Технологии постоянно совершенствуются и делают окружающий мир гораздо удобней для нас. Человечество сделало значительный прогресс от изобретения телевиденья, до систем автоматического управления, которые способны работать без участия людей. Однако этот прогресс не так усиленно развивается в области медицинских технологий.
Совмещение дешевых беспроводных передатчиков, малогабаритных датчиков и микропроцессоров с низким энергопотреблением позволило «выбросить» на рынок огромное количество фитнес-трекеров, смарт часов и прочих носимых устройств. Хотя большинство из этих веществ направлены на потребительский рынок, все большее количество производителей этих систем видит смысл применения данных технологий в медицинских целях.
Все большее количество носимых медицинских устройств, таких как кожные пластыри и измерители уровня сахара, смещают ориентирования медицинской помощи из больничных условий в домашние. Они позволяют удаленно отслеживать состояния здоровья, а также проводить диагностику и даже в некоторых случаях лечение с помощью технологий передачи данных Bluetooth и NFC. Данные приборы могут значительно повысить уровень профилактической медицины. Это особенно актуально для тех, кто страдает хроническими заболеваниями.
Носимые устройства для здравоохранения
Традиционное здравоохранение всегда делало уклон на стационарные больницы и поликлиники для лечения пациентов. Диагностика и назначение лечения всегда происходит в кабинете врача. Лекарственные средства и методы назначаются, однако врач не в состоянии контролировать процесс лечения или производить диагностирование пока пациент не придет к нему на прием.
Телемедицина способна полностью изменить эту динамику. Работая совместно с носимыми устройствами, приложениями смартфонов, а также используя беспроводные сети телемедицина способно во многом улучшить наблюдение врача за пациентом. Вместо того, чтоб ждать приема врача, пациент, используя носимые устройства для медицины, может сам следить за состоянием своего здоровья в динамике.
Носимые медицинские устройства могут кардинально изменить жизнь лиц с хроническими заболеваниями, например с сахарным диабетом. Смарт анализаторы сахара в крови, такие как Dexcom G5, могут размещаться на теле и связываться по беспроводной сети со смартфонами, обеспечивая тем самым непрерывный анализ уровня сахара в крови. Приложение может предупреждать пользователя с низким или высоким уровнем сахара в крови о его количестве в данный момент, а также может отправлять эти данные на смартфоны других людей (друзей, родственников, опекунов и так далее).
Quell – еще один пример носимых технологий, который изменяет жизнь людей с хроническими заболеваниями. Используя электрическую стимуляцию нерва для уменьшения боли, он отслеживает схемы активности и сна для лучшего управления стимуляцией нерва. Также он способен усиливать активную стимуляцию нерва для улучшения сна пациента.
Для пожилых людей данные устройства позволяют обеспечить большую независимость, обеспечив при этом безопасность. UnaliWear Kanega – яркий тому пример. Он включает в себя жизненно важные измерения с акселерометром и GPS слежением. Данный датчик способен отследить и передать сигнал в случае, если пожилой человек упал.
Помимо мониторинга и оповещения, носимые медицинские устройства также имеют потенциал для обеспечения автоматического или дистанционного лечения. OmniPod – пример носимых инсулиновых помп, которые на основании измеренного уровня глюкозы могут автоматически управлять уровнем дозировки. Более кардинальное решение — LifeVest Zoll. Это дефибриллятор для пациентов с повышенным риском сердечного приступа. Он контролирует сердечный ритм и в случае сердечного приступа выпускает токопроводящий гель из своих электродов и генерирует электрические импульсы для восстановления нормальной работы сердца.
Носимые вещи открывают новые возможности не только для тех, кому уже поставлен диагноз и назначено лечение, но также помогают в ранней диагностике и профилактике заболеваний. Вещи с фитнесс приложениями, которые способны измерять частоту сокращений сердечной мышцы или делать ЭКГ, помогают людям вести активный образ жизни и следить за здоровьем сердца, чтобы предотвратить диабет или сердечно-сосудистые заболевания.
Носимые медицинские устройства сильно различаются по форме и функциям, но их объединяет способность использовать беспроводные сети, что позволяет использовать эти приборы без особого дискомфорта. В то же время беспроводное подключение, особенно Bluetooth, позволяет подключаться к этим приборам путем использования смартфонов и анализировать их показания с помощью приложений для самодиагностики или же совместно с близкими людьми или опекунами.
Bluetooth с низким энергопотреблением для беспроводных медицинских приборов
Для носимых устройств Bluetooth Low Energy (BLE), несомненно, является самой важной беспроводной технологии сегодня. Мало того, что он энергоэффективен и легко реализуемый на встраиваемых системах, так и из-за широко распространённой совместимости технологии Bluetooth, с помощью которой можно легко подключиться к современному смартфону.
С технической точки зрения беспроводная технология Bluetooth состоит из двух отдельных суб-протоколов. Классический Bluetooth предназначен для подключения наушников, микрофонов, динамиков и других устройств, где есть необходимость в беспроводной передачи огромного количества данных. Bluetooth Low Energy, известный еще как Bluetooth Smart, использует ту же частоту (2,4 ГГц) что и Bluetooth Classic, но существенно отличается реализацией стека. Его протокол обмена оптимизирован для коротких, редких сообщений вместо потоков.
Устройства могут поддерживать классический вариант Bluetooth, Bluetooth с низким энергопотреблением или оба варианта сразу. Смартфоны, планшеты и ноутбуки могут поддерживать оба режимы, однако для улучшения питания носимых устройств лучше использовать BLE.
В отличии от других беспроводных протоколов, которым могут потребоваться специальные модули, BLE обеспечивает связь носимого устройства со смартфоном или планшетом пользователя, на котором установлено специальное программное обеспечение. После чего информация может распространяться также легко, но уже используя 3G или 4G связь телефона.
Возникновение ситуаций в больничных и домашних условий, где на Wi-Fi, Bluetooth и другие беспроводные устройства в диапазоне 2,4 ГГц могут влиять помехи, вызывает беспокойство. Однако BLE использует адаптивные скачкообразные перестройки частоты для выбора канала с наименьшим количеством помех, что позволяет ему работать в условиях наличия электрических шумов с Wi-Fi, Bluetooth или другими устройствами.
Мощность
Помимо повсеместной поддержки смартфонами, BLE также является чрезвычайно энергоэффективным протоколом. Пиковая потребляемая мощность при приеме и передаче значительно меньше, чем у классического Bluetooth. Передача и последовательность подключения оптимизированы для пульсирующего обмена сообщениями, что позволяет уменьшить количество потребляемой энергии. При отправке сообщений с помощью классического Bluetooth необходимо сто миллисекунд для соединения и еще сто миллисекунд для передачи данных. При использовании BLE весь этот процесс займет всего несколько миллисекунд.
Безопасность
При использовании беспроводных сетей всегда возникает вопрос безопасности. BLE использует 128-битное AES-CCM шифрование с момента выхода Bluetooth 4.2 (выпущен в декабре 2014 года), а также он использует эллиптические кривые Диффи-Хеллмана для генерации ключей защиты от пассивного перехвата информации.
Реализация
Благодаря большой популярности Bluetooth разработчики могут извлекать целый ряд преимуществ из интегрированных и дешевых Bluetooth модулей. Они имеют хорошо составленную документацию, бесплатные стеки протоколов BLE, а также простые в использовании инструменты разработки. Многие радиомодули Bluetooth, доступные на сегодняшний день, входят в SoC дизайн со встроенным микроконтроллером, который может помимо обработки сигналов датчиков еще и управлять логикой запуска приложения. Для большинства носимых медицинских устройств применение данного подхода приведет к созданию самого мелкого, дешевого и максимально энергоэффективного конечного продукта.
В качестве альтернативы, для устройств требующих большего количества вычислительных мощностей или памяти, модули BLE также могут быть сопряжены через унифицированный интерфейс хост-контроллера с помощью UART или USB. В этом случае модуль Bluetooth используется исключительно для радиосвязи, приложение и верхние слои стека Bluetooth работают на отдельном микроконтроллера. Это позволяет устройствам с большими объемами программного обеспечения или требованиями к обработке использовать отдельный, более мощный хост-процессор и вынести модуль Bluetooth чисто для BLE связи.
Последним преимуществом использования BLE в носимых медицинских устройствах является беспроводное обновление прошивки. Многие Bluetooth модули, присутствующие сегодня на рынке, например от Texas Instruments и Nordic Semiconductor, имеют такую возможность. Когда производитель выпускает обновление своего продукта, пользователь легко может обновить свое устройство через свой смартфон или планшет без использования USB кабелей и явного подключения к компьютеру.
NFC: технологии Tap-and-Go
BLE, который поддерживает смартфон, используется для передачи данных в диапазоне от 10 до 30 метров, что идеально подходит для использования внутри помещений. Также он обладает низким энергопотреблением, что дает ему бесспорные преимущества при использовании в носимых медицинских устройствах. Тем не менее, коммуникация ближнего поля (near-field communication (NFC)) является сильным соперником. С еще меньшим форм-фактором, низким потреблением энергии, а также tap-and-go функциональностью она обеспечивает дополнительную беспроводную технологию с непревзойденной простотой использования.
В отличие от Bluetooth, который позволяет пользователям перемещаться по комнате или какой-то другой площади во время подключения, NFC требует расстояние между устройствами не более 10 см, что практически равносильно соприкасанию для начала передачи данных. Это физическое ограничение NFC не дает ему возможности напрямую конкурировать с Bluetooth и позволяет использовать его только в качестве дополнительного беспроводного стандарта.
Непосредственная близость NFC соединения позволяет легко и быстро начинать транзакцию. Нет необходимости выбирать из списка устройств, вводить пароли для подключения, пользователю достаточно просто приблизить на необходимое расстояния и устройство автоматически запустит последовательность связи NFC. Интуитивный характер NFC является особенно привлекательным для пожилых людей, а также для больниц, где отпадает необходимость в дополнительном обучении персонала.
Максимальная скорость передачи данных для NFC является 424 кб/с, что гораздо медленнее, чем у BLE со скорость в 1 Мбит/с. Но NFC все равно может передавать данные довольно быстро. Два NFC устройства могут соединиться, передать данные и закрыть соединение только при сближении их на определенное расстояние пользователем. А вот при использовании Bluetooth этот процесс может занять несколько секунд, поскольку пользователь вручную выбирает необходимое устройство, подключается к нему и считывает показания датчиков.
Несмотря на то, что NFC встраивается во все большее количество смартфонов, он не имеет такой поддержки как BLE. Один из способов обойти данную проблему был принят Abbot’s Freestyle Libre для датчиков сахара в крови. Он заключался в том, что вместе с датчиком идет специальное считывающее устройство. Совместимость датчиков в клинических условиях не является большой проблемой, так как необходимые совместимые устройства могут быть выбраны сотрудниками клиники.
На самом деле, в клинических условиях, NFC может быть даже лучше подходит, чем BLE для многих применений, включающих простые чтения и транзакции датчиков, такие как измерение температуры или уровня сахара в крови, или передача медицинских данных. Из-за недолгих соединений, установленных NFC, она работает лучше, чем BLE, когда медицинские работники должны легко и быстро получить данные с нескольких устройств. Вместо того, чтобы каждый раз вручную устанавливать соединение через BLE, пользователю достаточно просто поднести его смартфон или планшет к каждому NFC для получения информации с него.
Кроме функций основного передатчика, NFC также хорошо работает как простой и надежный передатчик для других, более дальних и более высокочастотных беспроводных протоколов. Технология передачи NFC поддерживается в спецификации Bluetooth как внеполосной метод сопряжения, а также может использоваться для настройки Wi-Fi соединения. NFC передача особенно привлекательна в стационарных условиях и клинических условиях, где могут быть десятки активных устройств Bluetooth или Wi-Fi в диапазоне подключения и подключение к нужному порту имеет критическое значение.
Мощность
BLE является чрезвычайно энергоэффективным, но NFC сводит потребляемую мощность практически к нулю. Устройство NFC может быть активным с питанием от батареи или пассивным. Пассивные NFC устройства могут питаться исключительно за счет радиочастотного поля генерируемого активным NFC, подключенным к нему. Это значит, что максимально компактная конструкция, не использующая элементов питания (батареек), может использоваться неопределенный срок. Генерируемая мощность обычно составляет 4 мА при 3,3 В, что вполне достаточно для обработки простых показаний датчиков.
Маленькие габаритные размеры и возможность работать исключительно от радиочастотной энергии делает его практически идеальным для простых, компактных, гибких датчиков измерения, не требующих выполнения сложных объединений или запуска приложений.
Безопасность
При передаче данных необходима максимальная близость между устройствами, что делает чрезвычайно трудным перехват информации третьими лицами или создании атаки «человек посередине». Непосредственная близость при передаче данных позволяет быть уверенным, что произошло соединение именно с нужным устройством, а это упрощает сопряжение и аутентификацию. Тем не менее, для приложений передающих конфиденциальную информацию необходимо использовать эллиптическую кривую Диффи-Хеллмана и шифрование AES для обеспечения дополнительной безопасности.
Реализация
Спецификация NFC позволяет использовать три режима работы: peer-to-peer, read/write или card emulation. Read/write поддерживается более простыми приборами для чтения и записи с устройства NFC. Это поддерживается датчиками, применяемыми в носимых медицинских устройствах. Peer-To-Peer обеспечивает обмен данными между двумя устройствами NFC и используется для подключения хэндовер и передачи файлов. С помощью card emulation активное устройство NFC может имитировать бесконтактные смарт-карты. Этот режим позволяет смартфонам и активным NFC устройствам использоваться для авторизации приложений или осуществления платежей, поддерживая необходимый уровень безопасности.
Когда дело доходит до модулей NFC, разработчики имеют огромный набор возможностей, от тегов, которые могут хранить и передавать статические данные, к динамическим транспондерам, которые могут быть легко интегрированы с датчиками, мульти-радио модулями, пригодными для работы с устройствами, работающими от батареек.
Статические теги NFC для здравоохранения могут использоваться для хранения личных медицинских данных (карта больного) в носимых браслетах или брелках, что делает эти данные гораздо более быстро доступными для работников больницы или экстренных медицинских служб, в случае необходимости срочной проверки медицинских данных типа аллергической реакции или противопоказаний к медицинским препаратам.
При использовании пассивных устройств, динамические NFC транспондеры могут изготовляться очень малых размеров, что позволяет легко размещать их на коже, или даже имплантировать. NFC транспондеры, такие как TI RF430FRL152H, часто специально предназначенные именно для таких измерений, как правило, имеют интегрированный АЦП и интерфейс SPI / I2C с возможностью пассивного питания.
Для активных устройств NFC с источником питания в виде батарейки модули мульти-радио, такие как Nordic nRF51822, сочетают в себе простоту использования и безопасность с поддержкой ряда других протоколов. Модули BLE+NFC особенно хороши, так как они сочетают в себе диапазон передачи BLE и простоту использования NFC. Пользователи смартфонов с поддержкой NFC могут использовать этот тип соединения для получения информации с датчика или же использовать Bluetooth. Пользователи, чьи смартфоны не поддерживают NFC, такие как iPhones, могут подключаться к датчикам только по каналу BLE.
Медицинские интернет вещи
Проще говоря, носимых медицинские устройства, использующие Bluetooth с низким энергопотреблением и NFC трансформируют современного здравоохранения, улучшая жизнь пожилых людей, людей живущих с хроническими заболеваниями, а также лиц с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний или других болезней. Мониторинг решения уменьшают риск возникновение сердечно-сосудистых заболеваний и диабета, в то время как автоматизированные устройства для обработки данных способны улучшить качество жизни для людей с хронической болью или болезнью.
Медицинские интернет вещи, подключаясь через телефон или планшет, способны не только помочь пользователю лучше следить за своим здоровьем, но врачам в процессе диагностирования и лечения болезней, которым, к сожалению, подвержен каждый из нас.
