Contribución al diseño de sensores vestibles y ambientales para medir la respiración y el salto vertical en adultos mayores y frágiles

Résumé

Con el avance de la tecnología, se ha popularizado entre la población el uso de dispositivos para medir su estado de salud. Para lograr esto, se suelen utilizar dispositivos vestibles como los smartwatch y smartbands, dispositivos ambientales embebidos en los alrededores, e incluso dispositivos conectados a aplicaciones móviles. El uso de estas tecnologías también se ha popularizado entre los profesionales de la salud. Esta tesis se centra en el desarrollo de dispositivos para monitorizar la salud de adultos mayores y adultos frágiles. Se desarrollaron dos líneas de trabajo: en la primera se diseñó e implementó un sistema vestible para monitorizar en tiempo real la respiración de los usuarios; en la segunda se desarrolló un sistema ambiental capaz de medir la altura del salto vertical efectuado por los usuarios sobre él. Sistema vestible para monitorizar la respiración: - Dentro de esta línea de trabajo se investigó un nuevo sensor de respiración que venía a cubrir algunas lagunas existentes en el estado de la técnica: la integración de todos los elementos electrónicos del sistema en un encapsulado compacto, la liberación del diseño para su reutilización y mejora por parte de otros investigadores y el bajo coste de los elementos que componen el sistema, entre otros. El sistema vestible consiste en un dispositivo que se coloca alrededor del pecho mediante una cinta ajustable. Este sistema funciona mediante un sensor piezoresistivo que detecta las variaciones en el diámetro del pecho ocasionadas al inhalar y exhalar; las variaciones detectadas son enviadas de forma inalámbrica mediante Bluetooth a una estación de visualización elegida por el usuario (PC, Tablet o Smartphone). El sistema se encuentra embebido en un armazón impreso en 3D. Para validar el funcionamiento de este sistema, se realizaron pruebas con 21 voluntarios que efectuaron diferentes ritmos de respiración. Para obtener los ritmos respiratorios de cada señal generada, se utilizaron dos algoritmos. Estos algoritmos calculan el ritmo respiratorio al segmentar la señal original en ventanas de tiempo desde 6 hasta 30 segundos. Los resultados obtenidos muestran que, con una ventana de tiempo de 27 segundos, se obtiene el menor error para cada algoritmo (4,02% y 3,40 %). Sistema ambiental para medir el salto vertical: - Dentro de esta segunda línea de trabajo se investigó en un novedoso sistema ambiental para medir la altura del salto, lo que supuso una innovación respecto a los sensores utilizados actualmente para este fin. El sistema ambiental consiste en una plataforma que detecta objetos sobre ella mediante la presión, y mide el tiempo transcurrido desde que un objeto se retira y se coloca de nuevo. El sistema detecta los objetos mediante una matriz de sensores piezoresitivos (Force Sensitive Resistors - FSR realizados con velostat). Las dimensiones de la plataforma son 30 cm x 30 cm, área sobre la cual se distribuyen un total de 256 sensores FSR. El salto vertical se calcula mediante la fórmula de tiempo de vuelo, y el resultado es enviado mediante Bluetooth a un PC o Smartphone. Se realizaron dos experimentos: en el primero participaron un total de 38 voluntarios, con el objetivo de validar el funcionamiento del sistema con una cámara de alta velocidad como referencia (120 fps); en el segundo experimento se capturaron los datos en crudo de 15 voluntarios, con estos datos se emularon 10 frecuencias de muestreo (desde 20 Hz hasta 200 Hz) y se analizaron los efectos de utilizar frecuencias más bajas. Del primer experimento se obtuvo un error relativo medio de 1.98% con un coe ficiente de determinación r2= 0,996. Del segundo experimento se determinó que las frecuencias de muestreo de 200 Hz y 100 Hz muestran un desempeño similar al mantener un error relativo por debajo del 5% en el 95% de las mediciones. Finalmente, este trabajo de tesis concluye indicando las principales aportaciones realizadas para cada una de las dos líneas de trabajo, así como el trabajo futuro que podría desarrollarse en cada una de ellas.