Grupo Tematica

802.1 Protocolos de nivel superior en LANs

802.3 Ethernet

802.8 Tecnologıas de Fibra Optica

802.11 Redes de Area Local Inalambricas(WiFi)

802.15 Redes de Area Personal Inalambricas (Bluetooth, ZigBee)

802.16 Redes de Area Metropolitana Inalambricas (WiMAX)

Tabla 2.2: Principales grupos de trabajo de la IEEE. [22,52,99]

A continuacion se presentan los conceptos fundamentales de las redesutilizadas en el sistema de telemonitorizacion.

2.2.1. Redes de Area Personal o PAN (Personal Area Net-work)

Tienen una cobertura limitada, alrededor de unos pocos metros. Estetipo de redes se implementan para interconectar dispositivos como PDAs,celulares, computadores portatiles, etc. Sus tasas de transmision se encuen-tran entre los 10 bps hasta los 10Mbps. El grupo de trabajo IEEE 802.15es el encargado del estudio de las redes WPAN o Wireless-PAN. Las imple-mentaciones mas importantes de redes PAN se basan en enlaces infrarrojos(IrDA-Infrared Data Association), Bluetooth y ZigBee. Este tipo de redes secaracterizan por su baja complejidad en su diseno, bajos costos y reducidoconsumo de potencia. [22]

A continuacion se identifican las principales caracterısticas de Bluetooth,tecnologıa de transmision utilizada en el proyecto para implementar una redWPAN.

Bluetooth: El area de cubrimiento es de 10 a 15 metros aproximadamen-te. Esta especificacion industrial elimina el uso de cables entre dispositivosque se encuentren en un area limitada, permitiendo la transmision de voz ydatos en un sistema de comunicacion basado en picored o piconets (unidadbasica del sistema Bluetooth13), conformada por un nodo maestro y hasta7 nodos esclavos. Adicionalmente pueden haber 254 dispositivos esperando

13Disenado por SIG (Bluetooth Special Interest Group http://www.bluetooth.com/

bluetooth/), grupo fundado por Ericsson, IBM, Intel, Nokia, y Toshiba en 1994.

13

a unirse a la picored.

Bluetooth opera con bajos niveles de potencia, la mayor parte de losdispositivos comerciales transmiten a 1 o 10mW, en la banda de 2.4GHzcon una modulacion por desplazamientos de frecuencias. El ancho de bandapueden ser de 721 Kbps en una direccion y 57.6 Kbps en el otro sentidopara una configuracion asimetrica, o de 432.6 Kbps en ambas direccionespara una configuracion simetrica. En la ultima version (v2.0) se alcanzananchos de banda de 2.1 Mbps.

Figura 2.9: Arquitectura de la pila de protocolos de Bluetooth [109].

En la pila de protocolos del estandar Bluetooth (Ver Figura 2.9) encon-tramos RFCOMM, el cual emula un puerto serial y permite la implementa-cion del protocolo Point to Point Protocol (PPP) o el manejo de comandosAT para el establecimiento de comunicaciones por internet. [1,26,49,56,64,88,99,105]

2.2.2. Redes de Area Local o LAN (Local Area Network)

Su alcance cubre unos cuantos kilometros, aproximadamente de 10 ma 10 Km. Generalmente son redes privadas implementadas para compartirrecursos. Se distinguen por:

Su tamano: Al estar restringido se tienen tiempos de transmision li-mitados y conocidos.

14

Tecnologıa de transmision: las LAN operan de 10 a 100Mbps. Tienenun bajo retardo, del orden de microsegundos(µs) o nanosegundos(ns).Las nuevas LAN funcionan hasta 10Gbps.

Topologıa: en las LAN alambradas de difusion. Se encuentran dos prin-cipales topologıas: bus (Ejemplo: Ethernet-IEEE 802.3) y anillo (Ejem-plo: Token Ring de IBM-IEEE 802.5).

Las redes inalambricas de area local o WLAN trabajan con el estandarIEEE 802.1114, en el cual se encuentran tanto las especificaciones de la capafısica como de la capa de control de acceso al medio “MAC”. Una de las tec-nologıas de mayor uso que trabajan con este estandar es WiFi. Estas redesoperan con anchos de banda entre 2 y 10 Mbps, menores que las ofrecidascon las LAN alambradas.

A continuacion se presentan las caracterısticas de las redes LAN (Ether-net) y WLAN (WiFi), utilizados en el sistema de telemonitorizacion.

Ethernet: es la red LAN de mayor uso a nivel mundial, esta descrita enel estandar IEEE 802.3, el cual se definen caracterısticas de la capa fısica yde la capa de enlace de datos, como son el tipo de cableado, la senalizaciony las tramas de los datos. Ethernet es un conjunto de tecnologıas LAN quepuede operar con anchos de banda desde los 10Mbps hasta los 10Gbps en lasultimas versiones. Un aspecto muy importante en estas redes es el metodousado para acceder al medio, que se denomina CSMA/CD (Acceso Multiplepor Censado de Portadora con Deteccion de Colisiones) [24].

WiFi: es una tecnologıa de WLAN basada en las especificaciones delestandar IEEE 802.1115. Es una de las tecnologıas mas comunes para lasconexiones de los computadores portatiles con las redes alambradas. WiFigeneralmente se usa para referirse a las redes del estandar 802.11(b, a, g,n, . . . ). Las redes modernas, como las disenadas con el estandar 802.11n,operan con anchos de banda cercanos a los 108Mbps. [1, 47,61]

14 Un aspecto sensible en este tipo de redes es la seguridad, para lo cual se implementanalgunos protocolos de cifrado de datos entre los que tenemos WEP (Wired EquivalentPrivacy), WPA (Wi-Fi Protected Access), o WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2).

15WiFi surge como una iniciativa realizada por “Wireless Ethernet Compatibility Allian-ce (WECA), la cual fue creada por Nokia y Symbol Technologies en 1999, en el 2003 pasoa denominarse Wi-Fi Alliance, la pagina principal es http://www.wi-fi.org/)”.

15

2.2.3. Redes Celulares

Se enmarcan en el alcance de las redes WANs. Comprenden areas exten-sas como paıses y continentes. En la prestacion de los servicios de Telemedi-cina se busca tener acceso a este tipo de redes porque permiten eliminar lasbarreras geograficas en la atencion de los pacientes. Constituye la principalred a implementar en el sistema de telemonitorizacion de senales biomedi-cas propuesto, fundamentalmente por el amplio cubrimiento en el territorionacional, ademas de ofrecer condiciones tecnicas apropiadas para la trans-mision de las senales biomedicas.

BTS BTSBTS

BTSBTS

BTSBTS

CELDAS

�

MS

BSC

BSC

MSC

Otras Redes

Figura 2.10: Esquema general de las redes celulares.

El funcionamiento del sistema de telefonıa movil se basa en la divisiondel terreno a cubrir con celdas teoricamente hexagonales (Ver Figura 2.10),motivo por el cual recibe el nombre de Red Celular. Este esquema permitela reutilizacion de frecuencias en celdas no contiguas. Cada celda esta aso-ciada a una Estacion Base (BTS-Base Transceiver Station) responsable deestablecer la comunicacion con la Estacion Movil (MS-Mobile Station), lacual puede ser un celular, un modem GSM, un PC portatil, etc. [61,83,91,99]

2.3. Sistemas Embebidos

Son sistemas Hardware/Software de proposito especıfico, disenado pararealizar una o mas actividades. Esto permite su optimizacion con el objetivode mejorar el desempeno, eficiencia y confiabilidad, teniendo la posibilidadde reducir el tamano y costo de produccion.

16

Estas caracterısticas hacen a los sistemas embebidos herramientas tec-nologicas utiles en el desarrollo de dispositivos medicos para la telemonito-rizacion de senales biomedicas. [46]

Las principales diferencias de los sistemas embebidos con los computado-res personales son [19,82]:

El costo de produccion es bajo.

Pueden ser implementados en diferentes arquitecturas de procesadores.

Su desarrollo implica un diseno particular de hardware y software, conel objetivo de satisfacer la tarea especıfica que se desea cumplir.

Poseen recursos limitados de hardware, por ejemplo: en cuanto a la me-moria RAM, ROM y al manejo de los dispositivos de Entrada/Salida(E/S).

En los sistemas embebidos el consumo de potencia es un aspecto muyimportante, porque permiten implementar soluciones con bajos con-sumos de energıa.

Generalmente, los sistema embebidos poseen restricciones de tiempo,motivo por el cual, gran parte del estudio se enfoca al desarrollo deSistemas de Tiempo Real.

A continuacion se presentan los componentes principales que integran laarquitectura de estos sistemas.

2.3.1. Hardware

Los tres principales componentes de un sistema embebido son:

Unidad de Procesamiento

Los sistemas embebidos basan su implementacion en un amplio rangode arquitecturas de procesadores, que pueden ser microprocesadores o mi-crocontroladores, entre las que se encuentran: ARM [5], AVR, x86, MIPS,Hitachi SuperH, IBM/Motorola PowerPC, Motorola 68000 y Blackfin. En elApendice C se especifica la informacion basica de estas arquitecturas.

Una de las mas importantes arquitecturas de procesadores en los Siste-mas Embebidos es la ARM. Esto se debe principalmente a [55]:

17

Su arquitectura es abierta.

Se dispone de gran cantidad de informacion para los usuarios o di-senadores, entre las que se encuentran manuales, guıas de usuario yespecificaciones tecnicas.

Se utilizada en un amplio rango de aplicaciones (Ejemplo: PDAs, Ce-lulares, Camaras Digitales e Impresoras).

Es una arquitectura moderna con una amplia gama de soportes en lainterconexion de perifericos.

Estos criterios determinaron la seleccionada de esta arquitectura de procesa-dores para el desarrollo de la tesis. A continuacion se presenta la informacionprincipal de los procesadores ARM. [29,33,110]

ARM (Advanced RISC Machines) [55,109,110]: 16 es una familia deprocesadores RISC (Reduced Instruction Set Computer) disenado porAcorn Computers y desarrollado por Advanced RISC Machines Ltd.En desarrollo de la tesis se utilizo el nucleo ARM920T de la familia deprocesadores ARM9TDMI17. En el Apendice C, Figura C.1 se presentael diagrama de bloques de la arquitectura interna de este nucleo.

Dispositivos de Almacenamiento

Los sistemas embebidos necesitan tener uno o varios dispositivos de al-macenamiento de informacion para inicializar el sistema, ejecutar los pro-gramas y administrar los recursos. Los dispositivos de almacenamiento sepueden clasificar como:

a. Memorias Volatiles: [62] son dispositivos que requieren estar cons-tantemente energizados para mantener la informacion almacenada. Ge-neralmente son utilizadas como memorias de acceso aleatorio (RAM),principalmente por el bajo tiempo de acceso de lectura/escritura. Al-gunos ejemplos de este tipo de memorias son: SRAM o RAM estaticas,DRAM o RAM dinamica y SDRAM (Synchronous Dynamic RandomAccess Memory), la cual es una memoria DRAM con interfaz sincroni-ca y es la que mas se utiliza en los sistemas embebidos.

16La pagina web de ARM es http://www.arm.com/.17La lista completa de las arquitecturas y nucleos puede consultarse en la pagina http:

//www.arm.com/products/processors/index.php

18

b. Memorias no Volatiles: son dispositivos que almacenan informa-cion por largos perıodos de tiempo, ası no esten energizados. Algu-nos ejemplos de estos dispositivos son: DVD, Disco duro, memoriasEPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory), flash (TipoNOR o NAND) [19, 82, 110], NVRAM (Non-volatile random accessmemory) y ROM (Read Only Memory)18.

Perifericos

Estos dispositivos se emplean principalmente para adquirir, transmitiry almacenar la informacion de los procesos realizados en el sistema. [20,82,86,110] Algunos de los perifericos, interfaces y buses que pueden ser usadosson:

Interfaces de comunicacion serial o SCI (Serial Communication Inter-faces): RS-232, RS-422, RS-423, RS-485. Generalmente se emplea unpuerto RS-232 para realizar las actividades de desarrollo y depuracionentre el host y el sistema embebido.

Interfaces de comunicacion serial sincronicas: I2C (Inter IntegratedCircuit), SPI (Serial Peripheral Interface Bus) y ESSI (Enhanced Syn-chronous Serial Interface).

Dispositivos de comunicacion: modems, tarjetas de red (Ethernet), tar-jetas inalambricas.

Puertos: USB (Universal Serial Bus), paralelos, ISA (The IndustryStandard Architecture), PCI (The Peripheral Component Intercon-nect), PCMCIA (Personal Computer Memory Card International As-sociation), GPIO (General Purpose Input/Output), IEEE1394 (Fire-Wire).

Conversores Analogos/Digitales o Digitales/Analogos (ADC/DAC),monitor, pantalla tactil, teclado y raton.

Componentes de depuracion: soporte JTAG (Joint Test Action Group),ISP (In-system programming), ICSP (In Circuit Serial Programming),interfaz BDM (Background Debug Mode).

18En los sistemas embebidos generalmente se usa la memoria ROM para almacenar elfirmware, el cual es un programa de proposito especıfico ligado al hardware que funcionacomo una interfaz para controlar la electronica del dispositivo, con el objetivo de realizarcorrectamente las instrucciones externas que recibe.

19

Controladores para memorias: Compact Flash, NAND flash, Data-Flash, SDRAM, SD/MMC.

Es importante aclarar que uno de los aspectos que varıa con frecuencia entrelos diferentes sistemas embebidos es el manejo de los dispositivos de E/S,interfaces y/o buses.

2.3.2. Software

En estos sistemas se implementa un Sistema Operativo Embebido, di-senado para ser compacto y eficiente, capaz de administrar los recursos ypermitir la comunicacion hardware/software con el fin de realizar las ta-reas especıficas para las que esta disenado. Algunos de los principales S.O.Embebidos son:

Symbian OS:19 disenado para dispositivos moviles y celulares, operacon licencia Nokia Symbian bajo un modelo de codigo compartido, esdecir es Software propietario. Soporta arquitecturas ARM y es com-patible con x86.

Windows CE (Microsoft Windows CE)20: Software propietario queopera con una licencia MS-EULA. Soporta la plataforma x86 y escompatible con arquitecturas de procesadores MIPS y ARM. [98].

Palm OS (Garnet OS)21 Software propietario que opera con una li-cencia EULA, utilizado en las PDAs (Personal Digital Assistants).Soporta arquitecturas ARM.

Linux embebido22 las principales ventajas de utilizar este S.O. conrespecto a los otros son [19,109]:

• Existe gran cantidad de informacion, software y soporte en lınea.

• Es libre su codigo fuente, esta disponible (codigo abierto).

• Se tiene independencia del vendedor.

• Es estable y pequeno(ocupa alrededor de 2MB).

• Ofrece portabilidad del codigo y

19La pagina web de Symbian es: http://symbian.nokia.com/20La pagina web de Windows CE es: http://www.microsoft.com/windowsembedded/

en-us/windows-embedded.aspx21La pagina web de Garnet OS es:http://www.access-company.com/products/

platforms/garnet/index.html22La pagina web de Linux Embebido es: http://elinux.org/Main_Page

20

• Soporte a una gran variedad de hardware entre las que se encuen-tra ARM, MIPS, x86.

Estas ventajas son las principales motivaciones por las cuales se emplea elLinux embebido en el desarrollo de la tesis. A continuacion se presenta lasprincipales caracterısticas de este S.O..

Linux Embebido

Corresponde al uso del sistema operativo Linux en el sistema embebi-do23, de tal forma que se pueda implementar el kernel o nucleo de Linuxjunto con otras utilidades o herramientas del software libre en el limitadoespacio disponible24. Actualmente, existen varias distribuciones que pue-den ser implementadas en los sistemas embebidos, entre la que se encuen-tran: Angstrom distribution, Openembedded, Embedded Debian, OpenZau-rus, BlueCat, SlugOS, MontaVista, RTLinux, Maemo (basado en Debian),Openmoko Linux y Android [2, 77,80,82,110].

Arquitectura del Sistema de Linux Embebido

La estructura de estos sistemas es similar a cualquier arquitectura deun Linux generico, fundamentalmente por estar disenados al mismo nivelde abstraccion. En la Figura 2.11 se muestra una arquitectura general pa-ra estos sistemas, identificando en una forma muy resumida sus principalescomponentes. [19, 76,78,82,100,110]

El kernel es el componente fundamental del Sistema Operativo, su prin-cipal tarea es administrar el hardware, de tal forma que ofrezca a las apli-caciones de nivel de usuario un nivel de abstraccion elevado que facilite sumanipulacion, por ejemplo mediante la implementacion de APIs (Applica-tion Programming Interface). Algunas de las actividades que realiza son:manejar los dispositivos, controlar los accesos de E/S, administrar los pro-cesos y el manejo de la memoria compartida.

23Algunas de las ventajas que ofrece el uso del Linux embebido son: existe gran cantidadde informacion, software y soporte en lınea, es libre su codigo fuente, esta disponible (codi-go abierto), se tiene independencia del vendedor, es estable y pequeno(ocupa alrededor de2MB), ofrece portabilidad del codigo y soporte a una gran variedad de hardware.

24No es necesario desarrollar un kernel especial para el sistema embebido, se puedenemplear los kernel oficiales de Linux, realizando las modificaciones necesarias para serintegrado al sistema.

21

HARDWARE

Kernel

APLICACION

LIBRERIAS

Abstraccion de Alto Nivel

Interfaz de Bajo Nivel

Sistema deArchivos

Protocolosde Red

Figura 2.11: Arquitectura general de un Sistema de Linux Embebido. [110]

Como se identifica en la Figura 2.11 el Kernel basicamente se componede: una Interfaz de Bajo Nivel 25, en la que se gestionan y controlandirectamente los recursos de hardware, unos Componentes de alto nivelo “Abstraccion de Alto Nivel”, que generalmente es independiente del hard-ware y provee abstracciones comunes a todos los sistemas Unix, incluyendoprocesos, archivos, sockets y senales, y entre estos dos niveles se encuentranlos Componentes de interpretacion que captan e interactuan con lasestructuras de datos recibidas o transmitidas por los dispositivos. Los tiposde sistemas de archivos (FAT32, NTFS, EXT2, EXT3, EXT4 . . . ) y los pro-tocolos de red son ejemplos de estructuras de datos.

Cuando el kernel se encuentra operando, requiere manejar una estructuraadecuada del sistema de archivo, que se denomina Root Filesystem oSistema de Archivos Raız, cargado al momento del arranque del sistemaoperativo, que es una estructura de directorios jerarquicos en forma de arbol,donde se almacenan las aplicaciones, librerıas y archivos relacionados conlos programas ejecutados. En el Root Filesystem el directorio principal sedenomina Root y se simboliza por / . El nivel de abstraccion ofrecido por el

25La interfaz de Bajo Nivel es especifica para cada una de las arquitecturas de Hard-ware que se esten usando, por ejemplo: es diferente el manejo de la memoria para lasarquitecturas de procesadores MIPs y ARM.

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kernel aun no es adecuado para la ejecucion de las aplicaciones, es necesariola implementacion de librerıas y programas Demonios (Deamons) en el nivelde usuario que ofrezcan, por ejemplo, APIs capaces de interactuar con elKernel y a su vez ofrecer la funcionalidad deseada. Algunas librerıas son:Qt, XML, MD5, µClibc y GNU C (Principal librerıa usada en los sistemasembebidos).

Herramientas de Desarrollo

En el diseno de los sistemas embebidos, generalmente, es necesario eluso de un computador que ofrezca las herramientas de hardware y softwarenecesarias para el desarrollo, eliminando las limitaciones existentes. De estaforma, se busca implementar una plataforma acondicionada para la crea-cion, compilacion y prueba de los programas o componentes de software quese necesiten incorporar al sistema. Este tipo de herramientas se denominanplataformas cruzadas de desarrollo (Cross-Platform Development Tools) ycontienen compiladores, sistemas de enlace (Linkers), interpretes, ambientesde desarrollo integrados, etc. Estas plataformas se basan en la compilacioncruzada26, que consiste en crear o generar un codigo ejecutable para el sis-tema embebido en un computador personal denominado Host, permitiendoseparar el entorno de desarrollo.

2.4. Marco Legal

Para evitar o minimizar los riesgos que pueda presentar un dispositivomedico para la telemonitorizacion de senales biomedicas, es de vital im-portancia considerar los requerimientos contenidos en las normas tecnicasdurante todo el proceso de diseno. Esto permitira, a su vez, una reducciontanto en el tiempo como en los costos de fabricacion al momento de la comer-cializacion del equipo. Un diseno minucioso garantiza la deteccion tempranade errores o fallos, que de otra forma habrıan surgido al final del proceso.A continuacion se presentan las normas mas relevantes que estan ligadas aeste tema. (La informacion contenida en esta seccion se basa en el reportetecnico “Marco Legal de los Dispositivos Medicos en Colombia”, realizadoen el proceso de desarrollo de la Tesis, el cual se encuentra en el CD.)

26Para realizar la compilacion cruzada es necesario instalar, las librerıas (ejemplo: glibc),el compilador (ejemplo: gcc) y los Binutils (coleccion de herramientas de programacion).

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2.4.1. Normas Nacionales

Las normas NTC-IEC 60601 homologadas por el ICONTEC para elambito nacional estandarizan los dispositivos medicos, principalmente enlos temas de seguridad que garanticen un funcionamiento optimo y adecua-do de estos equipos en el campo de la medicina. En la Figura 2.12 se resaltanlas normas aplicables a los dispositivos disenados para la telemonitorizacionde las senales biomedicas, entre las que se encuentra la NTC-IEC 60601-1,la cual corresponde a la norma base o principal donde se especifican los re-querimientos generales de seguridad. [51].

Figura 2.12: Normas NTC-IEC 60601, homologadas por el ICONTEC, aplicables a losdispositivos de telemonitorizacion.

A continuacion se presenta el objeto y/o aplicacion extraıdos de cadauna de las normas.

NTC-IEC 60601-1 EQUIPO ELECTROMEDICO. PARTE 1: RE-QUISITOS GENERALES PARA LA SEGURIDAD: “El objeto deesta norma es el de especificar los requisitos generales para la seguri-dad de los equipos electromedicos y servir de base para los requisitosde seguridad de las normas particulares.”

Esta norma presenta aspectos de seguridad tales como: las pruebasque se deben realizar a un equipo para su funcionamiento, los fallos encomponentes electronicos a evitar, las protecciones de tierra que se be-

24

ben tener, la aparicion de tensiones electricas en las senales, presenciade tensiones electricas en los componentes que tienen contacto con elpaciente, fallos en componentes mecanicos, condiciones de aislamientoy especificaciones de los mandos de control.

En la Tabla 2.3 se identifican las medidas a realizar segun la normaNTC-IEC 60601-1, con sus respectivos valores de referencia, para ga-rantizar la seguridad electrica en el funcionamiento de este tipo dedispositivos.

Medida Unidad ValorTension de Red VAC 117,0Corriente de Fuga a Tierra µA ≤ 500Condicion de Primera Falla µA ≤ 1000Corriente de Fuga al Chasis µA ≤ 100Condicion Primera Falla µA ≤ 500Condicion Segunda Falla µA ≤ 500Corriente Fuga Electrica Paciente a Tierra µA ≤ 10Condicion Primera Falla µA ≤ 10Condicion Segunda Falla µA ≤ 10Condicion Tercera Falla µA ≤ 10Corriente Auxiliar Electrica Partes Aplicables µA ≤ 10Condicion Primera Falla µA ≤ 50Condicion Segunda Falla µA ≤ 50Condicion Tercera Falla µA ≤ 50Resistencia a Tierra Ohmios ≤ 0,2

Tabla 2.3: Especificaciones tecnicas en seguridad electrica segun la norma NTC-IEC60601-1

NTC-IEC 60601-1-1 EQUIPOS ELECTROMEDICOS. PARTE 1: REQUI-SITOS GENERALES DE SEGURIDAD. SECCION 1: Norma Colateral. Re-quisitos De Seguridad Para Sistemas Electromedicos: “Esta norma se aplicaa la seguridad de Sistemas Electromedicos. Describe los requisitos de segu-ridad para Sistemas Electromedicos con el fin de asegurar la proteccion delPACIENTE, del OPERADOR y del entorno. Se supone que las partes en-cargadas del montaje o modificacion de los Sistemas Electromedicos debentomar las medidas necesarias para asegurar la conformidad con esta norma.”

NTC-IEC 60601-1-2 EQUIPOS ELECTROMEDICOS. PARTE 1-2: RE-QUISITOS GENERALES DE SEGURIDAD. Norma Colateral. Compatibi-

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lidad Electromagnetica. Requisitos Y Ensayos: “Esta norma especifica losrequisitos y ensayos relacionados con la Compatibilidad Electromagnetica deEquipos y/o Sistemas, y sirve como base de posibles requisitos adicionales deCompatibilidad Electromagnetica y de Normas Particulares.”

NTC-IEC 60601-1-4 EQUIPOS ELECTROMEDICOS. PARTE 1: REQUI-SITOS GENERALES PARA LA SEGURIDAD SECCION 4: Norma Cola-teral. SISTEMAS ELECTROMEDICOS PROGRAMABLES: “Esta NormaColateral se aplica a la Seguridad de los Equipos Electromedicos y de losSistemas Electromedicos que incorporan SUBSISTEMAS ELECTRONICOSPROGRAMABLES (SSEP), a los que de ahora en adelante nos referiremoscomo Sistemas Electromedicos Programables (SEMP).”

NTC-IEC 60601-2-25 EQUIPOS ELECTROMEDICOS. PARTE 2: REQUI-SITOS PARTICULARES PARA LA SEGURIDAD DE ELECTROCAR-DIOGRAFOS: “El objeto de esta norma particular es especificar los requisi-tos particulares de seguridad de los equipos para la vigilancia de la presionsanguınea de funcionamiento automatico, cıclico e indirecto, prestando espe-cial atencion a la prevencion de riesgos debidos al proceso de inflado.”

NTC-IEC 60601-2-27 EQUIPOS ELECTROMEDICOS. PARTE 2: REQUI-SITOS PARTICULARES PARA LA SEGURIDAD DE EQUIPOS DE SU-PERVISION ELECTROCARDIOGRAFICA: “Esta norma especifica los re-quisitos particulares referentes a la seguridad de equipos de supervision elec-trocardiografica tal y como se definen en 2.101 y denominados tambien en loque sigue como equipo.”

NTC-IEC 60601-2-30 Equipos Electromedicos. PARTE 2-30: REQUISITOSPARTICULARES PARA LA SEGURIDAD DE LOS EQUIPOS DE SU-PERVISION DE LA PRESION SANGUINEA, DE FUNCIONAMIENTOAUTOMATICO, CICLICO E INDIRECTO: “El objeto de esta norma par-ticular es especificar los requisitos particulares de seguridad de los equipospara la vigilancia de la presion sanguınea de funcionamiento automatico, cıcli-co e indirecto, prestando especial atencion a la prevencion de riesgos debidosal proceso de inflado.”

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Capıtulo 3

Sistema deTelemonitorizacion deSenales Biomedicas

Este capıtulo describe el diseno e implementacion del sistema embebidopara la adquisicion y transmision de senales biomedicas a traves de redesinalambricas, y su integracion en el sistema de telemonitorizacion. En laSeccion 3.1 se identifica el problema y el contexto en el cual se desarrolla latesis, en la Seccion 3.2 se presenta la solucion a implementar en el sistemade telemonitorizacion propuesto, en la Seccion 3.3 se presenta el disposi-tivo de adquisicion de senales biomedicas, en el cual se integra el sistemaTES ROv2.0 disenado, en la Seccion 3.4 se presenta en forma detalla eldesarrollo e implementacion del hardware y el software del Sistema Embe-bido TES ROv2.0, en la Seccion 3.5 se presenta la descripcion del diseno delos modulos de adquisicion y comunicacion, identificando las configuracio-nes necesarias para que el sistema TES ROv2.0 transmita por varios tiposde redes, en la Seccion 3.6 se presenta el proceso realizado para integrarel dispositivo de adquisicion de senales con el sistema de informacion SA-RURO, presentando las capturas realizadas, y en la Seccion 3.7 se presentala implementacion final del Dispositivos de Telemonitorizacion de senalesbiomedicas, el cual funciona con el sistema TES ROv2.0.

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3.1. Descripcion Tecnica del Problema

La utilizacion de las Telecomunicaciones en la medicina ha permitido laimplementacion de nuevas estrategias para la prestacion de los servicios desalud. En particular, la tesis se desarrolla en la estrategia correspondiente ala telemonitorizacion de senales biomedicas.

El desarrollo de la tesis se apoya en la estructura del sistema de telemo-nitorizacion del Centro de Telemedicina, la cual se presenta en la Figura 3.1,y tiene como funciones capturar, procesar, adaptar y visualizar las senales.

Figura 3.1: Esquema general del sistema de telemonitorizacion de senales biomedicasdel Centro de Telemedicina, implementado con SARURO [104].

El funcionamiento del sistema inicia con la adquisicion de las senalesbiomedicas utilizando un dispositivo electronico y un Computador Perso-nal, los cuales procesan y adecuan las senales para transmitirlas al sistemade informacion SARURO [104] (Ver Seccion 2.1.4). El sistema de informa-cion esta instalado en el Computador, el cual posee la aplicacion graficapara visualizar la informacion localmente y permitir su envıo al servidorde Telemedicina, desde el cual se transmite la informacion al centro de refe-rencia o al lugar en donde se encuentre conectado el medico y/o especialista.

En el dispositivo de adquisicion de senales, se necesitaba disenar e imple-mentar una herramienta capaz de realizar la transmision por redes inalambri-cas al sistema SARURO [104], de la informacion proveniente de las tarjetas

28

de adquisicion de senales biomedicas, aspecto puntual en el cual se trabajo latesis. A continuacion, se presentan los requerimientos a cumplir por la he-rramienta de comunicacion a ser integrada en el dispositivo.

3.1.1. Analisis de Requerimientos

Los requerimientos son:

Ofrecer flexibilidad en el manejo de la informacion: el sistema debetener la capacidad de almacenar, procesar y adaptar la informacionmedica para realizar su transmision por redes inalambricas al sistemade informacion. Ademas, deber ser facil de reprogramar, de tal formaque permita manejar diversos protocolos de transmision y empaque-tado de las senales biomedicas.

Capturar la informacion proveniente de las tarjetas de adquisicion desenales biomedicas seleccionadas.

Permitir la integracion de dispositivos de comunicacion externos pa-ra transmitir la informacion por la red Celular, especialmente, en elmanejo de un modem GSM con conexion por USB.

El sistema debe ser facil de adaptar al sistema de telemonitorizacion: eldiseno debe permitir la interconexion en forma sencilla con el sistemade informacion clınico, adaptando las caracterısticas, especialmentedel hardware, a las necesidades del sistema en la adquisicion de lainformacion de las senales.

El sistema debe ser un diseno que integre los componentes necesariospara interconectarse con las tarjetas de adquisicion de senales y losdispositivos externos de comunicacion, de tal forma que no se requierael uso de tarjetas o componentes electronicos adicionales.

Tener un tamano limitado que permita su adaptacion en el disposi-tivo: la solucion a implementar debe tener un tamano reducido quefacilite su incorporacion en el dispositivo, de tal forma que favorezcasu transporte y su utilizacion en el campo de la Telemedicina.

Ser una solucion economica: la herramienta desarrollada debe ser unasolucion economica que reduzca los costos derivados por la utilizacionde componentes electronicos comerciales1.

1Es importante destacar que implementar este tipo de soluciones con componentes

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3.2. Sistema de Telemonitorizacion Propuesto

La solucion a implementar se basada en el diseno de un Sistema Embe-bido TES ROv2.02, el cual funciona como una herramienta de comunicacionentre la captura de las senales biomedicas3, y la transmision de la informa-cion por redes inalambricas al sistema de informacion SARURO [104].

El sistema embebido (S.E.) TES ROv2.0 hace parte del dispositivo, comose presenta en la Figura 3.2, el cual es utilizado en el sistema de telemonitori-zacion de senales biomedicas. En esta figura se especifica el esquema generalde la solucion a implementar, detallando los componentes, con los cuales serealiza la transmision de la informacion en el dispositivo.

Figura 3.2: Esquema general de la solucion a implementar.

El funcionamiento del sistema propuesto, consiste en capturar las senalesbiomedicas por medio de sensores, los cuales digitalizan la senales. Posterior

comerciales, los cuales no son disenos a la medida, requieren la utilizacion adicional demas componentes y tarjetas, incrementando el costo de desarrollo.

2La informacion sobre los sistemas embebidos esta disponible en la Seccion 2.3.3La captura de las senales biomedicas se realizada con tres tarjetas comerciales, como

se identifica en la Figura 3.2.

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a esto, la informacion se envıa al sistema TES ROv2.0, el cual se encargade almacenar, adaptar y transmitir la informacion a SARURO [104]. Eneste sistema se visualiza la informacion y se tiene la opcion de realizar unamonitorizacion local o remota por medio de una aplicacion Web.

3.3. Dispositivo de Adquisicion de Senales

En la tesis se implemento un dispositivo de telemonitorizacion de senalesbiomedicas4, cuyo plano interno se presenta en la Figura 3.3, en la cual seidentifican las ubicaciones del Sistema Embebido TES ROv2.0 y las trestarjetas de adquisicion de senales.

Figura 3.3: Plano interno del dispositivo de adquisicion de senales.

3.3.1. Adquisicion de las Senales Biomedicas

Las senales biomedicas seleccionadas para el desarrollo del proyectos co-rresponden al electrocardiograma (ECG) (Ver Seccion 2.1.1), la frecuenciacardıaca (FC) (Ver Seccion 2.1.1), la saturacion de oxıgeno en la sangre(SO2) (Ver Seccion 2.1.2) y la presion arterial (PA) (Ver Seccion 2.1.3)5.Estas senales biomedicas suministran informacion relevante, con la cual se

4Este dispositivo se ha utilizado en el Centro de Telemedicina, y fue desarrollado en latesis dentro del grupo de investigacion BioIngenium.

5Este grupo de senales biomedicas son usadas en el Centro de Telemedicina para mo-nitorizar el estado de los pacientes en las Unidades de Cuidados Intermedios (UCIs),las cuales se implementaron y se utilizan en el servicio de Telemedicina prestado a CA-PRECOM. Las UCIs han sido desarrolladas en las actividades de investigacion del grupoBioIngenium.

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puede monitorizar el estado de un paciente, ya sea en el diagnostico, segui-miento y/o control de una patologıa.

Para la adquisicion de las senales biomedicas se utiliza un conjunto decomponentes electronicos OEM6 (Ver Figura 3.4), adquiridos por el Centrode Telemedicina7. Estas tarjetas son fabricadas por la companıa alemanaMEDLAB8, los cuales cumplen con las disposiciones de la norma tecnica EN60601-1, en la cual se especifican los requerimientos generales de seguridadque deben cumplir los equipos medicos.

Figura 3.4: Adquisicion de las senales biomedicas.

A continuacion se presentan las tarjetas implementadas en el sistema detelemonitorizacion propuesto, con sus principales caracterısticas tecnicas9.

Adquisicion de la Senal del ECG

Para la adquisicion de esta senal se utiliza una tarjeta de referenciacomercial EG01010 (ECG OEM Module - Medlab GmbH)10, presentada enla Figura 3.5, la cual esta fabricada segun la norma IEC 60601-1 y puedeser utilizada en el desarrollo de equipos para la monitorizacion de senales

6OEM corresponde a las siglas de Original Equipment Manufacturer.7La seleccion de estos componentes fue realizada en el grupo de investigacion BioInge-

nium para el desarrollo de los proyectos implementados en el Centro de Telemedicina.8Medlab es una empresa reconocida en la fabricacion de dispositivos medicos, especial-

mente en Europa, fundada en 1993, la cual ofrece un gran numero de equipos incluyendocomponentes electronicos OEM, cumpliendo con estandares internacionales en los procesosde fabricacion, entre los que se encuentra la ISO 9001:2000. [65]

9Esta informacion ha sido extraıda de los manuales y las hojas de datos, los cuales seencuentran en el CD.

10La informacion de la tarjeta EG01010 puede ser consultada en la pagina Web http:

//www.medlab.eu/english/modules/ekgmodules/eg01010/index.html

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biomedicas.

Figura 3.5: Componentes electronicos para la captura del ECG. [65]

Las senales son capturadas con electrodos superficiales de baja impedan-cia y permite la deteccion de las tres derivaciones bipolares de los miembros:I, II y III (Ver Seccion 2.1.1). El protocolo de comunicacion que estableceesta tarjeta, usa el estandar RS232 asıncrono con la siguiente configuracion:

Velocidad de comunicacion 9600 baudios.Numero de bits de datos 8.

Modo asıncrono bidireccional.Bit de parada 1.

Paridad ninguna.

Las caracterısticas tecnicas de la tarjeta se presentan en la Tabla 3.1.

CARACTERISTICATamano: 77mm x 52.5mm, altura maxima de 10mm.Peso: 28g.Alimentacion: 5V ± 10 %.Consumo de potencia: aproximadamente 150 mW.Consumo de corriente: 26 a 30 mA.Aislamiento galvanico de la tarjeta.Rango de deteccion de la frecuencia cardiaca: 30 - 250 lpm.Precision frecuencia cardiaca: ± 1 %, ± 1 dıgito.Filtro notch de 60 Hz.Cables conductores aislados galvanicamente para proteccion contra ruido externoy disenados para soportar voltajes de desfibrilacion.

Tabla 3.1: Caracterısticas tecnicas principales de la Tarjeta de Adquisicion de ECG.

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Medicion de la Saturacion de Oxıgeno en la Sangre

Para la adquisicion de esta senal se utiliza el sensor de Oximetrıa y latarjeta de referencia comercial PEARL 100 (SpO2 OEM Module - MedlabGmbH)11, presentada en la Figura 3.6. El modulo cumple con los siguientesestandares: IEC 60601-1:1996, IEC 60601-1-4:2001 y EN ISO9919:2005.

Figura 3.6: Componentes electronicos para la medicion de SpO2. [65]

La tarjeta permite capturar y medir el nivel de SO2, la componente ACde la luz absorbida en la region infrarroja y la frecuencia cardiaca (Ver Sec-ciones 2.1.2 y 2.1.1). El protocolo de comunicacion que establece esta tarjeta,usa el estandar RS232 asıncrono con la siguiente configuracion:

Velocidad de comunicacion 9600 baudios.Numero de bits de datos 8.

Modo asıncrono unidireccional.Bit de parada 1.

Paridad ninguna.

Las caracterısticas tecnicas de la tarjeta se presentan en la Tabla 3.2.

11La informacion de la tarjeta PEARL 100 puede ser consultada en la pagina Webhttp://www.medlab-gmbh.de/english/modules/pulseoximetry/pearl/index.html

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CARACTERISTICATamano de 77mm x 53mm, altura maxima de 6mm.Peso: 23g.Alimentacion: 2.5 - 5.5 V.Consumo de corriente: 33 a 60 mA.Consumo de potencia: 100 - 150 mW, dependiendo del voltaje de alimentacion.Rango para la medicion de la frecuencia cardiaca: 30 - 250 lpm.Precision de la frecuencia cardiaca: ± 1 %, ± 1 dıgito.Rango de medida del nivel de SO2: 0 % a 100 %.

Tabla 3.2: Caracterısticas tecnicas principales de la Tarjeta de Adquisicion de SpO2.

Medicion de la Presion Arterial

Para la adquisicion de esta senal se utiliza el brazalete y la tarjeta dereferencia comercial NIBP 2000 (OEM Module - Medlab GmbH)12, presen-tados en la Figura 3.7. El modulo se fabrica cumpliendo los estandares: ENIEC 60601-1, EN IEC 60601-2-30:2000, EN ISO 1060-1:1995, EN ISO 1060-3:1997 y EN ISO 1060-4:2004.

Figura 3.7: Componentes electronicos para la medicion de PA. [65]

El dispositivo permite la medicion de: presion arterial media (PAM)13,PA diastolica (DBP), PA sistolica (SBP) y frecuencia cardıaca (Ver Seccion

12La informacion de la tarjeta NIBP 2000 puede ser consultada en la pagina Web http:

//www.medlab.eu/english/modules/nibpmodules/nibp2000/index.html13Presion Arterial Media(PAM): corresponde a la presion promedio medida en un ciclo

cardıaco completo [42]. Se calcula con la ecuacion 3.1:

PAM = Pdiastolica +Psistolica − Pdiastolica

3(3.1)

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2.1.3). El modulo se puede configurar para realizar mediciones cıclicas conintervalos de 1 a 90 minutos. El protocolo de comunicacion que estableceesta tarjeta, usa el estandar RS232 asıncrono con la siguiente configuracion:

Velocidad de comunicacion 4800 baudios.Numero de bits de datos 8.

Modo asıncrono bidireccional.Bit de parada 1.

Paridad ninguna.

Las caracterısticas tecnicas de la tarjeta se presentan en la Tabla 3.3.

CARACTERISTICATamano: 128mm x 68mm, altura maxima de 34mm.Peso: 170g.Alimentacion: 7V ± 15 % o 12V ± 15 %.Consumo de corriente: 50 a 750mA.Consumo de potencia: durante la medicion: maximo 3.5W y en reposo: maximo0.35W.Rango para la medicion de la frecuencia cardiaca: 30 - 250 lpm.

Tabla 3.3: Caracterısticas tecnicas principales de la Tarjeta de Adquisicion de PA.

3.4. Sistema Embebido TES ROv2.0

La herramienta de comunicacion TES ROv2.0 creada en la tesis es unsistema embebido disenado a la medida, el cual integrar los componentesnecesarios para conectar e interactuar con los dispositivos de comunicaciony las tarjetas de adquisicion de senales, sin la necesidad de utilizar compo-nentes electronicos complementarios en el dispositivo de Telemonitorizacion.

3.4.1. Seleccion del Sistema Embebido

Inicialmente, la telemonitorizacion de las senales biomedicas en el Centrode Telemedicina se realizaba utilizando un Computador Personal, solucionque limitaba la portabilidad del sistema, al tener un tamano considerable,e incrementaba los costos. Esta opcion era un desarrollo sobredimensionado

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para la funcion a implementar, la cual consiste en la captura y transmisionde las senales biomedicas por redes inalambricas.

Una de las mas importantes restricciones que se tenıan al utilizar uncomputador en el sistema consistıa en la carencia de los perifericos especıfi-cos para realizar la telemonitorizacion, siendo necesario utilizar dispositivosexternos tanto para la captura como para la transmision de la informacionde las senales biomedicas.

A partir de estos aspectos, se planteo el desarrollo de la tesis que teniacomo motivacion principal generar una solucion integrada, disenando e im-plementando un S.E. como una herramienta de comunicacion en el sistemade telemonitorizacion.

Se escogio los S.E. para implementar el dispositivo de telemonitorizacionporque ofrecen gran versatilidad en el manejo de la informacion, permitendisenar sistemas independientes de computadores, se pueden realizar aplica-ciones especificas y gestionar en forma eficaz los recursos, tanto de softwarecomo de hardware, para realizar los procesos de captura, almacenamiento ytransmision de la informacion de las senales biomedicas.

En este punto se tenıan dos opciones las cuales correspondıan a utilizarun sistema embebido comercial como: la BeagleBoard14, DevKit325015, oATMEL ATEVK110016 o disenar un sistema embebido propio. Para tomarla decision de construir un S.E. propio se tuvieron en cuenta los criteriosque se presentan en la Tabla 3.4 y se analizan a continuacion, con los cualesse puedo establecer que disenar e implementar el S.E. TES ROv2.0 era unade las mejores opciones en ese momento.

a. Conocimiento de la Arquitectura del sistema: en los sistemas comer-ciales no se revela la arquitectura de hardware que lo compone por serparte del negocio. Por otro lado, al disenar una arquitectura propia

14La pagina web del S.E. es: http://beagleboard.org/. Su costo es de $149, Trabajacon Linux Embebido y tiene un procesador OMAP3530.

15La pagina web del S.E. DevKit3250 es: http://www.armkits.com/product/

devkit3250.asp. Tiene un costo de $199, funciona con Linux Embebido, tiene un pro-cesador de 266MHz, ARM926EJ S core.

16La pagina web del S.E. ATMEL ATEVK1100 es: http://www.newark.com/. Tiene uncosto de $171, funciona con una arquitectura de procesador AVR32 y se trabaja con LinuxEmbebido.

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