TRABAJO FIN DE GRADO - Sara Alvarez
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TRABAJO FIN DE GRADO
GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y
SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN
DESARROLLO DE UN SISTEMA BASADO
EN EL CONCEPTO DE INTERNET DE LAS
COSAS (IoT) PARA LA PREVENCIÓN DE
ENFERMEDADES CRÓNICAS Y EL APOYO
A ESTILOS DE VIDA SALUDABLES
SARA ÁLVAREZ VINAGRE
2017
TRABAJO FIN DE GRADO
Título: Desarrollo de un sistema basado en el concepto de Internet de
las cosas (IoT) para la prevención de enfermedades crónicas y
el apoyo a estilos de vida saludables
Autor: D. Sara Álvarez Vinagre
Tutor: D. José M. Iniesta Chamorro
Ponente: D. Mª Elena Hernando Pérez
Departamento: Departamento de Tecnología Fotónica y Bioingeniería
TRIBUNAL:
Presidente:
Vocal:
Secretario:
Suplente:
Fecha de lectura:
Calificación:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR
DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y
SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN
DESARROLLO DE UN SISTEMA
BASADO EN EL CONCEPTO DE
INTERNET DE LAS COSAS (IoT) PARA
LA PREVENCIÓN DE ENFERMEDADES
CRÓNICAS Y EL APOYO A ESTILOS DE
VIDA SALUDABLES
SARA ÁLVAREZ VINAGRE
2017
Resumen Debido al estilo de vida imperante en la actualidad, nuestros hábitos se han tornado poco saludables. Esto ha producido un aumento en el número de personas que padecen enfermedades crónicas como la diabetes, la depresión o las dolencias cardíacas. La razón es el aumento de los factores de riesgo asociados a estas: bajo nivel de actividad física, mala alimentación y descanso inadecuado. El trabajo desarrollado propone un sistema para la adquisición de hábitos de vida saludables basándose en el Internet de las cosas. Se lleva a cabo la monitorización del paciente de manera no invasiva mediante el uso de una pulsera de actividad física y de un dispositivo de medición de sueño. Además, se propone la utilización de un espejo inteligente en el hogar del usuario con el cual se puede obtener un registro diario del estado de ánimo. A través de este espejo, el usuario también puede recibir información y consejos útiles que le ayuden a mejorar sus hábitos. De este modo, a través de una plataforma web proporcionada para tal fin, un profesional médico puede realizar el seguimiento de las variables medidas, siendo posible la detección de factores de riesgo antes de que desemboquen en una enfermedad crónica. Palabras clave Espejo inteligente, Internet de las cosas, IoT, prevención, enfermedades crónicas, ENT, wearables, obesidad, diabetes, depresión. Summary Due to the lifestyle nowadays, our daily habits have become unhealthy. This has produced an increase in the number of people suffering from chronic diseases such as diabetes, depression or heart disease. The reason is the increase in the risk factors associated with these: low level of physical activity, poor diet and inadequate rest. The work developed proposes a system for the acquisition of healthy living habits based on the Internet of Things. Patient monitoring is performed noninvasively through the use of a physical activity wristband and a sleep measurement device. In addition, it is proposed to use an intelligent mirror in the user's home with which a daily record of the mood can be obtained. Through this mirror, the user can also receive information and useful tips to help improve his or her habits. Thus, through a web platform provided for this purpose, a medical professional can monitor the variables measured, allowing the detection of risk factors before they lead to a chronic disease. Keywords Smart mirror, Internet of Things, IoT, prevention, chronic disease, Non comunicable diseases, wearables, obesity, diabetes, depression.
Índice
1 Introducción.................................................................................................................1
1.1 Motivación .................................................................................................................... 1
1.2 Estructura del trabajo.................................................................................................... 1
2 Antecedentes y estado del arte ....................................................................................3
2.1 Enfermedades crónicas ................................................................................................. 3
2.2 El sueño y su influencia en la calidad de vida ............................................................... 5
2.3 m-health ........................................................................................................................ 6
2.4 Internet de las cosas...................................................................................................... 8
3 Justificación y objetivos .............................................................................................. 14
3.1 Justificación ................................................................................................................. 14
3.2 Objetivos ..................................................................................................................... 14
4 Diseño y especificaciones ........................................................................................... 17
4.1 Planificación y metodología de desarrollo .................................................................. 17
4.2 Arquitectura del sistema ............................................................................................. 17
4.3 Herramientas y materiales .......................................................................................... 19
5 Desarrollo .................................................................................................................. 28
5.1 Módulos del espejo ..................................................................................................... 28
5.2 Rutas de la API ............................................................................................................. 32
5.3 Estructura de la base de datos .................................................................................... 33
6 Resultados ................................................................................................................. 34
6.1 Módulos del espejo ..................................................................................................... 35
6.2 Uso de la interfaz de seguimiento médico .................................................................. 38
6.3 Registro de usuario ..................................................................................................... 40
6.4 Desglose de costes ...................................................................................................... 42
6.5 Pruebas........................................................................................................................ 42
6.6 Problemas encontrados .............................................................................................. 43
7 Conclusiones .............................................................................................................. 45
8 Trabajos futuros ......................................................................................................... 46
9 Bibliografía ................................................................................................................ 48
Índice de Figuras Figura 1 - Mapa de la prevalencia de inactividad física por países. .............................................. 3 Figura 2 - Ecosistema mHealth. .................................................................................................... 6 Figura 3 - Representación del concepto de convergencia IP ........................................................ 9 Figura 4 – Withings Aura ............................................................................................................. 10 Figura 5 – Comparativa de pulso cardiaco medido mediante electrocardiograma (verde) y mediante balistocardiografía en Withings Aura (azul). Fuente: [48] .......................................... 11 Figura 6 - Comparativa de tasa respiratoria medida mediante un sensor de flujo nasal (azul) y mediante Withings Aura (rojo). Fuente: [48] .............................................................................. 11 Figura 7 - Resmed S+ Fuente: https://mysleep.resmed.com/ .................................................... 12 Figura 8 - Esquema general del sistema propuesto .................................................................... 14 Figura 9 - Arquitectura del sistema ............................................................................................. 17 Figura 10 - Esquema funcional del sistema ................................................................................. 18 Figura 11 - Módulos del sistema ................................................................................................. 19 Figura 12 – Integración del servicio de conversación de IBM en un sistema genérico. ............. 21 Figura 13 - Tipos de emociones detectadas por Affectiva .......................................................... 22 Figura 14 - Representación del protocolo OAuth2 ..................................................................... 24 Figura 15 - Representación de una API REST .............................................................................. 27 Figura 16 - Estructura del sistema con herramientas utilizadas ................................................. 28 Figura 17 - Estructura de módulos en Magic Mirror ................................................................... 28 Figura 18 - Eventos durante la ejecución del módulo de conversación ..................................... 31 Figura 19 - Foto del prototipo de espejo..................................................................................... 34 Figura 20 - Interfaz del espejo ..................................................................................................... 35 Figura 21 - Interfaz del espejo al iniciarse el módulo de conversación ...................................... 37 Figura 22 - Interfaz del espejo durante conversación procesando respuesta del usuario ......... 37 Figura 23 - Creación de una pregunta en Metabase ................................................................... 39 Figura 24 - Diferentes paneles de control en Metabase para los distintos pacientes ................ 39 Figura 25 - Ejemplo de panel de seguimiento en Metabase ....................................................... 40 Figura 26 - Página web habilitada para el registro de usuarios .................................................. 40 Figura 27 - Página web para la introducción de credenciales de Nokia...................................... 41 Figura 28 - Página web en la que se solicita permiso al usuario para acceder a sus datos personales ................................................................................................................................... 41 Figura 29 - Página web resultante de un proceso exitoso de registro ........................................ 42
1. Introducción
1 INTRODUCCIÓN
1.1 MOTIVACIÓN
Llevar una vida saludable es una preocupación cada vez mayor para la población. Debido al estilo
de vida acelerado que impera en la actualidad, se tiende a seguir unos hábitos poco saludables:
sueño insuficiente, alimentación desequilibrada y vida sedentaria.
Estos hábitos a menudo desembocan en el desarrollo de enfermedades no transmisibles (ENT),
también conocidas como enfermedades crónicas. Estas son el resultado de una combinación de
factores genéticos, fisiológicos, ambientales y conductuales [1]. Los principales tipos de ENT son el
cáncer, las enfermedades cardiovasculares, las enfermedades respiratorias crónicas, la diabetes,
las enfermedades mentales y la obesidad.
Este tipo de enfermedades son responsables del 70% de las muertes en el mundo [2], cifra que
aumenta hasta el 86% en Europa [3]. Una manera efectiva de controlar las ENT es mediante la
reducción de los factores de riesgo asociados a estas enfermedades, como son una dieta poco
saludable o la falta de actividad física [2].
Una buena salud no sólo proporciona más años de vida, sino una mejor calidad de la misma [4]. Es
por ello que merece la pena investigar métodos para fomentar hábitos que conduzcan a una vida
saludable.
En los últimos años se han intentado solventar estos problemas mediante la reeducación desde las
instituciones públicas y medios de comunicación. Afortunadamente, se tiende a una concienciación
general sobre la importancia de mantener hábitos saludables, y ello, junto a la normalización del
uso de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) en nuestra vida, ha llevado a la
aparición de soluciones que ayudan a conseguir este objetivo. Algunas de estas soluciones son las
aplicaciones para smartphones, los wearables o las redes sociales dedicadas al deporte y
alimentación.
Las soluciones tecnológicas proporcionan en muchos casos una forma de seguimiento de hábitos,
lo cual ayuda a la consolidación de los mismos. En esencia, la cuantificación de las rutinas y
actividades es la clave.
Aunque el registro puede hacerse manualmente mediante otros métodos más tradicionales, éstos
requieren de un compromiso y esfuerzo adicionales por parte de la persona, por lo que su uso es
menos efectivo. Además, muchas variables, como ritmo cardiaco o número de pasos, en el pasado
no podían ser medidas a no ser que se dispusiera de dispositivos especiales diseñados a tal fin. Hoy
en día, este tipo de dispositivos son mucho más accesibles y en la mayoría de los casos los usuarios
cuentan con uno ya de por sí (por ejemplo, un smartphone). De este modo, tener un registro de
actividad física, dieta o peso es hoy más asequible por lo que mucha más gente se decide a prestar
atención a estas variables del día a día. Por la manera en que se han expandido los smartphones, y
poco a poco, los wearables, se ha democratizado la medición de este tipo de variables.
También se añade el factor social. Al participar en redes asociadas a hábitos de vida saludables
(Endomondo, Runtastic…), existe una mayor presión social que puede suponer un incentivo
adicional para la consecución de objetivos [5].
Teniendo en cuenta la problemática actual y las ventajas expuestas sobre la aplicación de la
tecnología a la adquisición de hábitos de vida saludables, es claro que merece la pena explorar
nuevas soluciones, aportando funcionalidades novedosas y cubriendo las carencias existentes.
1.2 ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Introducción. En esta sección se desarrolla la presente introducción general sobre el
contexto en que se enmarca el trabajo y la motivación de este.
1
1. Introducción
Antecedentes y estado del arte. En esta sección se aborda la problemática en la que se
enmarca el proyecto y el estado del arte de las tecnologías y soluciones existentes.
Justificación y objetivos. En esta sección se argumenta la utilidad de este trabajo teniendo
en cuenta el estado del arte, y se abordan el objetivo principal y su desglose en sub-
objetivos.
Diseño y especificaciones. En esta sección se describe la estructura y componentes del
sistema a desarrollar, así como las herramientas y servicios de los que hará uso.
Desarrollo. En esta sección se detalla la implementación del sistema.
Resultados. En esta sección se muestran los resultados de la implementación descrita
anteriormente, incluyendo pruebas y problemas encontrados.
Conclusiones. En esta sección se discuten los resultados y se aporta una visión crítica del
trabajo realizado.
Trabajos futuros. En esta sección se proponen futuras tareas para la continuación del
proyecto.
Bibliografía. En esta sección se listan las fuentes de información utilizadas.
22. Antecedentes y estado del arte
2 ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE
2.1 ENFERMEDADES CRÓNICAS
Las enfermedades crónicas o ENT se caracterizan por ser de larga duración y generalmente de
progresión lenta. Personas de cualquier grupo de edad, región y país están afectadas por
enfermedades crónicas por causas como una dieta inadecuada o la falta de actividad física.
Estos dos factores pueden resultar en presión arterial alta, aumento de la glucosa y lípidos en
sangre y obesidad. Dichas características se denominan factores de riesgo metabólico, y pueden
desembocar en una enfermedad cardiovascular, la causa principal de muerte prematura entre las
ENT.
2.1.1 Obesidad
La obesidad es uno de los principales problemas del siglo XXI. Su prevalencia se ha triplicado en
Europa desde 1980, y la tasa de afectados continúa aumentando a una tasa alarmante. Basándose
en las últimas estimaciones en países de la Unión Europea, el sobrepeso afecta entre el 30 y 70%
de la población adulta, y la obesidad entre el 10 y 30% [6].
Además de causar impedimentos físicos y problemas psicológicos, el exceso de peso aumenta
drásticamente el riesgo de desarrollar enfermedades crónicas como las de tipo cardiovascular,
cáncer o diabetes.
En Europa, las estimaciones indican que más de un tercio de los adultos son insuficientemente
activos [6]. Un posible motivo es que las sociedades se han vuelto cada vez más adaptadas al
transporte en coche, puesto que existe una separación cada vez mayor entre la vivienda, el lugar
de trabajo y los lugares de ocio. Como consecuencia, el uso de medios de transporte activos como
ir en bicicleta o caminar ha descendido drásticamente. Esta idea es reforzada por los informes sobre
la prevalencia del sedentarismo que proporciona la Organización Mundial de la Salud (OMS) [7], los
cuales muestran que en España el 30,5% de la población adulta realizaba menos de 150 minutos de
actividad física de intensidad moderada a la semana en 2010 [8].
Figura 1 - Mapa de la prevalencia de inactividad física por países.
Fuente: OMS
Además, según los datos proporcionados por la OMS en 2014, la obesidad en España afecta entre
el 20 y el 30% de la población adulta [9] [10].
La realización de 150 minutos de actividad física aeróbica moderada cada semana se estima que
reduce el riesgo de padecer enfermedad isquémica del corazón en un 30%, de diabetes en un 27%
y de cáncer de pecho y colon en un 21-25% [6] Además, tiene efectos positivos en la salud mental
reduciendo el estrés, la ansiedad y la depresión y posiblemente retrasando los efectos del
Alzheimer y otras formas de demencia [6].
32. Antecedentes y estado del arte 2.1.2 Diabetes La Diabetes Mellitus es una enfermedad que reúne un conjunto de trastornos metabólicos caracterizados por la presencia de hiperglucemia crónica, que resulta de defectos en la secreción de insulina, en la acción de la misma o por la coexistencia de ambos factores [11]. La diabetes es una enfermedad crónica que puede desembocar en enfermedades cardiovasculares, ceguera, fallo hepático, amputación de miembros y pérdida de vida. La padecen aproximadamente 60 millones de personas en Europa, suponiendo una gran carga sobre el sistema sanitario y por tanto las economías de los países [12]. La prevalencia de la diabetes está aumentando en todos los rangos de edad, debido en gran parte al aumento del sobrepeso y la obesidad ligados a una dieta inadecuada y a la falta de actividad física. La ingesta de altos niveles de carbohidratos refinados y grasas saturadas unido a la falta de frutas y verduras en la dieta, contribuyen al aumento de peso y por tanto al riesgo de diabetes. De hecho, el sobrepeso y la obesidad son responsables del 65-80% de los nuevos casos diagnosticados de diabetes de tipo 2 [12]. Se trata de una patología que se puede prevenir fácilmente con un estilo de vida adecuado. Varios estudios muestran que tan solo 30 minutos de actividad moderada cada día durante 5 días a la semana es suficiente para mejorar la salud y reducir las posibilidades de desarrollar diabetes de tipo 2. Por tanto, para ayudar a prevenir esta enfermedad y sus complicaciones, se debe mantener un estilo de vida saludable: ser físicamente activo, llevar una dieta adecuada y evitar el tabaco. 2.1.3 Enfermedades mentales Las enfermedades mentales afectan a una de cada cuatro personas en algún momento de su vida. Entre las más comunes se encuentran la depresión, la ansiedad y el Alzheimer [13]. El número de personas con depresión y ansiedad en el mundo aumentó de 416 millones en 1990 a 615 millones en 2013. Paralelamente a este dato, tan solo el 3% del gasto gubernamental en el mundo es dedicado a la salud mental [14]. Hoy en día se sabe que la identificación temprana de estas patologías y el seguimiento regular pueden prevenir el sufrimiento y deterioro de los pacientes. Sin embargo, existe aún un estigma sobre este tipo de enfermedades, lo cual provoca que muchas personas escojan no compartir los síntomas por miedo al rechazo social. 2.1.4 Impacto socioeconómico Tal y como hemos visto, las enfermedades crónicas comprometen el bienestar de la población, los sistemas de sanidad pública y el desarrollo económico general. La pérdida de productividad económica resultante de las ENT es significativa: se estima que para cada 10% de incremento en la mortalidad de las ENT, el crecimiento económico se reduce en un 0.5% [1]. Además, el coste de la productividad perdida en el ámbito laboral debido a depresión y ansiedad es de un trillón de dólares al año [14]. 2.1.5 Hábitos saludables para prevención de enfermedades crónicas Las enfermedades crónicas o ENT pueden prevenirse mediante la disminución de los principales factores de riesgo: dieta desequilibrada, inactividad física, uso de sustancias como tabaco y alcohol. Por tanto, reducir el desarrollo de enfermedades crónicas es posible y pasa por implantar unos hábitos de vida saludables, reforzando la detección temprana de los factores de riesgo mencionados. Se calcula que si los principales factores de riesgo para enfermedades crónicas fueran eliminados, serían evitados alrededor de tres cuartas partes de las enfermedades del corazón, ictus y diabetes tipo 2, así como el 40% de los casos de cáncer [1]. 4
2. Antecedentes y estado del arte
2.2 EL SUEÑO Y SU INFLUENCIA EN LA CALIDAD DE VIDA
Dormir es una función vital del organismo del mismo modo que la respiración o la digestión, puesto
que es en este periodo cuando nos reparamos psíquica y físicamente de la fatiga acumulada [15].
Sin embargo, el entorno presente en países desarrollados influye en los ritmos circadianos que
gobiernan nuestro cuerpo debido a, entre otros factores, exceso de luminosidad y ruido [16].
El sueño se divide en dos tipos de fases [17]:
● NREM o Non-Rapid Eye Movement, movimiento no rápido de ojos.
Se considera sueño profundo. Se divide a su vez en 3 subniveles en función del nivel de
profundidad del sueño.
El sueño profundo implica inmovilidad del cuerpo. Hay muy poca actividad cerebral y apenas
hay reacción a estímulos externos. El ritmo cardíaco y tasa respiratoria son bajos y estables. Las
fases de sueño profundo son aquellas en las que el cuerpo verdaderamente descansa y se
regenera del cansancio físico.
● REM o Rapid Eye Movement, movimiento rápido de ojos.
Se asocia con una mayor actividad cerebral y un sueño ligero.
Durante el comienzo del sueño nos encontramos en sueño ligero, fase en la que ni estamos
completamente dormidos ni completamente despiertos. Los movimientos del cuerpo son poco
frecuentes y se pueden producir sueños que dan la impresión de estar despierto. En este estado
uno está dormido, pero puede ser despertado fácilmente por un ruido.
Durante la fase REM la cara se mueve y es expresiva. En esta fase se produce un incremento
del ritmo cardíaco y de la tasa respiratoria. Además, los movimientos del cuerpo se concentran
alrededor de esta fase, un período que ocurre de media cada 90 a 100 minutos en adultos [18].
Durante esta fase, aunque los párpados están cerrados, los ojos se mueven rápidamente bajo
ellos. Esto indica un alto nivel de actividad cerebral y la aparición de sueños. Esta etapa permite
a la persona recuperarse de la fatiga psicológica y el estrés. Es común despertarse de manera
repentina por la mañana al final de una fase REM.
La falta de sueño es considerada factor de riesgo para varios desórdenes como presión arterial alta
y obesidad [19] [20], y está relacionada con el desarrollo de trastornos como la depresión.
De hecho, varios estudios han hallado una relación entre la privación de sueño y la regulación de
azúcar en sangre [21]. Cuando se duermen 6 horas o menos al día de una manera continuada, se
detecta una disminución en la habilidad del organismo de procesar la glucosa. Además, se ha
comprobado también que los niveles de leptina, una hormona responsable del apetito, caen en
sujetos con falta de sueño, lo cual provoca un mayor apetito en los mismos, pudiendo ocasionar
aumento de peso a largo plazo [21].
En cuanto a la relación del sueño con enfermedades mentales, varias evidencias sugieren que la
gente que padece insomnio tiene 10 veces más posibilidades de desarrollar depresión comparado
con aquellos que duermen adecuadamente [22]. Complementariamente, las personas que padecen
depresión muestran generalmente trastornos del sueño, ya sea en forma de problemas para
conciliar y mantenerlo, o por el exceso de este [23] [24].
Por tanto, controlar los patrones de sueño puede servir para detectar una posible patología
depresiva por parte de un profesional médico y ayudar a la prevención de otras enfermedades
como la obesidad.
Para prevenir todos estos efectos adversos, se considera una cantidad de sueño adecuada entre 6
y 8 horas al día [24].
52. Antecedentes y estado del arte
2.3 M-HEALTH
Este campo de la telemedicina toma su nombre del concepto mobile health o salud portátil. Ello
hace referencia al uso de sensores y dispositivos móviles, así como la infraestructura de
comunicaciones de la que hacen uso en el campo de la salud.
El concepto de mHealth ha tomado importancia en los últimos años debido a la normalización del
uso de dispositivos móviles como los smartphones. Este hecho plantea un cambio en la manera en
que los pacientes pueden comunican sus enfermedades a los profesionales médicos. En lugar de
acudir a ellos cuando se está enfermo, mHealth permite la monitorización continua del paciente
por parte de una red de sensores inteligentes para detectar cualquier indicio de enfermedad antes
de que esta se desarrolle por completo.
Además, al tener un registro mucho más detallado de las constantes del paciente, se abre la
posibilidad de realizar un tratamiento mucho más personalizado.
La monitorización de las constantes de nuestra vida mediante el uso de la tecnología ha dado lugar
al término “quantified self” o “el yo cuantificado”. Este concepto alude al estudio de nosotros
mismos a partir de datos empíricos y medibles, permitiendo una nueva manera de
autoconocimiento [25].
El ecosistema de mHealth está constituido por los distintos dispositivos involucrados, entre los que
se incluyen smartphones y wearables. Además, estos se ven apoyados por una serie de servicios
como por ejemplo las aplicaciones móviles.
Figura 2 - Ecosistema mHealth.
Fuente: m-Health: Fundamentals and Applications by Robert S.H
Varios estudios han demostrado que la utilización de dispositivos de monitorización personal
conducen a una mayor tasa de éxito en pacientes cuyo objetivo es la pérdida de peso [26]. Además,
también se ha observado que la intervención mediante programas y aplicaciones basadas en
Internet para el cambio de hábitos tiene un impacto positivo en dicho propósito [27].
2.3.1 Aplicaciones móviles
Existen multitud de aplicaciones disponibles para smartphones orientadas a la monitorización de la
salud. Una simple búsqueda en un mercado de aplicaciones como la Apple App Store o Google Play
62. Antecedentes y estado del arte
proporciona miles de resultados. Entre todas estas aplicaciones, podemos destacar las siguientes
por su popularidad:
Fitbit
Esta aplicación funciona tanto en Android como en iOS, tiene entre 10 y 50 millones de
descargas en todo el mundo y está pensada para trabajar con los diferentes monitores de
actividad física y las básculas inteligentes del mismo Fitbit, sincronizándose de manera
inalámbrica y permitiendo el acceso a los parámetros capturados. También es posible
registrar manualmente valores de presión sanguínea y niveles de glucosa [28].
Health Mate
Esta aplicación gratuita del fabricante de productos Withings [29] es un buen ejemplo de
una aplicación personal enfocada a la monitorización de la salud, disponible para iPhone,
Apple Watch y Android. Su funcionamiento se basa en dividir su acción en 4 componentes:
el peso, la actividad física, el sueño, y el corazón.
S Health
Esta aplicación de Samsung tiene como finalidad principal actuar como entrenador
personal, ayudando al usuario a lograr sus objetivos diarios. Los diferentes programas de
entrenamiento están diseñados para mejorar el estado físico y la salud en general. Permite
la monitorización de la actividad de la vida diaria, así como sesiones de ejercicio tanto
exterior como interior. También permite el seguimiento del estado de salud, incluyendo
parámetros tales como la frecuencia cardíaca, la tensión arterial, el nivel de glucosa en
sangre, el estrés, el peso y el nivel de oxígeno en sangre. Para esto se vale de sensores
internos como de dispositivos externos de terceros [30].
Google Fit
Google Fit es la apuesta de Google por el sector del deporte y la cuantificación de la
actividad diaria [31]. Esta aplicación destaca es por su simpleza y por la facilidad de uso que
aporta. Google Fit cuantifica los pasos y muestra, mediante un indicador circular, el grado
de completitud alcanzado.
Apple HealthKit
HealthKit es la propuesta de Apple para contribuir a la salud general de los usuarios con
todo un kit de seguimiento, desde las cuestiones más superfluas, hasta el seguimiento
deportivo, pasando por la monitorización de enfermedades y condiciones médicas
crónicas. Incluye registro de datos tales como el grupo sanguíneo, medicación, patrones
de sueño, duración e intensidad del entrenamiento, la temperatura corporal, la frecuencia
cardiaca, nivel de alcohol en sangre, glucosa en sangre, la dieta y la actividad de la vida
diaria [32].
Cabe destacar que todas estas aplicaciones se basan en el seguimiento de hábitos relacionados
primordialmente con la actividad física, la nutrición y el sueño. Aunque existentes, las aplicaciones
destinadas al seguimiento y mejora de la salud mental están relegadas a un segundo plano y su
popularidad es mucho más baja. A modo de ejemplo, accediendo en Google Play Store en la
categoría de salud y bienestar y fijando una ordenación por popularidad, la primera aplicación
relacionada con salud mental se encuentra en el puesto 62. Dicha aplicación es Headspace, cuyo
objetivo es ayudar a la estabilidad y claridad emocional mediante meditación. La totalidad de
aplicaciones por encima de ésta en el ranking están relacionadas con actividad física, nutrición y
sueño.
Por otro lado, la medición del sueño, aunque contemplada en muchos casos, se mide con métodos
poco precisos [33]. El método de medición de sueño más habitual en smartphones y wearables es
el que usa el acelerómetro del dispositivo, denominado actigrafía. Para determinar las distintas
fases del sueño durante el período de descanso, se observa la cantidad de movimiento en cada
momento. En función de cuánto se mueva el usuario, se puede identificar si se encuentra en sueño
ligero o profundo. Aunque este método puede dar una idea general de los patrones de sueño, varios
72. Antecedentes y estado del arte
estudios concluyen que es un procedimiento poco fiable y sólo sirve para obtener información
orientativa [34] [35] [36]. Para una medición más precisa, es necesario tener en cuenta el ritmo
cardiaco entre otros factores. Aunque es cierto que algunos wearables ya incluyen la medición del
ritmo cardiaco entre sus prestaciones, existen dispositivos que proporcionan una mayor precisión
en la medida del sueño tal y como veremos en el apartado Internet de las Cosas.
2.3.2 Wearables
El término wearables se refiere a tecnología vestible, puesto que se trata de complementos
inteligentes que se llevan sobre, debajo o incluidos en la ropa [37]. Aquí destacamos algunos de los
más populares.
Apple Watch
Se trata de una línea de relojes inteligentes o smartwatches desarrollada por Apple.
Incorpora seguimiento de actividad física, monitorización de ritmo cardiaco y sueño,
aunque no es un reloj dedicado en exclusiva a la monitorización de la salud [38]. Se
caracteriza por integrarse en la familia de dispositivos y servicios de Apple, incluida la
aplicación HealthKit mencionada anteriormente.
Garmin
Esta compañía cuenta con una amplia variedad de dispositivos especializados en la
medición de actividades deportivas [39]. Además, permite a desarrolladores la utilización
de los datos monitorizados por el producto.
Fitbit
Se trata de una de las compañías más extendidas en el campo de los wearables para
actividad física y monitorización de variables para el bienestar [40]. Dado que es una
empresa dedicada en exclusiva a este tipo de dispositivos, cuenta con una amplia oferta de
modelos y funcionalidades [41]. Además, del mismo modo que Garmin, proporcionan un
amplio abanico de opciones para desarrolladores.
2.4 INTERNET DE LAS COSAS
Internet de las cosas, también conocido como Internet of Things o IoT, es un concepto que
considera la presencia de una serie de objetos en nuestro entorno que, mediante conexiones
cableadas o inalámbricas y sistemas de comunicaciones específicos, son capaces de interactuar
entre sí, cooperar con otros objetos y crear nuevas aplicaciones y servicios para alcanzar objetivos
comunes [42]. Surge de la idea de un sistema en el cual los objetos y el mundo físico se conectan a
Internet a través de sensores [43].
IoT provee soluciones basadas en la integración de las TIC, lo cual se refiere a hardware y software
utilizado para almacenar, servir y procesar datos, así como tecnologías de comunicaciones
utilizadas para la comunicación entre individuales o grupos.
En este contexto, existe la noción de convergencia en la red de comunicaciones mediante IP tal y
como se muestra en la figura 3.
Se refiere al uso de una red IP común con múltiples servicios interconectados. El uso de este
concepto para la comunicación y control de pequeños dispositivos y sensores abre la posibilidad de
un ecosistema de aplicaciones de IoT interconectadas [42].
82. Antecedentes y estado del arte
Figura 3 - Representación del concepto de convergencia IP
Fuente: [42]
2.4.1 IoT en el hogar
Como parte de la convergencia IP, el uso generalizado de redes inalámbricas como Wi-Fi ha
permitido la conexión a Internet de todo tipo de dispositivos presentes en el hogar, desde
televisiones hasta termostatos. Por tanto, estos ahora forman parte de la red IP y pueden integrarse
en aplicaciones de IoT. Además, el uso cada vez mayor de dispositivos móviles interconectados
como smartphones, proporciona una forma de visualización y control de dichas aplicaciones.
Presentamos a continuación algunas soluciones comerciales de IoT en el hogar:
Medición de sueño
Para una medición 100% fiable del sueño hay que recurrir a instrumental de laboratorio y
técnicas como la polisomnografía. Mediante dicha técnica se monitorizan diversas
variables, como ritmo cardíaco, oxígeno en sangre, actividad cerebral, tasa respiratoria o
movimiento [44]. Es el método más preciso, pero también es altamente invasivo y caro.
Por otro lado, la medición puede realizarse con dispositivos de electrónica de consumo
como los wearables o los smartphones, pero sus resultados no son demasiado fiables [34]
[35] [36]. Es por ello que han surgido en el mercado algunas soluciones al alcance del
público general, enfocadas a la medición y seguimiento del sueño de una manera más
efectiva. Aquí citamos los más destacados capaces de medir el sueño de manera
inalámbrica:
o Withings Aura
Withings Aura se compone de una base y una alfombrilla. La base proporciona
funciones de despertador, ayuda de conciliación de sueño, y medición de temperatura,
luminosidad y ruido. Además, es la encargada de guardar los datos registrados
mediante su conexión a Internet. Por otro lado, la alfombrilla se sitúa bajo el colchón y
efectúa las mediciones durante el periodo de sueño.
El dispositivo cuenta con un sistema para ayudar a conciliar el sueño que emite luz roja
para favorecer la segregación de melatonina y facilitar el sueño [45]. La melatonina,
también conocida como la hormona del sueño, es conocida por regular los ritmos
biológicos. La tasa de melatonina en sangre aumenta entre 2 y 3 veces antes de la
puesta de sol. Las emisiones de luz rojas, acompañadas de música han probado ser
efectivas para relajar e inducir una mejor calidad de sueño [46]. El sistema despertador
92. Antecedentes y estado del arte
analiza el mejor momento para levantar al usuario en función de sus ciclos de sueño.
Para ello utiliza una luz azul que se incrementa gradualmente para bajar la producción
Figura 4 – Withings Aura
Izquierda: Espectro de colores proporcionado para despertar y conciliar el sueño. Fuente: withings.com
Derecha: Componentes de Withings Aura. Fuente: withings.com
de melatonina [47].
Técnica de medición
La medición de sueño en Withings Aura utiliza balistocardiografía para medir las
variaciones inducidas por la frecuencia respiratoria, los latidos del corazón y los
movimientos durante la noche [48]. Esta técnica produce una representación
gráfica de movimientos repetitivos en el cuerpo humano basados en la eyección
repentina de sangre en los principales vasos sanguíneos con cada latido [48]. Es una
constante vital causada por el movimiento mecánico del corazón y se puede
registrar con técnicas no invasivas.
La efectividad de esta técnica ha sido probada para la medida de variabilidad
cardiaca en estudios clínicos [49]. De manera similar, varios estudios han mostrado
la efectividad de detección de las diferentes fases del sueño mediante la variación
del ritmo cardíaco [50] [51].
El dispositivo mide las variaciones en la tasa respiratoria, el ritmo cardíaco y los
movimientos del cuerpo durante la noche para analizar la estructura del sueño, así
como la presencia en la cama y el número de veces que el usuario despierta durante
la noche. Estas mediciones permiten distinguir entre estados de vigilia y períodos
en la cama en los que se está durmiendo. También detecta el tiempo que tarda el
usuario en quedarse dormido.
102. Antecedentes y estado del arte
Figura 5 – Comparativa de pulso cardiaco medido mediante electrocardiograma (verde) y mediante
balistocardiografía en Withings Aura (azul). Fuente: [48]
Figura 6 - Comparativa de tasa respiratoria medida mediante un sensor de flujo nasal (azul) y
mediante Withings Aura (rojo). Fuente: [48]
Validación científica
Withings llevó a cabo en 2014 un proceso de validación de sus algoritmos
colaborando con el hospital de otorrinolaringología de la universidad de
Mannheim. El laboratorio del sueño de dicha universidad se utilizó para obtener los
registros de polisomnografía de 30 sujetos. Estos registros se compararon con las
fases y duración del sueño detectados con Withings Aura para dichos pacientes
durante las mismas noches.
Los resultados mostraron la concordancia entre ambas mediciones, detectando de
manera muy similar las distintas fases del sueño y su duración. En concreto, se
obtuvo un coeficiente de correlación de 0.81 (p2. Antecedentes y estado del arte
dispositivos en este aspecto son muy similares. Sin embargo, Beddit no cuenta con
sistemas para conciliar el sueño o despertar, ni con
medida de variables ambiente como temperatura o
luminosidad.
La validación científica de Beddit también tiene
similitudes con la de Withings al estar basados en la
misma tecnología [53].
Además, el fabricante proporciona herramientas de
acceso a los datos medidos para su uso por parte de
desarrolladores [54].
o ResMed S+
Este dispositivo detecta las fases y duración del
sueño de manera inalámbrica mediante la utilización
de ondas de radio de muy baja potencia. Monitoriza
además luz, ruido y temperatura en la habitación, y
provee de una función de despertador inteligente
para despertar al usuario en la fase del sueño más Figura 7 - Resmed S+ Fuente:
adecuada [55]. https://mysleep.resmed.com/
La tecnología utilizada no es estándar ni se encuentra publicada abiertamente. En la
documentación proporcionada [56] se detalla que el sistema funciona detectando el
movimiento del tronco superior del cuerpo, analizando tanto la cantidad de
movimiento como otras características como por ejemplo la respiración. Para ello
utiliza ondas de radio cuya potencia es un décimo de la radiada por Bluetooth. El
funcionamiento se basa en la emisión pulsos cortos de 10.5 GHz para registrar el eco
producido por el cuerpo del usuario. La fase del eco cambia en función del movimiento
del usuario, permitiendo extraer a partir de estas variaciones las distintas fases del
sueño.
El fabricante cuenta con 12 estudios que avalan científicamente el algoritmo de
medición del sueño [57].
A diferencia de los demás dispositivos mencionados, ResMed no proporciona acceso a
los datos medidos para el uso por parte de desarrolladores.
Detección de emociones faciales
Gary Wolf, editor de la revista de tecnología Wired y cofundador del concepto del yo
cuantificado [58], señaló en 2011 la posibilidad de analizar las emociones expresadas en las
caras de las personas con el objetivo de mejorar su estado de ánimo y de detectar posibles
fluctuaciones en el mismo [59]. Además, numerosas empresas han mostrado su interés por
conocer las reacciones de sus clientes ante sus productos mediante el análisis emocional
en tiempo real. Fruto de estas ideas, existen varias soluciones para el reconocimiento de
emociones mediante análisis facial. Los algoritmos utilizados son propietarios, por lo que
no se facilita información sobre el modo en que operan internamente. Las principales
alternativas disponibles son:
o Kairos
Gratuito para uso personal, aunque para acceder a las herramientas de desarrollo
(SDK) es necesario hacer una petición al propietario.
o Affectiva
Gratuito para uso personal, con SDK disponible para descarga inmediata en varios
lenguajes de programación.
o Sky biometry
Gratuito con limitaciones de uso. Las funcionalidades completas se pueden
122. Antecedentes y estado del arte
desbloquear mediante el pago de una cuota mensual.
o Face ++
Gratuito con limitaciones de uso. Del mismo modo que Sky biometry, para poder
utilizar todas las funcionalidades es necesario abonarse al servicio.
o Visual recognition de IBM
Gratuito con limitaciones de uso. Como los dos casos anteriores, su uso completo
está sujeto al pago mensual de una cuota.
Básculas inteligentes
Como parte del ecosistema IoT en el hogar, es sencillo incorporar conectividad a una
báscula digital, siendo así capaces de integrar los registros de peso en otras aplicaciones.
Las más populares son:
o Fitbit Aria
o MyFitnessPal
o Withings Body
o QardioBase
Espejos inteligentes
Los espejos inteligentes surgen con el deseo de mejorar un elemento de por sí presente en
el hogar, añadiendo funcionalidades que faciliten nuestro día a día. Por ahora existen
soluciones comerciales aisladas para este tipo de dispositivos [60] [61] [62], por lo que
multitud de personas han decidido realizar su propio proyecto personal para realizar un
espejo inteligente.
Sin duda el más exitoso en este campo es la plataforma Magic Mirror [62]. Se trata de un
proyecto de código libre, gratuito y mantenido por un grupo de desarrolladores.
Proporciona una interfaz que permite a cualquier desarrollador interesado la
implementación de nuevas funcionalidades sobre la plataforma existente.
133. Justificación y objetivos
3 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS
3.1 JUSTIFICACIÓN
Tal y como se ha mostrado anteriormente, las enfermedades crónicas suponen una de las
principales causas de muerte en el mundo. Además, estas enfermedades se pueden prevenir
fácilmente introduciendo unos hábitos de vida adecuados.
Por ahora existen soluciones basadas en IoT que intentan mejorar dichos hábitos, pero éstas se
centran en tan sólo en algunos de los aspectos que desembocan en factores de riesgo. Esto es, las
soluciones actuales se centran en la monitorización y mejora de la actividad física y el sueño. Sin
embargo, las medidas de sueño se realizan de manera poco precisa, y queda olvidada otra parte
fundamental de los factores de riesgo de ENT: la salud mental.
Por todo esto, consideramos que existe un amplio margen de mejora en los dispositivos cuyo
objetivo es la adquisición de hábitos de vida saludable. Por tanto, en este trabajo se intentan
solventar las carencias expuestas y proponer una solución más completa que las existentes.
3.2 OBJETIVOS
Teniendo en cuenta la problemática expuesta en la sección de Antecedentes y estado del arte, así
como las soluciones existentes hoy en día en el ámbito de monitorización mediante el uso de la
tecnología, el objetivo de este trabajo es aprovechar el concepto de IoT para incorporar de una
manera natural en el día a día de una persona el seguimiento de parámetros indicadores del estilo
de vida.
Por tanto, se pretende monitorizar variables como actividad física, calidad del sueño, ritmo
cardíaco, estado de ánimo y variables del hogar (temperatura, luminosidad y ruido). Con ello se
tratará de fomentar la adquisición de hábitos saludables, prevenir el desarrollo de enfermedades
crónicas y proporcionar seguimiento médico. Dicho seguimiento se realizará mediante una
plataforma de acceso a los datos recabados por los dispositivos de medición.
Además, se incluirá una interfaz en forma de espejo con la que el usuario podrá interactuar y en la
que obtendrá consejos adaptados a él en función de la información recogida mediante los
dispositivos de medida.
Figura 8 - Esquema general del sistema propuesto
Como parte de este objetivo principal, se pueden extraer una serie de sub-objetivos a cumplir:
Monitorización de variables características del estilo de vida
143. Justificación y objetivos
Para este proyecto es necesaria la monitorización de variables relativas al usuario, pero se pretende
realizar la medición de la manera más transparente posible a este. Es decir, la intervención del
usuario para que la monitorización se lleve a cabo debe ser mínima.
o Actividad física
Una de las partes más importantes para gozar de buena salud es practicar ejercicio a diario.
Por tanto, la monitorización de esta variable es imprescindible. Se considera que el mínimo
diario debe situarse en torno a 150 minutos de actividad física moderada a la semana [63].
Con la información registrada por el sistema a partir de varias fuentes, se mostrarán a través
del espejo mensajes que refuercen hábitos saludables. Por ejemplo, si el usuario apenas ha
realizado ejercicio a lo largo del día, se mostrarán mensajes sugiriendo que realice alguna
actividad física. Del mismo modo, si el usuario está realizando una cantidad adecuada de
ejercicio, se le felicitará por ello a modo de refuerzo por sus logros.
Además, toda esta información quedará registrada y estará disponible en el panel de
control al que tendrá acceso el profesional médico que esté haciendo el seguimiento.
o Sueño
Tal y como se ha comentado anteriormente, la medición del sueño, aunque cada vez más
presente en los dispositivos de monitorización personal, a menudo es una variable poco
atendida, relegada a un segundo plano. Sin embargo, su contribución al bienestar general
de una persona es crucial [64], por lo que forma parte integral de este proyecto.
Del mismo modo que con la actividad física, se pretende que los mensajes mostrados al
usuario varíen en función de la calidad de sueño del mismo. Por ejemplo, si se registra que
el usuario durmió la noche pasada 5 horas, se le sugerirá que procure dormir al menos 7
horas diarias. Por el contrario, se reforzarán mediante mensajes positivos las ocasiones en
que la cantidad de sueño sea adecuada.
o Evaluación del estado de ánimo
Otro de los factores que se pretende observar es el estado de ánimo del usuario. El fin es
que se puedan prevenir ciertas enfermedades como la depresión.
Este tipo de patologías pueden ser fácilmente detectables por un profesional médico antes
de que se desarrollen por completo. De este modo, mediante un breve cuestionario
realizado desde el espejo al usuario, se pretende tener un registro diario del estado de
ánimo. El cuestionario deberá realizarse al final de cada día, de modo que las respuestas
reflejen el estado anímico consecuencia de los eventos que se han producido durante la
jornada.
En lugar de tratarse de un cuestionario escrito, se ha optado por una conversación con el
espejo. De este modo se pretende facilitar la realización del cuestionario, pudiendo
completarse en tan solo unos minutos cada día simplemente con el habla. Al tratarse de un
procedimiento fácil y que apenas requiere de esfuerzo, es más probable que el usuario sea
constante en su realización. Además, se pretende que este perciba al espejo como una
herramienta amigable, por lo que la comunicación hablada con el dispositivo permite una
humanización del mismo, percibiéndose de una manera más familiar por parte del usuario.
El registro de los cuestionarios, accesible desde el panel de control del médico,
complementado con el resto de datos sobre actividad física y sueño, proporcionarán una
visión de conjunto sobre la que identificar indicios de una posible enfermedad mental.
153. Justificación y objetivos
Implementación de una interfaz de programación de aplicaciones1 o API en servidor para la
transferencia, almacenamiento y gestión de los datos monitorizados.
Para poder hacer uso de la información recogida de los dispositivos de monitorización, será
necesario contar con la infraestructura adecuada para su gestión y almacenamiento.
1 La interfaz de programación de aplicaciones, abreviada como API del inglés: Application Programming Interface, es un
conjunto de subrutinas, funciones y procedimientos (o métodos, en la programación orientada a objetos) que ofrece
cierta biblioteca para ser utilizado por otro software como una capa de abstracción.
164. Diseño y especificaciones
4 DISEÑO Y ESPECIFICACIONES
4.1 PLANIFICACIÓN Y METODOLOGÍA DE DESARROLLO
4.1.1 Planificación mediante diagrama de Gantt
Para la consecución de este proyecto se ha seguido una metodología de trabajo basada en diagrama
de Gantt. Este tipo de gestión se centra en especificar claramente cada una de las tareas de las que
se compone el proyecto, así como su duración aproximada. Además, establece dependencias entre
unas tareas y otras.
Para este trabajo fin de grado, la planificación en forma de diagrama de Gantt ha permitido
visualizar desde el comienzo la extensión del proyecto, ayudando a determinar la amplitud de la
implementación. Además, a lo largo del desarrollo, ha sido de gran ayuda para detectar fases del
proceso que estaban produciendo un retraso sobre la totalidad del trabajo.
4.1.2 Metodología ágil de trabajo
Para la consecución de las tareas se ha utilizado una metodología ágil de trabajo.
La metodología utilizada, inspirada en Scrum [65], consiste en el establecimiento diario de objetivos
priorizados. Además, comprende la evaluación de las tareas realizadas la jornada previa y la
previsión de tareas para el día siguiente. De este modo se mantiene una visión clara tanto de las
tareas a realizar en un momento preciso, como del progreso global del proyecto.
4.2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA
La arquitectura del sistema se detalla en la siguiente figura:
Figura 9 - Arquitectura del sistema
Alojado en el Grupo de Bioingeniería y Telemedicina de la ETSIT se encuentra un servidor propio
creado para este proyecto. De aquí en adelante se le denominará servidor en GBT. Este, mediante
una API, se comunica con el espejo en el hogar y con las APIs proporcionadas por los fabricantes de
los aparatos de medida. Además, el servidor en GBT provee una interfaz gráfica accesible vía web
a través de la cual acceder a la base de datos, pensada para realizar el seguimiento médico.
En el hogar del usuario podemos encontrar:
El dispositivo de medida de sueño, colocado junto a la cama. Éste se conecta a Internet
para almacenar los datos medidos en el servidor del fabricante.
El espejo, el cual está compuesto de un ordenador conectado a un conjunto de periféricos
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