 ]	EP	Sistema holístico	Microsoft Band, análisis de voz, golpeteo de dedos
[ 63 ]	Clasificación de la actividad física	Método de clasificación mediante teléfonos inteligentes	Inercial
[ 64 ]	Enfermedad arterial periférica	El sensor pasivo portátil de parche cutáneo mide	Sensor de resonancia electromagnética
[ 65 ]	Detección de anomalías, así como intrusiones, como falsificaciones, inserciones y modificaciones en los datos del ECG	Identificar anomalías en las señales de ECG	Conjunto de datos
[ 66 ]	Propuesta para la transmisión de clasificación de emergencia	Transmisión de datos prioritaria	Mediciones de oxígeno en sangre, pulso y posición
[ 67 ]	Accidente cerebrovascular, enfermedad de Parkinson y epilepsia	Prenda con sensores integrados, se identifican las necesidades del usuario, como el diseño y la comodidad.	Acelerómetro, giroscopio y ECG

Además, a nivel de investigación, existe una tendencia a garantizar mejor la fiabilidad de los datos obtenidos a través de los sensores, así como a mejorar el consumo de los dispositivos desarrollados mediante técnicas de ahorro energético, generación de energía o incluso chips FPGA específicos. Por el contrario, aspectos como la seguridad, la fiabilidad de la comunicación y el tiempo real se abordan menos, y, en cambio, se generan más desafíos para los protocolos existentes que requieren mejora, o se proponen constantemente nuevos modelos. Se encontró que el 66 % de las aplicaciones WBAN para dispositivos portátiles utilizaban Bluetooth, el 17 % Wi-Fi y solo el 3,5 % ZigBee o NFC. Los problemas más comunes detectados fueron problemas cardíacos y trastornos respiratorios.

Las aplicaciones en tiempo real eran menos comunes y solían utilizar protocolos como ZigBee. Presentan la desventaja de estar limitadas a un entorno local, ya que el cambio a un protocolo de internet aumenta su latencia. Sin embargo, aunque las aplicaciones WBAN para dispositivos portátiles no suelen utilizar el tiempo real, el procesamiento de la información se realiza mediante inteligencia artificial para diagnosticar situaciones de riesgo y generar alertas médicas tempranas.

El análisis de bioimpedancia y capacitancia se utilizó como apoyo en el diagnóstico y seguimiento de diversas patologías, ya que analiza la composición de las secciones corporales, evaluando de forma general el estado de hidratación, la masa magra y la masa grasa. Asimismo, existen otras aplicaciones que también emplean esta técnica, por ejemplo, para generar imágenes 3D de órganos internos para el seguimiento de pacientes diabéticos. Por otro lado, los sensores inerciales y de ECG fueron los más utilizados en los distintos sistemas, al considerarse sensores fáciles de usar debido a sus múltiples módulos de configuración.

Se prevé que, con el desarrollo de nuevos productos tecnológicos como relojes inteligentes y auriculares inalámbricos, que actualmente tienen un gran impacto en la sociedad, se siga mejorando el hardware directamente relacionado con las tecnologías utilizadas para las redes de área corporal inalámbricas (WBAN). Estos dispositivos han impulsado la mejora de tecnologías como Bluetooth (Bluetooth 5.2) y procesadores de bajo consumo, mejorando la capacidad de conexión a múltiples nodos, reduciendo el consumo de energía y permitiendo el preprocesamiento de datos de sensores según modelos médicos, lo que contribuye a garantizar la seguridad y fiabilidad de las comunicaciones, así como a mejorar las velocidades de transmisión. Además, permitirá desarrollar futuras aplicaciones en tiempo real fuera de un entorno local, mediante tecnologías como 5G e internet táctil.

4. Conclusión

La tecnología WBAN se utiliza cada vez más en aplicaciones donde las personas y su bienestar están involucrados, aumentando la presencia de tecnologías en la salud de los pacientes. Los dispositivos WBAN no solo proporcionan información constante sobre los pacientes y su patología, sino que también pueden diagnosticar enfermedades y facilitar tratamientos y una participación médica constante

Es fundamental seguir avanzando en la mejora continua de la fiabilidad de la información obtenida mediante la WBAN, así como en la autonomía de los dispositivos. Esto permitirá la creación de nuevos modelos robustos, a través de técnicas como la inteligencia artificial, que posibiliten el diagnóstico y la monitorización permanentes de enfermedades que afectan a gran parte de la población, aprovechando la constante mejora de tecnologías como el internet táctil y los dispositivos personales.

Divulgación

La Facultad de Ingeniería no tuvo ningún papel en la realización del estudio, en la recopilación, gestión, análisis, interpretación de los datos ni en la preparación del manuscrito

Conflictos de intereses

El/los autor/es declararon no tener ningún posible conflicto de intereses con respecto a la investigación, la autoría y/o la publicación de este artículo

Contribuciones de los autores

Las opiniones expresadas en este artículo son las de los autores y no representan necesariamente las opiniones de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Santiago de Cali

Agradecimientos

Esta investigación ha sido financiada por la Dirección General de Investigaciones de la Universidad Santiago de Cali bajo la convocatoria No. 01-2021

Disponibilidad

Los datos están disponibles en https://www.gambitcomm.com/site/gambit4.shtml?gclid=Cj0KCQiAx9mABhD0ARIsAEfpavTHRH-mpys3ZJQbOuSmjUcvhz-wV5kl4-2l6-t5WQwF2DacULvftCgaAvXqEALw_wcB

Referencias