Introducción a los Sensores

Un sensor es un dispositivo que detecta cambios en el entorno a través de una magnitud física y la convierte, mediante un transductor, a un dominio eléctrico u óptico. Los dominios posibles de las magnitudes de entrada son: químico, magnético, eléctrico, mecánico, térmico y radiante.

Los smartphones se denominan «inteligentes» porque incorporan una multitud de sensores adicionales en comparación con los teléfonos móviles tradicionales, ofreciendo un mejor tamaño, rapidez, calidad y precio.

Las 9 Características Fundamentales de un Sensor

• 1. Rango de medida: Dominio de la magnitud en la que el sensor puede operar de manera segura y precisa.
• 2. Precisión: Error de medida máximo esperado en las condiciones de operación.
• 3. Offset: Desviación o valor de la salida cuando la entrada es completamente nula.
• 4. Linealidad: Propiedad que garantiza que la salida varíe de forma lineal con respecto a la entrada.
• 5. Sensibilidad: Valor mínimo detectable de la magnitud de entrada (relación de cambio entre salida y entrada).
• 6. Resolución: Mínima variación de la entrada que produce un cambio apreciable en la salida.
• 7. Rapidez de respuesta: Capacidad del dispositivo para seguir dinámicamente las variaciones de la magnitud de entrada.
• 8. Derivas: Influencia de magnitudes distintas a la de entrada (como la temperatura, la humedad, el envejecimiento o la oxidación) en la señal de salida.
• 9. Repetitividad: Consistencia y reproducibilidad de la salida al aplicar varias veces el mismo valor de entrada bajo las mismas condiciones.

Clasificación por Tipo de Salida

• Analógicos (44%): Transforman una magnitud física en una salida de variación continua tanto en el tiempo como en su magnitud.
• Quasi-digitales (16%): Presentan salidas discretas en su magnitud, pero continuas en el tiempo o la frecuencia. Son, en esencia, salidas analógicas que se pueden expresar directamente como un número.
• Digitales (40%): Ofrecen una salida en tiempo discreto con valores de magnitud discretos. No tiene por qué ser estrictamente binaria, aunque suele serlo, representando directamente un código binario. Ejemplos de estos son los codificadores de posición angular y los detectores de presencia.

Ventajas de los Sensores Quasi-digitales

1. Alta inmunidad frente al ruido: A diferencia de los analógicos, donde se debe aplicar un procesado complejo para recuperar la señal, las señales quasi-digitales permiten regenerar la información tantas veces como sea necesario sin perder calidad, siempre que se mantengan por encima de un umbral mínimo.
2. Alta potencia de salida: El bloque de acoplamiento entre la salida del sensor y la entrada del amplificador es la sección más voluminosa en términos de potencia requerida. Dado que las pérdidas en esta etapa no pueden compensarse posteriormente, las potencias de los sensores quasi-digitales resultan más ventajosas al ser más altas.
3. Rango dinámico ampliado: No se ve afectado por el ruido de fondo ni por la potencia de trabajo, logrando alcanzar valores superiores a los 160 dB.
4. Alta precisión de los osciladores de referencia: Los osciladores basados en cristales de cuarzo son significativamente más estables.
5. Interfaces sencillas: Los sensores analógicos suelen introducir errores debido a impedancias parásitas e inducciones mutuas entre canales. En cambio, las señales moduladas en frecuencia son inmunes a estos errores, permitiendo el uso de multiplexores sencillos que no introducen distorsiones.
6. Integración y codificación sencillas: Son mucho más fáciles de integrar directamente en sistemas digitales y microcontroladores.
7. Auto-ajuste: Ofrecen una gran versatilidad para encontrar un compromiso óptimo entre precisión y velocidad (tiempo de medición y conversión), así como entre precisión y potencia consumida.
8. Multiparamétricos: Un mismo sensor físico puede proporcionar más de un parámetro en su señal de salida, a diferencia del único parámetro que ofrece un sensor analógico convencional.

Sensores Físicos y Biométricos en Dispositivos Móviles

1. Acelerómetro

Mide la aceleración física en 3D (expresada como un vector positivo o negativo) que experimenta el dispositivo, incluyendo la aceleración de la gravedad. Permite detectar choques, caídas y distinguir diferentes tipos de desplazamientos. Sus unidades de medida son el m/s² y la fuerza g (donde 1g = 9.8 m/s² a nivel del mar). Sus ejes de referencia son: X e Y en el plano de la pantalla, y el eje Z perpendicular a ella.

• Piezoeléctricos: Se basan en ciertos cristales que, al ser sometidos a una presión mecánica, generan una diferencia de potencial. Utilizan un sistema de muelle-masa que ejerce presión sobre un cristal de cuarzo para generar voltaje.
• Capacitivos MEMS: El sistema forma un condensador con electrodos móviles. Al desplazarse la masa, varía la capacitancia, generando una señal eléctrica proporcional al movimiento.
  • Plano XY: Presenta una geometría en peine. Un conjunto de púas está anclado a la carcasa y otro está unido a una masa en voladizo cuyas púas flexan con el movimiento. Este desplazamiento cambia la capacitancia, produciendo un cambio de voltaje inversamente proporcional al movimiento.
  • Plano Z: Utiliza una masa en voladizo suspendida sobre los sensores capacitivos a lo largo del eje Z. La flexión vertical se convierte en variaciones de tensión eléctrica.

Las señales analógicas obtenidas se envían a un conversor analógico-digital (ADC) (uno por cada eje) que realiza el muestreo a una frecuencia típica de 100 Hz (cumpliendo con el Teorema de Nyquist, que exige muestrear al menos a 2 · f_max). Ofrecen una resolución de 12 a 16 bits y un rango de operación típico de ±2g (pudiendo alcanzar hasta ±16g).

2. GPS (Sistema de Posicionamiento Global)

Es un sistema de localización, no de seguimiento ni de navegación propiamente dicho. Su función exclusiva es posicionar el dispositivo sobre la superficie terrestre proporcionando coordenadas geográficas. No es un sensor individual, sino una red de 30 satélites llamada NAVSTAR (propiedad de EE. UU.). Su equivalente europeo de uso no militar es GALILEO.

• Principio de funcionamiento: Se basa en la triangulación esférica. El receptor móvil recibe señales de varios satélites con diferentes retardos temporales; la intersección de estas esferas determina la posición exacta. Con 3 satélites se obtiene una posición en 2D (longitud y latitud), mientras que con 4 satélites se logra una posición en 3D (añadiendo la altitud con referencia absoluta en metros sobre el nivel del mar).
• Precisión: La precisión típica oscila entre 20 y 50 metros, con una precisión máxima de 10 metros. Mediante el uso de DGPS (GPS Diferencial, que emplea un receptor terrestre fijo adicional), la precisión puede mejorar hasta 1 metro.
• Pros y contras: Presenta un alto consumo energético y no funciona de manera óptima en interiores (dentro de edificios o bajo árboles densos). Además, los edificios altos reflejan y ocluyen las señales, empeorando la precisión en entornos urbanos.
• A-GPS (GPS Asistido): Ofrece una mayor sensibilidad (+25 dB) y un tiempo de enganche rápido de solo 6 segundos, gracias a que los datos de asistencia son suministrados por las redes de comunicaciones móviles.

3. Giroscopio

Mide la velocidad de rotación espacial del dispositivo en radianes por segundo (rad/s) sobre los tres ejes de coordenadas. Permite determinar con precisión el posicionamiento angular del dispositivo y de la persona que lo porta.

• Funcionamiento: Se fundamenta en el efecto físico de que si un objeto se mueve en un eje y rota respecto a un segundo eje, se genera una aceleración de Coriolis en la dirección del tercer eje. El giroscopio MEMS dispone de una masa que oscila sobre el primer eje y cuenta con placas capacitivas en el tercer eje (dirección de Coriolis). Cuando el sistema rota sobre su segundo eje, la fuerza de Coriolis cambia la capacitancia medible, traduciéndose en una señal eléctrica. Están construidos litográficamente y se basan en mecanismos como la rueda vibrante. Su precisión alcanza los 0.001 rad/s.
• Coordenadas y ejes:
  • Roll (Alabeo): Rotación sobre el eje longitudinal (inclinarse hacia un lado).
  • Pitch (Cabeceo): Rotación sobre el eje lateral (subir o bajar el morro).
  • Yaw (Guiñada): Rotación sobre el eje vertical (girar sobre sí mismo).
• IMU (Unidad de Medida Inercial): Es la integración de un giroscopio y un acelerómetro, proporcionando 6 grados de libertad (3 traslacionales y 3 rotacionales). Ejemplos de aplicación incluyen el Wii Nunchuk (detección de movimiento humano y aplicaciones biomédicas), detectores de colisión en vehículos, podómetros (cuentapasos) y sistemas de monitorización de impactos mecánicos.

4. Magnetómetro

Mide la densidad de flujo magnético (B) en Teslas (T). Puede ser de tipo escalar (mide únicamente la intensidad del campo) o vectorial (mide tanto la intensidad como la dirección). Funciona detectando la fuerza de Lorentz a través de cambios de tensión, variaciones en la frecuencia de resonancia o desplazamientos mecánicos. Un imán doméstico común (como el de una nevera) puede llegar a descalibrarlo hasta por una semana.

5. Brújula

Mide el ángulo de orientación con respecto al norte magnético (0°) expresado en grados sexagesimales en sentido horario. Existe una desviación conocida (declinación) entre el norte magnético y el norte geográfico. Los smartphones proporcionan tanto la información de la intensidad magnética en crudo como el rumbo ya procesado.

6. Sensores de Fuerza (PTF)

Consisten en una capa delgada de polímero cuya impedancia eléctrica decrece de forma proporcional al aplicarle una fuerza mecánica. Se utilizan habitualmente en detectores de choque, teclas, botones y joysticks.

7. Barómetro

Mide la presión atmosférica local, lo que permite estimar la altitud del dispositivo. Es sumamente útil en interiores donde la señal de GPS no está disponible. Un estado anticiclónico se traduce en mayor presión, mientras que un estado borrascoso implica menor presión.

8. Pantalla Resistiva

Consta de dos capas (una conductora y otra resistiva) permanentemente polarizadas y mantenidas separadas por un espaciador físico. Al presionar la pantalla, ambas capas entran en contacto físico cerrando el circuito eléctrico. Funciona con cualquier objeto (dedos, lápices, guantes). Sus ventajas son su sencillez y bajo coste, mientras que su principal desventaja es que la doble capa reduce la luminosidad de la pantalla.

9. Pantalla Capacitiva

Consta de una única capa capacitiva permanentemente polarizada. Cuando un elemento conductor (como el dedo humano) toca la pantalla, la carga eléctrica local decrece, y esta variación permite localizar con precisión el punto de pulsación. Ofrece una excelente luminosidad (~90%), pero es más costosa y requiere obligatoriamente un elemento conductor para operar (un dedo con un guante convencional no funcionará).

10. Pantalla de Onda Ultrasónica Superficial

Un transductor situado en el borde del cristal emite una onda ultrasónica de alta frecuencia (entre 20 y 200 kHz) que se propaga por toda la superficie de la pantalla. Un receptor en el extremo opuesto recibe la señal. Cuando un objeto toca la pantalla, interrumpe la propagación de la onda, permitiendo calcular el punto exacto del contacto. Ofrece el 100% de luminosidad y funciona con cualquier objeto, pero es una tecnología muy costosa y altamente sensible a la suciedad.

11. Sensor de Iluminación Ambiental

Consiste en un fotodiodo cuyo flujo de corriente eléctrica varía proporcionalmente con la cantidad de luz incidente. Realiza la medición en unidades Lux.

12. Pulsómetro

Mide la frecuencia cardíaca en tiempo real. El tipo óptico se basa en diodos emisores de luz (LEDs) infrarrojos (IR) sintonizados con la frecuencia de resonancia de la hemoglobina. Mide la microexpansión y contracción de los vasos sanguíneos mediante la reflexión y refracción de la onda IR. Destaca por su bajo consumo energético, alta relación señal/ruido (SNR) y un elevado nivel de miniaturización.

13. Electrocardiógrafo (ECG)

• ECG de 12 derivaciones: Emplea 10 electrodos físicos. Es de uso estrictamente hospitalario y proporciona 12 canales independientes de información diagnóstica.
• ECG de 1 derivación: Integrado en dispositivos de consumo como los smartwatches. Requiere una sesión de medición de 30 segundos y es capaz de detectar anomalías como la fibrilación auricular. Su margen dinámico de señal es de 0 a 5 V.
• Configuración de 3 electrodos: Colocación del electrodo positivo en la pierna izquierda, el neutro en el pecho izquierdo y el negativo en el pecho derecho.

14. Control de Condiciones Laborales

Consiste en sistemas de monitorización con varios canales que miden simultáneamente si algún órgano del trabajador está sometido a estrés físico o ambiental.

15. Análisis en Frecuencia (FFT)

En el procesamiento de señales biomédicas, resulta mucho más sencillo detectar los pulsos en el dominio de la frecuencia que en el dominio del tiempo. La Transformada Rápida de Fourier (FFT) proporciona picos muy nítidos que corresponden a la frecuencia de pulsación exacta.

Mercado de Sensores e IoT Wearables

El volumen de negocio en el sector de los sensores experimenta un crecimiento anual sostenido del 10%. El mercado se divide en 6 grandes familias:

1. Smart sensors and systems (22%): Sensores con procesamiento de señal integrado.
2. Sensor networks (20%): Redes de sensores distribuidas con capacidad de comunicación.
3. Physical sensors (15%): Sensores de temperatura, presión y aceleración.
4. Biosensors (15%): Dispositivos orientados a la detección de moléculas biológicas.
5. Chemical sensors (14%): Sensores destinados al análisis químico.
6. Nanosensors (9%), interfaces de sensores (Sensor interfaces, 3%) y otras tecnologías (Other, 2%).

En el ámbito del IoT Wearable, la Realidad Aumentada (AR) juega un papel fundamental de integración tecnológica.

Principales Dispositivos Wearables

• 1. Hearables (Auriculares Inteligentes): Se colocan en el pabellón auditivo. Son capaces de medir la frecuencia cardíaca, la temperatura corporal y la actividad física general. Incorporan funciones avanzadas como el neuropriming (estimulación cerebral eléctrica para mejorar el rendimiento físico), entrenamiento deportivo personalizado, traducción de idiomas en tiempo real y amplificación selectiva del sonido ambiental (ej. Halo Sport, Mymanu).
• 2. Smartwatches (Relojes Inteligentes): Monitorizan múltiples parámetros fisiológicos. Sus principales aplicaciones clínicas incluyen la realización de ECG para detectar ritmos cardíacos anormales o fibrilación, detección de caídas (ej. KardiaBand, Apple Watch con soporte AR), detección de crisis de epilepsia mediante la respuesta electrodérmica de la piel (ej. Empatica Embrace 2, con AR) y monitorización de pacientes con Parkinson al detectar el tremor y la lentitud de movimientos (ej. KinesiaU, con AR). También permiten monitorizar la glucosa, la presión arterial, la calidad del sueño y la actividad física. Todos estos usos clínicos cuentan con integración de AR.
• 3. Smartglasses:
  • VR (Virtual Reality): Crean un entorno totalmente virtual, muy utilizado en la formación quirúrgica y en la recreación tridimensional de órganos.
  • AR (Augmented Reality): Superponen elementos virtuales sobre el entorno real, con aplicaciones en terapias para el autismo, telemedicina y educación médica.
  • La tendencia tecnológica actual se dirige hacia la MR (Mixed Reality o Realidad Mixta).
• 4. Fitness Trackers: Son rastreadores de actividad física diaria. Permiten medir la presión arterial (ej. iHealth), detectar convulsiones, monitorizar el flujo sanguíneo, registrar la actividad física (ej. FitBit) y analizar los patrones de sueño (ej. Spire Health Tag).
• 5. Smart Clothing (Ropa Inteligente): Consiste en textiles técnicos con sensores integrados en el tejido. Sus aplicaciones abarcan la prevención de úlceras en los pies de pacientes diabéticos (ej. Siren Smart Sock), la monitorización de la incontinencia urinaria y la oximetría en bebés. Actualmente, es el sector menos desarrollado de la industria de los wearables.
• 6. Parches Superficiales: Dispositivos que se adhieren directamente sobre la piel. Se utilizan para medir los niveles de glucosa de forma continua (ej. BioUna), realizar ECG y monitorización cardiovascular prolongada (ej. iRhythm), analizar parámetros químicos del sudor (ej. Eccrine Systems) y registrar la temperatura y frecuencia cardíaca (ej. Kenzen).

Detección de Actividad y Sensores para IoT

Existen tres tipos principales de dispositivos para la detección de la actividad física y fisiológica: Smartphones, Sport Gadgets y Medical Devices. Estos dispositivos de movilidad permiten monitorizar la vida cotidiana de las personas en tiempo real, aportando un gran beneficio a médicos, pacientes y familiares.

La clasificación de las actividades se realiza bajo dos criterios:

• Por su complejidad: Actividades Simples (como andar) y Complejas (como conducir un vehículo).
• Por el escenario: Ámbito del Vivir (cocinar), del Trabajo (uso del ordenador) y de la Salud (realización de ejercicio físico).

Sensores para el Internet de las Cosas (IoT) en Medicina

Permiten que los datos médicos del individuo estén disponibles a distancia y en tiempo real, posibilitando la medicina preventiva, el diagnóstico precoz, el pronóstico clínico y el desarrollo de terapias rehabilitadoras eficientes.

• 1. Wearables vs. mPoCTs: Los wearables destacan por ser dispositivos menos intrusivos. Se dividen en las subcategorías de: vestibles, implantables, adhesivos y accesorios.
• 2. PoCTs Portables: Dispositivos de diagnóstico en el punto de atención que son portátiles, pero que presentan limitaciones en cuanto a su conectividad y capacidad de personalización.
• 3. PoCTs Móviles (mPoCTs): Dispositivos que permiten una conectividad total, aunque en ocasiones pueden presentar desafíos en términos de precisión y estandarización de sus medidas.
• 4. Parches Adhesivos Epidérmicos: Son dispositivos electrónicos flexibles, elásticos y altamente adherentes a la piel. Ofrecen una excelente relación señal/ruido (SNR) gracias a su contacto íntimo y adaptado a la superficie cutánea. Deben ser capaces de resistir el sudor y los cambios de temperatura sin desprenderse. Su empaquetado físico consta de: sustrato, adhesivos secos, líneas de interconexión y encapsulado protector.

Detección de Emociones

Para la detección de emociones se utiliza un parche ajustable basado en un elastómero piezoeléctrico, similar a una tirita, que se coloca en dos zonas específicas de la cara. El parche está fabricado con un nanocompuesto elastomérico piezorresistivo: al deformarse por la acción de los movimientos musculares faciales, su resistencia eléctrica varía. Esta variación de resistencia respecto al estado neutro es la señal que se mide e interpreta algorítmicamente como una emoción:

• Llorando: Se caracteriza por una tensión muscular facial más prolongada y de carácter continuo.
• Reír: Se caracteriza por una actividad muscular rítmica y de naturaleza oscilatoria.

Plataforma de e-Salud MySignals

MySignals es una plataforma de desarrollo orientada a la e-Salud y al IoT médico. Cuenta con una placa de desarrollo central equipada con múltiples puertos de conexión para sensores, donde se realiza la computación y el procesamiento de las señales.

Sensores de la Plataforma MySignals

• 1. Pulsioxímetro (SpO2): Mide la saturación de oxígeno en la sangre arterial y el pulso en pulsaciones por minuto (ppm). Detecta los niveles de oxihemoglobina y desoxihemoglobina mediante la emisión de dos haces lumínicos a través del dedo del paciente. Un rango normal de operación es superior al 95%. Valores inferiores al 94% indican un estado de hipoxia, mientras que un valor del 100% puede ser indicativo de una intoxicación por monóxido de carbono (CO).
• 2. Electrocardiógrafo (ECG): Registra la actividad eléctrica y muscular del corazón. Utiliza una configuración de 3 electrodos (positivo en la pierna izquierda, neutro en el pecho izquierdo y negativo en el pecho derecho) con un margen dinámico de señal de 0 a 5 V. Es fundamental para la detección de arritmias, infartos de miocardio y síncopes.
• 3. Flujo de Aire: Consiste en un sensor térmico que se coloca cerca de la boca y la nariz del paciente. Detecta los cambios de temperatura asociados al flujo de aire oronasal, permitiendo identificar apneas del sueño. Su rango de salida es de 0 a 3.3 V y puede activar una alarma física para despertar al paciente en caso de emergencia.
• 4. Monitor de Presión Arterial: Utiliza el método oscilométrico para medir la presión sistólica (fase de latido) y diastólica (fase de relajación). Los valores normales se sitúan entre 90–119 mmHg para la sistólica y 60–79 mmHg para la diastólica. Ofrece una precisión de ±3 mmHg para la tensión y de ≤5% para el pulso. El manguito debe colocarse obligatoriamente a la altura del corazón.
• 5. Glucómetro: Requiere una punción capilar en el dedo para depositar una gota de sangre en una tira reactiva fungible (de un solo uso), midiendo la concentración de glucosa en la muestra.
• 6. Sensor de Temperatura: Utiliza un sensor con forma de lenteja de contacto que se coloca en el dedo o en un pliegue de la piel. Su rango de medición es de 0 a 50 ºC. La temperatura corporal normal es de 37 ºC (con una variación fisiológica de ±0.5 ºC a lo largo del día). Valores inferiores a 35 ºC indican hipotermia, y valores superiores a 37.5 ºC indican hipertermia.
• 7. Electromiograma (EMG): Evalúa las bioseñales de naturaleza eléctrica producidas por la activación neuromuscular (es importante destacar que no son señales eléctricas externas, sino bioseñales del propio organismo). Emplea 3 electrodos distintos colocados sobre el músculo y uno conectado a tierra. Su rango de medida es de 0 a 60 cpm con una señal de salida de 0 a 5 V. Es una herramienta clave en procesos de rehabilitación y en el diagnóstico de patologías neuromusculares.
• 8. Espirometría: Mide la función pulmonar evaluando el volumen y el flujo de aire inspirado y expirado. Registra parámetros como el PEF (pico de flujo espiratorio máximo al exhalar) y el FEV1 (volumen espiratorio forzado en el primer segundo). Su rango de operación es de 50 a 900 L/min con una precisión de ±10%. Se realiza a través de un tubo de soplado y es vital para el diagnóstico de asma, EPOC y fibrosis pulmonar.
• 9. Actividad Electrodérmica: Mide la conductancia eléctrica de la piel, la cual varía en función de la humedad de las glándulas sudoríparas (las cuales están controladas directamente por el sistema nervioso simpático). Los cambios en los estados emocionales se reflejan como variaciones en la conductancia. Utiliza 2 electrodos colocados en los dedos. Su rango de conductancia es de 0 a 20 µS, con una resistencia asociada de 10 kΩ a 100 kΩ y una señal de salida de 0 a 5 V.
• 10. Posición del Cuerpo Humano: Consiste en una banda equipada con un acelerómetro 3D que se coloca en el abdomen del paciente. Es capaz de detectar 5 patrones distintos de movimiento y posición corporal, siendo de gran utilidad en el estudio de la apnea del sueño y del síndrome de piernas inquietas.
• 11. Sensor de Ronquido: El ronquido es la principal causa de la apnea obstructiva del sueño. Se utiliza un detector piezoeléctrico colocado en el cuello del paciente. El sistema emplea Modelos Ocultos de Markov (HMM) para clasificar de forma precisa los estados de ronquido y silencio, logrando una tasa de acierto muy elevada. Su rango de operación es de 0 a 60 spm con una señal de salida de 0 a 5 V.

Sensores Inalámbricos (Bluetooth)

1. Báscula Inteligente

Mide diferentes parámetros de la composición corporal como el porcentaje de agua, grasa visceral y masa muscular, además de calcular el índice de masa corporal (IMC) y el índice metabólico basal (IMB). Su funcionamiento se basa en hacer circular una corriente eléctrica de muy baja intensidad a través del cuerpo para analizar la respuesta de bioimpedancia.

2. Electroencefalograma (EEG)

Consiste en una diadema que mide la actividad eléctrica de las ondas cerebrales generadas por la corteza cerebral. Permite registrar y analizar principalmente las ondas beta (asociadas a estados de relajación y calma) y las ondas alfa (asociadas a estados de concentración y enfoque mental).

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