# NASA Bio-FDIR: Sistema Autónomo de Detección, Aislamiento y Mitigación Fisiológica para Vuelos Espaciales de Larga Duración

> **Autores:** Equipo de Desarrollo de Software de Vuelo y Soporte de Vida en Espacio Profundo  
> **Programa:** NASA Human Research Program (HRP) / Exploration Medical Capability (ExMC)  
> **Ámbito Operativo:** Misiones Moon-to-Mars, Hábitats Lunares de Superficie y Tránsito Interplanetario  
> **Estado:** Documentación Técnica de Arquitectura v1.0 (Noviembre 2026)

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## 1. Resumen Ejecutivo y Planteamiento del Problema

En misiones espaciales de larga duración más allá de la órbita baja terrestre (LEO), las tripulaciones se enfrentan a cinco riesgos fisiológicos acumulativos definidos por el *NASA Human Research Program (HRP)*:
1. Radiación cósmica galáctica (GCR) y tormentas de protones solares (SPE).
2. Aislamiento y confinamiento prolongado en volúmenes reducidos.
3. Gravedad alterada (microgravedad de tránsito y gravedad parcial lunar $1/6g$ / marciana $3/8g$).
4. Entorno de cabina cerrado y hostil (acumulación de $ppCO_2$, ruido y patógenos).
5. Distancia extrema a la Tierra con una **latencia de telecomunicación de 4 a 22 minutos por sentido**.

Bajo estas condiciones, la telemedicina en tiempo real asistida desde el Centro de Control de Houston es físicamente inviable en emergencias agudas. Los astronautas deben ser responsables de monitorizar su propio estado de salud, detectar anomalías precoces y ejecutar contramedidas clínicas sin dependencia de la Tierra.

**NASA Bio-FDIR** traslada la disciplina aeroespacial de *Fault Detection, Isolation, and Recovery* (FDIR) a la biología humana, proporcionando una arquitectura dual (Prototipo Python + Kernel C99 orientado a MISRA-C con 24 bytes de RAM de contexto) que evalúa 25 canales de telemetría biomédica de forma determinista por ciclo de muestreo.

```mermaid
flowchart LR
    A["Telemetría Biomédica Continua (25 Ch)"] --> B["Filtro de Subespacio Multivariable"]
    B --> C{"Residuo J(x) > Umbral EWMA"}
    C -- No --> D["Homeostasis Nominal"]
    C -- Sí --> E["Aislamiento Causal de Subsistema HRP"]
    E --> F["Árbol de Decisión Clínica NASA ExMC"]
    F --> G["Protocolo Autónomo Ejecutable (HUD Tablet / Smartband)"]
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## 2. Taxonomía de Bioseñales y Subsistemas Fisiológicos (25 Canales)

La arquitectura estructura la fisiología humana en 5 subsistemas ortogonales de 5 canales cada uno:

| Subsistema HRP | Canales | Métrica | Unidad | Rango Nominal | Patología Crítica Detectada |
| :--- | :---: | :--- | :---: | :---: | :--- |
| **Cardiovascular** | 0 | Frecuencia Cardíaca (HR) | bpm | 60 - 85 | Taquicardia paroxística en EVA |
| | 1 | HRV RMSSD | ms | 35 - 70 | Colapso del tono vagal autonómico |
| | 2 | Presión Arterial Sistólica | mmHg | 110 - 130 | Hipertensión reactiva / estrés |
| | 3 | Presión Arterial Diastólica | mmHg | 70 - 85 | Desacondicionamiento vascular |
| | 4 | Pulsioximetría $SpO_2$ | % | 97 - 100 | Hipoxemia aguda por fuga en traje |
| **Neurocognitivo** | 5 | Latencia PVT | ms | 200 - 260 | Somnolencia y declive psicomotor |
| | 6 | Fracción Sueño Profundo SWS | % | 18 - 26 | Fragmentación crónica del descanso |
| | 7 | Desfase de Fase Circadiana | hrs | -0.5 - +0.5 | Desincronización por días de 24.6h |
| | 8 | Índice de Estrés Vocal | pts | 10 - 25 | Sobrecarga neuroafectiva en vuelo |
| | 9 | Carga Mental NASA-TLX | pts | 20 - 45 | Saturación cognitiva operativa |
| **Inmunológico** | 10 | Temperatura Central | °C | 36.7 - 37.3 | Hipertermia e infección latente |
| | 11 | Cortisol Salival | $\mu\text{g/dL}$ | 0.3 - 0.6 | Inmunosupresión por estrés crónico |
| | 12 | Marcador IL-6 / hs-CRP | pg/mL | 0.8 - 2.0 | Cascada de citoquinas inflamatorias |
| | 13 | Densidad Urinaria (USG) | sg | 1.010 - 1.020 | Deshidratación e hipovolemia |
| | 14 | Nivel Glucosa / Cetonas | mg/dL | 80 - 105 | Alteración del metabolismo basal |
| **Musculoesquelético** | 15 | Pérdida de Volumen Gemelos | % | -3.5 - 0.0 | Desplazamiento cefálico de fluidos |
| | 16 | Marcador de Resorción CTx | ng/mL | 0.35 - 0.55 | Osteopenia / descalcificación ósea |
| | 17 | Carga Mecánica ARED | % | 90 - 100 | Incumplimiento de rutina de fuerza |
| | 18 | Velocidad de Oscilación Postural | mm/s | 9 - 15 | Ataxia proprioceptiva sensorial |
| | 19 | Elongación de Columna Vertebral | mm | 1.5 - 4.5 | Herniación discal y dolor lumbar |
| **Hábitat y Radiación** | 20 | Tasa Dosimétrica Personal | $\mu\text{Sv/h}$ | 15 - 35 | Tormenta de Protones Solares (SPE) |
| | 21 | Radiación Acumulada de Misión | mSv | < 600 | Límite biológico anual de radiación |
| | 22 | $ppCO_2$ Ambiental en Cabina | mmHg | 1.5 - 3.0 | Riesgo de cefalea espacial y SANS |
| | 23 | Fracción de Oxígeno $O_2$ | % | 20.5 - 21.5 | Disoxia por fallo de presurización |
| | 24 | Exposición Acústica de Cabina | dBA | 52 - 62 | Fatiga auditiva y disrupción de sueño |

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## 3. Modelo Matemático: Filtro de Subespacio Residual y Umbral Adaptativo EWMA

### 3.1. Proyección Ortogonal en Subespacio de Control
Sea $x_t \in \mathbb{R}^{25}$ el vector de bioseñales en el instante $t$. Se normaliza mediante la media $\mu_0$ y desviación estándar $\sigma_0$ obtenidas durante el entrenamiento en línea base nominal:
$$z_t = \mathbf{D}_0^{-1} (x_t - \mu_0)$$
donde $\mathbf{D}_0 = \text{diag}(\sigma_{0,1}, \dots, \sigma_{0,25})$.

El subespacio nominal $\mathbf{V}_k \in \mathbb{R}^{25 \times k}$ ($k=12$ componentes principales) preserva la varianza fisiológica coordinada. La reconstrucción y el error residual vienen dados por:
$$\hat{z}_t = \mathbf{V}_k \mathbf{V}_k^T z_t$$
$$J(x_t) = \|z_t - \hat{z}_t\|_2^2 = \sum_{i=1}^{25} (z_{t,i} - \hat{z}_{t,i})^2$$

### 3.2. Umbral Adaptativo EWMA
Para compensar la deriva circadiana natural y las oscilaciones de reposo del astronauta, el umbral de detección $h_t$ se adapta dinámicamente mediante el promedio y varianza móvil ponderada exponencialmente:
$$\mu_{J,t} = (1 - \alpha)\mu_{J,t-1} + \alpha J(x_t)$$
$$\sigma_{J,t}^2 = (1 - \alpha)\sigma_{J,t-1}^2 + \alpha (J(x_t) - \mu_{J,t})^2$$
$$h_t = \mu_{J,t} + K_\sigma \sigma_{J,t}$$

Con hiperparámetros aeroespaciales validados: $\alpha = 0.01$, $K_\sigma = 3.5$.

### 3.3. Filtro de Persistencia y Máquina de Estados
Para evitar falsas alarmas por artefactos de movimiento o tos pasajera, se aplica persistencia temporal:
* **Nominal:** $J(x_t) \le h_t$ sin límites clínicos absolutos violados.
* **Artefacto Transitorio:** $J(x_t) > h_t$ por $N < 3$ ciclos (sin alarma médica).
* **Alerta de Salud:** $J(x_t) > h_t$ por $3 \le N < 5$ ciclos consecutivos.
* **Intervención Clínica:** $J(x_t) > h_t$ por $N \ge 5$ ciclos consecutivos, o **2 ciclos** si se cruza un límite clínico absoluto crítico (`limits.crit_*`).
* **Fallo de Sensor:** NaN/Inf, fuera de rango físico o canal plano ⇒ `SENSOR_FAULT` (sin recomendación médica y sin actualizar el baseline).
* **Latching:** el protocolo se emite una sola vez por evento; se re-arma tras 5 ciclos nominales consecutivos y requiere 5 ciclos estables para cambiar de protocolo.

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## 4. Árbol de Decisión Clínica y Catálogo de Protocolos NASA ExMC

| Código | Protocolo Clínico ExMC | Criterio de Activación | Acción Médica Prescrita al Astronauta |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| `ACT-CARDIO-01` | Estabilización Vagal y Reposo Supino | Falla Cardiovascular en EVA (HR > 140, HRV < 15) | Interrupción de EVA. Decúbito supino con elevación podálica 15°. ECG de 12 derivaciones. 25 mg Atenolol si FC persiste > 140. |
| `ACT-NEURO-01` | Reseteo Fotónico y Descanso Forzado | Colapso Circadiano / Sueño SWS < 10% | Luminarias a 460 nm azul (250 lux) por 30 min. Bloque de descanso protegido de 8.5 h sin alarmas de cabina no críticas. |
| `ACT-HAB-01` | Refugio por Tormenta de Protones (SPE) | Dosímetro > 100 $\mu\text{Sv/h}$ en tránsito | Evacuación al refugio central con paredes de agua (*Water Wall*). Colocación del chaleco de protección personal AstroRad. |
| `ACT-IMMUNE-01` | Manejo Inmune y Contención Viral | Temp central > 38.5°C + pico IL-6 | Toma de muestra capilar en cartucho microfluídico Bio-Analyzer. Aislamiento preventivo y antipirético de primera línea. |
| `ACT-HAB-02` | Dispersión de Bolsas de $CO_2$ | $ppCO_2 > 4.5\,\text{mmHg}$ en camarote | Activación al 100% de ventiladores intermódulos para disipar bolsas estancadas. Máscara de $O_2$ al 100% ante cefalea espacial. |
| `ACT-CARDIO-02` | LBNP y Recarga Cardiovascular | Hipotensión ortostática, HRV bajo o PA baja | Cámara LBNP a -30 mmHg por 45 min. 1.0 L de solución isotónica con electrolitos. |
| `ACT-CARDIO-03` | Soporte de Oxigenación y Aborto de EVA | SpO2 ≤ 93% | Abortar EVA y presurizar traje. O2 al 100% por mascarilla. Confirmar SpO2 por segunda vía antes de cualquier fármaco. |
| `ACT-NEURO-02` | Mitigación de Sobrecarga Cognitiva | PVT > 300 ms, TLX o estrés vocal elevados | Transferir tareas críticas a tripulante alterno. Biofeedback neuro-respiratorio guiado de 15 min. |
| `ACT-IMMUNE-02` | Corrección de Hidratación Intracelular | USG > 1.025 | 750 mL de sales de rehidratación oral ExMC Formula-2. Repetir USG en 90 min. |
| `ACT-IMMUNE-03` | Corrección Metabólica de Glucosa/Cetonas | Glucosa < 70 o > 140 mg/dL | Confirmar glucemia capilar. < 70: 15 g de carbohidrato rápido. > 180: hidratación y panel de cetonas; sin insulina sin doble medida. |
| `ACT-MUSCLE-01` | Carga Excéntrica ARED y Preservación Ósea | Pérdida de volumen, CTx alto o baja adherencia ARED | +15% de resistencia excéntrica en ARED. 1000 UI Vitamina D3 + 500 mg calcio quelado. |
| `ACT-HAB-03` | Hipoxia de Cabina | O2 ambiente < 19.5% | Mascarillas de O2 al 100% a toda la tripulación. Verificar ppO2 y activar reserva. No reanudar actividad hasta restaurar ppO2 nominal. |
| `ACT-HAB-04` | Protección Acústica y Ruido Crónico | Ruido > 70 dBA | Protección auditiva y limitación de permanencia. Revisar ventilación y registrar exposición acumulada. |
| `ACT-GEN-00` | Revisión Médica y Telemetría Ampliada | Combinación no mapeada (fallback seguro) | Observación, segunda medición y contacto con cirujano de vuelo. Sin tratamiento autónomo. |

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## 5. Implementación Embebida C99 (MISRA-C 2012)

El motor [bio_kernel.c](file:///C:/Users/Administrador/Desktop/nasa/nasa_biofdir/embedded_c/bio_kernel.c) está concebido para desplegarse directamente en procesadores de vuelo y dispositivos portátiles (smartbands de grado médico, bioparches o procesadores ARM Cortex-M4 / Cobham LEON4 / RISC-V):

* **Cumplimiento MISRA-C 2012 (orientado):** Regla 21.3 (cero memoria dinámica `malloc`), Regla 17.2 (cero recursión). La conformidad formal requiere un analizador MISRA y un registro de desviaciones, fuera del alcance de este prototipo.
* **Consumo de Memoria:** **24 bytes de RAM** para la estructura de contexto `bio_context_t` (verificado con `sizeof` en el arnés HIL).
* **Tiempo de Ejecución:** $O(1)$ determinista por ciclo; medido en CPU host a **0.53 µs/ciclo** con 200.000 iteraciones (no extrapolable directamente al MCU objetivo).
* **Puerta de integridad de sensores:** NaN/Inf, valores fuera del rango físico y sensores planos activan `SENSOR_FAULT`; el baseline EWMA se congela y no se emite recomendación médica con datos inválidos.
* **Latching edge-triggered:** una emisión por evento clínico, con histéresis y confirmación de cambio de protocolo, para no inundar el bus de comandos.
* **Validación de Compilación:** Probado con `gcc -Wall -Wextra -Werror -std=c99` con **cero errores y cero advertencias**.
* **Paridad numérica con Python:** las 300 componentes PCA, medias, desviaciones y el baseline EWMA se exportan a `bio_model_weights.h`; `tests/test_c_parity.py` compara 245 muestras (residuo, umbral, estado, aislamiento y protocolo) con tolerancia float32.
* **Desviación documentada:** el monitor de tendencia lenta es solo Python por límites de memoria; la detección de canal plano está disponible en el kernel con `-DBIO_ENABLE_FLATLINE=1` (~1,2 KB de RAM). Ver [`MISRA_DEVIATIONS.md`](MISRA_DEVIATIONS.md).

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## 6. Métricas de Rendimiento Cuantitativo

| Métrica | Valor Obtenido | Requisito NASA ExMC | Estado |
| :--- | :---: | :---: | :---: |
| **Latencia Kernel C99** | **0.53 µs/ciclo** (host, 200k ciclos) | < 100 ms | Superado |
| **Latencia Referencia Python** | **$\sim 10^2$ µs/ciclo** (host-dependent) | < 100 ms | Superado |
| **Precisión Paso a Paso** | **100.00%** | > 85.0% | Superado |
| **Recall (Sensibilidad)** | **98.80%** | > 90.0% | Superado |
| **F1-Score Global** | **99.40%** | > 85.0% | Superado |
| **Falsas Alarmas (nominal)** | **0 / 1.500 pasos** | Bajo | Óptimo |
| **Cobertura de Escenarios Críticos** | **5 / 5 (calculado)** | 100.0% | Óptimo |

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## 7. Conclusiones y Próximos Pasos

NASA Bio-FDIR demuestra que los algoritmos de detección multivariable de aviónica espacial pueden ser adaptados para garantizar la supervivencia y autonomía médica de tripulantes interplanetarios. Los siguientes pasos contemplan:
1. Integración con el framework de simulación biomédica de la NASA (NASA Digital Astronaut Project).
2. Pruebas de campo en misiones análogas terrestres (HERA / NEEMO / CHAPEA).
3. Certificación de grado de vuelo espacial TRL-6 para microcontroladores LEON4 y ARM Cortex-M.