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• Sistema de transmisión de señales biomédicas a través del servicio general de paquetes vía radio gpr •
Sistemadetransmisióndeseñalesbiomédicasa
través del servicio general de paquetesvíaradio gprs
Transmissionsystemforbiomedicalsignalsthrough
thegeneralpacketradio service GPRS
JuanManuelCaicedo*,EdgarWillingtonGutierrez**,KarinCorrea***
Fecharecepción:julio18de2014-fechaaceptación:octubre21de2014
Abstract
TheaccesstohealthsystemsinColombiaforremotetowns,isadifficultythat
has motivated great efforts in finding solutions in telemedicine to shorten the
distancesthroughtheuseofcommunicationsystemsbetweendifferentcities.
Theapparentgrowthofcellularcommunicationscoverageinthecountryhas
prompteditsuseinvariousprocessesoftelemedicine.Thispaperpresentsthe
resultsobtainedintheprocessofdesign,implementationandvalidationofa
platform for capturing, processing and transmission of biomedical signals,
usingtheGeneralPacketRadioServiceGPRS,whichcanbeaccessedremotely
throughagraphicalfrontendtomanageinformationobtainedfromacloud
server. We evaluate the system by measuring the precision of the acquired
biomedical signals (above 98,5%); the time of connection to the cellular
network (2,45 seconds) and the transmission rate subject to the conditions
for provision of GSM service on two different protocols (1,23 seconds 5Kb
filesUDP).Finally,theECGsignalwascompressedfortransmissionusingthe
ARXmodel.
Keywords: BiomedicalSignals,GPRS,Telemedicine,Transmission.
Resumen
El acceso a los sistemas de salud en Colombia para las poblaciones rurales
lejanas, es una dificultad que ha motivado grandes esfuerzos en la búsqueda
desolucionesentelemedicinaquepermitanacortarlasdistanciasatravésdel
usodelossistemasdecomunicaciónentrediferentespoblaciones.Elevidente
crecimiento de la cobertura de las comunicaciones celulares en el país ha
impulsado su empleo en diversos procesos de tele-salud. Este documento
presenta los resultados obtenidos en el proceso de diseño, implementación
*
IngenieroFísicodelaUniversidaddelCauca,EspecialistaenGestióndeProyectos,
Profesor de la Universidad Antonio Nariño, Facultad de Ingeniería Biomédica.
Email:[email protected].
** IngenierodeSistemasdelaUniversidadAntonioNariño,EspecialistaenComputaciónparaladocencia,ProfesordelaUniversidadAntonioNariño,Facultadde
IngenieríaBiomédica.Email:[email protected].
*** IngenieroFísicodelaUniversidaddelCauca,Mg(c)enAutomática,Profesordela
UniversidadAntonioNariño,FacultaddeIngenieríaBiomédica.Email:karincoar@
uan.edu.co.
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Universidad Antonio Nariño - Revista Facultades de Ingeniería
• Juan Manuel Caicedo, Edgar Willington Gutierrez y Karin Correa •
y validación de una plataforma de captura, procesamiento y transmisión de
señales biomédicas, empleando el Servicio General de Paquetes vía Radio
GPRS, que puede ser accedida remotamente a través de una interfaz gráfica
deusuarioparagestionarlainformaciónobtenidadeunservidorenlanube.
Paraelsistemafueronevaluadoslosparámetrosdeprecisiónenlamediciónde
lasvariablesbiomédicas(superioresal98,5%);eltiempodeconexiónalared
celular(2,45segundos)ylavelocidaddetransmisiónsujetaalascondicionesde
prestacióndelservicioGSM,endosprotocolosdiferentes(1,23segundospara
archivosde5KbenUDP).Finalmente,laseñalECGfuecomprimidaparasu
transmisiónempleandoelmodeloARX.
Palabras clave: Señalesbiomédicas,GPRS,Telemedicina,Transmisión.
i. introducción
Elampliocrecimientoencoberturadelasredes
celulares 3G, inevitablemente ha generado un
impacto en los sistemas de comunicación para
plataformasrobóticasasistenciales,tantoparala
configuraciónytele-operaciónderobots,como
paralatransmisióndeseñalesbiomédicasdelos
mismos [1]. La transmisión de datos utilizando
redesmóviles,surgecomounaalternativaalas
comunicaciones inalámbricas convencionales
[2],involucrandodiversosprotocolosytecnologíascomovoz,mensajesdetexto(SMS),mensajesmultimedia(MMS),elSistemaGeneralpara
Comunicaciones Móviles (GSM) y el Servicio
GeneraldePaquetesvíaRadio(GPRS).
En el campo de la robótica asistencial, la telemedicinaesuncomponenteinherentequepermitelainteracciónremotaentreelpacienteysu
médico.Losrobotsasistenciales,suelendotarse
de plataformas simples de comunicación para
la transmisión de señales biomédicas; algunas
máscomplejasparaelenvíoyrecepciónaudioy
video; e incluso sofisticados sistemas utilizados
en delicados procedimientos quirúrgicos a distancia.
Elcrecimientodelacoberturaylavelocidadde
las redes celulares en el mundo, ha convertido
este sistema en una alternativa económica, de
fácilintegraciónydegranalcanceparamuchas
aplicacionesutilizadasentelemedicinaqueinvolucran el uso de los robots asistenciales. Diversosautoreshancreadoarquitecturashardware/
software que emplean las redes celulares para
enviar señales fisiológicas individuales (ECG,
Revista
EEG,EMG)[3][4][5],enfrentandounafuerte
lucha para optimizar el volumen y flujo de la
información,dadaslasrestriccionesdelsistema
GSM/GPRS.
Enesteartículosedescribeeldesarrollodeuna
plataforma de comunicaciones por Internet
sobrelaredcelular,paraelenvíoremotodesde
un robot asistencial de las diferentes señales
como:ECG,EMG,temperaturacorporal,SPO2,
frecuenciascardíacayrespiratoria.Elsistemase
caracteriza por incorporar algoritmos de compresión ECG para la optimización del volumen
dedatosysehaimplementadosobreunaarquitecturacliente–servidorenlanubeatravésde
conexionesFTP,mejorandolosactualessistemas
detelemedicinabasadosencomunicacionesmóviles(relacionadosenelestadodelarte),tomandocomoparámetrosdeponderación:latecnologíaempleadaparalatransmisión(GSM,GPRS,
EDGE,3G/UMTS),lostiemposdeadquisición,
procesamiento, visualización y las velocidades
desubidaydescargadelosdatoshaciaydesde
lanube.
ii. estado del arte
Laadquisición,procesamientoytransmisiónde
señalesbiomédicassobreredescelulares,hasido
analizada como punto de partida para el desarrollodelpresenteproyecto.Elpresenteestado
del arte se genera a partir de una investigación
realizada sobre losresultados más significativos
encontradosenlosúltimosdoce(12)años.
En2002,unimportantetrabajodeQueroyTarrida[6],denominadoCARDIOSMART,seconvirtióenunodelospionerosenelempleoderedes
UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 5 • No. 9 • pp 34-42 • julio - diciembre de 2014
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• Sistema de transmisión de señales biomédicas a través del servicio general de paquetes vía radio gpr •
celulares para la transmisión de señales ECG a
unavelocidadmáximade1500bpsconenvíosde
paquetescada15segundos(paraunmonitoreo
programado de 24 horas sobre pacientes con
anomalíascardíacas).En2005QiangyMingshi
[7] emplearon una PDA con sistema operativo
Windows CE, con conexión serial al módulo
deadquisicióndeseñalesbiomédicasymódem
GPRSembebido,paraelenvíodeECG,convelocidaddetransmisiónmáximade35Kbps,sujeta
a la congestión de la red a diferentes horas del
díaysinelempleodealgoritmosdecompresión.
En2007,Xue[8]desarrollóunsistemainalámbrico de monitoreo ECG con transmisión por
radioGPRS,atravésdeunmódemconinterfaz
RS232,limitadoa9600bpsyalenvíoexclusivo
de mensajes de texto para generar alarmas de
arritmia sin transmisión de las tramas ECG. El
primer sistema de envío continuo de la trama
ECGencontrado,datadel2008.Ge[9]desarrollóunsistemadetransmisióncontinuadeECG
en tiempo real, de bajo consumo a través de la
redcelular,sinalgoritmodecompresión,conpaquetesdetamañomáximode400bytessinerror
deentrega,obteniendoretardosdetransmisión
entre21y37segundos.En2010,KenyXiaoying
[10], desarrollaron un sistema de telemedicina
para señales ECG, con base en un dispositivo
con sistema operativo Linux de tiempo real
embebido, mejorando drásticamente el tamaño
máximodelospaquetesenviadosconrespectoa
lostrabajosanterioresalalcanzarvelocidadesde
hasta56Kbpsydespacharpaquetesde2Kbytes.
En2011ZhangySong[11],incluyeronlosprimerosmódemsserialesconcompatibilidad3G,
paradesarrollarunsistemademonitorioremoto
deECGconenvíosdetramascompletascada20
segundos, sin la comodidad del análisis en tiemporeal,peroconseñalescomplejasmuestreadas
a24bitsparaunareconstrucciónmuynítidaen
eldestinatario.En2012,undesarrollohechopor
Mitra[12],empleacomoalternativa el envío de
fotograf íasdeseñalesECGyplanteaunsoftware
deprocesamientodigitalquelaconvierteenuna
señal
manipulable del lado del operario remoto. En
2014Gamasu[13],incorporalatecnologíaBluetoothparagestionarconmayorfluidezlosdatos
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Universidad Antonio Nariño - Revista Facultades de Ingeniería
entre la tarjeta de adquisición y el sistema de
transmisión,derrumbandoloscuellosdebotella
delosprotocolosRS-232.
Un gran número de trabajos similares quedan
porfueradeesteanálisisenelquesolosecontemplan los desarrollos pertinentes y afines al
presenteproyecto.
Es fácil analizar, que los sistemas desarrollados
noinvolucranalgoritmosdecompresióndeseñalesbiomédicasyportalrazón,envíanpaquetes
degrandestamañosconretardosdesubidamuy
altos, o se limitan al envío exclusivo de alertas y
nodelastramasdelasseñalesECG.
Por otra parte, los sistemas no involucran el
envíodemúltiplesydiversasseñalesbiomédicas
lo que los aleja de convertirse en monitores de
signos vitales remotos.
Iii. materiales y métodos
El Sistema de Transmisión de Señales Biomédicas a través del Servicio General de Paquetes
VíaRadioGPRS,estáconformado,comopuede
apreciarseenlaFigura1,porunmódulodeadquisicióndeseñales,unmódulodetransmisión
celular, un servidor en la nube y una interfaz
gráfica de usuario remota.
Figura 1.diagramadebloquesdelsistema
A. Hardware
ElSistemadeTransmisióndeSeñalesBiomédicas
(Figura 2), está conformado por un dispositivo
decapturaypre-procesamientoe-health sensor
delaempresaLibelium Comunicaciones Distribuidas S.L.; un sistema de desarrollo Arduino
Ethernet; y un módem GSM/GPRS ADH8066.
Losdatossonenviadosaunservidorenlanube
enformatotextoypuedenseraccedidosatravés
de una interfaz gráfica de usuario, desarrollada
enelambientedeinstrumentaciónvirtualLabView delaempresaNational Instruments, desde
cualquier computador en el mundo dotado de
conexiónainternetysistemaoperativoWindows.
• Juan Manuel Caicedo, Edgar Willington Gutierrez y Karin Correa •
El acondicionamiento de las señales biomédicas (ECG, EMG, temperatura corporal, SPO2,
frecuencia respiratoria y cardíaca) se realiza a
travésdelatarjetae-health sensor,diseñadapara
recibirypre-procesardiversasseñalesfisiológicascomoseapreciaenlaFigura4,yentregarlas
alatarjetaArduinoporlasentradasanalógicas
ydigitales:
Figura 2. diagrama general del hardware
Módulo de Captura con E-health Sensor y
Arduino: Laadquisiciónyelprocesamientode
lasseñalesbiomédicasserealizaatravésdeuna
tarjeta Arduino Ethernet. Como se aprecia en
laFigura3,ArduinoEthermetesunsistemade
desarrollodesoftware/hardwareabiertobasado
en el microcontrolador ATmega328 de Atmel
Corporation, elegido frente a opciones como
Arduino UNO o Arduino Mega, por incluir
en su arquitectura una interfaz para memoria
MicroSD, necesaria para preparar un archivo
detextoconlosdatosdelasseñalesbiomédicas.
Arduinoesunodelosdispositivosdeprototipado
rápido más populares del mercado, debido a
su facilidad, rapidez y economía, además de
un extenso conjunto de versiones con diversos
periféricos y microcontroladores de 8, 16 y 32
bits.
Figura 3. Arduinoethernet[14]
Revista
Figura 4. E-healthsensor[15]
Latarjetae-health,permiteconectardirectamenteasusborneras,loslatiguillosdelossensores
deECGyEMGyelsensordeflujodeairenasal;
a través de un conector tipo Jack se conecta la
sondadetemperatura;yposeeunconectortipo
SIL(single inline package)paraelpulsioxímetro
comosepuedeapreciarenlaFigura5.
Latarjetae-healthcuentaconlosamplificadores
deinstrumentaciónparalasseñalesECGyEMG,
asícomolosfiltrospasabajo,pasaaltoyNotch
(todostresdecuartoorden).
Deigualmanera,latarjetae-healthcuentacon
los elementos capacitivos y resistivos para el
acondicionamiento de las demás señales analógicas (frecuencia respiratoria y temperatura
corporal), implementados como puentes de
WheastoneyfiltrosbásicosRCyRL.
Figura 5.E-healthsensorysusinterfaces
UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 5 • No. 9 • pp 34-42 • julio - diciembre de 2014
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• Sistema de transmisión de señales biomédicas a través del servicio general de paquetes vía radio gpr •
El módem ADH8066: El envío de los datos al servidorenlanube,lorealizaunmódemADH8066,
FIGURA 4 - E-HEALTH SENSOR [15]
queLa
setarjeta
conecta
a lapermite
tarjetaconectar
Arduino
a travésade
e-health,
directamente
sus
borneras,
los
latiguillos
de
los
sensores
de
ECG
y EMG y el
una interfaz serial RS232 y soporta comandos
sensor de flujo de aire nasal; a través de un conector tipo
AT.EstemódemfueescogidoentrevariasopcioJack se conecta la sonda de temperatura; y posee un
conector tipo SIL (single inline package) para el
nes,porquepermiteelenvíodepaquetesatravés
pulsioxímetro como se puede apreciar en la Figura 5.
deUDP(UserDatagramProtocol)ydeTCP/IP
La tarjeta e-health cuenta con los amplificadores de
instrumentación para las señales ECG y EMG, así como los
(TransmissionControlProtocol/InternetProfiltros pasa bajo, pasa alto y Notch (todos tres de cuarto
tocol).Elmódemnecesitaunatarjetadeacople
orden).
manera,
e-health
cuentay con
paraDesuigual
interfaz
conla latarjeta
tarjeta
Arduino,
paralos
elementos
capacitivos
y
resistivos
para
el
estefin,seempleólaADH8066BREAKOUTde
acondicionamiento de las demás señales analógicas
respiratoria ELECTRONICS.
y
temperatura
corporal),
la(frecuencia
empresa SPARKFUN
En la
implementados como puentes de Wheastone y filtros
Figura6puedeobservarseelmontajecompleto
básicos RC y RL.
del módulo de comunicaciones que incluye el
módem montado sobre la tarjeta adaptadora y
algunos elementos adicionales como la antena,
laSIMCARD,LED’sindicadoresyunbotónde
encendido/apagado.
El sistema envía los datos en un archivo de texto
atravésdelprotocoloUDPsobrelaredcelular
en el sistema GPRS. GPRS es la abreviatura de
General Packet Radio Service, y es un tipo de
FIGURA 5 - E-HEALTH SENSOR Y SUS INTERFACES
tecnología de transferencia de datos basado en
El módem ADH8066: El envío de los datos al servidor en la
elSistemaGlobalparaComunicacionesMóviles
nube, lo realiza un módem ADH8066, que se conecta a la
(GSM).ElGPRSesespecialmenteadecuadopara
tarjeta Arduino a través de una interfaz serial RS232 y
Este emergentes
módem fue escogido
entre
elsoporta
envíocomandos
de pocosAT.datos
discontivarias opciones, porque permite el envío de paquetes a
nuos,
o
el
envío
de
una
gran
cantidad
de
datos
en
través de UDP (User Datagram Protocol) y de TCP/IP
(Transmission Control Protocol / Internet Protocol). El
tiemposconsiderablementegrandes.
módem necesita una tarjeta de acople para su interfaz con
la tarjeta Arduino y para este fin se empleó la ADH8066
BREAKOUT de la empresa SPARKFUN ELECTRONICS.
En la Figura 6 puede observarse el montaje completo del
módulo de comunicaciones que incluye el módem montado
sobre la tarjeta adaptadora y algunos elementos adicionales
como la antena, la SIM CARD, LED’s indicadores y un
botón de encendido/apagado.
El sistema envía los datos en un archivo de texto a través
del protocolo UDP sobre la red celular en el sistema GPRS.
GPRS es la abreviatura de General Packet Radio Service, y
es un tipo de tecnología de transferencia de datos basado
en el Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM).
El GPRS es especialmente adecuado para el envío de
Figura 6. MódemADH8066ensuimplementaciónfinal
B. Firmware y Software
Firmware de la tarjeta Arduino: En la tarjeta
Arduino Ethernet, se embebió el algoritmo encargado de capturar las señales de ECG, EMG,
TemperaturaCorporalyFrecuenciaRespiratoria
a través de cuatro de las entradas analógicas.
Para la saturación parcial de oxígeno (SpO2),
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Universidad Antonio Nariño - Revista Facultades de Ingeniería
fue necesario emplear varias entradas digitales,
conectadasdeformainvasivaalospinesdecada
FIGURA 6 - MÓDEM ADH8066 EN SU IMPLEMENTACIÓN FINAL
unodelossietesegmentosdelosdesplieguesdigitalesdelsensordepulsioximetríaconelfinde
B. Firmware y Software
decodificarelvalordesplegadoenlosmismos.
Firmware de la tarjeta Arduino: En la tarjeta Arduino
Ethernet, se embebió el algoritmo encargado de capturar
ElalgoritmoinicializalatarjetaMicroSDyluego
las señales de ECG, EMG, Temperatura Corporal y
Frecuencia Respiratoria a través de cuatro de las entradas
arrancaelmódemADH8066atravésdecomananalógicas. Para la saturación parcial de oxígeno (SpO2),
dosATenviadosporlainterfazRS232.Unavez
fue necesario emplear varias entradas digitales, conectadas
digitalizados
todos
lospines
datos,
en
de forma invasiva
a los
de son
cadaorganizados
uno de los siete
segmentos de
los despliegues
digitales
sensor de
de
posiciones
específicas
dentro
de undel
archivo
pulsioximetría con el fin de decodificar el valor desplegado
texto,separadaspormarcadorespreestablecidos
en los mismos.
para
facilitarinicializa
su decodificación
y, finalmente,
el
El algoritmo
la tarjeta MicroSD
y luego arranca
el módemesADH8066
de comandos
AT enviados
por
archivo
enviadoa através
un servidor,
donde
se reemla interfaz RS232. Una vez digitalizados todos los datos,
plazaelactualencadaoperación.
son organizados en posiciones específicas dentro de un
archivo
de
texto,
separadas
por
marcadores
La
Figura 7 muestra
elsudiagrama
deyflujo
del
preestablecidos
para facilitar
decodificación
finalmente
el archivo es enviado a un servidor, donde se reemplaza el
firmwareembebidoenlatarjetaArduino.Puede
actual en cada operación.
apreciarse
el envío
de la información
está
La Figura que
7 muestra
el diagrama
de flujo del firmware
embebido en la tarjeta
Arduino. Puede
que el
condicionado
al vencimiento
deapreciarse
un temporienvío de la información está condicionado al vencimiento de
zador,
programado
para realizar
la función
un temporizador,
programado
para realizar
la función de
de
envío del archivo de texto cada 3 segundos.
envíodelarchivodetextocada3segundos.
FIGURA 7 - DIAGRAMA DE FLUJO DEL FIRMWARE
Figura 7.Diagramadeflujodelfirmware
Elenvíodelarchivodetextorequierelaimplementación de una subrutina de compresión de
los datos de ECG en su interior. A pesar de la
existenciasdediversosmétodosdecompresión
deseñalesECG[16],seempleóel“ModeloAutoregresivo con Entrada Externa” (ARX) [17],
conocidocomo“ModelodeEcuacióndeError”.
Estemétododecompresión,aligualquemuchos
otros, se basa en la técnica de predicción de la
• Juan Manuel Caicedo, Edgar Willington Gutierrez y Karin Correa •
señalECG,eslinealeinvarianteeneltiempo.El La interfaz gráfica posee el algoritmo inverso
4
principiodeoperacióndelastécnicaspredictivas paraladescompresióndelaseñalECGdelarchies emplear muestras previamente codificadas vodetexto,esdecir,laimplementaciónrecípro4
El
envío del archivo de texto requiere la implementación cadelmodelodecompresiónARX.
paragenerarunaprediccióndelamuestraactual.
IV. RESULTADOS
de una
subrutina de compresión de los datos de ECG en su
Esteprocesoesseguidoporlacodificacióndela
Con el fin de validar la funcionalidad del sistema y
El envío
del archivo
de texto requiere
la implementación
IV. RESULTADOS
interior.
A pesar
de la existencias
de diversos
métodos de Enlapantalladelainterfazgráfica,lainformacuantificar
su precisión y eficiencia, se han llevado a cabo
diferenciaentreelvaloractualyelvalorpredicho
de
una subrutina
de compresión
de los
de ECG
en su ciónseactualizacada3,2segundos.
compresión
de señales
ECG [16],
sedatos
empleó
el “Modelo
Con
el fin
validar una
la funcionalidad
sistema de
y
dos
clases
de de
pruebas:
que involucra del
el empleo
paralamuestramásreciente.Duranteunperiointerior.
A pesar
de Entrada
la existencias
de (ARX)
diversos
métodos
de
Autoregresivo
con
Externa”
[17],
conocido
cuantificar
su biomédicos
precisión y eficiencia,
separa
han la
llevado
a cabo
instrumentos
comerciales
medición
en
compresión
de señales
ECG muchas
[16],Error”.
sede
empleó
el “Modelo
como
“Modelo
de Ecuación
de
Este
método
de dos clases de pruebas: una que involucra el empleo de
do de
movimiento
lento,
las
muestras
paralelo de las variables fisiológicas; y otra que conlleva la
Autoregresivo
con
Entrada
Externa”
(ARX)
[17],
conocido
compresión,
al
igual
que
muchos
otros,
se
basa
en
consecutivas serán similares y la diferencia será la instrumentos
comerciales
para la medición
en
determinaciónbiomédicos
de los tiempos
de conexión
y envío del
como
de Ecuación
deECG,
Error”.
método
de
técnica“Modelo
de predicción
de la señal
es Este
lineal e
invariante
paralelo
de texto
las variables
fisiológicas;
y otra que el
conlleva
la
archivo
de
para
dos
protocolos
diferentes:
UDP
y
el
mayor
a
medida
que
el
movimiento
aumente.
Se
compresión,
que muchos
otros, de
se las
basatécnicas
en la
en el tiempo.al Eligual
principio
de operación
determinación
de los tiempos de conexión y envío del
TCP/IP.
asume
que
la
codificación
de
la
entropía
de
la
técnica
de
predicción
de
la
señal
ECG,
es
lineal
e
invariante
predictivas es emplear muestras previamente codificadas
archivo
texto1 para
dos protocolos
diferentes:
el UDP
y el
En lade
Tabla
se presentan
los tiempos
de subida
para
el
en
el generar
tiempo. una
El principio
de de
operación
de las
técnicas
para
predicción
la muestra
actual.
Este TCP/IP.
prediccióndeunaseñalECG,mejoraráelerror
archivo
de
señales
biomédicas
generado
en
tramos.
El
predictivas
es emplear
muestras
previamente
codificadas
proceso
es seguido
por la
codificación
de la diferencia
entre
enelradiodecompresiónfrentealacodificación
En la Tabla
1 semás
presentan
los que
tiempos
de subida
para de
el
archivo
base (el
pequeño
posee
una trama
para
generar
de la para
muestra
actual. Este
el valor
actualuna
y elpredicción
valor predicho
la muestra
más archivo de señales biomédicas generado en tramos. El
datos
representativa
para
el
ECG)
oscila
entre
840
y
960
directa
de
la
entropía
de
una
señal
ECG.
El
esproceso
seguidounpor
la codificación
de la diferencia
entre
reciente.es
Durante
periodo
de movimiento
lento, muchas
archivo
(el más
pequeño
que posee
una
trama fue
de
bytes, y base
el máximo
tamaño
empleado
para las
pruebas
el
actual yconsecutivas
el valor predicho
para la ymuestra
más
quemadecompresiónsemuestraenlaFigura8,
de valor
las
muestras
serán similares
la diferencia
datos
representativa
para
el(tamaños
ECG) oscila
entrea840
y Kb).
960
de
5
veces
el
archivo
base
cercanos
los
5
reciente.
Durante
un periodo
muchas
serádonde
mayor
a representalaseñalECGcodificadade
medida
que de
el movimiento
movimiento lento,
aumente.
Se bytes, y el máximo tamaño empleado para las pruebas fue
b(n)
La subida de datos fue probada al enviar archivos de
de
las muestras
consecutivas
serán
similares
ypredicción
la diferencia
asume
que
la
codificación
de
la
entropía
de
la
de
de
5 veces
cercanos
a los 5 TCP
Kb).
salida.
tamaños
deel
1,archivo
2, 3, 4 ybase
5 Kb,(tamaños
a través de
los protocolos
será mayor a medida que el movimiento aumente. Se
una señal ECG, mejorará el error en el radio de compresión
La
subida
de datos
fue probadaGPRS
al enviar
archivos
de
y UDP
sobre
la infraestructura
de un
operador
9.Interfazgráficadeusuarioremoto
asume
la codificación
de la de
entropía
de
predicción
de Figura
frente
aque
la codificación
directa
la que
entropía
de una
SisetieneunaseñalECGy(n)
halasido
codi-señal
tamaños
de 1,Es
2, importante
3, 4 y 5 Kb,aclarar
a través
de solo
los protocolos
TCP
celular
local.
que
los
tiempos
de
una
señal
ECG, mejorará
el error en
radio de
ECG.
El esquema
de compresión
se el
muestra
encompresión
la Figura 8, y UDP sobre la infraestructura GPRS de un operador
ficada
hasta
el
dato
n-1,
siendo
y(n-1),
y(n-2),
…
subida
están
condicionados
por
la
velocidad
del
sistema
y
frente
la codificación
de lacodificada
entropía de
señal
donde ab(n)
representa ladirecta
señal ECG
de una
salida.
celular
local. Es GPRS,
importante
aclarar
que solo los
tiempos de
su
transmisión
ya que
la descarga
y visualización
iv.
resultados
los
valores
de
la
señal
ECG
hasta
el
momento,
ECG.
El
esquema
de
compresión
se
muestra
en
la
Figura
8,
Si se tiene una señal ECG y(n) que ha sido codificada subida están condicionados por la velocidad del sistema y
están sujetos a las condiciones de conectividad a internet
donde
b(n)
representa
la señal
ECG
codificada
de salida.
hasta
el
dato
n-1, siendo
y(n-1),
y(n-2),
… los valores
de la su transmisión GPRS, ya que la descarga y visualización
entoncesunaseñalECGestimada,espredichaa
que se tengan en el computador del operario remoto. Se
Sipartirdelasmuestrasprevias:
se
tienehasta
una el
señal
ECG y(n)
que ha una
sidoseñal
codificada
el fin de validar
lacondiciones
funcionalidad
del sistema a internet
señal
ECG
momento,
entonces
ECG Con
están
a las
conectividad
esperasujetos
que esta
conexión
sea ade
través
de un router y un
hasta
el dato
n-1, siendo
y(n-1),
… los valores
estimada,
es predicha
a partir
de y(n-2),
las muestras
previas: de la y cuantificar
su
precisión
y
eficiencia,
se
han
que
se
tengan
en
el
computador
del
operario
remoto.
Se
servicio
ADSL
al
menos,
con
lo
que
este
parámetro
no sea
señal ECG hasta el momento, entonces una señal ECG
espera
que
esta
conexión
sea
a
través
de
un
router
y
un
significativo
en
la
decodificación
y
visualización
de
los
datos
llevado a cabo dos clases de pruebas: una que
(1)
estimada, es predicha a partir de las muestras previas:
servicio
ADSL
al menos, con lo que este parámetro no sea
en
tiempo
real.
Donde φ φsese
considera
la “regla
de predicción”. involucraelempleodeinstrumentosbiomédicos
significativo
en la decodificación
y visualización
de los datos
Donde
considera
la “regla
de predicción”.
La SIM CARD
empleada, pertenece
a la tecnología
3G y
Conociendo la predicción de la seña ECG, es posible comercialesparalamediciónenparalelodelas
en
tiempo
real.
el
operador
celular
que
la
comercializa,
promociona
como
ConociendolaprediccióndelaseñaECG,espoDonde
φ se
consideraε(n)=y(n)+
la “reglaŷ(n).
de predicción”. variables
codificar
el error
de predicción
La SIM
CARD empleada,
pertenece
a la
tecnología
3G y
fisiológicas;
y otrasin
que
conlleva
la
develocidad
teórica
de subida
reuso
346
Kbps.
siblecodificarelerrordepredicciónε(n)=y(n)+
Conociendo
la predicción de la seña ECG, es posible
el
operador
celular
que
la
comercializa,
promociona
como
La
frecuencia
de
actualización
de
la
pantalla
en
la
terminacióndelostiemposdeconexiónyenvío
codificar
ŷ(n). el error de predicción ε(n)=y(n)+ ŷ(n).
velocidad
teórica es
de de
subida
sinpara
reuso
346 Kbps.
estación remota
3,2 s,
garantizar
el sincronismo
delarchivodetextoparadosprotocolosdiferenfrecuencia
actualización
de la
pantalla para
en la
delLasistema
y el de
tiempo
de retención
adecuado
tes:elUDPyelTCP/IP.
estación
remota
de 3,2
s, para garantizar
el sincronismo
visualización
deescada
pantallazo,
de tal forma
que las
del
sistema
y ely tiempo
para la
gráficas
de ECG
EMG node
se retención
desplazanadecuado
permanentemente
EnlaTabla1sepresentanlostiemposdesubida
visualización
de cada
pantallazo, de
forma datos
que las
sino que cambian
completamente
sin tal
descartar
ni
gráficas
de ECG y EMG no se desplazan permanentemente
paraelarchivodeseñalesbiomédicasgenerado
repetirlos.
TABLA I sin descartar datos ni
sino que cambian completamente
entramos.Elarchivobase(elmáspequeñoque
repetirlos.
TIEMPOS DE SUBIDA PARA LOS ARCHIVOS BIOMÉDICOS A TRAVÉS DE
poseeunatramadedatosrepresentativaparael
TABLA I
UDP Y TCP SOBRE GPRS
ECG)oscilaentre840y960bytes,yelmáximo
TIEMPOS DE SUBIDA PARA LOS ARCHIVOS BIOMÉDICOS A TRAVÉS DE
Tamaño
Tasa
de Pérdida
Retardo de
: Empleando el entorno de tamañoempleadoparalaspruebasfuede5veces
Interfaz
Gráfica
en LabView
Figura
8. EsquemadecompresióndeunaseñalECG
UDP Ydel
TCP SOBRE
GPRS
FIGURA
8 - ESQUEMA
DE COMPRESIÓN DE UNA SEÑAL ECG
Protocolo
desarrollo LabView de National Instruments, se desarrolló elarchivobase(tamañoscercanosalos5Kb).La
Archivo (Kb)
(%)
Subida (s)
Tamaño del
Tasa de Pérdida
Retardo de
: Empleando
el aentorno
Interfaz
Gráfica
en para
LabView
una interfaz
gráfica
el usuario
remoto
modo de
de datos fue probada
al enviar
1
18archivos 3,23
Interfaz
Gráfica
en
LabView:
Empleando
el9. ElsubidaProtocolo
desarrollo
LabView
de National
Instruments,
seFigura
desarrolló
instrumento
virtual
como
puede
apreciarse
en la
Archivo (Kb)
(%)
Subida (s)
24 y 5 Kb, a través
16 de los 5,25
de
tamaños
de
1,
2,
3,
una
interfaz
gráfica
para
el
usuario
remoto
a
modo
de
software
se
conecta
vía
FTP
al
servidor
para
descargar
y
entorno de desarrollo LabView de National
TCP
22
6,43
13
18
3,23
instrumento
virtual
como
puede
apreciarse
en la Figura
9. El
abrir
el archivo
dese
texto
generado
en interfaz
la tarjeta
Arduino.
AprotocolosTCPyUDPsobrelainfraestructura
Instruments,
desarrolló
una
gráfica
33
7,11
24
16
5,25
software
se
conecta
vía
FTP
al
servidor
para
descargar
y
partir de la decodificación del archivo, la interfaz genera losGPRSdeunoperadorcelularlocal.Esimportan32
7,93
TCP
35
22
6,43
paraelusuarioremotoamododeinstrumento
abrir
el archivo
decualitativos
texto generado
en la tarjeta
Arduino.
A
reportes
visuales
y cuantitativos
de las
señales
5
2,33
41
33
7,11
están 7,93
virtualcomopuedeapreciarseenlaFigura9.El
partir
de la decodificación
archivo, la interfaz genera los te aclarar que solo los52tiempos de subida
biomédicas
medidas en el del
paciente.
1
1,21
32
reportes
visuales
cualitativos
de las señales
UDP
1,28
13
50
2,33
softwareseconectavíaFTPalservidorparadesLa
interfaz
gráfica
posee yelcuantitativos
algoritmo inverso
para la condicionadosporlavelocidaddelsistemaysu
4
2
biomédicas
medidas
en
el
paciente.
2
1
1,21
descompresión
de la señal ECG del archivo de texto, es transmisiónGPRS,yaqueladescargayvisuali- 1,17
cargaryabrirelarchivodetextogeneradoenla
1,23
UDP
35
01
1,28
La interfaz
gráfica posee el
algoritmodel
inverso
para de
la zaciónestánsujetosalascondicionesdeconectidecir,
la
implementación
recíproca
modelo
tarjetaArduino.Apartirdeladecodificacióndel
Los envíos fueron realizados
a intervalos de 25 s y en todos los
casos la
4
1,17
descompresión
de la señal ECG del archivo de texto, es
compresión ARX.
tasa
de
error
en
la
entrega
fue
de
0%.
5
1
1,23
vidadaInternetquesetenganenelcomputador
archivo,
la interfaz
genera
los
reportes
visuales
decir,
implementación
recíproca
del
modelo de
En
lalapantalla
de la interfaz
gráfica,
la información
se
Los envíos fueron realizados a intervalos de 5 s y en todos los casos la
deloperarioremoto.Seesperaqueestaconexión
compresión
ARX.
cualitativosycuantitativosdelasseñalesbioméTablas
2, 3 yfue4depresentan
la determinación de la
actualiza
cada
3,2 segundos.
tasaLas
de error
en la entrega
0%.
En
la pantalla de la interfaz gráfica, la información se sea incertidumbre
para
la medición
de la temperatura
dicasmedidasenelpaciente.
a través de un
router
y un servicio
ADSL al corporal,
FIGURA 8 - ESQUEMA DE COMPRESIÓN DE UNA SEÑAL ECG
actualiza cada 3,2 segundos.
Revista
UAN
Tablas parcial
2, 3 y 4
la determinación
de la
la Las
saturación
depresentan
oxígeno (SPo2)
y la frecuencia
incertidumbre
para lala medición
de la temperatura
respiratoria, para
cual fueron
empleados corporal,
patrones
la saturación
parcial de oxígeno
(SPo2) y la frecuencia
referencia.
• ISSN 2145 - 0935certificados
• Vol. 5 • No.como
9 • ppinstrumentos
34-42 • julio -de
diciembre
de 2014
39
II empleados patrones
respiratoria, para la cualTABLA
fueron
certificados
como
instrumentos
de
referencia.
ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE PARA LA TEMPERATURA CORPORAL
TABLA II
• Sistema de transmisión de señales biomédicas a través del servicio general de paquetes vía radio gpr •
menos,conloqueesteparámetronoseasignificativoenladecodificaciónyvisualizacióndelos
datosentiemporeal.
La SIM CARD empleada,pertenecealatecnología3Gyeloperadorcelularquelacomercializa,
promociona como velocidad teórica de subida
sinreuso346Kbps.
Lafrecuenciadeactualizacióndelapantallaen
laestaciónremotaesde3,2s,paragarantizarel
sincronismodelsistemayeltiempoderetención
adecuadoparalavisualizacióndecadapantallazo,detalformaquelasgráficasdeECGyEMG
no se desplazan permanentemente sino que
cambian completamente sin descartar datos ni
repetirlos.
LasTablas2,3y4presentanladeterminaciónde
laincertidumbreparalamedicióndelatemperaturacorporal,lasaturaciónparcialdeoxígeno
Tabla I.Tiemposdesubidaparalosarchivos
biomédicosatravésde udp y tcpsobregprs
Tamaño
Protocolo del Archivo
(Kb)
1
2
TCP
3
4
5
1
2
UDP
3
4
5
Tasade
Pérdida
(%)
18
16
22
33
32
5
1
0
2
1
Retardo de
Subida
(s)
3,23
5,25
6,43
7,11
7,93
2,33
1,21
1,28
1,17
1,23
Losenvíosfueronrealizadosaintervalosde5syentodos
loscasoslatasadeerrorenlaentregafuede0%.
Tabla II.Estimacióndelaincertidumbre
paralatemperaturacorporal
Patrón
20
25
Promedio
Error
20,10
25,16
0,10
0,16
Incertidumbre
Expandida (U)
0,323
0,409
Comopatróndereferenciaparalamedición,fueempleadountermohigrómetroHANNAHI9564concertificadodecalibraciónvigente.
40
Universidad Antonio Nariño - Revista Facultades de Ingeniería
Tabla III.EstimacióndelaincertidumbreparaSPO2
Patrón
Promedio
Error
Incertidumbre
Expandida(U)
90
90,10
0,10
1,52
96
95.80
-0,20
1,79
Comopatróndereferenciaparalamedición,fueempleado un Analizador de Pulsioxímetros SpO2 METRON
DAEGconcertificadodecalibraciónvigente.
Tabla IV.Estimacióndelaincertidumbreparafrecuencia respiratoria
Patrón Promedio Error
15
30
15
30
0
0
Incertidumbre
Expandida(conK=2)
0,08
0,08
Como patrón de referencia para la medición, fue empleado
un simulador de paciente FLUKE PS115 con certificado de
calibración vigente.
(SPo2) y la frecuencia respiratoria, para la cual
fueron empleados patrones certificados como
instrumentos de referencia.
v. discusión
El principal aporte del proyecto presentado en
esteescritoconsisteenlaintegracióndediversos
estudios y tecnologías en una solución puntual
para la captura, medición, compresión y transmisióndeseñalesbiomédicasatravésdeinternet,sobreunareddetelefoníacelular.
Una investigación aplicada al desarrollo de una
plataforma de comunicaciones para un robot
asistencial, ha dado como fruto un sistema de
capturaytransmisióndeseñalesdeECG,EMG,
temperatura corporal y frecuencias cardíaca y
respiratoria,capazdepre-procesarycomprimir
los datos en un archivo de texto que es enviado
a un servidor en la nube, a través de Internet
empleandoGPRS.
Los algoritmos de compresión, se aplican puntualmentealasseñalesdeECG,quesereconstruyen en una terminal remota, a través de una
interfaz gráfica de usuario amigable, robusta y
sencilla, desarrollada a modo de instrumento
virtual.
• Juan Manuel Caicedo, Edgar Willington Gutierrez y Karin Correa •
El monitor remoto, se conecta al servidor en la
nubeenperiodosdetiempoigualesoinferiores
a2,45s.Estaconexiónserealizasolounavez,al
inicio,yelsistemadeescuchapermaneceabierto
hasta que el instrumento virtual sea detenido. Sin
embargo,elsistemaescapazdedetectarerrores
porfallosenlaconexióndurantelosprocesosde
transmisión y reiniciarla. Cada vez que el monitor remoto detecta que el archivo de texto de
señales biomédicas en el servidor ha cambiado
deversión,lodescargaydecodifica,enperiodos
detiempoinferioresa0,63s.
El proceso que requiere mayor tiempo, es el
que toma la subida del archivo desde la tarjeta
Arduinoatravésdelmódemcelularpormedio
deGPRS.Enestaetapa,elprocesodeinvestigación cobijó dos protocolos diferentes: el TCP y
el UDP, y como puede apreciarse en la Tabla I,
esindispensableemplearelUDPcuyavelocidad
paraarchivosdetextode5Kbfuehasta6,45vecesmayorquelasdelTCP.
Enrelaciónalostrabajosanteriores,citadosenel
estadodelartedelpresenteproyecto,existeuna
evidentemejoraenvariosaspectossignificativos:
Eltamañomáximodelpaqueteenviadoseelevó
hastalos5Kb,2,5vecesmayorqueeldeKeny
Xiaoying [10] que emplea un sistema operativo
Linux en tiempo real (el más alto encontrado
enlainvestigaciónprevia).Elretardodesubida
de los paquetes se posicionó por debajo de los
3 segundos (hasta de 1,23s), muy distante a los
trabajos citados, que en condiciones promedio
no descienden de los 15 segundos. Finalmente,
laincorporaciónmultiparamétrica(ECG,EMG,
TemperaturaCorporal,SPo2yfrecuenciasrespiratoriaycardíaca)hacensistemasdetelemedicinabasadosencomunicacionesmóviles.
vi. conclusiones
Es fácil evidenciar, frente a las mediciones realizadasyalosdatosobtenidosenlainterfazgráficaremota,quelostiemposdesubidaybajada
de los archivos de texto de señales biomédicas,
no obstaculizan el despliegue adecuado de los
gráficos de ECG y EMG. En este punto es fundamental el análisis de dos factores: el primero
es que el tiempo que permanece una señal en
pantalla, dentro del monitor remoto, es mayor
Revista
que el tiempo empleado por el sistema para la
capturaytransmisióndelosdatosparaunnuevo
pantallazo; el segundo consiste en que la velocidad de transmisión no se ve afectada por los
algoritmos de compresión y decodificación de
lasseñalesECG,puestoqueestosprocesosson
desarrollados por el microprocesador de la tarjetaArduino(cuyavelocidadderespuestaesde
1MIPS)yelprocesadordelpcempleadocomo
estaciónremota.
Al emplear las redes celulares como medio de
transmisión,laplataformadesarrolladapuedeser
empleada en cualquier lugar del mundo donde
hayacoberturadelaredcelular3Gydelsistema
GPRS,convirtiéndoloenunaalternativadebajo
costoparaelapoyoalatelemedicinadiagnóstica.
Los resultados del proceso de verificación
de las variables medidas, se hicieron frente
a instrumentos calibrados, empleados como
patrones certificados y como puede analizarse
en las Tablas II, III y IV, el funcionamiento del
sistema de captura y acondicionamiento de las
señalesescompletamenteválido,alencontrarse
errores máximos para la temperatura corporal
de 0.16°C; 1.79% para la saturación parcial de
oxígenoy0rpmparalafrecuenciarespiratoria.
La frecuencia cardíaca no fue sometida a metrologíayvalidación,yaquefuederivadaapartirde
lalecturadelECG.
El trabajo actual puede encaminarse a la incorporación modular de diversas señales biomédicas como presión arterial y glucometría, entre
otras, de forma que se pueda generalizar como
unsistemaremotodecapturaytransmisiónde
parámetrosdiagnósticosendiversaspatologías.
Unposibledesarrolloadicionaldealtoimpacto,
seríaunmódulocapazdeadquirir,comprimiry
transmitir imágenes médicas de diversas fuentes,
comorayosx,microscopios,endoscopios,entre
otros,sobreelsistemaactual.
Finalmente,laaparicióndelaplataforma4Gysu
despliegueenColombiaporpartedelosoperadoresdetelefoníacelular,rompeunagranvariedaddebarrerasdevelocidadyanchodebanda.
Actualizar el actual sistema al 4G en cuanto su
coberturacubralasregionesruralesdelpaís,sería un éxito rotundo en las intenciones de acercar
UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 5 • No. 9 • pp 34-42 • julio - diciembre de 2014
41
• Sistema de transmisión de señales biomédicas a través del servicio general de paquetes vía radio gpr •
lamedicinasobreredescelulares,aldiagnóstico
depacientesremotosentiemporeal.
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