4. Arquitectura

Capa de sensado

La capa de sensado es la primera capa o capa de más bajo nivel del sistema IoMT. En ella se desempeñan todas las tareas relacionadas con el registro o medición de datos de salud o clínicos. El sensado puede considerarse como una entidad física esencial del sistema IoMT. Los sensores biomédicos u otros dispositivos que incorporan sensores se encargan de recoger los datos físicos y fisiológicos de los pacientes, que se utilizan posteriormente en las etapas de procesamiento y comunicación para determinar las posibles necesidades o respuestas al problema de salud del individuo. Esta capa es bastante crítica, ya que la calidad y rapidez de las medidas realizadas tiene un impacto directo en la capacidad de decisión en capas superiores de la arquitectura IoMT.

El proceso de sensado consta de tres elementos fundamentales: el tipo de sensor, el parámetro sensado y el método de sensado.

Tipo de sensor

Las aplicaciones sanitarias inteligentes utilizan numerosos tipos de sensores heterogéneos, desde simples sensores inerciales para medir el movimiento corporal hasta otros más complejos que permiten determinar el pulso o la presión arterial. El número y los tipos de sensores pueden ser específicos de la aplicación o condición clínica monitorizada, lo que significa que pueden variar entre diferentes aplicaciones y pacientes. Para controlar el estado de salud del paciente, se pueden utilizar sistemas de medición de uno o varios parámetros en función de la aplicación y del tipo de sensor. Como sabemos, el sistema IoMT consta de un gran número de sensores. Por lo tanto, la complejidad del sistema depende de la naturaleza de la estrategia de detección utilizada en las aplicaciones basadas en IoMT. Para mejorar el rendimiento del sistema y la capacidad de toma de decisiones, es crucial analizar eficientemente la información multidimensional que proviene de los distintos sensores.

Parámetro sensado

 La especificación de los parámetros físicos y fisiológicos a medir desempeña un papel fundamental a la hora de elaborar mecanismos de comunicación y procesamiento óptimos. Para las aplicaciones sanitarias personales, un sistema de un solo parámetro es muy adecuado, pero para una monitorización detallada, como en el hospital, resulta necesario un sistema de múltiples parámetros. Con la ayuda de dispositivos vestibles y otros dispositivos de sensores inalámbricos, se puede monitorizar información esencial como el nivel de oxígeno, la frecuencia cardíaca, el flujo sanguíneo, las actividades musculares, la frecuencia respiratoria, la inclinación del cuerpo y los patrones de movimiento, entre otros. Estos datos de entrada individuales se registran y almacenan en estructuras de datos multiparamétricas de cara a facilitar su posterior envío y tratamiento.

Método de sensado

No solo existe variedad en la tipología de sensores y en el modo de operación de estos (frecuencia de muestreo, rango dinámico de medida, naturaleza del dato registrado, etc.) sino que, dependiendo del contexto del paciente, puede ser más indicado usar diferentes métodos de sensado. Así, por ejemplo, la ubicación del paciente juega un papel relevante en el proceso de sensado. Los sensores ubicados en el ambiente o fijos son especialmente indicados para lugares como el hogar, la oficina o el hospital, mientras que los sensores vestibles son especialmente idóneos para lugares abiertos o donde resulta difícil ubicar sensores fijos. Asimismo, la captación de los datos puede realizarse tanto de forma activa como pasiva. Por ejemplo, los datos de la electrocardiografía se obtienen mediante una detección activa, en la que el sujeto debe hacer uso del dispositivo de medida durante un tiempo. Otras magnitudes se registran de forma pasiva, por ejemplo, el periodo de sueño a partir de los sensores inerciales del dispositivo vestible. Para mejorar la eficiencia del sistema IoMT resulta necesario establecer métodos de sensado adecuados y bien definidos para las características y el estilo de vida de cada paciente.

Capa de red

La capa de red es la segunda capa del sistema IoMT. En ésta se llevan a cabo todas las tareas relacionadas con la comunicación y la seguridad, incluyendo la selección de protocolos apropiados con mecanismos de seguridad adecuados.

La comunicación es una tarea clave en cualquier sistema inteligente. Sin ella, no se puede interactuar entre los dispositivos ni transmitir los datos del origen al destino. Para el sistema basado en IoMT, la comunicación se vuelve más crucial debido a la heterogeneidad de los dispositivos, los sensores y el análisis de datos en tiempo real. Por lo tanto, es necesario un mecanismo de comunicación que pueda hacer frente a estas situaciones de la mejor manera posible. El proceso de comunicación consta de dos elementos fundamentales: el tipo de protocolo y la planificación.

Tipo de protocolo

La interacción o comunicación entre sensores o dispositivos heterogéneos solo es posible a través de protocolos de comunicación. Estos protocolos determinan aspectos tan importantes como la velocidad de transmisión de los datos, el medio de transporte o los pasos que debe seguir tanto el emisor como el receptor. Los protocolos de comunicación pueden categorizarse en centralizados, descentralizados y jerárquicos, dependiendo de si existen entidades que se encarguen de designar quién y cuándo se pueden enviar datos, como sucede en los modelos maestro-esclavo. El sistema IoMT puede incluir una amplia gama de dispositivos sensores heterogéneos. Por lo tanto, resulta necesario utilizar protocolos de comunicación adecuados para establecer una comunicación fiable y eficiente.

Planificación

El proceso mediante el cual se gestionan los recursos de la comunicación basado en el tiempo se conoce como planificación. Es una de las tareas esenciales en el sistema IoMT. Se utiliza para realizar las tareas de comunicación en tiempo y forma para alcanzar el mayor nivel de satisfacción posible por parte de los usuarios. Los tres pilares de la tarea de programación son el control de concurrencia, la planificación de tareas y la gestión de datos. Estos pilares son responsables de realizar la transacción en tiempo real de los datos de los sensores dentro del límite de tiempo requerido. La planificación de la comunicación puede ser asíncrona, como en el caso de los modelos de publicación-suscripción en los que un sensor (publicador) manda el dato cuando registra un nuevo valor y lo hace disponible a todas aquellas entidades que estén interesadas en ese dato (suscriptor), o síncrona, para aquellos modelos en los que se solicita cada cierto tiempo fijo un nuevo dato al sensor, independientemente de si la magnitud medida a cambiado o no.

La seguridad es una cuestión primordial para asegurar los datos personales y sensibles relacionados con la salud de los pacientes desde una perspectiva ética y legal. Por lo tanto, al diseñar la arquitectura IoMT para aplicaciones sanitarias, debemos prestar especial atención a la privacidad y seguridad de los datos. La seguridad consta de dos elementos, el nivel de encriptación y el nivel de privacidad.

Cifrado

 En las aplicaciones basadas en IoMT hay diversos usuarios, tanto pacientes como personal sanitario, de modo que para establecer una comunicación segura entre ellos se necesitan mecanismos de encriptación de datos. El mecanismo de encriptación de datos se elige normalmente dependiendo de los requisitos de seguridad y del dominio de la aplicación. El cifrado de datos puede realizarse tanto a nivel de red como a nivel de usuario. Si se utilizan servidores basados en la nube que ya están protegidos por mecanismos de seguridad eficientes, solo se necesita seguridad a nivel de usuario. Algunos mecanismos de cifrado destacados de encriptación basada en atributos (ABE, Attribute-based Encryption) pueden utilizarse para cifrar los datos, y solo el personal autorizado con las claves adecuadas tiene la capacidad de descifrarlos. Es muy importante tener en cuenta que cualquier exposición de los datos personales o relacionados con la salud de un paciente podría causar problemas legales y éticos, tanto a las entidades responsables del uso de las infraestructuras IoMT como a los propios diseñadores e implementadores de los sistemas. Por lo tanto, resulta muy necesario usar mecanismos de seguridad que permitan hacer frente a estos desafíos relacionados con la seguridad y la privacidad de los datos en las aplicaciones basadas en IoMT.

Privacidad

 La comunicación en los sistemas IoMT se realiza a tres niveles, concretamente el nivel de los datos, el nivel de la aplicación y el nivel del proveedor de servicios. Si se habla de la privacidad de los datos, resulta necesario proveer seguridad en dos niveles, el de los datos y el de la aplicación. El nivel de datos consiste en los registros de salud del paciente y la información personal, que va al nivel de la aplicación directamente o se transmite a través de los proveedores de servicios. Por lo tanto, se hace necesario aportar seguridad a nivel de usuario para proteger los datos personales de los pacientes. La seguridad a nivel de aplicación consiste en asegurar los hallazgos o diagnósticos basados en los registros de salud del paciente asociados a la información personal y que van al nivel de usuario directamente o se transmiten a través de los proveedores de servicios. Ello determina que sea importante aplicar mecanismos de seguridad a nivel de aplicación para asegurar la información personal del paciente y los resultados clínicos más críticos.

Capa de procesamiento

La capa de procesamiento es la tercera capa del sistema IoMT. En esta capa se realizan todas las tareas relacionadas con la gestión de datos y el cómputo de resultados, incluyendo desde el almacenamiento y preparación de los datos hasta el uso de técnicas avanzadas de ciencia de datos para su análisis.

La arquitectura del IoMT debe ser capaz de manejar los problemas relacionados con la gestión de datos. Los datos de un sensor u otros dispositivos inteligentes pueden encontrarse en diferentes tamaños y tipos. Así, en función de los tipos de sensores y de su área de aplicación, uno puede encontrar sensores que producen datos pequeños, como el sensor de temperatura corporal, frente a otros dispositivos que generan datos de mayor tamaño, como las imágenes de resonancia magnética. La gestión de los datos es una tarea crítica y compleja en los sistemas de asistencia sanitaria inteligente también porque son múltiples los dispositivos basados en sensores generando datos en paralelo, y en muchos casos, en tiempo real. Ello determina que la gestión de los datos debe realizarse de forma rápida y continua, lo cual es una tarea bastante difícil. La gestión de datos en los sistemas basados en el IoMT consiste en estrategias predefinidas aplicadas a los datos recogidos para cumplir con los requisitos del usuario. Los datos generados por los sensores están en formato crudo y pueden no ser útiles hasta el preprocesamiento, que requiere un cómputo eficiente y un ancho de banda masivo, por lo general. Asimismo, la integración y persistencia de los datos también es necesaria para facilitar futuras investigaciones y usos. Por lo tanto, las estrategias de gestión de datos son esenciales y deben aplicarse adecuadamente.

La gestión de datos se caracteriza fundamentalmente a través de el tipo de almacenamiento, el medio de procesamiento y la integración de los datos:

Tipo de almacenamiento

Se refiere a la fuente de datos donde se van a almacenar o de donde se extrae la información. Se utilizan dos tipos de estrategias de almacenamiento de datos, siendo la primera un esquema de almacenamiento central, y la segunda un esquema de almacenamiento distribuido. En el primer caso, los datos son almacenados en el servidor central de salud, mientras que en el segundo caso, los datos son guardados en múltiples dispositivos de almacenamiento o bases de datos. El almacenamiento centralizado puede ser útil en entornos pequeños donde la tasa de generación de datos sea reducida. No obstante, este tipo de almacenamientos suelen ser menos robustos a posibles pérdidas de datos y/o ataques, en cuyo caso es preferible usar sistemas distribuidos redundantes. En todo caso, es necesario usar estrategias de gestión adecuadas en cada tipo de almacenamiento para que el sistema sea eficiente y sencillo para el procesamiento de datos en tiempo real.

Medio de procesamiento

Hay diversas formas de llevar a cabo el procesamiento de datos en un sistema basado en IoMT. La primera es el procesamiento de datos basado en la red, en el que hay que proporcionar los datos de los conjuntos de datos locales a un canal de comunicación o procesamiento, el cual es responsable del procesamiento de los datos. La segunda es el procesamiento de datos basado en la estación base, en el que los datos de los centros sanitarios o de las bases de datos globales de salud se deben facilitar a los canales de comunicación o procesamiento responsables del procesamiento de datos. El último es el procesamiento de datos basado en la nube, en el que se deben proporcionar los datos desde el almacenamiento en la nube a los canales de comunicación o procesamiento para el procesamiento de datos.

Integración de datos

Es uno de los procesos críticos de la gestión de datos en los sistemas basados en IoMT. Consiste en combinar los datos de las diferentes fuentes, fundamentalmente sensores y datos clínicos, de cara a proporcionar a los usuarios una vista unificada de ellos. La inclusión de datos en el sistema basado en IoMT es posible de dos maneras, mediante una integración combinada y mediante una integración individual. En el proceso de integración combinada, los datos procedentes de sensores heterogéneos o dispositivos basados en sensores se capturan y mezclan en un único archivo para su posterior procesamiento. En el proceso de integración individual, se capturan los datos de diferentes sensores y se almacenan en archivos separados para su posterior procesamiento. La información procedente del proceso de integración combinada se utiliza en aplicaciones de asistencia médica, en las que interviene un gran número de sensores y parámetros, y se ofrecen diversos servicios. Los datos procedentes del proceso de integración individual se utilizan normalmente para aplicaciones de atención sanitaria personal.

Algunas funcionalidades, como la monitorización remota en tiempo real de los pacientes, ayudan a los médicos y a los clínicos a cuidarlos. Esta facilidad de seguimiento y monitorización en tiempo real ha mejorado la capacidad de cálculo del sistema sanitario. La integración con la computación en la nube permite realizar tareas de cálculo grandes y complejas, facilitando la integración de dispositivos móviles, la computación de alto rendimiento, diferentes entornos operativos, etc. El cómputo en los sistemas IoMT se relaciona directamente con dos elementos destacados: el seguimiento de los resultados de la monitorización y el tipo de modelado.

Seguimiento de los resultados

La monitorización de los pacientes es importante en el sistema basado en IoMT para la detección e identificación de resultados clínicos, los cuales sirven de base para el diagnóstico y tratamiento médico. Los resultados obtenidos a partir del procesamiento de los datos registrados del paciente pueden clasificarse en tres tipos: estado de salud, cuidados intensivos y cuidados de la vida diaria. El estado de salud consiste en la monitorización de la salud media del paciente, y entra dentro de la monitorización personal, lo que significa que la persona monitoriza su estado de salud con la ayuda de dispositivos basados en sensores (por ejemplo, un sensor inercial vestible inteligente para contar el número de pasos realizados al día). Los cuidados intensivos se basan en la monitorización de la salud médica u hospitalaria con la ayuda de sensores de alto grado clínico (por ejemplo, un sensor de electrocardiografía de alta resolución). Los cuidados de la vida diaria no son más que la monitorización de las actividades de salud e higiene individual del día a día a través de dispositivos inteligentes basados en sensores (por ejemplo, un cepillo de dientes inteligente que recopila información sobre el tiempo de cepillado, número de repeticiones, etc.).

Tipo de modelado

Se distinguen dos tipos de modelado para los sistemas basado en el IoMT: el modelado individual y el modelado grupal. En el modelado individual, el modelo de cómputo se basa en el modelado específico para cada usuario, esto es, el modelo de cálculo se plantea de forma particular o personalizada para cada paciente para controlar su salud. Si bien está concebido desde una perspectiva individual, el modelo específico de la aplicación puede utilizarse para varios pacientes que padecen las mismas enfermedades. En el modelado grupal se definen modelos generalistas que aplican a una población heterogénea. El modelado individual permite desarrollar soluciones más precisas, la denominada medicina de precisión, pero también es más costoso a nivel de recursos. El modelado generalista es más cercano a las soluciones clínicas usadas tradicionalmente y, si bien es computacionalmente más ligero, tiene como contrapartida el ser menos efectivo que el individual.

Capa de aplicación

La capa de aplicación es la cuarta y última capa del sistema IoMT, donde se realizan todas las tareas de control-actuación y de aplicación, es decir, la toma de decisiones y el control de la aplicación.

El sistema sanitario actual se enfrenta a una eficacia ciertamente limitada en la detección de las emergencias basada en los registros o datos de salud del paciente. El paradigma del IoMT plantea diversos mecanismos para identificar este tipo de emergencias o situaciones críticas a partir del procesamiento de los datos registrados a través de los sensores, en lo que podría definirse como proceso de control. Esta información es usada a su vez para generar posibles alarmas, recomendaciones y acciones para los pacientes y los sanitarios, en lo que se define como actuación. Los procesos de control y actuación se caracterizan por el tipo de mecanismo y el modelo de toma de decisiones.

Tipo de mecanismo de control-actuación

En el sistema basado en el IoMT se utilizan dos tipos de mecanismos de control y actuación: automático y manual. En el modo automático, el sistema debe diseñarse de forma que se puedan incorporar todas las tareas relacionadas con el control, como el procesamiento de datos y la búsqueda de resultados. En los sistemas automáticos, todas las soluciones y recomendaciones las ofrece el sistema basándose en sus experiencias pasadas y en la retroalimentación proporcionada por el paciente, su entorno y el personal sanitario. En el modo manual, todo el tratamiento lo realiza directamente el especialista médico y, en función de sus resultados, se ofrecen ciertas recomendaciones o sugerencias a los pacientes. Existen también mecanismos de control-actuación híbridos que combinan las posibilidades ofrecidas por ambos.

Toma de decisiones

La toma de decisiones en los sistemas basado en IoMT pueden llevarse a cabo en base a dos métodos: unos basados en parámetros individuales y otros fundamentados en parámetros múltiples. La toma de decisiones basada en un solo parámetro se realiza basándose en los datos de un solo sensor, como la medición de la presión arterial, la temperatura, el nivel de oxígeno, el nivel de glucosa en sangre, etc. Así, por ejemplo, se puede recomendar al paciente realizar algunos ejercicios de respiración cuando el nivel de oxígeno detectado es menor del habitual. Por otra parte, la toma de decisiones basada en múltiples parámetros se realiza en función de varios parámetros, es decir, la decisión se toma utilizando los datos de múltiples sensores. Un ejemplo de esta modalidad podría referirse al caso en el que se le recomienda al paciente relajarse varios minutos cuando se detecta unas pulsaciones exacerbadas a la vez que se identifica que la persona no está realizando ninguna actividad energéticamente demandante que justifique dichas pulsaciones.

Tal y como se verá en unidades posteriores de este módulo, los sistemas basado en IoMT ofrecen una gran variedad de servicios y aplicaciones como la asistencia a la vida diaria, los hospitales inteligentes o la rehabilitación remota, entre otras. Pues bien, se puede decir que en gran medida la complejidad del sistema depende de las funcionalidades de las aplicaciones. Así, los elementos de control deben incluirse en la arquitectura mientras se construye un entorno crítico en la unidad de cuidados intensivos para hospitales. Los componentes electrónicos también deben incluirse en la arquitectura mientras se construye una aplicación personal como una casa inteligente asistida. Las aplicaciones basadas en el IoMT se categorizan en dos tipos dependiendo para quién estén destinadas: las aplicaciones de nivel usuario y las aplicaciones de nivel avanzado.

Nivel de usuario

Las aplicaciones a nivel de usuario consisten en diversas soluciones para ayudar a mejorar o mantener la salud del individuo mediante el uso de los dispositivos inteligentes de monitorización. Este tipo de aplicaciones de asistencia personal, como los sistemas de monitorización de la salud en el hogar, ayudan a la monitorización en tiempo real de las personas mayores. Los datos registrados son visibles para los pacientes, sus familiares y los médicos asociados. En el caso de algunas de estas aplicaciones deben diseñarse de forma que, en caso de emergencia médica, la información llegue a los familiares y al médico correspondiente.

Nivel avanzado

Las aplicaciones de nivel avanzado consisten en soluciones que se utilizan en hospitales o ámbitos médicos. Estas aplicaciones están formadas por varios biosensores heterogéneos y homogéneos y otros sistemas o dispositivos basados en sensores. Algunas aplicaciones de atención médica en esta categoría consisten en hospitales inteligentes y cuidados intensivos inteligentes en los que el médico puede controlar a distancia la salud de los pacientes, así como interactuar con el personal de enfermería y otro personal médico en cualquier emergencia médica. Otras aplicaciones, como la gestión inteligente de medicamentos e inventarios para hospitales, son otros ejemplos que benefician tanto a los hospitales, su personal y a los pacientes.