Han pasado 36 años desde que se lanzó el primer teléfono móvil para el público, el Motorola DynaTAC 8000x. En estas tres décadas hemos visto reinar para después hundirse a empresas como Nokia. Hemos visto a Apple salir de la irrelevancia para convertirse en una de las compañías más grandes del mundo. Hemos visto cómo la potencia de los móviles crecía y también lo hacían sus funcionalidades. Los Smartphones hoy en día son pequeños superordenadores con cámara, micrófono, giroscopios, GPS etc. Los Smartphones se han convertido prácticamente en una extensión de nuestro propio cuerpo y nos conocen mejor que nosotros mismos. Hay incluso quien dice que causan adicción, nos impiden concentrarnos, nos hacen olvidarnos de cómo se escribe o permiten la vigilancia y el control masivo por parte de gobiernos y multinacionales. Yo creo que no, que pueden salvarnos.

En las últimas décadas, también hemos visto como la esperanza de vida ha crecido enormemente y como consecuencia también lo han hecho enfermedades cardiacas, respiratorias, oculares etc. Los gobiernos de muchos países ven el envejecimiento de la población como algo que amenaza la sostenibilidad del sistema económico en vez de como algo que puede enriquecer a la sociedad. No ven que la mejor forma de reducir costes y mejorar la calidad de vida está al alcance de nuestra mano, literalmente.

Smartphones para la monitorización de la salud.

La mayoría de las enfermedades pueden ser evitadas o al menos se puede disminuir su severidad, gracias a la detección precoz, mediante la monitorización continua de la salud. Además, en algunas regiones existe falta de personal cualificado, lo que limita la calidad de la atención sanitaria. Los Smartphones, dotados con inteligencia artificial y multitud de sensores, pueden hacer realidad la visión de una monitorización continua, remota, de bajo coste y poco intrusiva, de manera que los sistemas de salud pueden evaluar a los pacientes sin intervenir en sus vidas.

En este blog se van a presentar y resumir algunas de las investigaciones que demuestran cómo los Smartphones pueden ser usados para monitorizar enfermedades del corazón, los ojos, la piel o la salud mental.

Monitorización de enfermedades cardiacas.

Según el Instituto Nacional de Estadística, las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte en España [1]. La monitorización del ritmo cardíaco puede usarse para diagnosticar enfermedades cardíacas como las arritmias. No obstante, el ritmo cardíaco y su variabilidad se extrae habitualmente del electrocardiograma, pero ese sistema es caro y necesita de profesionales cualificados para su uso. Es cierto, que actualmente hay pulseras cuantificadoras de marcas como Fitbit o Xiaomi que pueden extraer estos datos, pero al tratarse de un hardware adicional se limita su universalidad.

Un Smartphone puede extraer estos datos usando la cámara, mediante una técnica llamada fotopletismografía. La absorción de la luz es distinta para la hemoglobina de la sangre que para el resto de tejidos, así que la fotopletismografía puede estimar el volumen de sangre en un determinado momento.

En la figura se puede el esquema general, el usuario pone el dedo sobre la cámara, la cámara toma un vídeo, se descompone en canales y se puede analizar el componente rojo para analizando la gráfica estimar el ritmo cardíaco, utilizando algoritmos de detección de picos en señales

Figura extraída de [2], muestra un esquema general de la extracción del ritmo cardíaco con la cámara.

El método propuesto en [2] obtiene precisiones comparables a las obtenidas por el hardware especializado, con la ventaja del coste y la accesibilidad.

Monitorización de la salud pulmonar

El desarrollo económico y el aumento de la esperanza de vida ha venido de la mano de un desarrollo industrial sin precedentes, a menudo a costa de la calidad del aire. La polución causa más de 10.000 muertes anuales en España [3] y aumenta el riesgo de enfermedades como el asma, enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) o cáncer de pulmón. Y no solo está la polución, el tabaquismo también produce muertes y enfermedades.

Muchas de las enfermedades pulmonares pueden ser detectadas, diagnosticadas e incluso tratadas utilizando el micrófono del Smartphone.

El espirómetro es un instrumento, que puede valer cientos de euros, utilizado para medir el volumen pulmonar. Varios investigadores han tratado de crear espirómetros de bajo coste utilizando

Smartphones. Este instrumento es capaz de construir la curva Flujo-Volumen que luego un médico puede analizar para diagnosticar distintas enfermedades.

SpiroSmart [4] estima el flujo de aire a partir del sonido de la exhalación, utilizando varios algoritmos de

aprendizaje automático. Este sistema y otros similares son capaces de diagnosticar fibrosis quística, asma, EPOC o bronquitis crónica.

Captura y curva obtenida con SpiroSmart.

Un tipo de tratamiento muy común para el asma son los ejercicios respiratorios, que generalmente implican respiraciones lentas, exhalaciones largas o expulsar menos aire en cada respiro. Flappy Breath

[5] es una aplicación móvil controlada con el micrófono, el usuario tiene que inhalar y expirar para evitar los obstáculos.

Captura de Flappy Breath.

Monitorización de enfermedades de la piel

La carrera de los fabricantes por mejorar las cámaras de los Smartphones ha hecho estas compitan con las mejores cámaras fotográficas. El cáncer de piel es uno de los más comunes, se puede diagnosticar de manera temprana debido a la forma, tamaño y textura de las lesiones pre-cancerosas. Pero además del cáncer, existen otras formaciones benignas en la piel como los lunares, que a pesar de ser benignas consumen recursos del sistema sanitario.

Los Smartphones pueden ser utilizados como un método barato de cribado, que sirva para diagnosticar de manera temprana enfermedades como el cáncer.

Las técnicas de Deep Learning, en concreto las Redes Neuronales Convolucionales (CNN), han demostrado ser extremadamente eficientes para todo tipo de problemas relacionados con la clasificación de imágenes. En [6] una red neuronal entrenada con 12.378 imágenes cutáneas consiguió detectar melanomas mejor que 136 de los 157 dermatólogos especialistas evaluados. Este tipo de sistemas pueden ser de vital importancia en regiones donde haya escasez de especialistas.

La sensibilidad (probabilidad de clasificar correctamente a un individuo enfermo) y especificidad (probabilidad de clasificar correctamente a un individuo sano) de la red neuronal superó a los especialistas de todos los niveles, desde juniors a residentes o especialistas principales.

CONCLUSIONES

Los Smartphones se han convertido en un elemento ubicuo, los Smartphones son cada vez más potentes y están equipados con más y mejores sensores. En este blog se ha repasado el uso de algunos de ellos como el micrófono o la cámara, pero sensores como los del movimiento también se han utilizado para detección de caídas o evaluación de la actividad física. La sinergia surgida de la ubicuidad de los

Smartphones, el número y calidad de sensores, los avances en técnicas de inteligencia artificial y las mejoras en la conectividad convierten los Smartphones en una forma barata y no invasiva de monitorización de la salud.

En poco tiempo las mejoras software y hardware harán que estos dispositivos sean realmente útiles en multitud de casos médicos y por lo tanto urge un impulso a nivel institucional para abordar la implementación práctica allí donde se necesite. Así como para coordinar esfuerzos en cuanto a recogida de datos o desarrollo de implementaciones open source.

La clave para la sostenibilidad de nuestro sistema de salud y por lo tanto del estado del bienestar al completo se encuentra en saber aprovechar los nuevos avances tecnológicos. En este sentido la Universidad de Burgos ha sido visionaria con la implantación del nuevo grado en Ingeniería de la Salud, espero y deseo que nuestra andadura en este nuevo camino sea fructífera y que junto a profesores, investigadores, alumnos, empresas e instituciones podamos dar a luz nuevos avances que hagan que los desarrollos mostrados en este blog se vean como el Motorola DynaTAC 8000x cuando lo comparamos con los Smartphones actuales.

Referencias

  • Siddiqui, S. A., Zhang, Y., Feng, Z., & Kos, A. (2016). A pulse rate estimation algorithm using PPG and smartphone camera. Journal of medical systems, 40(5), 126.
  • Sociedad Española de Neumología y Cirugía Torácica (2019). La contaminación del aire causa 10.000 muertes al año en España, muchas más que las 1.700 por accidentes de tráfico Disponible en: https://www.separ.es/node/1505 [Accedido 30 Sep. 2019].
  • Larson, E. C., Goel, M., Redfield, M., Boriello, G., Rosenfeld, M., & Patel, S. N. (2013, January). Tracking lung function on any phone. In Proceedings of the 3rd ACM Symposium on Computing for Development (p. 29). ACM.
  • Stafford, M., Lin, F., & Xu, W. (2016, June). Flappy Breath: A Smartphone-Based Breath Exergame. In 2016 IEEE First International Conference on Connected Health: Applications, Systems and Engineering Technologies (CHASE) (pp. 332-333). IEEE.
  • Brinker, T. J., Hekler, A., Enk, A. H., Klode, J., Hauschild, A., Berking, C., … & Utikal, J. S. (2019). Deep learning outperformed 136 of 157 dermatologists in a head-to-head dermoscopic melanoma image classification task. European Journal of Cancer, 113, 47-54.