Dispositivos vestibles y procesamiento avanzado de bioseñales en la prevención y control de riesgos

Las tecnologías de control del bienestar laboral en los lugares de trabajo

José Ignacio Argote, Ingeniero Consultor13/07/2020

Las tecnologías de control en los lugares de trabajo dieron sus primeros pasos con las aplicaciones EPM (Electronic Performance Monitoring), cuyo objetivo era aumentar la eficacia y la eficiencia de la producción. El control electrónico tradicional del rendimiento en los lugares de trabajo se viene aplicando desde hace tiempo, y cada vez más habituales en las empresas como una de las herramientas en la gestión de la productividad con menos uso de recursos naturales, y con menor utilización de trabajo humano. Estos dos ahorros en el proceso productivo, monitorizado por aplicaciones EPM se reflejan en un menor precio del producto final, y/o en una mejor retribución del trabajo, aumentando en ambos casos el nivel de bienestar.

Se ha demostrado que las tecnologías de control EPM poseen ventajas e inconvenientes, como ocurre por lo general con las TIC en el lugar de trabajo. Un reciente informe de la Agencia Europea para la Seguridad y la Salud en el Trabajo (EU-OSHA) examina la implicación de las tecnologías de control del bienestar en el lugar de trabajo y cómo afrontan sus propios retos.

Los seres humanos producimos bioseñales que pueden ser capturadas y utilizadas por biosensores para revelar una serie de características personales en tiempo real tales como el estado físico, emocional y cognitivo. Las tecnologías del control del bienestar pueden realizar un procesamiento avanzado de las bioseñales para monitorizar el bienestar hasta alcanzar un alto nivel, y que una vez alcanzado este nivel se mantenga.

Tecnología de control: captación de la información y medios de trasmisión

La forma en la cual controlamos un proceso depende en gran medida de sus características y circunstancias. La tecnología de control registra, vigila y supervisa o comprueba de forma sistemática los progresos en procesos, o la calidad de algo o de alguien, durante un período de tiempo, gracias a sensores o un conjunto de dispositivos que controlan, regulan, monitorizan, recopilan datos, comunican y emiten un diagnóstico. Estos dispositivos que pueden ser sensores de audio, de visión, de localización o de bioseñales, se pueden colocar o implantar en las personas en sus lugares de trabajo proporcionando datos de los que puede deducirse su estado fisiológico y su comportamiento.

Una señal es un medio de transmisión de información, cuya adquisición permite obtener información sobre la fuente que la generó. En el caso de los bioseñales, las fuentes de información son los diferentes sistemas fisiológicos del organismo y su captación permite extraer información sobre el funcionamiento de los diferentes órganos para poder emitir un diagnóstico. Generalmente, los estados fisiológicos y comportamientos normales se distinguen de los anómalos. Dentro de estos últimos, al menos podemos distinguir entre anomalías repentinas (un infarto o una caída) y cambios graduales (como un incremento progresivo de los niveles de estrés).

Los diferentes dispositivos de captación de la información en las tecnologías de control se caracterizan por la forma y las modalidades en que implementan. La captación y registro de información es la parte más sencilla del proceso de control, en parte porque estas tecnologías rara vez se implementan de forma combinada, luego se necesitan los componentes de almacenamiento, intercambio y el análisis. En el casco de bombero C-Thru una cámara térmica que analiza el entorno y envía los datos a un servidor en la nube. Este servidor analiza la información y renvía a los cascos un modelo 3D de realidad aumentada compuesto de líneas que se superponen sobre los objetos del entorno para delimitar su forma y marca objetos a través de las paredes mediante una cámara de infrarrojos. El visor no oculta la visión normal del bombero, y también sirve para mostrar otros datos del entorno como la temperatura, o los niveles de oxígeno. Fuente: International Design Excellence Awards 2012.

Los diferentes dispositivos de captación de la información en las tecnologías de control se caracterizan por la forma y las modalidades en que implementan, como pueden ser:

Las basadas en audio para el reconocimiento automático de voz.
Las tecnologías de visión para el reconocimiento de expresiones faciales.
Las que utilizan bioseñales para la realización de los electrocardiogramas.
Las de reconocimiento de texto escrito como los tuits.
Las muestras de sangre para la determinación de los niveles de hormonas.
Las basadas en la interacción como el uso que se hace del ratón y el teclado del ordenador, los sensores de presión, y los sistemas globales de navegación.
Las obtenidas a partir de una escala psicométrica en cuestionarios como la escala de Likert para medir opiniones y puntos de vista con un mayor grado de especificidad que una pregunta sí/no.
Las obtenidas a través de entrevistas utilizando, por ejemplo, un bot de charla o conversacional. Se denomina bot (aféresis de robot) a un programa informático que efectúa automáticamente tareas repetitivas a través de Internet, cuya realización por parte de una persona sería imposible o muy tediosa

La captación y registro de información es la parte más sencilla del proceso de control, en parte porque estas tecnologías rara vez se implementan de forma combinada, luego se necesitan los componentes de almacenamiento, intercambio y el análisis. Este que por sí solo incorpora un complejo canal de procesamiento. También suele ser necesario, o al menos así se recomienda, disponer de elementos de búsqueda de patrones a partir de los datos y un sistema de apoyo para la toma de decisiones.

El estrés: una de las principales amenazas del bienestar personal

El bienestar subjetivo o psicológico, abarca aspectos muy variados, como la satisfacción con la vida, el equilibrio hedónico y la realización personal. El bienestar va de lo determinado y concreto a lo global y abstracto, de las vivencias temporales a los juicios generales de las personas respecto de toda su vida, desempeñando un papel central en ese bienestar personal. la evaluación afectiva y cognitiva de la vida de cada persona.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) define el estrés como «el conjunto de reacciones fisiológicas que prepara el organismo para la acción». En términos globales se trata de un sistema de alerta biológico necesario para la supervivencia. Un determinado grado de estrés estimula el organismo y permite que éste alcance su objetivo, volviendo al estado basal cuando el estímulo ha cesado. El problema surge cuando se mantiene la presión y se entra en estado de resistencia. Cuando ciertas circunstancias, como la sobrecarga de trabajo, las presiones económicas o sociales, o un ambiente competitivo, se perciben inconscientemente como una «amenaza», se empieza a tener una sensación de incomodidad. Cuando esta sensación se mantiene en el tiempo, se puede llegar a un estado de agotamiento, con posibles alteraciones funcionales y orgánicas.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) define el estrés como “el conjunto de reacciones fisiológicas que prepara el organismo para la acción”. En términos globales se trata de un sistema de alerta biológico necesario para la supervivencia. En la comunidad científica existe un amplio consenso en relación con la posibilidad de evaluar el estrés a través de marcadores biológicos asociados a los principales sistemas regulatorios de este proceso: el simpático adrenomedular (SAM), el hipotalámico-hipófiso-adrenal (HHA) y el sistema inmunológico.

Las tecnologías de control pueden reducir los niveles de estrés monitorizando el estilo de vida, el comportamiento en trabajo e incluso la calidad del sueño, por mencionar algunos ejemplos. Con esta información registrada mediante un conjunto de sensores es posible la recreación en la atención sanitaria para poder determinar las causas, la respuesta al estrés, los sentimientos de autoestima, el estilo de vida y las relaciones, en lugar de simplemente tratar los síntomas una vez que la enfermedad se ha manifestado

Afortunadamente el estrés laboral, incluida la carga de trabajo, ha sido objeto de estudio en numerosas ocasiones a lo largo del pasado siglo XX, aportando una base sólida para entender y computar los mecanismos que subyacen al estrés y para definir un marco teórico relativamente firme que ha arrojado resultados prometedores. Cuando se trata de un contexto específico, con un objetivo concreto como es el monitorizar el estrés laboral, las tecnologías de control ofrecen respuestas en un plazo de tiempo mucho más corto.

En la comunidad científica existe un amplo consenso en relación con la posibilidad de evaluar el estrés a través de marcadores biológicos asociados a los principales sistemas regulatorios de este proceso: el simpático adrenomedular (SAM), el hipotalámico-hipófiso-adrenal (HHA) y el sistema inmunológico. Los biomarcadores preferentemente utilizados para determinar la activación del eje SAM corresponden a marcadores cardiovasculares. En cuanto al eje HHA, el cortisol es el marcador biológico más comúnmente medido tanto en sangre como en saliva o cabello. En lo referente a marcadores representativos de la activación del sistema inmune debido a estrés, la IL-6 y la PCR son los más frecuentemente analizados

Tecnologías del control del bienestar: sensores y procesamiento avanzado de las bioseñales

Las personas emiten y reciben bioseñales que pueden captarse. Según el diccionario de la Real Academia de Ingeniería bioseñal es: “Cualquier variable biomédica observada en el tiempo o señal producida por los tejidos vivos”. La señal es el medio de trasmisión de la información y su captación permite obtener información sobre la fuente que la generó. El cuerpo humano produce constantemente bioseñales que se encargan de la activación de sus diferentes órganos. Estas señales que son generadas en las diferentes estructuras nerviosas periféricas y en los músculos, y reciben su nombre respecto al órgano donde se genera. Los factores más importantes que caracterizan a las bioseñales desde el punto de vista de la instrumentación son los rangos de amplitud y frecuencia, los cuales pueden variar en función del método de adquisición utilizado.

Estas bioseñales nos pueden servir para monitorizar aspectos importantes para el control del bienestar físico a largo plazo en los lugares de trabajo, como son los problemas cardiovasculares y el sistema inmunológico. Y también en otros aspectos importantes en el desarrollo de las tareas como son las reacciones fisiológicas que se manifiestan en la comunicación, o en los procesos cognitivos como la percepción, la memoria y el razonamiento, y en el comportamiento a partir de las expresiones faciales, el lenguaje, el movimiento o el contacto.

Las tecnologías del control del bienestar disponen de una amplia gama de dispositivos sensores que pueden realizar un procesamiento avanzado de las bioseñales para monitorizar el bienestar hasta alcanzar un alto nivel, y que una vez alcanzado este nivel se mantenga. Los biosensores son los dispositivos empleados para la medición de variables biomédicas y que suelen combinar un componente de captura de naturaleza biológica y otro de transducción físico-químico-electrónico. Fuente: Itthipon Jeerapan.Wearable Skin-Worn Enzyme-Based Electrochemical Devices: Biosensing, Energy Harvesting, and Self-Powered Sensing. IntechOpen. 2019. Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by 3.0).

La emisión de señales discretas o continuas con la información de los biosensores es sensible al ruido, (que es todo aquello en un conjunto de datos, señal, imagen o información en general, que no es de interés), pero en este aspecto no se diferencian de otros canales como el audio, visual o texto, pese a que el origen del ruido sea diferente. Las bioseñales también sufren las consecuencias del ruido, sobre todo en los biosensores que con frecuencia han de estar en contacto directo con la piel del usuario para garantizar una buena relación señal-ruido. Estas bioseñales pueden obtenerse por medio de sensores relativamente discretos y no invasivos, como los de los relojes digitales que miden la frecuencia cardíaca, lo que los hace muy adecuados para su uso diario.

La captación de bioseñales puede obtenerse de forma adecuada mediante métodos discretos de observación a través de nuevos y discretos dispositivos basados en tecnología textil inteligente, y en dispositivos electrónicos adaptables, flexibles e imprimibles. Los amplificadores, filtros y chips especializados integrados para el procesamiento previo de señales pueden forman parte integral de las tecnologías de control, con lo que resultan ser muy eficaces. Estas tecnologías ofrecen una amplia gama de sensores que permiten un procesamiento previo avanzado de las bioseñales obtenidas en tiempo real. El reto principal reside en la interpretación de los datos, aunque ya existen diversas aplicaciones que hacen de interfaz de otras tecnologías de control, como las aplicaciones médicas de última generación para un número limitado de reconocimientos.

En cualquiera de los casos, las tecnologías del control del bienestar, a partir de la captura de señales fiables para permitir que los análisis sean fiables, ayudan de manera significativa a:

Realizar los reconocimientos médicos semiautomáticos de forma continuada y prestando la asistencia que debería formar parte de la atención sanitaria habitual.
Prolongar el bienestar y la salud de las personas. Con lo cual se podría reducir significativamente los costes de la atención sanitaria.
Prevenir las patologías ligadas al estrés que están convirtiéndose rápidamente en las enfermedades predominantes.

Las bioseñales pueden obtenerse de forma adecuada a través de nuevos y discretos dispositivos que se llevan puestos, como son: métodos discretos de observación; tecnología textil inteligente; y dispositivos electrónicos adaptables, flexibles e imprimibles. Los amplificadores, filtros y chips especializados integrados para el procesamiento previo de señales pueden forman parte integral de las tecnologías de control, con lo que resultan ser muy eficaces. Estas tecnologías ofrecen una amplia gama de sensores que permiten un procesamiento previo avanzado de las bioseñales obtenidas en tiempo real. Fuentes: Imagen izquierda adaptada de Kim, J., Campbell, A.S., de Ávila, B.E. et al. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nat Biotechnol 37, 389–406 (2019). Imagen derecha: Piwek L, Ellis DA, Andrews S, Joinson A (2016) The Rise of Consumer Health Wearables: Promises and Barriers. PLOS Medicine 13(2): e1001953.

Las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC) asociadas a las tecnologías de control en los lugares de trabajo

Las tecnologías de control es un tipo específico de TIC que concretamente en la gestión y control de los procesos de trabajo se viene aplicando desde hace años por medio de las aplicaciones EPM (Electronic Performance Monitoring), con el propósito de aumentar la productividad mejorando la eficacia y la eficiencia de los procesos productivos.

El control electrónico tradicional del rendimiento en los lugares de trabajo a través de las aplicaciones EPM es una de las herramientas en la gestión de la productividad que permite monitorizar los ahorros en el uso de recursos naturales, y la optimización utilización de trabajo humano. Estos dos ahorros en el proceso productivo tienen su reflejo en un menor precio del producto final, y también en una mejor retribución del trabajo a través de incentivos, aumentando en ambos casos el nivel de bienestar.

Estas tecnologías de control que controlan el rendimiento, no el bienestar, aportan entre otros los siguientes beneficios:

Ofrece información inmediata y objetiva.
Reduce el sesgo en las evaluaciones del rendimiento.
Son una ayuda en la detección de necesidades de formación.
Facilita la definición de objetivos.
Contribuye a la planificación de recursos.
Facilita el teletrabajo y el horario flexible.
Rentabilizan el valor de las inversiones en sistemas informáticos.

Aunque por regla general su aplicación también supone mejoras de la productividad, hay que valorar como desventajas las siguientes:

Pueden producirse situaciones que pueden constituir una violación de la esfera privada.
Se aumenta los niveles de estrés y la posibilidad de que el estado de salud empeore a largo plazo.
Se pueden reducir los niveles de satisfacción y la moral.
Se puede reducir el contacto o el distanciamiento entre trabajadores y supervisores.
Se puede reducir el contacto entre compañeros de trabajo.
La calidad puede verse afectada al prestar mayor atención a la cantidad del trabajo.
El exceso de información puede abrumar al supervisor con datos y con expectativas de retroinformación.

La tecnología de control es un tipo específico de TIC que concretamente en la gestión y control de los procesos de trabajo se viene aplicando desde hace años por medio de las aplicaciones EPM (Electronic Performance Monitoring), con el propósito de aumentar la productividad mejorando la eficacia y la eficiencia de los procesos productivos.

Tecnologías de control integradas y dispositivos vestibles (wearables)

Las tecnologías de control a partir de la captación de datos precisan para su funcionamiento su transmisión, almacenamiento, procesamiento y análisis. En el inicio del proceso están los biosensores y su localización, para que la captación de la información sea fiable y eficiente. En algunos casos se combinan múltiples tecnologías de control como sistemas globales de navegación, bioseñales y audio, pero si se quiere monitorizar algunos aspectos específicos del bienestar físico, y aunque a veces es difícil de disociarlo del bienestar subjetivo, la captación de bioseñales la forma más evidente de implementar este tipo de tecnología. Ello requiere incorporar dispositivos electrónicos inteligentes a la vestimenta, o usarlos corporalmente como implantes o accesorios, y que pueden actuar como extensión del cuerpo o mente del usuario.

Nicholas Negroponte, director del MediaLab del Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Boston reconocía a Steve Mann en una entrevista publicada en Bangor Daily News el 26 de septiembre de 1997, como el padre del “wearable computer” (ordenador vestible) y como fundador de las tecnologías wearables (vestibles). Decía Negroponte: “Steve Mann es el ejemplo perfecto de alguien... que persistió en su visión y terminó fundando una nueva disciplina”. Desde los años 80 Steve Mann, Thad Staner junto a un grupo de investigadores en el MIT MediaLab, dieron los primeros pasos en la integración y portabilidad de dispositivos multimedia dentro del proyecto Smart Clothing (Ropa inteligente). También en el MIT, y en década los 90, Steve Mann, Thad Starner y Sandy Pentland comenzaron a desarrollar lo que llamaron “wearable computer”(ordenador vestible). Estos dispositivos consistían en hardware de computadora tradicional adherido y transportado en el cuerpo. Ante la disfuncionalidad de los prototipos iniciales con problemas técnicos, sociales y de diseño, otro grupo del MIT, que incluía a Maggie Orth y Rehmi Post, comenzó a explorar cómo estos dispositivos podrían integrarse con más funcionalidad y comodidad en la ropa y otros sustratos blandos. Entre otros desarrollos, este equipo exploró la integración de la electrónica digital con tejidos conductores y desarrolló un método para bordar circuitos electrónicos. Uno de los primeros microcontroladores que se puede llevar puesto comercialmente, llamado Lilypad Arduino, también fue creado en el MIT Media Lab por Leah Buechley.

Steve Mann fue reconocido como ‘El padre del ordenador vestible’, en la IEEE International Solid-State Circuits Conference. (IEEE ISSCC), del año 2000. Nicholas Negroponte, fundador, director y presidente del MediaLab, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) decía en un entrevista en la cadena CBS en el año 1996: “Steve Mann ya estaba construyendo computadoras vestibles en la escuela secundaria, y creo que es un perfecto ejemplo, de un joven que trajo con él una idea... Una semilla extraordinariamente interesante, que creció y que ahora los llamados cyborgs en el MediaLab trabajan en ordenadores vestibles por todas partes”. La imagen inferior de 1996 es un autorretrato de Steve Mann (a la izquierda), que entonces era estudiante de doctorado del MIT. La foto fue capturada usando comunicaciones inalámbricas a una cámara adicional ubicada frente al grupo. Crédito imágenes: http://wearcam.org/nn.htm

La feria internacional de consumo electrónico Consumer Electronics Show (CES), del año 2014, marcó el inicio de la comercialización por empresas como Adidas o Sony de dispositivos vestibles (wearables). El CES patrocinado por la Consumer Electronics Association, es un certamen mundial que con carácter anual se celebra en Las Vegas, en que se presentan las últimas novedades tecnológicas de la electrónica de consumo que marcan tendencia. Bill Gates anticipó la informática de consumo en los certámenes Consumer Computer Dealers' Exhibition (COMDEX), que desde 1979 hasta el 2003 antecedieron al CES, y en estos momentos el CES sigue marcando tendencias anticipándose a la demanda en del mercado de consumo electrónico, presentando las novedades que serán éxitos de ventas, algunas controvertidas como los productos sexuales que se incorporaron en el certamen del pasado año 2019, y uno de los cuales

Osé Robotic Massager, desarrollado por la empresa Lora DiCarlo, ganó uno de los premios de innovación que otorga el CES en medio de una gran polémica.

El mercado mundial de dispositivos vestibles (wareables) de consumo según los datos de la consultora IDC, el mercado mundial de los dispositivos wearables o vestibles creció en 2018 un 27,5%.hasta alcanzar los 172,2 millones de unidades vendidas. Es un mercado dominado por Apple, con una cuota de mercado del 26,8%, seguida de Xiaomi con 13,5%, Fitbit, ahora propiedad de Google, con el 8%, y Huawei con el 6,6%.

Actualmente disponemos de tecnología y de soluciones basadas en la aplicación de biosensores, que por tamaño, diseño y funcionalidad pueden ser colocados de forma sencilla y segura directamente sobre el cuerpo como implantes, o como accesorios sobre la vestimenta de los trabajadores, mientras desarrollan su trabajo en cualquiera de los procesos de producción o gestión. Actualmente la mayor aplicación de los biosensores se halla en el campo clínico y en segundo lugar en el control de procesos industriales, aunque en una visión de amplia perspectiva, las aplicaciones en el campo de la salud laboral, de la prevención de riesgos laborales y del control del bienestar en los lugares de trabajo, abren unos campos de actuación ante en contextos laborales, en los que como cualquier otro tipo de tecnología que interacciona con los seres humanos, las tecnologías del control del bienestar en su conjunto seguirán planteando grandes retos durante mucho tiempo.

La feria internacional de consumo electrónico Consumer Electronics Show (CES), del año 2014, marcó el inicio de la comercialización por empresas como Adidas o Sony de dispositivos vestibles (wearables). El mercado mundial de dispositivos vestibles (wareables) de consumo según los datos de la consultora IDC creció en 2018 un 27,5%.hasta alcanzar los 172,2 millones de unidades vendidas. Crédito imagen: CES.

La tecnología de biosensores

Un biosensor es un dispositivo de medida que permite identificar y cuantificar sustancias químicas o biológicas. Está compuesto por dos elementos fundamentales: un receptor biológico (como por ejemplo proteínas, ADN, células, …), que está preparado para detectar específicamente una sustancia aprovechando la especificidad de las interacciones biomoleculares; y de un transductor o sensor, que interpreta la reacción de reconocimiento biológico que produce el receptor traduciéndola en una señal cuantificable. Los dos constituyentes del biosensor están integrados conjuntamente y es precisamente esta íntima unión de dos mundos opuestos, el “vivo“y el”inerte”, la que les confiere a los dispositivos biosensores sus especiales característicos de sensibilidad y selectividad. Además de estas dos características, una de las características fundamentales de la mayoría de los biosensores es la posibilidad de realizar el análisis de la sustancia a determinar en tiempo real y de forma directa, sin necesidad de marcador, a diferencia de cualquier análisis biológico o clínico que requiere siempre un marcador de tipo colorimétrico, fluorescente o radioactivo.

Los biosensores están conformados de un amalgama de células vivas y componentes electrónicos. En la clasificación de los biosensores se tiene en cuenta tanto por la naturaleza de la biocapa receptora elegida como por el tipo del transductor empleado. Como elementos biológicos receptores se pueden emplear enzimas, anticuerpos, receptores proteicos, secuencias de oligonucleótidos, fragmentos subcelulares como mitocondrias, secciones de tejidos animales y vegetales, células completas, etc. y como transductores, dispositivos ópticos, electroquímicos, y mecano-acústicos, principalmente.

Esquema del funcionamiento de un biosensor. La muestra a analizar se pone en contacto con el dispositivo, siendo posible detectar sólo al analito (+) para el que está diseñado el receptor biológico. Cuando tiene lugar la reacción de reconocimiento biológico se producen una serie de cambios físico-químicos detectados por el transductor, que produce una señal cuantificable, directamente proporcional a la concentración del analito. Fuente: Bio-Sens. Red Nacional para el desarrollo de Dispositivos Biosensores. MEC.

La combinación de las diversas capas receptoras con los diferentes transductores puede dar lugar a una gran variedad de dispositivos biosensores.

Dependiendo del receptor empleado, los biosensores se pueden clasificar en:

Electroquímicos, que determinan corrientes eléctricas asociadas con los electrones involucrados en procesos redox, usan electrodos selectivos para ciertos iones o determinan cambios en la conductancia asociados con los cambios en el ambiente iónico de las soluciones.
Termométricos, que utilizan dispositivos termistores capaces de registrar las pequeñas diferencias de temperatura producidas por las reacciones bioquímicas.
Piezoeléctricos, donde la variación de la frecuencia de resonancia de un cristal piezoeléctrico se comporta linealmente con la densidad de masa superficial depositada sobre él.
Ópticos, donde el componente biológico inmovilizado es una enzima ligada a un cromóforo que al absorber energía se excita para así emitir diversos colores.
Celulares, que poseen células enteras inmovilizadas responden a un amplio espectro de sustratos.

La clasificación de los biosensores viene impuesta tanto por la naturaleza de la biocapa receptora elegida como por el tipo del transductor empleado. La combinación de la diversas capas receptoras con los diferentes transductores puede dar lugar a una gran variedad de dispositivos biosensores. Dependiendo del receptor empleado, los biosensores se pueden clasificar en: electroquímicos, termométricos, piezoeléctricos, ópticos, y celulares. Fuente: Adaptación de Bio-Sens. Red Nacional para el desarrollo de Dispositivos Biosensores. MEC.

Aplicación de los biosensores en la seguridad y salud en el trabajo y en el control del bienestar laboral

Las aplicaciones de biosensores han adquirido gran importancia, principalmente en los aspectos médico y alimenticio, así como en lo referente al control de la contaminación ambiental. En el área de la salud y de la medicina, actualmente se dispone de analizadores de glucosa que sólo requieren unas cuantas gotas de muestra para obtener el resultado del contenido de glucosa en enfermos diabéticos. Los sensores inmunológicos también son usados en medicina para detectar la gonadotropina, que es hormona empleada en el diagnóstico de embarazo. En la agricultura y alimentación es posible la aplicación de biosensores para la detección de contaminantes tóxicos o de microorganismos patógenos, como el biosensor desarrollado por investigadores de Ainia Centro Tecnológico de Valencia, que es capaz de detectar contaminantes en la fruta y la verdura. También, han sido usados para la búsqueda de vida en Marte en la misión espacial ExoMars (Exobiology on Mars) de la Agencia Espacial Europea (ESA).

En el campo relativo a la aplicación de biosensores al control de contaminación ambiental, una de sus principales aplicaciones es la detección de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), el cual es un parámetro de gran importancia en el campo del tratamiento de aguas residuales. Con la tecnología convencional, esta prueba requiere de alrededor de cinco días; mientras que con el uso de biosensores los resultados se obtienen en 20 minutos.

Un biosensor desarrollado por investigadores de Ainia Centro Tecnológico de Valencia dentro del proyecto Agrobiocon es capaz de detectar contaminantes en la fruta y la verdura. El biosensor óptico puede detectar contaminantes de una forma más sencilla, rápida y económica que las pruebas tradicionales. La aplicación comercial de los resultados del proyecto podría ser un biosensor empleado en la industria hortícola para mejorar la seguridad de los consumidores. Crédito imagen: Ainia Centro Tecnológico de Valencia.

En el campo especifico de la aplicación de los biosensores en la prevención de riesgos laborales, es posible usar biosensores para la detección e identificación de agentes químicos potencialmente contaminantes permitiendo la toma rápida de decisiones correctivas. Los métodos de detección de contaminantes químicos utilizados en la actualidad, permiten medir un elevado número de compuestos, pero requieren de equipos caros y complejos y de personal especializado, por ello con biosensores ambientales conectados a sistemas de alarma, se puede alertar de manera inmediata, del exceso de contaminantes emitidos en un determinado proceso de fabricación, permitiendo la toma rápida de decisiones de seguridad y correctivas, con ahorros considerables en costes y tiempo, y con las ventajas adicionales de una mayor autonomía y operatividad para hacer el seguimiento y la supervisión de prevención en la exposición a contaminantes químicos. Además, los biosensores pueden integrarse en la implantación de los programas de control de contaminantes como: métodos de seguimiento para de predecir el posible peligro de efectos toxicológicos gracias a su capacidad de medir una gran cantidad de contaminantes en cortos espacios de tiempo; o como métodos de cribado (screeing), para alertar de la presencia de algún compuesto contaminante.

En la prevención de los riesgos laborales producidos por las elevadas temperaturas durante el desarrollo del trabajo en numerosos procesos industriales como los de las plantas siderúrgicas, en las industrias del vidrio, en las papeleras, en las panaderías y en industrias mineras, se pueden utilizar biosensores biosensores con capacidad de medir las concentraciones de sodio y potasio en el sudor, monitorizando los cambios en la composición del sudor para prevenir y evitar la deshidratación o de golpe de calor. Los efectos nocivos del estrés por calor se manifiestan cuando aumenta la temperatura interna del organismo y se produce una intensa sudoración. La deshidratación producida por la pérdida excesiva de agua y sales minerales del organismo, puede producir dolor de cabeza, náuseas, fatiga mental y física, y en casos graves, delirios, inconsciencia o incluso la muerte. En el caso del golpe de calor que es la forma más grave de lesión por calor, se produce un fallo agudo del sistema termorregulador, que incapaz de evacuar todo el calor producido por el organismo, y como consecuencia se produce un drástico incremento de la temperatura corporal central alcanzando valores superiores a 40 °C provocando alteraciones en el funcionamiento correcto de todas las funciones internas del organismo. las funciones internas del organismo.

El sensor de hidratación desarrollado por los científicos de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. El dispositivo se puede llevar en la muñeca o como parche en el pecho, y es ligero, flexible y estirable. Además del sensor de hidratación, el parche incluye un sensor de esfuerzo, tres electrodos de electrocardiografía, un chip analizador de red, un microprocesador de ultra bajo consumo con Bluetooth y una batería de botón. Crédito imagen: Shanshan Yao.

Su eficiencia se basa en haber diseñado una red de biosensores flexibles capaces de medir los metabolitos y los electrolitos que se encuentran en el sudor, calibrar los datos en función de la temperatura de la piel y sincronizar la información a través de un teléfono móvil. Esta red de cinco sensores incluye la posibilidad de calibrar las medidas, un paso muy importante para detectar los niveles de glucosa y lactato, muy sensibles a la temperatura que presente nuestra piel. Junto a estos sensores se encuentra una placa de circuito impreso que permite, entre otras tareas, transmitir los datos obtenidos por diferentes sensores, de forma inalámbrica a una aplicación con la que sincronizarlos en el móvil.

El nuevo sensor desarrollado en la Universidad de Berkeley puede convertirse en pulseras o cintas para la cabeza ‘inteligentes’ que proporcionan un análisis continuo y en tiempo real de las sustancias químicas del sudor Su eficiencia se basa en haber diseñado una red de biosensores flexibles capaces de medir los metabolitos y los electrolitos que se encuentran en el sudor. Estos sensores vestibles miden la temperatura de la piel además de la glucosa, el lactato, el sodio y el potasio en el sudor. Los circuitos integrados analizan los datos y transmiten la información de forma inalámbrica a un teléfono móvil. Crédito imágenes: Der-Hsien Lien, Hiroki Ota, Wei Gao UC Berkeley.

Biosensores en el control del bienestar laboral: la prevención y control del estrés y la fatiga en el trabajo

La Organización Mundial de la Salud (OMS) define el estrés como “el conjunto de reacciones fisiológicas que prepara el organismo para la acción”. En términos globales se trata de un sistema de alerta biológico necesario para la supervivencia. Cualquier cambio o circunstancia diferente que se presente ante nuestras vidas, como cambiar de trabajo, hablar en público, presentarse a una entrevista o cambiar de residencia, puede generar estrés. Aunque también dependerá del estado físico y psíquico de cada individuo. Con frecuencia, los síntomas físicos del estrés y el burnout (síndrome de estar quemado), son los primeros en aparecer. Incluyen fatiga crónica; cefaleas y migraña; alteraciones gastrointestinales, como dolor abdominal, colon irritable y úlcera duodenal; dolores musculares; alteraciones respiratorias; alteraciones del sueño; alteraciones dermatológicas; alteraciones menstruales y disfunciones sexuales, entre otros.

La medición del estrés es particularmente compleja, dado que implica factores psicológicos, sociales y biológicos. Existe un amplio consenso en la comunidad científica en relación con la posibilidad de evaluar el estrés a través de marcadores biológicos asociados a los principales sistemas regulatorios de este proceso, como el eje HHA, el eje SAM y el sistema inmunológico. Los biomarcadores predominantemente utilizados para determinar la activación del eje SAM corresponden a marcadores cardiovasculares. En cuanto al eje HHA, el cortisol ha sido el marcador biológico más comúnmente medido tanto en sangre como en saliva o cabello. En lo referente a marca-dores representativos de la activación del sistema inmune debido a estrés, la IL-6 y la PCR fueron los más frecuentemente analizados.

El biosensor desarrollado en la Universidad de Stanford por un grupo de investigación liderado por Alberto Salleo, es un parche elástico que, aplicado directamente a la piel, absorbe el sudor y evalúa la cantidad de cortisol que una persona está produciendo. En la figura inferior: El sensor portátil integrado consiste en varias capas importantes de abajo a arriba como sigue: i) Matrices de canales microcapilares de láser para la adquisición de sudor (capa inferior), ii) depósito de muestras para ayudar a la entrega de muestras, iii) capas de sensor compuestas por el dispositivo OECT en el sustrato elastómero flexible de SEBS con la capa semiconductora PEDOT:PSS y el MSM, y iv) capa de protección hidrofóbica a base de polietileno. Crédito imágenes: Onur Parlak, Stanford University, Science Advances.

Actualmente las investigaciones se centran en el desarrollo de tecnologías con micro y nanobiosensores, con objeto de monitorizar, detectar y predecir las reacciones fisiológicas humanas en relación con el estado de vigilia, la fatiga y el estrés, en el desarrollo de las diferentes actividades laborales basados en los estudios que se están realizando en la práctica de deportes activos. Uno de los últimos biosensores es el desarrollado en la Universidad de Stanford por un grupo de investigación liderado por Alberto Salleo, que es profesor asociado de ciencia de materiales e ingeniería en esta universidad norteamericana. Tiene forma de parche elástico que, en contacto directo con la piel, absorbe el sudor y cuantifica el cortisol sintetizado por un individuo. El cortisol es una hormona esteroidea producida por la glándula suprarrenal que actúa como neurotransmisor en nuestro cerebro. Se libera como respuesta al estrés y a un nivel bajo de glucocorticoides en la sangre. En situaciones patológicas que generen estrés, sus niveles pueden aumentar significativamente, ocasionando efectos sistémicos de variada gravedad, por lo que es necesario recurrir a su cuantificación y valoración.

Otro ejemplo puede ser el desarrollo, aún en fase experimental de un equipo de investigadores de la Universidad de Cincinnati (Estados Unidos) ha desarrollado un biosensor simple que utiliza la luz ultravioleta para medir los niveles de hormonas del estrés en la saliva, la sangre, la orina o el sudor. Los investigadores esperan que este sistema pueda estar disponible como un kit de prueba en el hogar que las personas para que éstas puedan evaluar su estrés. En la edición del 24 de mayo de 2019 de la revista American Chemical Society Sensors, se describe la prueba ultravioleta para biomarcadores de estrés Esta prueba de microfluidos mide numerosos biomarcadores de estrés, incluidas hormonas y neurotransmisores. Al utilizar un diodo emisor de luz ultravioleta y un fotodiodo, el dispositivo evalúa la absorción óptica de los biomarcadores de estrés en muestras biológicas y proporciona una indicación de sus niveles.

Tecnología para el bienestar: control y privacidad

El informe de debate de la Agencia Europea para la Seguridad y la Salud en el Trabajo (EU-OSHA) Monitoring technology: The 21st century’s pursuit of well-being, (Tecnología de control: La búsqueda del bienestar en el siglo XXI), elaborado por el profesor de la Universidad de Utrecht, Egon L. van den Broek, señala en sus conclusiones que “las tecnologías de control del bienestar en su conjunto seguirán planteando grandes retos durante mucho tiempo; las ciencias sociales, en lugar de la ciencia y la ingeniería, deben aportar las principales soluciones. Teniendo todo esto en cuenta, estas tecnologías ya han cambiado las reglas del juego en los lugares de trabajo y serán más variadas en el futuro”. Una de las cuestiones que suscita mayor inquietud es la salvaguarda de privacidad personal

Los seres humanos producen y emiten bioseñales que pueden ser capturadas y utilizadas por biosensores, para revelar una serie de características personales en tiempo real, tales como el estado físico, emocional y cognitivo. Las tecnologías de control del bienestar almacenan y procesan los datos de las bioseñales, y analizan, evalúan y archivan diagnósticos o conclusiones. Todos estos datos relacionados con salud y bienestar laboral no pueden intercambiarse ni circular libremente, porque son datos de carácter personal protegidos y sometidos a la regulación que establece en la Unión Europa por el Reglamento General de Protección de Datos (RGPD), que entró en vigor el 25 de mayo de 2016 y fue de aplicación el 25 de mayo de 2018, dando un plazo de dos años para que empresas, organizaciones, organismos e instituciones se adaptaran para su cumplimiento. En España la Ley Orgánica de Protección de Datos Personales y garantía de los derechos digitales, acorde con el RGPD entro en vigor el 6 de diciembre de 2018.

Prajokta Ray y Andrew J. Steckl investigadores del Laboratorio de nanoelectrónica de la Universidad de Cincinnati han desarrollado una nueva prueba que puede medir de forma fácil y sencilla las hormonas comunes del estrés utilizando el sudor, la sangre, la orina o la saliva. Es el primer paso para desarrollar un dispositivo vestible (wareable) para controlar la salud. Según los resultados de este estudio se publicaron el pasado 2019 en la revista norteamericana American Chemical Society Sensors. el biomarcador de estrés (hormonas y neurotransmisores) en los fluidos corporales (sangre, sudor, orina, saliva) predicen el estado físico y mental del individuo. En este estudio los biomarcadores de estrés se centraron principalmente en cortisol, serotonina, dopamina, norepinefrina, y el neuropéptido Y (NPY). La espectroscopia ultravioleta-visible (UV) de los biomarcadores de estrés se realizó en el rango de 190-400 nm ha revelado que la primaria y picos de absorción secundaria en longitudes de onda cercanas a los UV, dependiendo en su estructura molecular. Créditos imagen: Prajokta Ray, Andrew J. Steckl. ACS Sensors.

Cuando por medio de la tecnología de control se combinan múltiples tecnologías como sistemas globales de navegación y geolocalización, audio, bioseñales y otros dispositivos asociados con las tecnologías de información y comunicación (TIC), que permiten rastrear teclados en ordenares o tabletas, llamadas y mensajes teléfonos, la información global captada puede desvelar mucho más sobre nosotros que de forma separada. El riesgo de la pérdida de la privacidad, de la exactitud de los datos personales recopilados y sobre cómo las empresas podrían utilizar esta información, constituye evidentemente una constante amenaza y medidas de control y protección. Como lo exige la protección de la privacidad frente a posibles prácticas de posición de monopolio empresariales y comerciales de control de mercado, como es el caso en a propuesta de compra de Fitbit por parte de Google, que está siendo investigada tanto por la Comisión Federal de Comercio como la División Antimonopolio del Departamento de Justicia de los Estados Unidos a instancias de la demanda de las organizaciones Public Citizen y Center for Digital Democracy, argumentando que “proporcionará a Google aún más datos sobre los consumidores estadounidenses”.

La operación que se cerró a principios de noviembre de 2019 por 2.100 millones de dólares (1.883 millones de euros), de hecho, da al gigante tecnológico Google acceso a información de 27 millones de usuarios activos y abre la posibilidad de posibles prácticas anticompetitivas de Google en relación con el tratamiento de los datos personales de los usuarios y con sus operaciones en el mercado de los anuncios digitales. En la Unión Europea el Comité Europeo de Protección de Datos (CEPD), que asesora a la Comisión Europea sobre la ley de protección de datos emitió un comunicado el pasado 20 de febrero de 2020 expresando su preocupación por el posible acuerdo. Citó, en particular, las estrictas normas de privacidad que rigen la información online de los usuarios europeos, recogida en el Reglamento General de Protección de Datos (RGPD) y se señala “Existe la preocupación de que la posible combinación y acumulación de datos personales sensibles sobre personas en Europa por una importante empresa de tecnología que podría implicar un alto nivel de riesgo para los derechos fundamentales a la privacidad y a la protección de datos personales". Hay que recordar que Google ya es objeto de una investigación antimonopolio de la UE sobre cómo acumula y aprovecha los datos de los usuarios.

Para el presidente de la consultora International Data Corporation (IDC), Crawford del Prete “La privacidad se ha convertido en una cuestión de derechos, las tensiones políticas sitúan a la industria en el centro de sus conflictos, la disrupción tecnológica en el sector de la salud podría transformar cómo tratamos las enfermedades y la automatización del trabajo siembra la incertidumbre entre la fuerza laboral”. En este contexto y en relación con la utilización de las tecnologías de control en la seguridad y salud en el trabajo y en el control del bienestar laboral, a empresas deben ser trasparentes en su aplicación dentro del marco regulatorio de la protección de datos, con el permiso y convencimiento del trabajador para que se pueda facilitar la obtención de información, la cual deberá ponerse en contexto teniendo en cuenta las circunstancias personales del trabajador u otras específicas, antes de ser interpretada, aunque es difícil comprender e interpretar los contextos.

Bajo la premisa de que los trabajadores deben tener pleno control sobre sus datos de carácter personal y de esta forma, poder decidir qué datos comparten y en cualquier caso, la empresa ha de recibir formación en interpretación de los datos obtenidos por el sistema de control, ya que es la responsable de las medidas adoptadas en consecuencia.

Tecnología persuasiva de control: dilemas éticos

La tecnología persuasiva está concebida para permitir que los usuarios voluntariamente cambien sus actitudes o comportamientos por medio de la persuasión y la influencia social. Los procesos de implantación de las tecnologías de control del bienestar en los procesos de trabajo industriales, con la aplicación de dispositivos wareables son complejos y generan ciertos rechazos o actitudes de recelo. Estas tecnologías son un recurso relevante para el desarrollo de la Industria 4.0 tanto desde la perspectiva de innovación en los procesos productivos y de interoperabilidad, como desde la perspectiva de integración con el consumidor, pero como se apunta en el ya mencionado informe de debate de la Agencia Europea para la Seguridad y la Salud en el Trabajo (EU-OSHA) ‘Monitoring technology: The 21st century’s pursuit of well-being’, incluso si todos los retos mencionados se superan, las tecnologías de control pueden no funcionar, dado que ninguno de estos aspectos garantiza que se produzca un cambio de comportamiento a largo plazo, algo fundamental cuando se pretende conseguir un mayor nivel de bienestar. La tecnología persuasiva pude ser una ayuda.

El riesgo de la pérdida de la privacidad, de la exactitud de los datos personales recopilados y sobre cómo las empresas podrían utilizar esta información, constituye evidentemente una constante amenaza y medidas de control y protección. Como lo exige la protección de la privacidad frente a posibles prácticas de posición de monopolio empresariales y comerciales de control de mercado, como es el caso en a propuesta de compra de Fitbit por parte de Google que está siendo investigada tanto por la Comisión Federal de Comercio como la División Antimonopolio del Departamento de Justicia de los Estados Unidos. Crédito imagen: Fitbit Inc.

La tecnología persuasiva es un campo de investigación interdisciplinario que se centra en el diseño, el desarrollo y la evaluación de tecnologías interactivas que tienen por objetivo influir en el comportamiento de la persona mediante técnicas de persuasión e influencia social con el objetivo de favorecer la adquisición de hábitos saludables. B.J. Fogg que es director del Laboratorio de Tecnología Persuasiva de la Universidad de Stanford en Palo Alto, California, con publicación de su libro Persuasive Technology: Using Computers to Change What We Think and Do, (Tecnología Persuasiva: uso de ordenadores para cambiar lo que pensamos y hacemos), en 2003, se convirtió en la principal voz en esta ciencia innovadora y experimental, en el ámbito más amplio de las ciencias sociales y de la ingeniería. Según B.J. Fogg, la tecnología persuasiva puede categorizarse por las tres formas básicas en las que la gente ve y responde al uso o aplicación del ordenador en su trabajo: como herramienta, como medio de comunicación, o como actor social. El desarrollo e implantación de estrategias de persuasión es complejo, porque el objetivo que se pretende alcanzar es influir en el comportamiento de la persona mediante técnicas de persuasión e influencia social con el objetivo de favorecer la adquisición de hábitos saludables, y porque la tecnología persuasiva no utiliza métodos de coerción, sino que es el trabajador él se motiva a sí mismo para cambiar sus actitudes y comportamientos.

Pese a estas dificultades a tecnología persuasiva ha demostrado su eficacia en el cambio de las conductas de salud, aunque con varias limitaciones, como las que se recogen en el trabajo”Persuasive technology for health and wellness: State-of-the-art and emerging trends” - Tecnología persuasiva para la salud y el bienestar: Estado del arte y tendencias emergentes-, de las profesoras Canadá Rita Orji y Karyn Moffatt, de la Universidad McGill de Montreal (Canadá), que entre otras citan:

Falta de criterios de evaluación objetivos.
Poca integración en el diseño entre teoría y práctica en el ámbito del comportamiento.
El uso de estrategias múltiples en un solo diseño, con vínculos indeterminados entre estrategias y casos de éxito y fracaso.
Las pocas evaluaciones longitudinales para valorar su eficacia.
Que en su diseño no se tiene en cuenta a un público destinatario representativo.

En este trabajo se recoge análisis de los estudios empíricos realizados sobre tecnología persuasiva en el campo de la salud y bienestar en el trabajo, muestra que el mayor número de ellos se publican entre 2005 y 2013, y que a partir de ese año descienden y se sitúan al nivel de 2004 y siguen progresivamente en descenso, lo mostraría una tendencia de decreciente interés. Los estudios de realizaron en 21 países, la mayoría en Estados Unidos con un porcentaje del 38%, seguido de Países Bajos con el 21%, Taiwán está en el tercer lugar con un total de 6% y Finlandia y Japón están en el quinto lugar, con un 5% cada uno de todos los estudios. España con 1% está al mismo nivel que Alemania, Austria Suiza. Y en cuanto a la evaluación de resultados de la evaluación de la tecnologías persuasivas para la salud y el bienestar en los 85 estudios revisados, el 64 (75%) informaron de un resultado totalmente positivo de para impactar en un comportamiento de salud específico. Catorce estudios (el 17%) reportaron resultados parcialmente positivos (una combinación de positivo con resultados negativos o sin efecto). Sólo 7, (el 8%) de todos los estudios revisados no tuvieron éxito en el logro de su objetivo de persuasión previsto, tuvieron resultados negativos, no tuvieron ningún resultado positivo, o no tuvieron resultados en términos absolutos. De las conclusiones Rita Orji y Karyn Moffatt des destacable: “Los resultados muestran la eficacia de la tecnología persuasiva para promover comportamientos en el cambio de las conductas en un amplio y heterogéneo rango de salud y bienestar, sin embargo, la falta de comportamiento a gran escala y evaluaciones longitudinales hace imposible establecer el impacto de la tecnología persuasiva a largo plazo en el área de la salud y el bienestar”.

En su conjunto, las tecnologías persuasivas no constituyen una rama de la ciencia madura y plantean algunos de los dilemas éticos que se plantean de forma general en el diseño y uso de la tecnología, aunque en caso de las tecnología persuasivas se acrecienta al manipular los sentimientos y deseos de la gente por lo que en las pautas del diseño deben ser desarrolladas siguiendo diseños estrictamente más éticos y moralmente responsables. Dalton Combs y Ramsay Brown, expertos en diseño comportamental en su libro ‘Digital behavior design’ señalan como pautas:

Transparencia: el usuario debe saber qué estamos tratando de cambiar su comportamiento.
Alineamiento con el bien común: el fin del uso de las tecnologías persuasivas es mejorar la vida de la personas o la sociedad.
Alineamiento con los deseos de los usuarios: debe haber un balance entre los objetivos de negocio y lo del usuario, si se trata de conseguir los objetivos de negocio a toda costa, sin atender lo del usuario, no será un uso ético.

La mayoría de las investigaciones sobre la tecnología persuasiva se han centrado en tecnologías informáticas interactivas, incluyendo ordenadores de sobremesa, servicios de Internet, videojuegos, y dispositivos móviles, y lo cierto es que este contexto los resultados muestran su gran eficacia. Sin embargo y teniendo en cuenta los pros y los contras no cabe esperar que en un futuro cercano la tecnología persuasiva se implemente en las tecnologías de control del bienestar en el lugar de trabajo, aunque en cualquier caso, sus aportaciones dentro del ámbito interdisciplinar de la ciencia son muy pertinentes.

El proyecto ‘POD-Plurisensorial Device to Prevent Occupational Disease’ desarrollado por el departamento de Diseño del Politécnico de Milán, el Departamento de Ingeniería de Diseño de la Universidad Tecnológica de Delft y Comftech s.r.l., una empresa que diseña y fabrica dispositivos biomédicos vestibles propone un nuevo sistema capaz de cambiar el comportamiento de los trabajadores para mejorar su condiciones de salud laboral mediante la vigilancia del medio ambiente y de sí mismos. haciéndolos conscientes de las condiciones de trabajo y de salud y al mismo tiempo motivarlos a adoptar el EPI de protección respiratoria. Crédito imagen: Venere Ferraro, Mila Stepanivic, Silvia Ferraris.

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