Блог

Сегодня трудно представить современный мир без носимых устройств. Мобильность, компактность и производительность этих устройств - важные характеристики, над улучшением которых постоянно работают инженеры и ученые по всему миру. Носимые устройства, предназначенные для мониторинга состояния здоровья пользователя, являются одним из важнейших аспектов цифровой медицины. Но, как и любому другому персональному устройству, им необходима развитая инфраструктура для передачи сигналов от устройства в центр обработки данных. Проблема в том, что такая инфраструктура существует далеко не везде. Ученые из Университета Аризоны (Тусон, США) разработали новое устройство, которое может передавать данные на расстояние до 24 км без доступа к спутниковой инфраструктуре. Что это за устройство, как оно работает и насколько эффективно?

Исследовательская база

Носимые датчики могут извлекать высокоточную информацию из основных физиологических процессов и передавать ее по беспроводной связи для обобщения и исследования. Устройства, предназначенные для этих целей, обычно используют в качестве методов связи протоколы ближнего радиуса действия, Bluetooth Low Energy или Wi-Fi. Хотя эти протоколы связи надежны и хорошо разработаны, их использование ограничено из-за присущих им требований к инфраструктуре, таких как адекватное покрытие сотовой связи, подключение к Интернету для взаимодействия с приложениями и основные источники питания для длительной работы. Похоже, что в местах, где такая инфраструктура отсутствует, портативные устройства мониторинга становятся просто украшением. Хотя некоторые решения пытаются решить эту проблему с помощью спутниковой связи, требования к питанию, стоимость оборудования и развертывания не позволяют широко развернуть их в районах с ограниченными ресурсами. Для решения этой проблемы были разработаны протоколы маломощных глобальных сетей (LPWAN), такие как ультраузкополосные (UNB), LoRa и SigFox.

Последние достижения в области архитектуры носимых биосимбиотических устройств в сочетании с распространением дополнительной электроники для передачи данных на большие расстояния открывают перспективный путь к реализации этой технологии.

Результаты исследования

В данном устройстве используется одна антенна на частоте 915 МГц, что позволяет как собирать энергию от коммерчески доступного передатчика на частоте 915 МГц, так и передавать ее на большие расстояния с использованием протоколов связи LoRa. Использование одной антенны позволяет уменьшить площадь устройства, повысить гибкость и снизить стоимость производства.

LoRa - это запатентованный протокол связи, являющийся производной от частотной модуляции в спектре, со встроенной прямой коррекцией ошибок и использующий широкополосную передачу, чтобы справиться с возможными изменениями частоты и шумами. Приемное устройство LoRa может декодировать передачи с мощностью намного ниже минимального уровня шума, обеспечивая надежные схемы связи на большие расстояния. Работающая в нижнем диапазоне частот ISM (915 МГц) в США, эта схема связи является привлекательной альтернативой традиционным технологиям связи, работающим в более высокочастотных диапазонах ISM (Wi-Fi и Bluetooth), которые имеют ограниченные расстояния связи и требуют обширной инфраструктуры. Кроме того, связь на основе LoRa дает возможность увеличить расстояние связи до сотен километров за счет использования нескольких шлюзов и реализации беспроводных сетей LoRa (LoRaWAN). 

Устройство крепится к дорсальной стороне предплечья, позволяя разместить оптический датчик вблизи ладони для регистрации физиологически значимой информации.  Датчик заключен в капсулу и имеет низкую тепловую и механическую массу (вес устройства < 400 мг), что позволяет проводить измерения с высокой чувствительностью. Это устройство также обеспечивает цифровую связь со встроенным оптическим датчиком для регистрации фотоплетизмографии (PPG от photoplethysmography).

В датчике используется сетчатый вырез из TPU и многослойный эластомерный материал, покрытый черным красителем (5% по весу) для обеспечения конформного контакта с телом и защиты датчика от окружающих оптических шумов, что значительно снижает артефакты движения и позволяет собирать данные во время физической активности.

Новый метод считывания данных с биосимбиотической платформы демонстрируется на примере оптической регистрации физиологических процессов с помощью чипа PPG для определения частоты сердечных сокращений пользователя в области ладони на запястье. В этом случае изменение инфракрасного поглощения, вызванное объемными изменениями в лежащей в основе сосудистой сети, может быть использовано для мониторинга частоты сердечных сокращений.

Чтобы продемонстрировать возможности этой платформы на практике, ученые создали биосимбиотическое устройство, размещаемое на тыльной стороне предплечья. Расстояние между испытуемым и приемником составляло 15 миль (24 км). Затем испытуемого попросили пройти по заранее определенному маршруту, который состоял из умеренной гористой местности с перепадами высот (± 98 м). Устройство было запрограммировано на передачу данных на частоте около 5 МГц и использовало среднее значение частоты сердечных сокращений за 5 проб, в результате чего время расчета составило 9,2 секунды. Температура также регистрировалась на частоте 5 МГц.

Исследователи отмечают, что их устройство было разработано для использования в "сельской" местности, то есть на открытом пространстве. Однако оно способно передавать данные на расстояние до 0,5 мили без прямой видимости в густонаселенном районе с высокими зданиями вокруг пользователя. Чтобы продемонстрировать возможности долгосрочной работы в городских условиях, был проведен 7-дневный эксперимент.

Во время эксперимента устройство постоянно работало на частоте 5 МГц и подзаряжалось, когда пользователь находился рядом с излучателем энергии, расположенным в местах с высокой проходимостью, таких как прикроватная тумбочка и офис. Напряжение батареи контролировалось с регулярными 8-часовыми интервалами, а зеленые заштрихованные области указывали на близость к излучателю энергии. Данные о частоте пульса и температуре кожи (заштрихованы красным) собирались непрерывно. В периоды умеренной активности, например при ходьбе, наблюдалось менее выраженное увеличение частоты сердечных сокращений. Устройство продемонстрировало надежную работу в нескольких различных сценариях в городской среде, обеспечивая непрерывный сбор и передачу биосигналов с высокой точностью независимо от активности.

Ученые описывают данное изобретение как носимое устройство, предназначенное для сбора и передачи биосигналов пользователя. Подобные устройства уже существуют, но описываемые отличаются от своих конкурентов способностью работать в отсутствие необходимой коммуникационной инфраструктуры. Их реализация способна передавать данные пользователя на расстояние до 24 км. Секрет успеха этого устройства заключается в использовании технологии LPWAN (low power wide area network), которая обеспечивает дальность действия в 2400 раз больше, чем Wi-Fi, и в 533 раза больше, чем Bluetooth. В новой системе используется LoRa, запатентованная технология LPWAN. Одновременно с реализацией этого протокола исследователи разработали схему и антенну, которые можно встроить в мягкое носимое устройство. Еще одна особенность устройства - возможность бесконтактной подзарядки на расстоянии более 2 метров от базы.

В будущем ученые планируют продолжить работу над устройством, а именно попытаться увеличить дальность связи, внедрив беспроводные шлюзы LoRa, которые смогут обслуживать сотни квадратных километров и сотни пользователей устройств, используя лишь небольшое количество точек подключения.

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