Tecnologías IoT en Electromedicina

Los dispositivos conectados son hoy en día una tendencia global en todos los sectores, también en el campo de la medicina y la salud. El mercado de los productos de electromedicina es un exponente en este sentido, donde se requiere que los nuevos equipos no sean simplemente piezas aisladas, sino que puedan comunicarse de forma nativa con los centros de control en los hospitales, con centros remotos en telemedicina e incluso con otros equipos complementarios.

Todas estas necesidades hacen que el diseño de estos dispositivos se vuelva cada vez más complejo y que los ingenieros de diseño deban cumplir con unos pliegos de requisitos crecientes manteniendo los estándares de confiabilidad, robustez y seguridad que se exige en esta clase de productos.

Este artículo pretende ser una pequeña guía para el ingeniero de diseño, tratando de echar un poco de luz a todas las decisiones que se deberán tomar a la hora de diseñar un sistema de comunicaciones inalámbricas en el diseño de un nuevo producto o en la actualización de un producto existente. En los siguientes apartados haremos un recorrido a las diversas tecnologías disponibles hoy en día, con sus ventajas y sus inconvenientes, y como afrontar algunas de las decisiones a tomar como garantizar la capacidad de volumen de datos, los esquemas de seguridad más utilizados o la integración con las bases de datos.

Ventajas y Desventajas de las Tecnologías de Comunicación IoT

Generalmente, las comunicaciones inalámbricas en electromedicina se clasifican informalmente entre corto alcance y largo alcance. Las comunicaciones de corto alcance se utilizan principalmente para transmitir datos del paciente hacia un receptor/monitor local. Este receptor local puede ser tanto único como conectado a una estación de monitoreo central. Las tecnologías de largo alcance generalmente transmiten datos del paciente directamente a una estación de monitoreo remoto.

Gráfico volumen de datos respecto a distancias

En el apartado de tecnologías de corto alcance solemos encontrar estándares como NFC, Bluetooth o WiFi. A continuación, detallamos las principales:

• NFC/RFID: NFC o Near Field Communication: Es una tecnología de muy bajo alcance, bajo consumo y bajo ancho de banda. El estándar NFC es en realidad un protocolo de comunicación que utiliza una frecuencia HF de 13,56 MHz dentro del amplio rango de frecuencias utilizadas por la tecnología RFID. Su utilización principal es en la transmisión de pequeñas cantidades de datos entre dispositivos a muy poca distancia entre ellos. La comunicación se realiza mediante el acoplamiento de campos magnéticos, lo que hace posible que una de las dos partes no necesite fuente de energía (los llamados tags). Puede ser muy útil a la hora de identificar equipos o de transmitir una configuración de un equipo a otro sin necesidad de conectarse a él o reprogramarlo.
• Bluetooth y BLE: Bluetooth y su variante de bajo consumo BLE (Bluetooth Low Energy) son tecnologías ampliamente utilizadas gracias en gran parte a los teléfonos inteligentes. Esta tecnología permite la comunicación a corta distancia de volúmenes de datos de medias a pequeñas cantidades en el caso de BLE. Es una de las tecnologías de implantación más barata y una elección popular en dispositivos que requieran corto alcance, bajo consumo y comunicaciones eficientes.
• ZigBee: ZigBee es una tecnología de comunicación en área local que utiliza la banda de comunicaciones de 2,4 GHz igual que Bluetooth. Su principal característica es su modo de funcionamiento ‘mesh’, donde la comunicación no se realiza entre un dispositivo periférico y un central, sino que todos los dispositivos actúan de central y periférico a la vez, transfiriéndose entre ellos toda la información. Su uso es muy recomendable en aplicaciones donde contamos con una red de dispositivos que deben interactuar entre ellos, o en aplicaciones donde queramos añadir fiabilidad mediante la redundancia de canal. Si te interesa puedes leer este artículo sobre ZigBee en el que se profundiza sobre esta tecnología.
• WiFi: WiFi ofrece altas tasas de transmisión de datos (>100 Mbit/s), aunque esto significa un consumo eléctrico superior a otras tecnologías de corto alcance. Su uso es adecuado cuando se necesitan transmitir grandes cantidades de datos como vídeos o imágenes. La red WiFi utiliza el estándar de comunicaciones IP, lo que supone ventajas a nivel de la estandarización, pero también inconvenientes en su complejidad de configuración y operativa.

En el extremo de las tecnologías de largo alcance encontramos principalmente la tecnología de redes celulares o redes de móvil, y las tecnologías englobadas dentro de las siglas LPWAN donde encontramos protocolos como el LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M o Sigfox entre otros. Pasamos a detallar las más utilizadas:

• Redes Celulares (3/4/5G): Es una tecnología existente en todo el mundo con una enorme infraestructura de conexión. Su uso es muy adecuado para aplicaciones que requieran conectividad en diversos países o en áreas remotas. Permite el envío de grandes cantidades de datos a largas distancias, aunque puede suponer un consumo de energía elevado para dispositivos alimentados por batería.
• LoRaWAN: LoRaWAN está diseñado con el objetivo de conseguir un consumo de energía muy bajo a la vez que permitir la comunicación a largas distancias. Las redes LoRa están compuestas por nodos (o dispositivos finales) y puertas de enlace (o gateways) que transmiten los mensajes de la red local LoRa a Internet. Es una tecnología que utiliza bandas de frecuencia sin licencia por lo que cualquiera puede crear una nueva red y empezar a utilizarla. Existen operadoras LoRa que proporcionan acceso a infraestructuras existentes de puertas de enlace con modalidades de pago por uso. Si deseas más información puedes leer el artículo exclusivo que dedicamos a LoRaWAN.
• Sigfox: Es una tecnología muy similar a LoRa que comparte con esta incluso las frecuencias de emisión. Se trata de una red operada por una empresa privada y con infraestructura desplegada en los principales países a nivel mundial. Se trata de una alternativa a LoRaWAN con unos precios de conectividad muy competitivos, aunque con una importante limitación en lo referente a la cantidad de datos a enviar, lo que la hace adecuada solo para aplicaciones con bajos volúmenes de datos. Si quieres saber más de Sigfox puedes leer el artículo que le dedicamos.
• NB-IoT y LTE-M: Estas dos tecnologías tienen en común su integración en las redes celulares 4/5G, y su gestión por parte de las mismas operadoras de las redes celulares, aunque en realidad necesiten de la instalación específica de antenas y dispositivos de gestión de redes propios. Se espera que estas tecnologías ganen peso y campo de aplicación con el despliegue de las redes 5G y que la cobertura ofrecida vaya aumentando paulatinamente a nivel mundial. Difieren de las redes celulares en que tienen una mayor eficiencia en el consumo de energía y protocolos más ligeros adecuados para aplicaciones IoT.
• NB-IoT: Es el estándar de menor ancho de banda dentro de las redes celulares. Está diseñado para dispositivos de localización fija y para dispositivos alimentados por batería que requieren un bajo consumo. El volumen de datos que puede transmitir es superior a LoRaWAN, aunque también lo es el consumo.
• LTE-M: Posee un ancho de banda mayor, lo que le permite realizar comunicaciones de voz, superando en este sentido a NB-IoT, LoRaWAN y Sigfox. Esto significa a su vez que su consumo energético es muy superior a estas tecnologías, pero aun inferior al consumo del 3G. Otra ventaja de la tecnología es que está preparada para funcionar en ‘roaming’ entre celdas al igual que la tecnología 3G, lo que abre muchas aplicaciones en escenarios móviles. Se espera que esta tecnología tenga numerosas aplicaciones en dispositivos ‘wearable’ y en aplicaciones de telemedicina.

Las Mejores Opciones en el Entorno Hospitalario

A la hora de escoger una tecnología para las comunicaciones de nuestros equipos en instalaciones hospitalarias, una de las decisiones más importantes que deberemos tomar es si vamos a integrar las comunicaciones con las redes existentes o bien vamos a crear una red propia para nuestros productos.

En el primero de los casos, las redes más extendidas que nos vamos a encontrar en ambientes hospitalarios son las redes WiFi. Y aunque a primera vista conectar nuestros dispositivos a una red existente parece tener ventajas en cuanto a costes y complejidad, puede tener también algunos riesgos serios asociados:

• Problemas de cobertura y mala calidad de señal y puntos negros donde no podamos garantizar la comunicación de nuestro equipo.
• Ancho de banda limitado y variable debido a que compartimos la infraestructura con un número desconocido de otros dispositivos.
• Multitud de variables de integración a contemplar y posibles problemas de compatibilidad al utilizar una infraestructura ya presente y posiblemente no actualizada.

Si optamos por desplegar nuestra propia red de comunicaciones, vamos a obtener un control total sobre el funcionamiento de nuestro sistema a cambio de una mayor complejidad en la instalación y unos costes de operación y mantenimiento más elevados. Otro factor clave a la hora de proponer la instalación de una nueva red de comunicaciones en un entorno hospitalario, es poder garantizar la coexistencia con el resto de dispositivos conectados ya existentes.

Entre las tecnologías más extendidas en entornos hospitalarios encontramos en primer lugar las redes WiFi, pero están proliferando otras tecnologías como el LoRaWAN o incluso las redes celulares privadas.

Las Mejores Opciones en Equipos Portátiles

Si hablamos de dispositivos de electromedicina portátiles el espectro de casos de uso posibles se multiplica, desde dispositivos integrados a vehículos, dispositivos en espacios públicos, en los domicilios de los pacientes e incluso dispositivos colocados sobre el usuario las 24 horas del día.

Según sea el caso, existen dos tendencias principales en conectividad móvil, bien utilizando tecnologías de corto alcance en combinación con un dispositivo de punto de acceso a Internet, bien realizando una conexión directa a Internet mediante una infraestructura de comunicaciones con amplia cobertura en el territorio.

La opción más extendida en el primer caso, sobre todo en dispositivos vestibles o que van colocados sobre el usuario, es la de utilizar tecnología BLE o Bluetooth, y el propio teléfono inteligente del paciente como pasarela de conexión a Internet. Esta puede ser una opción adecuada para dispositivos de bajo coste, aunque el utilizar el teléfono obliga a desarrollar una APP propia, con los costes y la complejidad técnica que esto conlleva.

Existen tecnologías de corto alcance alternativas como el ZigBee y otros protocolos similares, que permiten tener múltiples dispositivos conectados simultáneamente a un concentrador e incluso intercambiando datos entre ellos. En estos casos, el concentrador suele ser un elemento estático con una pasarela de conexión a Internet. Esta opción es mas adecuada cuando tenemos diversos dispositivos independientes en una misma localización.

En el caso de conectar el dispositivo directamente a una infraestructura de red, la mejor opción sin duda es la de conectar a la infraestructura más extendida a nivel mundial, la red celular de telefonía móvil. Esta tecnología ha ido evolucionando en los últimos años y podemos optar o bien por una conexión básica 3G, con un menor ancho de banda, pero con una mayor cobertura en áreas interurbanas, o bien por conexiones 4G o 5G con un ancho de banda mucho mayor y cada vez más extendidas (aunque esta última de momento solo disponible en ciudades de tamaño medio y grande). Como inconvenientes de esta opción encontramos el elevado coste de los equipos y del mantenimiento, y la complejidad de la operativa.

Hay dos tecnologías más especializadas hacia el IoT como son NB-IoT y LTE-M, que aun utilizando la misma infraestructura de red celular están enfocadas a los casos de uso de IoT y de comunicación máquina a máquina. Estas tecnologías ofrecen menores consumos de energía para los equipos operados por batería, y unos costes de operativa y de mantenimiento menores, en detrimento del ancho de banda de comunicación. Podemos decir que ambas se encuentran aún en fase de despliegue, pero que van a tener un gran impacto en el futuro de los productos sanitarios conectados.

Por último, mencionar como caso especial la tecnología Sigfox, pensada para dispositivos que deban transmitir cantidades de datos muy pequeñas, pero que ofrece un nivel de cobertura similar al de la red 3G (en los países en que se encuentra implantado) pero con unos costes de operativa y de mantenimiento asociados mucho más bajos.

 Gestión de los Datos a Enviar

Otra característica diferenciadora de las diversas opciones tecnológicas es el ancho de banda que nos ofrecen o, dicho de otra manera, que volumen de datos vamos a poder transferir por unidad de tiempo. Este va a variar en gran medida dependiendo de la información que necesitemos comunicar: enviar el estado del paciente unas cuantas veces al día se puede considerar un volumen de datos bajo, enviar señales fisiológicas en tiempo real puede considerarse un volumen medio, mientras que si necesitamos enviar grandes cantidades de imágenes o vídeo en alta resolución será alto.

Todos los fabricantes de tecnología, suelen dar como dato característico la transmisión de datos máxima que permite la tecnología, que es la velocidad de transmisión esperable en condiciones óptimas. Desafortunadamente, en entorno de uso real raramente vamos a tener unas condiciones óptimas. El ambiente, los obstáculos, la distancia, las interferencias, todos estos factores y otros nos van a reducir el ancho de banda esperado.

En el siguiente gráfico podemos ver una comparativa entre las transmisiones de datos máximas de las diferentes tecnologías       de comunicación.

Máxima transmisión de datos según tecnología

A la hora de desarrollar nuestro producto, hay algunas directrices que nos pueden ayudar a gestionar mejor el volumen de datos a enviar:

• Comprimir los envíos: Mantener un enlace de radio estable en el tiempo es complicado debido a la gran cantidad de factores externos que pueden dificultar la comunicación. Siempre que sea posible es aconsejable comprimir la información a enviar, tanto en el volumen como en los tiempos de envío, de forma que los envíos se produzcan de forma puntual y en la mayor parte del tiempo el canal de comunicación no se encuentre ocupado. Esto permite también poder realizar reintentos de envío en caso de fallos.
• Seleccionar el ancho de banda adecuado: Es necesario estimar desde un principio cuales van a ser nuestras necesidades en cuanto a volumen de datos a la hora de seleccionar correctamente la tecnología que vamos a utilizar. Siempre hay que tener en cuenta que en nuestra aplicación final seguramente no vamos a tener unas condiciones de transmisión ideales. Por esta razón es siempre importante escoger una tecnología que nos dé un amplio margen de transmisión de datos respecto a nuestras necesidades reales.
• Dimensionar adecuadamente los concentradores: Aunque es más difícil hacer una estimación a inicio, es importante predecir que va a suceder a medida que tengamos un número más elevado de dispositivos conectados a un mismo concentrador. Esto nos puede ayudar a determinar cuales son los limites operativos de nuestra red y cual es la tecnología a utilizar más adecuada.

Seguridad y Encriptación de Datos

En el campo de la seguridad de cualquier tipo de comunicación, la base es sin duda la encriptación de los mensajes. Actualmente el que se considera como ‘Gold Standard’ entre los algoritmos de encriptación se llama AES (Advanced Encryption Standard). Este algoritmo se considera, hoy en día, invulnerable en su variante mínima con longitud de claves de 128 bits. La seguridad de AES se encuentra avalada por la Agencia de Seguridad Nacional de los Estados Unidos, que lo utiliza para proteger los documentos clasificados de nivel ‘SECRET’, aunque la misma agencia requiere longitudes a de clave de 192 y 256 bits para documentos clasificados como ‘TOP SECRET’.

A pesar de la seguridad en los métodos de encriptado, existen varios factores de un sistema que pueden hacerlo vulnerable por medio de los llamados ataques de canal lateral. Una de las particularidades de los métodos de encriptación es el uso de llaves criptográficas para los procesos de encriptado y desencriptado. Estas llaves deben estar presentes tanto en los propios dispositivos, como en los servidores, lo que hace que la correcta protección de las llaves sea un factor clave en la seguridad.

La naturaleza de los ataques que pueden recibir nuestra red de dispositivos puede ser muy variada por eso es esencial en cualquier diseño tener en mente la seguridad desde un principio y seguir metodologías de diseño seguro. La Agencia Europea para la Ciberseguridad (ENISA) desarrolla una guía de buenas prácticas para la seguridad en IoT con metodologías para asegurar un diseño seguro.

Transferencia a la Nube

El proceso de llevar los datos IoT al Cloud para su análisis y visualización, de realiza típicamente utilizando tres piezas de software especializadas:

• Agregación y preprocesado. Es una práctica extendida que los datos que transmiten los dispositivos se compriman o se codifiquen con tal de manejar eficientemente el ancho de banda disponible. Estos datos necesitan convertirse en información leíble, y ser agregados antes de poder ser procesados para su visualización.
• Almacenamiento de datos. Los datos preprocesados son almacenados en bases de datos estructuradas para su posterior consulta.
• Análisis de los datos. En este ultimo paso es cuando la información almacenada es consultada y procesada siguiendo los objetivos del análisis a realizar. Este análisis a menudo incluye el uso de gráficos y esquemas para ayudar a interpretar más fácilmente las conclusiones del análisis.

Proceso de recolección y gestión de datos

En el mercado podemos encontrar una amplia oferta de estos softwares, incluso de soluciones completas que integran todas las piezas de software necesarias. Podemos encontrar estas soluciones de software en dos modelos de comercialización, con instalación en servidor local (on premise) o bien en la nube (cloud solution). A continuación, repasamos cuatro aspectos que nos pueden llevar a decidir cual de las dos opciones es mejor para nuestro sistema:

• Coste: Un software ‘on premise’ tendrá un coste inicial mucho más elevado, teniendo en cuenta además los costes adicionales de TI y hardware. Mientras que un software en la nube te permite una mejor previsión ya que puedes conocer los costes de subscripción desde un inicio. Si bien es cierto que a largo plazo y a medida que tu sistema crezca, crecerán también los costes de subscripción, por lo que puede llegar a resultar una opción más cara.
• Seguridad. En este sentido en un sistema ‘on premise’ tendremos siempre mucho mas control sobre la seguridad y será responsabilidad solo nuestra mantener el nivel de seguridad. En el otro caso, la seguridad dependerá en gran manera del proveedor que escojamos. En el caso de productos sanitarios este aspecto es mas crítico aún y debemos asegurarnos de que el proveedor escogido cumpla y certifique normas como la GDPR europea o la HIPAA estadounidense.
• Personalización. Ambas opciones son altamente personalizables. La diferencia reside en que con la primera opción la personalización se realizará a medida por profesionales de tu empresa o subcontratados, mientras que la soluciones en la nube cuentan con servicios especializados que pueden hacer mucho más sencilla esta tarea.
• Implementación. En este aspecto, la implementación de un software ‘on premise’ será siempre mucho más lenta y costosa ya que se debe realizar completamente a medida. Las implementaciones en la nube suelen ser mucho más rápidas a cambio de tener una menor personalización de la solución.

Asegurar la Comunicación de Datos Críticos

En el campo de los productos sanitarios pueden existir casos de uso donde los datos transferidos puedan ser considerados críticos, bien por su naturaleza, bien por ser información sensible al tiempo. Este tipo de sistemas se califican como sistemas IoT críticos. Los fallos en un sistema IoT crítico pueden ocasionar riesgos e incluso afectos adversos a un paciente, y por esta razón es necesario minimizar y controlar cualquier fuente de riesgo en estos sistemas.

En los sistemas IoT una de las mayores fuentes de fallo se encuentra en las comunicaciones inalámbricas y en el hecho de poder garantizar un canal estable y con el ancho de banda adecuado. Por esto, durante el diseño de cualquier sistema que pueda clasificarse como crítico, es muy importante analizar en profundidad la confiabilidad de las tecnologías de comunicación y del canal.

Una de las practicas más establecidas a la hora de diseñar un sistema crítico es la introducción de redundancia en las comunicaciones, utilizando múltiples tecnologías de comunicación de modo que, si se produce un fallo en una, se pueda utilizar inmediatamente la secundaria.

En el futuro, se espera que el despliegue de la tecnología 5G permita la implantación de sistemas considerados como ultra confiables y de baja latencia (URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communications).

La Evolución del IoT gracias al 5G

Por último hablaremos de cómo el 5G va a suponer un tremendo avance en los sistemas IoT. Aunque de momento el despliegue del 5G se está centrando en ofrecer más velocidad de acceso a Internet, la tecnología está pensada para ir mucho más allá de esto.

A diferencia de las generaciones anteriores de la red de telefonía móvil, donde se aplicaba la misma solución para todos los casos, 5G espera satisfacer un amplio rango de aplicaciones y servicios, que la tecnología agrupa en tres familias:

• Enhanced Mobile Broadband (eMBB): Esta es la modalidad que más expansión ha realizado en los últimos meses. Está dirigida a ofrecer altas transferencias de datos y alta capacidad centrándose en el uso de teléfonos móviles y otros dispositivos conectados con servicios como transmisión de vídeo de alta definición, realidad virtual y computación en la nube.
• Ultra Reliable Low Latency Communication (uRLLC): Esta modalidad se centra en servicios críticos que necesiten comunicaciones de respuesta muy rápida (baja latencia) y alta confiabilidad. Se esperan aplicaciones de esta tecnología en el coche autónomo, la seguridad pública o los dispositivos médicos.
• Massive Machine Type Communications (mMTC): Se espera que esta sea la evolución de las comunicaciones IoT actuales, y apuesta por tecnologías como NB-IoT, LTE-M y la novedosa NR-Light. Se espera cubrir aplicaciones con necesidades de alta densidad, alta cobertura, y bajo consumo energético.

Principales categorías IoT

El IoT dentro de las tecnologías 5G se clasifica también según el caso de uso previsto en tres categorías principales:

• IoT Masivo. Se describe el IoT Masivo como el utilizado en dispositivos de bajo coste y bajo consumo en aplicaciones con grandes números de dispositivos. En este caso 5G prevé la utilización y la evolución de las tecnologías NB-IoT y LTE-M.
• IoT Crítico. Es en estos casos donde se espera la aplicación de las tecnologías uRLLC para aplicaciones de alta gama. La principal tecnología que se está desarrollando en este sentido es la V2X o Vehicle To Everything, pensada para la aplicación autónoma, aunque aplicable a otros casos de uso como el de las infraestructuras críticas.
• IoT Industrial. Se presenta como un termino medio entre las dos anteriores, y se están desarrollando también tecnologías de comunicación propias como el NR-Light o el NR Industrial IoT (NR IIoT), focalizándose en aplicaciones como los robots colaborativos, los vehículos autónomos guiados (AGV) o las cámaras de vigilancia.

Gracias a las ventajas que proporcionará el 5G, el IoT podrá implantarse en gran cantidad de industrias, además de la médica, que podrán aprovechar este potencial para desarrollar nuevos productos que los harán evolucionar y mejorar. Puedes leer más en el artículo sobre la evolución del 5G y su influencia en el IoT.

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