Construir una solución de alcance inalámbrico más precisa para el rastreo de contactos

El alcance inalámbrico puede proporcionar un habilitador crítico para el rastreo automatizado de contactos para ayudar a identificar y analizar los brotes de enfermedades contagiosas, como COVID-19, que pueden ser transmitidas por contacto cercano. Los métodos de medición convencionales que utilizan Bluetooth Low Energy (BLE) pueden proporcionar datos precisos en teoría, pero las limitaciones prácticas de la transmisión de señales de radiofrecuencia (RF) pueden afectar a esa precisión. A medida que aumenta la necesidad de métodos más eficaces para ayudar a contener la propagación del COVID-19, los desarrolladores están buscando alternativas a los métodos convencionales para ofrecer la máxima precisión sin dejar de equilibrar el coste y la facilidad de despliegue.

Para satisfacer estas necesidades, Dialog Semiconductor ha desarrollado una solución de software que aprovecha la tecnología y la infraestructura BLE actualmente disponibles y desplegadas. Una vez implementada como actualización de software en los dispositivos BLE system-on-chip (SoC) de la empresa, la solución permite un alcance inalámbrico más preciso, similar al de un radar.

Este artículo describe cómo funciona el rastreo de contactos. A continuación, presenta los dispositivos Bluetooth y el software que los acompaña de Dialog Semiconductor, que ofrecen una solución más precisa para implementar el alcance inalámbrico exacto necesario para el seguimiento de contratos y otras aplicaciones de detección de proximidad.

Por qué el rastreo de contactos es vital para contener el COVID-19

Limitar la propagación de las enfermedades contagiosas es una de las piedras angulares de la epidemiología y es especialmente crítico en la gestión de la salud de las poblaciones que se enfrentan a un nuevo virus como el coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo 2 (SARS-CoV-2), que causa la enfermedad COVID-19. Una de las herramientas más eficaces para reducir los brotes es el uso de prácticas de rastreo de contactos.

El rastreo de contactos parece sencillo en principio: identificar y notificar a las personas que han estado recientemente cerca de una persona contagiosa y que pueden estar infectadas. En la práctica, el flujo de trabajo de rastreo de contactos es bastante complicado, y suele depender de un gran número de trabajadores de casos para entrevistar a los individuos infectados y notificar y ayudar a los que podrían estar en riesgo de infección posterior (Figura 1). Cuando estas personas notificadas limitan aún más su contacto con otras, la cadena de transmisión del virus se interrumpe.

Figura 1: Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) recomiendan un flujo de trabajo de rastreo de contactos que se basa en una lista de contactos proporcionada por una persona infectada para notificar a las personas que pueden necesitar la autocuarentena durante el período de 14 días recomendado para las supuestas infecciones por COVID-19. (Fuente de la imagen: CDC)

La necesidad de una rápida identificación y notificación de una posible infección es especialmente importante en el caso del COVID-19, en el que los investigadores todavía están trabajando para conocer a fondo sus modos de transmisión e infección. De hecho, los datos básicos de relevancia médica sobre el COVID-19 se desarrollaron hace relativamente poco tiempo. Por ejemplo, varios meses después de que se identificara el virus del SARS-CoV-2, los epidemiólogos confirmaron que es posible la transmisión del virus por parte de individuos infectados que aún no presentan síntomas de COVID-19 [Furukawa^]1.

Al comprender que este tipo de transmisión asintomática es posible, el rastreo temprano de los contactos se convirtió en algo primordial para frenar la propagación de la pandemia de COVID-19. Utilizando un método de modelización epidemiológica estándar, la herramienta de hoja de cálculo CDC COVIDTracer demuestra el impacto del rastreo temprano de contactos en los casos diarios en una población representativa de 100.000 individuos (Figura 2).

Figura 2: Un modelo de los CDC ilustra cómo el uso de diferentes estrategias puede aplanar la curva de nuevos casos encontrados en el transcurso de un año en una población de 100.000 personas. La línea de puntos roja indica el inicio de cada estrategia de rastreo de contactos. (Fuente de la imagen: CDC)

Como se muestra en la Figura 2, el curso de un brote puede diferir significativamente dependiendo de la elección de una de las tres estrategias diferentes de rastreo de contactos:

• Estrategia 1: Iniciar el rastreo de contactos con un individuo sólo después de que éste haya presentado los síntomas de COVID-19 (en este modelo, 7 días después de la infección según los estudios de investigación).
• Estrategia 2: Iniciar el rastreo de los contactos inmediatamente después de que el individuo infectado muestre los primeros síntomas (6 días después de la infección).
• Estrategia 3: Iniciar el rastreo de los contactos inmediatamente después de que la prueba COVID-19 identifique a un individuo infectado, pero antes de que éste presente síntomas (4 días después de la infección, cuando la transmisión asintomática es posible según los estudios de investigación).

Incluso cuando el rastreo de contactos comienza tan pronto como un individuo se vuelve contagioso (estrategia 3), el número de trabajadores de casos necesarios para realizar el rastreo de contactos puede crecer rápidamente. El modelo de los CDC ilustra el crecimiento del personal necesario para una media de 5 contactos por caso individual infectado ("inferior" en la figura 3) y para una media de 20 contactos por caso ("superior" en la figura 3).

Figura 3: El modelo de los CDC muestra cómo el uso de diferentes estrategias puede reducir el número de trabajadores sociales necesarios para llevar a cabo el rastreo de contactos suponiendo una media de cinco contactos por caso ("inferior") o 20 contactos por caso ("superior"). (Fuente de la imagen: CDC)

La doble exigencia de rastrear los contactos lo antes posible y de contar con personal suficiente ha impulsado los esfuerzos por encontrar soluciones tecnológicas para identificar y contactar con las personas que puedan haber estado cerca de un individuo infectado. En lugar de exigir a las personas infectadas que recuerden los contactos y a los trabajadores del caso que persigan esos contactos, una solución tecnológica adecuada puede registrar automáticamente los casos de proximidad con otras personas que puedan estar utilizando la misma tecnología. De hecho, este enfoque puede ofrecer una cuarta estrategia capaz de iniciar retroactivamente el rastreo de contactos con individuos encontrados el día 0, cuando la investigación médica sugiere que los propios individuos infectados habrían contraído la enfermedad de algún otro individuo contagioso. Como sugieren las cifras anteriores, una notificación más temprana de los contactos puede aplanar drásticamente las curvas tanto de los casos diarios como del personal necesario.

Debido a su amplia disponibilidad en los teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos móviles personales, Bluetooth se convirtió inmediatamente en la tecnología elegida para la localización automática de contactos. Rápidamente se convirtió en la base de las aplicaciones móviles desarrolladas por una serie de esfuerzos de colaboración entre fabricantes, grupos médicos y organizaciones gubernamentales. Sin embargo, en los estudios sobre la eficacia de esas aplicaciones, las limitaciones del Bluetooth dieron resultados decepcionantes.

Por qué el rastreo automatizado de contactos con Bluetooth ha sido decepcionante

En principio, la tecnología Bluetooth parece ser una solución ideal para la localización automática de contactos. Su ubicuidad garantiza una amplia disponibilidad como plataforma de entrega y sus capacidades parecen cumplir los requisitos básicos de las aplicaciones móviles destinadas a registrar los casos de proximidad con otros individuos que utilizan la misma tecnología.

El registro de las instancias de contacto requiere un mínimo de dos datos: la distancia al contacto y algún ID globalmente único asociado al contacto. Normalmente implementado como un valor aleatorio que cambia con frecuencia, este identificador único es utilizado por el software de aplicación de alto nivel para notificar al contacto mientras se mantiene la privacidad, utilizando diferentes métodos que van más allá del alcance de este artículo.

El protocolo de publicidad Bluetooth ofrece un mecanismo existente para cumplir estos requisitos básicos. Proporcionado como una característica estándar de las pilas de protocolos Bluetooth, el protocolo de publicidad permite a un dispositivo transmitir periódicamente una pequeña carga útil, como el ID único, con un consumo mínimo de energía. Un dispositivo que recibe el paquete de protocolo publicitario también recibe el valor del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI), que la mayoría de los subsistemas de radio inalámbricos proporcionan como una medida relativa de la intensidad de la señal en el rango de 0 a 100, o algún otro límite superior definido por el fabricante del dispositivo.

En teoría, a medida que aumenta la distancia entre un transmisor y un dispositivo receptor, la intensidad de radio en el receptor disminuye proporcionalmente a la distancia al cuadrado. En consecuencia, el valor de RSSI asociado disminuiría suave y monótonamente.

En la práctica, la relación entre el RSSI y la distancia puede variar mucho, como señaló hace años [Gao^]2 el Grupo de Interés Especial de Bluetooth (SIG), la organización que supervisa el desarrollo de Bluetooth. La reflexión de la señal, el bloqueo y las interferencias pueden alterar significativamente la intensidad de la señal. Como resultado, la relación entre el RSSI y la distancia puede variar de una muestra a otra, incluso si el transmisor y el receptor permanecen estacionarios. En un estudio reciente sobre la eficacia del RSSI de Bluetooth para el rastreo de contactos, los investigadores descubrieron que el RSSI puede aumentar o disminuir sin que cambie la distancia física entre el transmisor y el receptor, dependiendo de la forma en que los usuarios sostengan los teléfonos inteligentes o estén protegidos por sus cuerpos o de la forma en que las señales de radio sean reflejadas, bloqueadas o absorbidas por las estructuras circundantes [Leith^]3.

Los desarrolladores han utilizado diferentes estrategias para intentar suavizar la variabilidad de la RSSI. Además de simplemente promediar múltiples mediciones de RSSI, los intentos de mejorar la precisión de las mediciones de distancia utilizando RSSI han empleado diferentes métodos de filtrado con un éxito limitado. Otras propuestas de rastreo de contactos han sugerido el uso de otras tecnologías de radio, como la banda ultraancha (UWB), pero, a diferencia de Bluetooth, éstas carecen de la base instalada ubicua necesaria para lograr el uso generalizado inmediato de aplicaciones de rastreo de contactos automatizadas para ayudar a gestionar los brotes de COVID-19.

Por el contrario, Dialog Semiconductor ofrece una solución de software diseñada para actualizar fácilmente sus soluciones de hardware Bluetooth con el fin de proporcionar el alcance inalámbrico preciso necesario para un seguimiento eficaz de los contactos.

Actualización de un sistema en chip Bluetooth para un seguimiento preciso de los contactos

El kit de desarrollo de software (SDK) de Wireless Ranging(WiRa) de Dialog Semiconductor funciona con su familia DA1469x de dispositivos SoC BLE para satisfacer la necesidad de un alcance preciso con la tecnología Bluetooth existente. Diseñados para satisfacer los requisitos de una amplia gama de productos móviles, los SoC BLE de Dialog Semiconductor integran un Arm® Cortex®-M33 y un completo subsistema de radio Bluetooth 5 con su propio controlador integrado basado en Arm Cortex-M0+ y un amplio conjunto de periféricos integrados (Figura 4).

Figura 4: La familia de SoCs BLE de Dialog Semiconductor DA1469x combina un procesador anfitrión Arm Cortex-M33, un sistema de radio Bluetooth 5 dedicado con su propio Arm Cortex-M0+ y un amplio conjunto de periféricos necesarios para los típicos productos móviles inalámbricos. (Fuente de la imagen: Dialog Semiconductor)

Al igual que cualquier plataforma compatible con Bluetooth, la familia DA1469x de Dialog Semiconductor admite los modos de publicidad estándar subyacentes a las tecnologías de balizas que se utilizan para enviar mensajes específicos de localización en los establecimientos comerciales. Sin embargo, utilizando el SDK de WiRa, los desarrolladores pueden desplegar un protocolo similar al de un radar, capaz de alcanzar un nivel de precisión de alcance que no se puede conseguir sólo con el RSSI convencional de Bluetooth. Y lo que es más importante, esta capacidad añadida puede implantarse en los dispositivos existentes basados en DA1469x.

En este enfoque mejorado para el alcance inalámbrico, los dispositivos Bluetooth ejecutan el protocolo de intercambio de tonos de diálogo (DTE) (Figura 5).

Figura 5: El SDK WiRa de Dialog Semiconductor implementa un alcance inalámbrico similar al de un radar mediante la implementación de un intercambio de datos DTE entre dos dispositivos conectados, uno de los cuales desempeña el papel de central Bluetooth estándar y el otro el de periférico Bluetooth estándar. (Fuente de la imagen: Dialog Semiconductor)

En este protocolo, los dispositivos Bluetooth se conectan por parejas utilizando los roles convencionales de BLE Central y Periférico. El dispositivo central emite una solicitud de inicio de DTE, lo que hace que ambos dispositivos se sincronicen y, a continuación, durante un periodo de inactividad de BLE, transmiten el tono DTE durante una duración determinada y en un conjunto predefinido de frecuencias. A su vez, el subsistema de radio de cada dispositivo realiza un muestreo de alta resolución de la ráfaga de tonos recibida y proporciona una salida de señal en fase y cuadratura (IQ). Utilizando las muestras de IQ, cada dispositivo calcula la fase para cada frecuencia de ráfaga (llamada "átomo"), produciendo un perfil de frecuencia específico para ese dispositivo.

Tras intercambiar el perfil de frecuencia específico de su dispositivo con su homólogo, cada uno de ellos utiliza esos datos para calcular la distancia mediante uno de los dos métodos admitidos por el SDK de WiRa. En el método de la transformada rápida de Fourier inversa (IFFT), los cálculos de la IFFT transforman los datos del perfil de frecuencia en el dominio del tiempo y mapean el retardo temporal asociado a la respuesta de impulso máxima en una medida de distancia.

En el método basado en la fase, los cálculos utilizan los datos de fase por átomo de ambos dispositivos para encontrar las diferencias de fase. A partir de estos resultados, los cálculos asignan la diferencia de fase media a la distancia (D) en metros (m), según la ecuación 1:

Ecuación 1

Donde:

𝑐 = velocidad de la luz en metros por segundo (m/s)

∆𝜑 = diferencia de fase en radianes

∆𝑓 = diferencia de frecuencia en hercios (Hz)

𝑁 = número de átomos

Aunque los mecanismos y cálculos subyacentes son bastante complejos, Dialog Semiconductor facilita a los desarrolladores la evaluación de este enfoque y su aplicación en sus propios diseños. Los desarrolladores pueden conectar el kit de desarrollo de alcance inalámbrico DA14695 de Dialog Semiconductor(DA14695-00HQDEVKT-RANG) al puerto USB de su ordenador personal y empezar a explorar inmediatamente la funcionalidad de alcance inalámbrico utilizando el software de muestra de la empresa.

Basada en el SoC DA14695 BLE de Dialog Semiconductor, la placa del kit de alcance inalámbrico sirve como plataforma eficaz para implementar software personalizado mediante la creación de un software de muestra o el uso de las rutinas de servicio de alcance inalámbrico del SDK WiRa en aplicaciones de software personalizadas.

Además de su SDK WiRa, Dialog Semiconductor proporciona un paquete de software de distanciamiento social de muestra que implementa el alcance inalámbrico mejorado con DTE y proporciona un conjunto de rutinas de software asociadas que incluyen métodos de medición de distancia basados en IFFT y en fase. Por ejemplo, la rutina de cálculo basada en la fase cwd_calc_distance() mostrada en el Listado 1 es una implementación directa de la ecuación de medición de la distancia basada en la fase mostrada anteriormente.

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float cwd_calc_distance(float *init_phase_atom, float *refl_phase_atom)
{
    float *dd_phi = d_phi; /* reuse d_phi, or: float dd_phi[CWD_N_ATOM_MAX-1];*/
    float dd_phi_mean;
    int i;
 
    for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom; i++)
    {
        /* phase "difference" between initiator and responder */
        d_phi[i] = init_phase_atom[i] + refl_phase_atom[i];
 
        if (i != 0)
        {
            /* phase difference between neighboring frequencies */
            dd_phi[i-1] = d_phi[i] - d_phi[i-1];
        }
    }
 
    unwrap_phase(dd_phi, cwd_parm.n_atom - 1, 1);
 
    /* average dd_phi */
    dd_phi_mean = 0;
    for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom - 1; i++)
    {
        dd_phi_mean += dd_phi[i];
    }
    dd_phi_mean = dd_phi_mean / (cwd_parm.n_atom - 1);
 
    dd_phi_mean = wrap_to_two_pi(dd_phi_mean - CWD_PHASE_OFFSET);
 
    /* distance */
    return (dd_phi_mean * CWD_C_AIR/(4 * M_PI * cwd_parm.f_step * 1e6));
}

Listado 1: Esta rutina de cálculo es una implementación directa de la ecuación de medición de la distancia basada en la fase mostrada anteriormente. (Fuente del código: Dialog Semiconductor)

Conclusión:

El alcance inalámbrico puede ser un elemento fundamental para el rastreo automatizado de contactos que ayude a identificar brotes de enfermedades contagiosas como la COVID-19, pero los protocolos Bluetooth convencionales no han conseguido proporcionar de forma fiable las mediciones de distancia precisas que se necesitan.

Para resolver este problema, una solución de software de Dialog Semiconductor ofrece una solución de alcance inalámbrico más precisa, similar a la de un radar, que puede implementarse como una actualización de software en los sistemas basados en los dispositivos de sistema en chip Bluetooth de baja energía de la empresa. Este enfoque mejora la precisión al tiempo que contiene los costes y permite un rápido despliegue en los dispositivos actualmente activos.

Referencias:

1. [Furukawa] Pruebas que apoyan la transmisión del Coronavirus del Síndrome Respiratorio Agudo Severo 2 en estado presintomático o asintomático
2. [Gao] Proximidad y RSSI
3. [Rastreo de contactos por coronavirus: Evaluación del potencial del uso de la intensidad de la señal recibida por Bluetooth para la detección de proximidad