Blog

Este greu astăzi  de imaginat o lume modernă fără dispozitive portabile. Mobilitatea, compactitatea și performanța acestor dispozitive sunt caracteristici importante la care inginerii și oamenii de știință din întreaga lume lucrează continuu pentru a le îmbunătăți. Dispozitivele portabile, al căror scop este de a monitoriza starea de sănătate a utilizatorului, reprezintă unul dintre cele mai importante aspecte ale medicinei digitale. Dar, ca orice alt dispozitiv personal, acestea au nevoie de o infrastructură avansată pentru a transmite semnale de la dispozitiv la centrul de date. Problema este că nu peste tot există această infrastructură. Oamenii de știință de la Universitatea din Arizona (Tucson, SUA) au elaborat  un nou dispozitiv care poate transmite date la o distanță de până la 24 km., fără a avea acces la o infrastructură prin satelit. În ce constă acest dispozitiv, cum funcționează și cât de eficient este? 

Baza cercetărilor

Senzorii portabili pot extrage informații foarte precise din procesele fiziologice de bază și pot transmite aceste informații fără fir pentru agregare și cercetare. Dispozitivele concepute pentru aceste aplicații implementează, de obicei, comunicarea pe rază scurtă, Bluetooth Low Energy sau Wi-Fi ca metode de comunicare. Deși aceste protocoale de comunicare sunt fiabile și bine dezvoltate, utilizarea lor este limitată din cauza cerințelor inerente de infrastructură, cum ar fi o acoperire celulară adecvată, conectare la internet pentru interacțiunea cu aplicațiile și surse de alimentare de bază pentru o funcționare îndelungată. Se pare că, în locurile în care o astfel de infrastructură lipsește, dispozitivele de monitorizare portabile devin doar o bijuterie. Deși unele soluții au încercat să abordeze această problemă prin utilizarea comunicațiilor prin satelit, cerințele privind energia, echipamentele și costurile de implementare au împiedicat implementarea pe scară largă în zonele cu resurse limitate. Pentru a rezolva această problemă, au fost implementate protocoale de rețele de mare putere cu consum redus de energie (LPWAN, de la low-power wide area network), cum ar fi ultra-narrow band (UNB, de la ultra-narrow band), LoRa și SigFox.

Progresele recente în arhitectura dispozitivelor biosimbiotice portabile, combinate cu proliferarea electronicii complementare pentru a exploata transmisia pe distanțe lungi, oferă o cale promițătoare de realizare a acestei tehnologii.

Rezultatele studiului

Dispozitivul dat? utilizează o singură antenă la 915 MHz, ceea ce permite atât recoltarea de energie de la un emițător de putere de 915 MHz disponibil în comerț, cât și transmiterea pe distanțe lungi utilizând protocoale de comunicare LoRa. Utilizarea unei singure antene permite o amprentă mai mică a dispozitivului, o flexibilitate sporită și costuri de fabricație mai mici.

LoRa este un protocol de comunicare brevetat fiind un derivat al modulației de frecvență cu spectru extins, cu corecție directă a erorilor încorporate și care utilizează transmisia în bandă largă pentru a face față eventualelor schimbări de frecvență și zgomot. Unitatea de recepție LoRa poate decoda transmisiunile cu o putere mult sub nivelul minim de zgomot, oferind scheme de comunicare fiabile cu rază lungă de acțiune. Funcționând în banda ISM de frecvență mai joasă (915 MHz) din SUA, această schemă de comunicare reprezintă o alternativă interesantă la tehnologiile de comunicare tradiționale care funcționează în benzile ISM de frecvență mai înaltă (Wi-Fi și Bluetooth), care au distanțe de comunicare limitate și necesită o infrastructură extinsă. În plus, comunicarea bazată pe LoRa oferă posibilitatea de a extinde distanțele de comunicare la sute de kilometri prin utilizarea mai multor gateway-uri și prin implementarea rețelelor fără fir LoRa (LoRaWAN).

Dispozitivul se atașează la partea dorsală a antebrațului, permițând plasarea senzorului optic în apropierea părții palmare a încheieturii mâinii pentru a înregistra informații relevante din punct de vedere fiziologic.  Senzorul este încapsulat și are o masă termică și mecanică redusă (greutatea dispozitivului < 400 mg), ceea ce permite efectuarea de măsurători cu sensibilitate ridicată. Acest dispozitiv asigură, de asemenea, comunicarea digitală cu un senzor optic integrat pentru înregistrarea fotopletismografiei (PPG din fotopletismografie).

Senzorul utilizează un decupaj din plasă TPU și un material elastomeric laminat prevăzut cu colorant negru (5% din greutate) pentru a asigura un contact conform cu corpul și a proteja senzorul de zgomotul optic ambiental, reducând semnificativ artefactele de mișcare și permițând colectarea de date în timpul activității fizice.

Metodă nouă de citire a platformei biosimbiotice este demonstrată prin înregistrarea optică a proceselor fiziologice cu ajutorul unui cip PPG pentru a detecta ritmul cardiac al utilizatorului în regiunea palmei încheieturii mâinii. În acest caz, modificarea absorbției în infraroșu cauzată de schimbările de volum ale rețelei vasculare subiacente poate fi utilizată pentru a monitoriza ritmul cardiac. 

Pentru a demonstra capacitățile acestei platforme în practică, oamenii de știință au creat un dispozitiv biosimbiotic care să fie plasat pe partea dorsală a antebrațului. Distanța dintre subiect și receptor a fost de 15 mile (24 km). Subiectul a fost apoi rugat să meargă pe un traseu prestabilit, care consta într-un teren moderat muntos cu diferențe de altitudine (± 98 m). Dispozitivul a fost programat să transmită la aproximativ 5 MHz și a utilizat media ritmului cardiac pe 5 eșantioane, rezultând un timp de calcul de 9,2 secunde. Temperatura a fost, de asemenea, înregistrată la 5 MHz.

Cercetătorii menționează că dispozitivul lor a fost conceput pentru a fi utilizat într-o zonă "rurală", adică într-un spațiu deschis. Cu toate acestea, este capabil să transmită date până la 0,5 mile fără linie de vedere într-o zonă dens populată, cu clădiri înalte în jurul utilizatorului. Pentru a demonstra capacitățile de performanță pe termen lung într-un mediu urban, a fost efectuat un experiment de 7 zile. 

În timpul acestui experiment, dispozitivul a funcționat continuu la 5 MHz și s-a reîncărcat atunci când utilizatorul se afla în apropierea unui emițător de energie situat în zone cu trafic intens, cum ar fi noptieră și biroul. Tensiunea bateriei a fost monitorizată la intervale regulate de 8 ore, zonele umbrite în verde indicând apropierea de emițătorul de energie. Datele privind ritmul cardiac și temperatura pielii (umbrite în roșu) au fost colectate în mod continuu. În timpul perioadelor de activitate moderată, cum ar fi mersul pe jos, s-a observat, de asemenea, o creștere mai puțin pronunțată a ritmului cardiac. Dispozitivul a demonstrat o performanță fiabilă în mai multe scenarii diferite în medii urbane, asigurând colectarea și transmiterea continuă de biosemnale cu o precizie ridicată, indiferent de activitate.

Oamenii de știință au descris această invenție ca un dispozitiv portabil destinat colectării și transmiterii de biosemnale a utilizatorului. Astfel de dispozitive deja există, dar acestea descrise se disting de concurenții săi prin capacitatea de a funcționa în absența infrastructurii de comunicare necesară. Realizarea lor este capabilă să transmită date de la utilizator la o distanță de până la 24 km. Secretul succesului acestui dispozitiv constă în utilizarea LPWAN (low power wide area network, adică rețea cu rază lungă de acțiune eficientă din punct de vedere energetic), care asigură o distanță de 2400 de ori mai mare decât cea a Wi-Fi și de 533 de ori mai mare decât cea a Bluetooth. Noul sistem utilizează LoRa, o tehnologie LPWAN brevetată. În același timp cu punerea în aplicare a acestui protocol, cercetătorii au dezvoltat un circuit și o antenă care ar putea fi încorporate într-un dispozitiv portabil moale. O altă caracteristică a dispozitivului este și posibilitatea de reîncărcare fără contact la o distanță mai mare de 2 metri de bază.

În viitor, oamenii de știință intenționează să continue să lucreze la dispozitiv, și anume să încerce să mărească raza de comunicare prin introducerea unor gateway-uri wireless LoRa care pot deservi sute de kilometri pătrați și sute de utilizatori de dispozitive folosind doar un număr mic de puncte de conectare. 

Sursa: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2307952120