https://doi.org/10.37815/rte.v37n1.1224

Artículos originales

Revisión sistemática de literatura sobre mecanismos de
recolección de energía utilizados en dispositivos de monitorización de signos
vitales

Systematic Literature Review on Energy Harvesting Mechanisms Used in
Vital Signs Monitoring

Nataly
Peñafiel-Arteaga1 https://orcid.org/0009-0000-7562-3761,

Marlon
Navia1  https://orcid.org/0000-0001-9775-3778

1Universidad Técnica de Manabí, Portoviejo, Ecuador

[email-masked],
[email-masked]

Enviado:       2024/07/26

Aceptado:       2025/04/08

Publicado:
2025/06/30

Resumen

Los dispositivos de monitorización de signos
vitales desempeñan un papel importante en el ámbito médico al permitir el
seguimiento continuo de los pacientes. No obstante, estos equipos actualmente
dependen de baterías o suministro eléctrico para su funcionamiento, pudiendo
presentar limitaciones e inconvenientes como la pérdida de datos y la interrupción
de la vigilancia constante. A pesar de ello, la creciente implementación de
mecanismos autónomos de recolección de energía podría reemplazar los métodos
convencionales de alimentación. Esta revisión sistemática de literatura se
llevó a cabo con el objetivo de identificar los mecanismos de captación de
energía más apropiados para dispositivos de seguimiento de constantes vitales
en seres vivos. El análisis incluyó tanto fuentes ambientales como aquellas
producidas por el cuerpo humano. Se proporcionó también información sobre los
signos vitales más comúnmente monitorizados, así como la ubicación del
dispositivo en el cuerpo. También se especificó la producción energética
generada por las tecnologías consideradas en las publicaciones analizadas. Los
mecanismos más utilizados fueron el triboeléctrico y piezoeléctrico, mientras
que la radiofrecuencia y triboeléctrico obtuvieron una mayor producción
energética. Cabe recalcar que los mecanismos evaluados son aplicables tanto en
personas como otros seres vivos pues se comparten ciertas similitudes con los
animales domésticos.

Sumario: Introducción, Materiales y Métodos, Resultados
y Discusión, Conclusiones.

Como citar: Peñafiel-Arteaga, N. & Navia, M. (2025). Revisión sistemática
de literatura sobre mecanismos de recolección de energía utilizados en
dispositivos de monitorización de signos vitales. Revista
Tecnológica - Espol, 37(1), 247-263. https://rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/1224

Palabras
clave: Recolección de
energía, dispositivos inalámbricos, triboeléctrico, piezoeléctrico,
radiofrecuencia.

Abstract

Vital signs monitoring devices
play a crucial role in the medical field by enabling continuous patient
tracking. However, these devices rely on batteries or an electrical power
supply, which can present limitations and inconveniences such as data loss and
interruptions in continuous monitoring. Nevertheless, the increasing
implementation of autonomous energy harvesting mechanisms may replace
conventional power sources. This systematic literature review was conducted to
identify the most appropriate energy harvesting mechanisms for vital signs
monitoring devices in living organisms. The analysis included both
environmental sources and those generated by the human body. Information was
also provided on the most commonly monitored vital signs and the device's
location on the body. Additionally, the energy output generated by the
technologies considered in the analyzed publications was specified. The most
used mechanisms were triboelectric and piezoelectric, while radiofrequency and
triboelectric methods achieved higher energy production. It is worth noting
that the evaluated mechanisms apply to both humans and other living beings, as
they share certain similarities with domestic animals.

Keywords: Energy harvesting, wireless devices,
triboelectric, piezoelectric, radiofrequency.

Introducción

La automatización
de dispositivos impulsada por los avances tecnológicos continuos ha significado
una notable mejora en eficiencia y agilidad en diversos procesos de
productividad en innumerables ámbitos. A pesar de estos progresos, persiste un
problema importante en el campo de la energía. Los aparatos electrónicos, ya
sea aquellos conectados a la corriente eléctrica como los que siguen
dependiendo de baterías, siguen enfrentándose a importantes retos relacionados
con su alimentación, ya que aún se encuentran en proceso de mejora.

El incremento en
la vida útil de las baterías, con modelos que actualmente pueden durar hasta 7
años, demuestra logros significativos, aunque el tiempo de funcionamiento
todavía depende de la capacidad energética que consumen los sistemas (Blaževic et al., 2022). Sin embargo, el uso constante de
baterías presenta problemas de sostenibilidad debido a los componentes
corrosivos que impactan negativamente al medio ambiente; además, esta situación
afecta la eficiencia de dispositivos que manejan aplicaciones críticas,
especialmente en el campo médico como el monitoreo de la salud.

Por tanto, el
seguimiento de la salud mediante dispositivos electrónicos es fundamental para
la gestión de la atención médica. No obstante, el cambio periódico de las
baterías produce la pérdida temporal del control, comprometiendo la
continuidad, eficiencia del monitoreo y las mediciones durante el lapso
requerido para el reemplazo, perjudicando, particularmente, la supervisión de
la salud en áreas de difícil acceso (Pozo et al., 2018) .

Los dispositivos
que monitorean los signos vitales representan una línea significativa entre el
estado del paciente y la atención médica inmediata, ya que se pueden obtener
datos al monitorear la temperatura corporal, presión arterial, saturación de
oxígeno y otros parámetros médicos. De esta manera las alertas generadas por
los dispositivos inalámbricos ante cambios en la condición de los pacientes
pueden reflejarse en aplicaciones de monitorización, convirtiendo la
información obtenida en un recurso valioso para la prevención de enfermedades (Hezekiah et al., 2023). Sin embargo, es necesario priorizar que
la tecnología aplicada en la persona no interfiera en sus actividades diarias (Manzano & Bejarano , 2021).

Ahora, imaginar
un sistema de seguimiento de salud que nunca requiera una batería para mantener
una vigilancia permanente e ininterrumpida sobre los pacientes, podría ser
posible a través de la recolección de energía ambiental. Esta tecnología
revolucionará la atención médica inmediata y remota.

Por tal motivo,
propuestas innovadoras y autónomas como la recolección de energía o “Energy
Harvesting” (EH, por sus siglas en inglés), surgen para abordar los desafíos de
sostenibilidad y eficiencia en el monitoreo de salud. Este enfoque no solo
reduce la dependencia de las baterías, sino que también promueve la
conservación del medio ambiente al captar energía disponible del entorno o del
cuerpo y convertirla en energía eléctrica, misma que sería utilizada como
fuente de alimentación para dispositivos inalámbricos de bajo consumo. Es
importante conocer la cantidad de energía consumida por el circuito para
garantizar que la energía acumulada y almacenada sea superior (Shuvo et al., 2022; Isioto
et al., 2022)

Además, se
visualiza que EH desempeñará un papel fundamental en los sistemas de IoT en la
era 5G, debido a su facilidad de autoalimentación al experimentar deficiencia
energética. Es por esto que se ha incrementado la necesidad de estudiar y
desarrollar la implementación de recolección de energía en dispositivos
portátiles (Heidari
et al., 2021).

En el presente
trabajo se llevará a cabo una revisión sistemática de literatura sobre estudios
relevantes de “Energy Harvesting” aplicados a dispositivos de monitorización de
signos vitales utilizando información de diferentes bases de datos científicas.
La finalidad es comprender los disímiles tipos de fuentes energéticas
utilizadas en la recolección de energía e identificar las propuestas que
mayormente son aplicadas en dispositivos de monitorización de signos vitales en
seres vivos. El aporte principal de este trabajo es un análisis actualizado de
los mecanismos de EH aplicados en este ámbito, pero además se ha considerado la
monitorización en cualquier ser vivo, ya que la mayoría de revisiones se basan
exclusivamente en seres humanos.

La estructura de
este artículo implica varias secciones. Se da inicio con la descripción de
antecedentes relevantes acerca de los mecanismos de recolección de energía y
sus aplicaciones en diversas áreas; a continuación, se desarrolla el apartado
de métodos y herramientas, donde se detalla la metodología y recursos aplicados
en el proceso investigativo; posteriormente, se presentan los resultados
obtenidos y una breve discusión; en la última sección se exponen las
conclusiones del trabajo.

Estado del arte

La monitorización
de signos vitales es un aspecto primordial en la atención médica, ya que provee
información crucial para el seguimiento y tratamiento de pacientes, que incluso
influye en el diagnóstico de posibles enfermedades.

Por dichas
razones, crear dispositivos portátiles de bajo costo, precisos y fáciles de
usar se intensifica, y el desarrollo de brazaletes para la monitorización de
signos vitales parece ser una opción viable. Hadiyoso et al. (2021) demuestran que estos dispositivos podrían
realizar lecturas de presión arterial, frecuencia cardíaca, saturación de
oxígeno, hasta electrocardiogramas. En su propuesta presentan en la pantalla
del brazalete los datos recopilados y para facilitar el seguimiento inalámbrico
emplean un módulo Bluetooth.

Siguiendo la idea
de reemplazar las baterías para el funcionamiento de dispositivos autónomos,
han surgido diversos estudios y progresivamente se explora sobre la recolección
de energía y sus métodos para aplicarlos en dispositivos portátiles inalámbricos,
tal como concluye la investigación presentada por Ali et al. (2023)

En cuanto al área
médica, se disponen de diversos estudios con estas técnicas aplicadas en
dispositivos de monitorización de signos vitales. Varios autores dan a conocer
diferentes implantes y dispositivos médicos que emplean EH para su
operatividad,  a pesar que no indican el
mecanismo de recolección de energía predominante en el ámbito médico, respecto
al monitoreo de signos vitales (Shuvo et al., 2022b); adicionalmente, el trabajo citado
proporciona una clasificación de métodos de recolección de energía en
dispositivos médicos, ya sean implantables o inalámbricos. La Figura 1 es una adaptación representativa de dicho
esquema, pero enfocada con el tema de estudio propuesto.

Figura 1

Adaptación
de clasificación de técnicas de EH en dispositivos médicos implantables y
portátiles

En relación con la Figura
1,
el trabajo realizado por Mahmood et al. (2023), con
el tema de recolección de energía basada en aplicaciones biomédicas, es una
revisión que indica técnicas de captación energética provenientes de fuentes
medioambientales y del cuerpo humano. Su
propósito es aplicarla en dispositivos que podrían ser usados tanto en entornos
interiores como exteriores; además, define los mecanismos de la siguiente
manera:

•
Triboeléctrica:
la electricidad se obtiene a partir del efecto triboeléctrico. Los materiales
se cargan eléctricamente a través de la fricción. Se colocan electrodos en cada
material, y el efecto de electrificación se combina con la inducción
electroestática para obtener energía reutilizable. Para la recolección de
energía en dispositivos portátiles se utilizan principalmente nanogeneradores
triboeléctricos.

•
Fotovoltaica:
este tipo de energía se basa en la conversión de la luz solar en electricidad
mediante células solares que funcionan con materiales semiconductores,
generando un flujo de electrones.

•
Termodinámica:
se aprovecha la diferencia de temperatura entre dos cuerpos para generar
electricidad. Puede ocurrir de forma natural, a partir del calor corporal
humano que proporciona una cantidad adecuada de energía para alimentar sensores
implantados, o de otra manera, utilizando generadores termoeléctricos
fabricados con metales o polímeros.

•
Piezoeléctrico:
adquiere energía de los movimientos mecánicos como vibraciones o impactos. Los
materiales piezoeléctricos pueden convertir la energía mecánica directamente en
electricidad sin necesidad de un proceso intermedio. Al experimentar tensión mecánica
se genera un campo eléctrico, y la energía captada se usa para alimentar
dispositivos de bajo consumo.

•
Eólica:
es obtenida a partir del viento, que es la fuente de energía renovable. Se
utilizan aerogeneradores, dispositivos con aspas que giran por la misma acción
del viento, transformando la energía cinética en electricidad. Las turbinas
eólicas son de distintos tamaños y formas según la potencia requerida.

•
Radiofrecuencia:
recolecta ondas electromagnéticas emitidas por antenas de radio u otros medios
y luego las convierte en energía, mediante circuitos rectificadores y antenas
especializadas para alimentar dispositivos. Estas ondas pueden penetrar tejidos
blandos, siendo factibles utilizarlas en dispositivos médicos.

A continuación, se describen ejemplos de dispositivos de monitorización de
signos vitales que implementan EH:

En un estudio se utilizó un nanogenerador piezoeléctrico que recolectó
energía a partir de la respiración y los latidos del corazón de una rata, lo
que permitió medir la frecuencia respiratoria (Li et al., 2010); asimismo, en
otro trabajo, se diseñó un sistema para recolectar energía de los latidos
cardíacos porcinos, debido a su anatomía similar a la de los seres humanos, y
se obtuvo información de la frecuencia cardíaca (Kim et al., 2017); también se
investigó la relación de la frecuencia cardíaca y la generación de energía a
través del balanceo de los brazos al aplicar películas especializadas (Z. Lin et al., 2017).

En otro enfoque, diversos autores desarrollaron un sistema portátil sin
batería que mide las frecuencias respiratoria y cardíaca, y el movimiento del
torso de una persona. En el sistema incorporaron un panel solar flexible que
alimenta la placa del circuito en una camisa para facilitar las actividades de
la persona. Comparaciones entre las mediciones obtenidas por el circuito y los
instrumentos médicos convencionales corroboraron la confiabilidad de los datos (Dionisi et al., 2016).

Los investigadores Isioto et al. (2022) consideran al
cuerpo humano como fuente de energía que suministra alimentación energética a
sistemas independientes. La recolección de energía se lleva a cabo durante las
actividades cotidianas que se realizan, como el movimiento generado por los
brazos, las pisadas u otras acciones; no obstante, cuando el movimiento es
originado por la respiración y los latidos del corazón, se requiere el uso de
películas especializadas para captar la energía (W. Lin et al., 2023).

La importancia de
la recolección de energía en contextos de monitoreo relacionados con aspectos
de los seres vivos ha sido y seguirá siendo objeto de investigación en
constante desarrollo.

Materiales y Métodos

En esta investigación se aplicó la metodología PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Review and Meta-Analysis) (Page
et al., 2021). Se
emplearon las tres fases de PRISMA propuestas por los autores Kitchenham & Charters (2007) para la ejecución de una revisión
sistemática de literatura (System Literature Review,
SLR):

•
Fase
1 Planificación: se enfocó en el planteamiento de las
preguntas de investigación que se abordaron en la investigación y también en el
desarrollo del protocolo que se llevó a cabo.

•
Fase
2 Ejecución de la revisión: se identificaron y
seleccionaron los estudios rigurosamente. Luego se evaluó la calidad,
extrayendo los datos pertinentes de los documentos aceptados.

•
Fase
3 Informe de la revisión: se especificaron los
resultados obtenidos a lo largo del proceso investigativo en un documento
detallado.

Preguntas de investigación

La pregunta de investigación principal (Research Question, RQ) que
surge para guiar este estudio fue la siguiente:  ¿De qué
forma se pueden determinar los mecanismos de recolección de energía más
utilizados en dispositivos de monitorización de signos vitales en seres vivos?

El objetivo de esta SLR fue proporcionar una respuesta a la pregunta
propuesta, centrándose en identificar y analizar las técnicas de energy
harvesting que han generado mayor impacto en los últimos años en los
dispositivos de monitoreo de signos vitales en seres vivos.

Cabe recalcar que la evaluación de los estudios se realizó en inglés,
considerando que la comunidad científica lo utiliza como idioma estándar y, por
lo tanto, existe una mayor gama de recursos actualizados y de calidad.

A su vez, se definieron los términos clave en este idioma, los que fueron
asignados apropiadamente en los criterios de PICOC (población, intervención,
comparación, resultados y contexto) para estructurar las preguntas
investigativas que ayudaron con la respuesta de la interrogante principal. Las
palabras clave establecidas para este propósito fueron:

•
Población
(P): energy harvesting, energy scavenging, power
harvesting.

•
Intervención
(I): monitor, monitoring, device, system.

•
Contexto
(C): vital signs, vitals.

Los términos de
comparación (C) y resultados (O) no se incluyeron, ya que no es pertinente
comparar mecanismos de recolección de energía específicos, ni definir
resultados previamente establecidos.

Las preguntas de
investigación generadas como apoyo fueron las siguientes:

•
RQ1:
¿Qué mecanismos de EH se utilizan en dispositivos
de monitorización de signos vitales?

•
RQ2:
¿Qué signos vitales se monitorizan con los dispositivos?

•
RQ3:
¿Cuál es la producción energética de los distintos mecanismos de recolección de
energía en cada caso?

•
RQ4:
¿En qué parte del cuerpo se ubica el dispositivo de monitorización de signos
vitales?

Fuentes de información y estrategia de
búsqueda

Las fuentes
seleccionadas en esta investigación incluyeron Scopus, IEEE Xplore, ACM Digital
Library, ScienceDirect y SpringerLink. Se consideraron varios requisitos para
la selección de estas bases de datos científicas como: la relevancia que tienen
en el ámbito investigativo y el área de estudio, la posibilidad de utilizar
búsqueda avanzada y que la integridad de la cadena de búsqueda en las diversas
fuentes científicas se mantuviera.

Como parte de la
estrategia de búsqueda, se emplearon las palabras claves de PICOC en conjunto
con los operadores booleanos como AND y OR para establecer la siguiente cadena
de búsqueda:

("energy harvesting" OR "energy scavenging" OR
"power harvesting") AND ("device" OR "monitor" OR
"monitoring" OR "system") AND ("vital sign" OR
"vitals")

Criterios para selección de estudios

La selección de
estudios se llevó a cabo utilizando los resultados obtenidos de la cadena de
búsqueda documental. Cada texto fue revisado inicialmente en función del título
y resumen, posteriormente se aplicaron los criterios de inclusión y exclusión
filtrando los archivos que cumplían los requerimientos. Finalmente, se evaluó
la calidad de los estudios seleccionados de manera individual mediante un
análisis integral.

Como parte del
protocolo de revisión, los criterios de inclusión y exclusión definidos
consistieron en los siguientes:

Criterios de
inclusión:

•
Artículos
de revista y de congresos.

Criterios de
exclusión:

•
Artículos
no relacionados a propuestas de recolección de energía en dispositivos de
monitorización de signos vitales.

•
Artículos
en idioma distinto al inglés.

•
Artículos
publicados antes del año 2018.

•
Trabajos
que no se encuentran accesibles.

•
Documentos
duplicados o que sean revisiones de literatura, editoriales, resúmenes, libros
y capítulos de libros.

Los criterios de
inclusión y exclusión se centraron en garantizar que no se omitieran estudios
importantes. En particular, se eligió el idioma inglés porque la mayoría de las
investigaciones relevantes se publican en este idioma; por otro lado, el año mínimo
de publicación (2018) buscó garantizar que se seleccionaran trabajos
actualizados, es así que el rango de búsqueda fue desde el año 2018 al mes de
marzo del año 2024.

Evaluación de calidad

Evaluar la
calidad de los estudios permitió clasificar los trabajos de alta calidad que
garantizan solidez en la investigación asegurando resultados confiables,
separándolos de aquellos que se veían limitados en la metodología por sesgos
que podrían terminar afectando las inferencias finales. Conforme a ello, en
cada estudio se aplicaron varias preguntas y se estableció una puntuación
mínima de 0 en caso de no responder a la interrogante, al obtener una respuesta
parcial se calificó con 0.5 y el valor máximo de 1 se otorgó a los trabajos que
cumplían lo solicitado.

Criterios de
evaluación (Quality Criteria, QC):

•
QC1:
¿El estudio incluye el uso de un mecanismo de EH para alimentación del
dispositivo de monitorización de signos vitales?

•
QC2:
¿En el estudio se hacen pruebas con componentes reales?

•
QC3:
¿El documento especifica qué tipo de signos vitales está monitorizando el
dispositivo?

•
QC4:
¿En el documento se menciona la ubicación del dispositivo de monitorización de
signos vitales en el paciente de prueba?

El puntaje de
corte que los estudios debieron mantener en la evaluación de calidad para ser
considerados en la SLR fue de 2. Este valor se determinó según el promedio de
los criterios de evaluación, certificando así la calidad de los trabajos
seleccionados.

Aplicación del protocolo de búsqueda y
extracción de datos

En la Figura 2 se puede visualizar el diagrama con el
resultado de la aplicación de los criterios previamente definidos como parte de
la metodología PRISMA.

Primero, se
realizó una indagación exhaustiva donde se aplicó la cadena de búsqueda en las
diferentes bases de datos científicas, para identificar los trabajos
relevantes. Para ello, se exportaron los datos de los estudios encontrados en
formato Bibtex, conservando el contenido en archivos de texto plano. Luego se
importaron en la plataforma Parsifal (https://parsif.al/), que sirvió de apoyo
para el desarrollo de este trabajo investigativo.

Figura 2

Diagrama de flujo PRISMA

Adaptado
de (García-Holgado & García-Peñalvo, 2019) - (Moher et al., 2009).

La plataforma
Parsifal facilitó la gestión de los artículos, llevando el conteo de los
duplicados, y categorizando los estudios aceptados y rechazados. También
permitió evaluar la calidad de los documentos controlando su valoración,
optimizando así el proceso de la SLR. Después de confirmar que los estudios se
encontraran en la plataforma Parsifal, se aplicaron los criterios de inclusión
y exclusión.

Finalmente, los
artículos que superaron el filtro anterior fueron sometidos a una evaluación
más detallada que involucró la revisión del documento completo para determinar
si cumplían los estándares de calidad al sobrepasar el punto de corte.

Una vez aplicada
cada una de las etapas de selección detalladas en la Figura 2, se obtuvo lo
siguiente:

•
En la
fase de búsqueda exploratoria se encontró un total de 299 artículos en las
diferentes bases de datos: 28 en ACM Digital Library, 2 en IEEE Xplore, 123 en
ScienceDirect, 28 en Scopus y 118 en SpringerLink.

•
Se
registraron 11 trabajos duplicados, dejando 288 artículos restantes por
analizar.

•
Luego
de aplicar los criterios de inclusión y exclusión permanecieron 27 estudios en
el proceso de selección para el análisis detallado requerido en la SRL.

Tras completar la
lectura de los trabajos aceptados, se utilizó una hoja de extracción de datos
para tabular la información, considerando la importancia de cada variable y la
capacidad de los hallazgos para dar respuesta a las preguntas de investigación.
Los datos que se extrajeron de los documentos seleccionados comprendieron:

•
Tipo
de EH empleado (RQ1): fotovoltaica, híbrida, piezoeléctrica, termodinámica o
triboeléctrica, etc.

•
Signos
vitales monitorizados (RQ2): presión arterial, frecuencia cardíaca (FC),
frecuencia respiratoria (FR), saturación de oxígeno, temperatura (T), entre
otros.

•
Generación
de energía (RQ3): potencia variable medida en vatios (W), voltios (V) o
amperios (A) en el caso de la corriente.

Área del cuerpo
donde se ubica el dispositivo de monitoreo de signos vitales (RQ4): varía de
acuerdo con el estudio realizado.

Resultados
y Discusión

En la Tabla
1
se encuentran las citas de los artículos seleccionados y los datos que se
obtuvieron de cada uno de ellos.

Tabla 1

Datos
obtenidos de los artículos analizados

FUENTE

MECANISMO DE EH (RQ1)

SIGNO VITAL

(RQ2)

GENERACIÓN DE ENERGÍA (RQ3)

UBICACIÓN DEL DISPOSITIVO (RQ4)

(Bose et al., 2020)

Termoeléctrico

Frecuencia
cardíaca

4,6
μW – 20 μW

Pecho
- Tórax

(Ghafouri & Manavizadeh, 2023)

Triboeléctrico

pH

N/A

N/A

(Qiu et al., 2019)

Triboeléctrico

Estado
respiratorio

200
μA

1000 V

Pecho
- Tórax

(S. Wang et al., 2019)

Triboeléctrico

Frecuencia
respiratoria

0,88
V

Rostro

(Sun et al., 2018)

Híbrido

Frecuencia cardíaca

55
V – 86 V

Muñeca

(Mao et al., 2023)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

N/A

N/A

(He et al., 2022)

Piezoeléctrico

Temperatura

Frecuencia
respiratoria

0,15
μA

8 V

T:
Mano (Palma y dedos)

FR: Rostro

(Yi et al., 2022)

Triboeléctrico

Pulso
arterial (Radial)

816
mW/ m2

Muñeca

(Lyu et al., 2020)

Híbrido

Frecuencia
cardíaca

Frecuencia
respiratoria

1
μW

1,3 V

N/A

(M. Wang et al., 2018)

Triboeléctrico

Estado
respiratorio

1,7
μA

2,4 V

1,3 mW

Rostro
(Mascarilla)

(Wu et al., 2023)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

30
V

16
μA

Muñeca

(Maity et al., 2023)

Híbrido

Frecuencia
cardíaca

Frecuencia
respiratoria

N/A

FC:
Muñeca

FR: Rostro (Mascarilla)

(Panahi et al., 2020)

Piezoeléctrico

Frecuencia
respiratoria

N/A

Pecho
- Tórax

(Na et al., 2022)

Termoeléctrico

Estado
respiratorio

18,13
mV

2,74
μA

12,6
nW

Rostro
(Mascarilla)

(Fu et al., 2021)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

0,6
μA

10 V

Muñeca

(Kang et al., 2022)

Piezoeléctrico

Frecuencia
cardíaca

1,16
μA

97,5 V

Muñeca

Cuello

Tobillo

(Fahad et al., 2022)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

Frecuencia
respiratoria

N/A

Pecho
- Tórax

(Gunasekhar & Anand Prabu, 2023)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

Frecuencia
respiratoria

0,85
V - 6,27 V

Pecho
– Tórax

Músculo
trapecio

(Mokhtari & Al Ahmad, 2019)

Piezoeléctrico

Frecuencia
respiratoria

N/A

Pecho
- Tórax

(Zhang et al., 2023)

Termoeléctrico

Frecuencia
cardíaca

Temperatura

N/A

Muñeca

(Wen et al., 2023)

Híbrido

Estado
respiratorio

N/A

Rostro
(Mascarilla)

(Chung et al., 2020)

Radiofrecuencia

Frecuencia
cardíaca

Frecuencia
respiratoria

Temperatura

Oxígeno
en la sangre

Con
batería: 45mAh

Sin
batería: suministro indefinido

Pecho
- Tórax

Tobillo

Pie
hacia los dedos

Muñeca
hasta la mano

(Gil et al., 2022)

Radiofrecuencia

pH

0,44
mA

1,8 V

Modelo
anatómico realista de mama humano

(Ghosh et al., 2022)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

325
mW/ m2

FC:
Muñeca - Cuello

FR:
Rostro (Surco naso labial)

Estado
respiratorio

(H. L. Wang
et al., 2022)

Triboeléctrico

Frecuencia
cardíaca

N/A

Muñeca

(Habibagahi et al., 2022)

Radiofrecuencia

Frecuencia
cardíaca

Temperatura

Presión
arterial

Oxígeno
en la sangre

3 V

0,1 W – 1 W

Cuello (Implante)

(Ahn et al., 2020)

Piezoeléctrico

Pulso
arterial (Radial y carótida)

Estado
respiratorio

N/A

Muñeca

N/A: no disponible.

Después de la selección de los datos, se llevó a
cabo un análisis de los aspectos asociados con las preguntas de investigación
correspondiente:

RQ1:
¿Qué mecanismos de EH se utilizan en dispositivos de monitorización de signos
vitales?

Para abordar la primera pregunta de investigación,
es preciso recalcar la diversidad de mecanismos de recolección de energía
aplicables en dispositivos de monitorización de signos vitales. En la revisión
detallada de los artículos (Figura
3),
se destacó que el tipo de mecanismo frecuentemente empleado para los
dispositivos es la captación de energía triboeléctrica, pues fue mencionada en
12 ocasiones. En contraste con los mecanismos termoeléctrico y de
radiofrecuencia que únicamente aparecieron 3 veces cada uno.

Siendo evidente que, aunque existen disímiles
enfoques de EH, la opción preferida que sobresale para el desarrollo de
dispositivos de monitoreo de signos vitales, según la literatura examinada, fue
la recolección de energía triboeléctrica.

Figura
3

Mecanismos de EH aplicados en los estudios

RQ2:
¿Qué signos vitales se monitorizan con los dispositivos?

La monitorización de ciertos signos vitales se
vuelve fundamental cuando algunas enfermedades son desencadenadas por anomalías
en alguna constante vital específica, o en otras ocasiones a modo de prevención
se supervisa que los valores se mantengan en un rango normal.

Figura 4

Signos vitales considerados
en los dispositivos de monitorización

La Figura
4
muestra los signos vitales considerados en los estudios analizados. La
frecuencia cardíaca fue el signo vital mayormente monitorizado, ya que fue
mencionado en 15 estudios. Luego apareció la frecuencia respiratoria que fue
objeto de monitoreo en 9 artículos, y 6 investigaciones hicieron seguimiento
del estado respiratorio, pues controlan cuando la respiración es normal, lenta,
rápida, superficial o profunda. En menor medida varios trabajos hicieron
referencia en una sola ocasión a la presión arterial, el pH y los niveles de
oxígeno en la sangre.

RQ3:
¿Cuál es la producción energética de los distintos mecanismos de recolección de
energía en cada caso?

Los mecanismos de recolección de energía mostraron
una amplia variabilidad en producción de energía, tal como lo demuestra la Tabla
2
que indica la capacidad de generación energética de los tipos de EH
identificados en esta revisión sistemática de literatura.

Por ejemplo, el sistema de radiofrecuencia ofreció
una capacidad alta en producción de potencia alcanzando 1 W, mientras que los
mecanismos termoeléctricos generaron energía más baja de aproximadamente 12,6
nW.

Por otro lado, la tecnología triboeléctrica
presenta un valor mínimo de 0,6 μA y máximo de 200 μA en comparación con la
radiofrecuencia que alcanza hasta 0,44 mA de corriente; además, el tipo de
recolección triboeléctrica apareció exhibiendo una producción de voltaje
inferior de alrededor de 0,88 V; sin embargo, logró una alta eficiencia teórica
al generar hasta 1000 V bajo una frecuencia de 2.5Hz, de acuerdo a los
investigadores que logran dicho valor.

Cabe aclarar que no en todas las publicaciones se
mencionan los valores de potencia, corriente y voltaje obtenidos por el
mecanismo de EH aplicado, por lo que la comparación de este criterio no fue muy
equivalente; sin embargo, es posible ver en la Tabla 2
una tendencia del rango de valores para cada mecanismo.

Tabla 2

Rango
de valores de generación energética de los dispositivos, según mecanismos de EH

MECANISMOS DE EH

POTENCIA

(W)

CORRIENTE

(A)

VOLTAJE

(V)

Híbrido

1 μW

-

1,3 – 88 V

Piezoeléctrico

-

0,15 – 65 μA

8 V

Radiofrecuencia

0,1 – 1 W

0,44 mA

1,8 – 3 V

Termoeléctrico

12,6 nW –

20 μW

2,74 μA

18,13 mV

Triboeléctrico

1,3 mW –

816 mW/m2

0,6 – 200 μA

0,88 V –

1000 V

RQ4:
¿En qué parte del cuerpo se ubica el dispositivo de monitorización de signos
vitales?

El ser humano posee diferentes puntos estratégicos
en el cuerpo para realizar mediciones de signos vitales, aunque la elección
dependerá principalmente del parámetro vital que se pretende monitorizar. En el
caso de los animales es algo similar.

En la Figura
5
se observa que los dispositivos tienden a ubicarse con mayor énfasis en la
muñeca, ubicación que fue mencionada 11 veces en los artículos analizados.
Después se señala el área del pecho, tórax y el rostro como otras
localizaciones comunes donde monitorizar, a diferencia de la mano, el músculo
trapecio, el pie e inclusive de un modelo realista de mama humana que en el
estudio utilizaron para las pruebas, que ocupan el último lugar en cuanto a
preferencia de ubicación para dispositivos de medición.

En anteriores revisiones de literatura sobre
recolección de energía, como la de Hezekiah et al. (2023) se mencionó que la radiofrecuencia es el
mecanismo de EH más utilizado en forma general en dispositivos inalámbricos;
sin embargo, para el caso que se analizó (monitorización de signos vitales), se
encontró que el método más aplicado fue el triboeléctrico. Esto demuestra que
radiofrecuencia fue la opción principal en literatura general; no obstante, en
aplicaciones como la monitorización de signos vitales prevalece la tecnología
triboeléctrica, posiblemente porque se aprovechan las fuentes de energía disponibles
de manera efectiva en este contexto.

Figura 5

Parte del cuerpo para ubicación de dispositivos de monitoreo

No obstante, Shuvo y colegas determinaron en su
investigación del 2022 que los nanogeneradores triboeléctricos
(TENGs) tienen limitaciones por baja corriente y daños en la fricción de las
superficies de contacto, por lo que necesitan mejorar para adoptarlas en
dispositivos de monitorización. Mientras, en esta investigación se demostraron
que la mayoría de estudios que aplican está técnica de energy scavenning se dan
desde el año de publicación del mencionado estudio. Aunque hay que tener en
cuenta que la energía recolectada en cada dispositivo puede variar según las
condiciones ambientales, el tiempo, la ubicación en el paciente o el tipo de
dispositivo que monitoriza los signos vitales.

El mecanismo híbrido, en comparación, obtuvo un
porcentaje de trabajos encontrados relativamente bajo entre todos los
incluidos; a pesar de esto,  Mahmood et
al. (2023) señalan en su investigación que en
situaciones donde se requiere de mayor suministro de energía es conveniente
aplicar energy harvesting híbrido, que al combinar múltiples fuentes
energéticas, se logra cubrir las limitaciones de otra fuente particular con la
finalidad de mejorar la confiabilidad de los dispositivos IoT sin baterías; por
otro lado, según Navia et al. (2015), la implementación de sistemas y
mecanismos híbridos en el campo tecnológico es una tendencia muy importante en
las últimas décadas, dada la adaptabilidad que poseen para aprovechar las
ventajas en diferentes enfoques.

Además, hay que recalcar que este estudio
proporciona conocimiento potencial sobre los mecanismos de recolección de
energía y la monitorización de signos vitales, sin embargo, podría verse
limitado por posibles sesgos, relacionados con la selección de los estudios
donde se podría haber excluidos inadvertidamente artículos relevantes debido a
las restricciones de las bases de datos consultadas o por los años de
publicación establecidos en los criterios de exclusión, influyendo en la
interpretación de los resultados del trabajo.

Conclusiones

Esta revisión
sistemática de literatura enfocada en los mecanismos de recolección de energía
utilizados en dispositivos de monitorización de signos vitales permite
visualizar el avance constante de esta tecnología autónoma y sostenible
empleada para el abastecimiento energético de dispositivos, destacando a su vez
la diversidad de técnicas aplicadas para captar energía y convertirla en
electricidad para el funcionamiento de éstos.

Se identifica que el
mecanismo triboeléctrico es el predominante en los trabajos analizados. Este
resalta por la versatilidad que tiene al captar energía a partir de la fricción
de dos materiales, constituidos por el dispositivo de monitorización y la zona
del cuerpo en que se ubica. Otra opción para la generación triboeléctrica, en
el caso de dispositivos utilizados en seres humanos, sería la fricción entre el
dispositivo y la ropa.

Si de producción de
energía se trata, la radiofrecuencia ofrece mayor capacidad para generar
potencia y corriente, aunque su voltaje disminuye considerablemente en
comparación con el mecanismo triboeléctrico, lo que puede ser resuelto con
mecanismos de transformación de voltaje; sin embargo, este tipo de EH requiere
de una infraestructura adicional para poder funcionar.

La muñeca es el área
principal donde se realiza el monitoreo de signos vitales, relacionándose
completamente con el hecho de que la frecuencia cardíaca en esta ubicación
puede ser más precisa que en otras partes del cuerpo; sin embargo, el pecho –
tórax es otra ubicación manejable para el monitoreo de la FC, en comparación al
rostro que está directamente vinculada con el control de la frecuencia
respiratoria.

Los dispositivos, en
su mayoría, son aplicables en lugares expuestos como la muñeca y el rostro,
pues facilitan la medición dada la accesibilidad y conveniencia al momento de
colocar los dispositivos de monitorización de signos vitales, sin afectar mayormente
las actividades que realiza la persona.

Los mecanismos
analizados pueden ser aplicados para el monitoreo de signos vitales en otros
seres vivos, además de personas, ya que los seres humanos y varios tipos de
animales domésticos comparten ciertas similitudes en cuanto a anatomía,
fisiología y comportamiento; no obstante, se debe considerar principalmente el
rango de funcionamiento normal de los signos vitales de cada especie, asimismo
definir la adecuada ubicación para obtener mayor precisión en las mediciones.

Para trabajos
posteriores, aún es necesario estudiar la optimización de la eficiencia
energética y durabilidad del mecanismo triboeléctrico; también se puede
analizar las características que hacen superior al EH por radiofrecuencia y
adaptarlas para hacerlas más eficiente; por otro lado, aunque se encontraron
pocos casos en el estudio, la aplicación de mecanismos híbridos podría combinar
las fortalezas de dos mecanismos, al tiempo que se superan sus limitaciones.

Además, se debe
enfatizar que el diseño de dispositivos debe contemplar que la tecnología
utilizada no resulte intrusiva para el ser vivo, esperando que se puedan
elaborar sistemas de monitorización en áreas externas del cuerpo del paciente
para llevar a cabo el control de los signos vitales.

Reconocimientos

Los autores declaran
la contribución y participación equitativa de roles de autoría para esta
publicación.

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