Pe lângă utilizarea sa în domenii precum logistică, industrie și produse de consum, există un interes tot mai mare pentru utilizarea IoT în aplicații medicale și de sănătate. Aceasta este cunoscută sub numele de Internetul Lucrurilor Medicale sau IoMT. Se preconizează că piața IoMT va cunoaște o dezvoltare semnificativă în viitor, crescând de la 113 miliarde USD în 2021 la 341,17 miliarde USD până în 2028. [1]
IoMT presupune colectarea și analizarea datelor de la lucruri conectate la internet, cum ar fi dispozitive, echipamente și instalații și utilizarea acestora pentru a obține noi informații despre starea pacienților. Aplicațiile IoMT posibile includ gestionarea directă a afecțiunilor pacienților prin măsurarea unor factori precum nivelul de activitate, tensiunea arterială și somnul. Pe lângă îmbunătățirea directă a vieții acestora, utilizarea IoMT poate ajuta medicii și spitalele să lucreze mai eficient și să obțină rezultate mai bune pentru pacienți. Se preconizează că IoMT va contribui la prelungirea speranței de viață sănătoasă, la reducerea deficitului de forță de muncă în domeniul medical și la îmbunătățirea calității îngrijirii medicale și a asistenței medicale.
Dispozitiv IoMT și configurația sistemului
Figura 1: Servicii IoMT formate din trei straturi. (Sursa imaginii: Anritsu Corporation)
Un serviciu IoMT este alcătuit din hardware, aplicații și rețele, după cum se arată în figura 1.
Principalele componente pot include:
- Stratul de senzori:
- Dispozitive IoMT, cum ar fi senzori portabili cu conectivitate la rețea
- Stratul pentru comunicații:
- Gateway-uri precum dispozitive mobile și routere LAN wireless (IEEE 802.11x/Wi-Fi®)
- Cloud de agregare a datelor
- Rețele (rețea publică sau internet) de conectare între gateway și cloud
- Stratul de aplicații:
- Aplicații (implementate în cloud sau pe dispozitive mobile) care furnizează servicii precum vizualizarea datelor senzoriale
Telefoanele mobile reprezintă o platformă excelentă pentru serviciile IoMT, în principal pentru că foarte mulți oameni dispun de acestea. Și dispozitivele mobile sunt ușor de conectat la IoMT, de exemplu, ceasurile inteligente, utilizând Wi-Fi și Bluetooth®, acestea putându-se conecta, totodată, la cloud prin intermediul rețelelor publice 4G (LTE) sau 5G. Datorită abilității lor de a rula aplicații, telefoanele mobile pot suporta diverse funcții.
Colectarea datelor
De la dispozitivul IoMT, datele detectate sunt trimise către terminale mobile sau gateway-uri prin Wi-Fi sau Bluetooth. Unele dispozitive IoMT au cartele SIM încorporate și se pot conecta direct la rețelele publice. Datele achiziționate, cum ar fi rata respiratorie, temperatura corpului, pulsul și tensiunea arterială, sunt informații de bază denumite semne vitale, printre acestea fiind inclusă, uneori, saturația de oxigen din sânge (SpO2).
Unul dintre avantajele majore ale detecției datelor biometrice de către dispozitivele medicale constă în faptul că este minim invazivă, nefiind necesară prelevarea de sânge sau introducerea unor implanturi în corp. O tehnologie de bază este fotopletismografia (PPG), care detectează optic modificările în volumul vaselor de sânge. Un LED de pe spatele ceasului inteligent emite lumină (în principal verde) la nivelul vaselor de sânge de la încheietura mâinii, lumina reflectată fiind primită de un fotodetector. Ceasul inteligent procesează semnalul pentru a extrage fluctuațiile regulate din diversele componente de zgomot pentru a obține frecvența cardiacă. Atunci când LED-urile verzi și roșii sunt utilizate împreună, saturația transcutanată de oxigen din sângele arterial (SpO2) poate fi estimată pe baza gradului de fixare a hemoglobinei.
Rata respiratorie poate fi estimată din puls, utilizând aritmia sinusală respiratorie a organismului, în care rata pulsului crește ușor în timpul inspirației și scade ușor în timpul expirației. Tensiunea arterială este estimată din fluxul sanguin pe baza pulsului. În plus, starea de somn este determinată de mișcările corpului detectate de accelerometrul ceasului inteligent.
Provocări legate de utilizarea dispozitivelor IoMT
Aplicațiile IoMT de succes prezintă numeroase provocări, legate, în principal, de servicii, hardware și comunicații.
Din punct de vedere al serviciilor, acuratețea măsurării datelor fizice achiziționate și asigurarea securității datelor personale agregate în cloud reprezintă considerente majore. Alte provocări sunt conformitatea cu legile și reglementările naționale și regionale privind radiocomunicațiile și obținerea certificării.
Dispozitivele IoMT se pot conecta prin wireless la telefoanele mobile și la gateway-urile IoT, iar menținerea conexiunii este esențială pentru ca acestea să colecteze date medicale exacte. Dispozitive precum ceasurile inteligente și pantofii inteligenți utilizează Bluetooth atât pentru împerecherea ușoară cu telefoanele mobile și alte dispozitive, dar și pentru consumul redus de putere – mai mult, în banda de frecvențe de 2,4 GHz, Bluetooth este o stație radio de putere redusă, care nu necesită licență. Wi-Fi (IEEE 802.11x) este implementat pentru dispozitivele IoMT aflate în locații staționare (acestea putând fi cântare inteligente, paturi inteligente, camere de supraveghere), dar și pentru senzorii care permit detectarea momentelor în care pacientul merge la culcare sau se trezește.
În ceea ce privește hardware-ul, una dintre principalele provocări pentru dispozitivele IoMT este reducerea dimensiunii. De exemplu, un ceas inteligent, care are dimensiuni similare unui ceas de mână standard, trebuie să includă o baterie, circuit de încărcare, microcontroler, funcție de comunicație, display și alte componente, precum și diverși senzori. Puterea limitată a bateriei impune, de asemenea, utilizarea unui model care are un consum redus de energie.
Alte componente importante includ un front-end analogic (circuit de condiționare a semnalelor) pentru a amplifica semnalele electrice slabe emise de fotodetectoare și accelerometre, precum și un proces de filtrare pentru a separa componentele de zgomot de informațiile necesare.
Testarea zgomotului de înaltă frecvență și conformitatea cu standardele echipamentelor radio
Comercializarea dispozitivelor IoMT necesită conformitatea cu diverse standarde de testare pentru zgomotul de înaltă frecvență. Un test de emisie este utilizat pentru a verifica dacă zgomotul câmpului electromagnetic de înaltă frecvență emis de dispozitivul IoMT nu afectează alte echipamente, împreună cu un test de imunitate (perturbare) pentru a verifica dacă dispozitivul IoMT nu este el însuși afectat de un astfel de zgomot. Zgomotul câmpului electromagnetic emis de circuitul electronic poate perturba și distorsiona semnalele slabe ale senzorilor încorporați și poate cauza erori de comunicație Wi-Fi și Bluetooth.
Figura 2: Zgomotul electromagnetic din sistem poate interfera și afecta alte circuite. (Sursa imaginii: Anritsu Corporation)
O sursă tipică de zgomot electromagnetic în dispozitivele IoMT sunt sursele de alimentare cu comutație (convertoare DC/DC) care generează zgomot armonic. Ceasurile pentru microcomputere și memorie sunt, de asemenea, surse de zgomot.
Măsurile de contracarare a zgomotului includ separarea fizică a circuitelor electronice și a antenelor, adăugarea de filtre EMI, configurarea layout-urilor și a straturilor plăcilor și utilizarea unor materiale pentru ecranare electromagnetică.
Testele aplicabile dispozitivelor IoMT destinate consumatorilor sunt CISPR 32 clasa B, așa cum este definit de CISPR (International Special Committee on Radio Interference) pentru testarea emisiilor și CISPR 35 pentru testarea imunității. În plus, dispozitivele IoMT cu Wi-Fi și Bluetooth trebuie să respecte legislațiile naționale privind reglementarea utilizării frecvențelor radio.
Securitatea și datele personale
Măsurile de securitate cibernetică reprezintă o altă provocare. De exemplu, în martie 2023, Administrația federală americană pentru alimente și medicamente (FDA – Food and Drug Administration) a emis noi directive [2] pentru furnizorii de dispozitive medicale. În momentul dezvoltării de noi dispozitive medicale, directivele recomandă sau impun modele care iau în considerare securitatea cibernetică, crearea de liste de materiale software (SBOM – Software Bill of Materials) și evaluarea vulnerabilității. De asemenea, se preconizează furnizarea promptă de actualizări de securitate pe toată durata de viață a produsului, în timp ce produsele neconforme ar trebui să își piardă autorizația de comercializare.
O altă problemă este conformitatea cu legile privind protecția informațiilor cu caracter personal. Datele colectate de dispozitivele IoMT și analizate de aplicații cloud sau mobile care pot identifica persoane ar putea fi clasificate drept informații personale și ar necesita o protecție specială.
Perspective pentru IoMT
Tabelul 1: Exemple de dispozitive IoMT și date achiziționate.
Asistența medicală și medicina converg pe piața IoMT, unde se așteaptă o creștere viitoare considerabilă. Serviciile IoMT ar trebui să contribuie la prelungirea speranței de viață sănătoasă și la îmbunătățirea calității vieții, precum și la încurajarea oamenilor să lucreze cât mai mult timp posibil. Cu o populație mai sănătoasă și costuri reduse de securitate socială, povara financiară asupra populației plătitoare de taxe ar putea fi redusă semnificativ.
Telemedicina care utilizează IoMT este de așteptat să devină realitate în curând, oferind servicii medicale multor persoane, inclusiv celor din zone îndepărtate, iar dezvoltatorii vor trebui să producă dispozitive și servicii IoMT avansate pentru a răspunde acestor așteptări.
Autor:
Tomohide Yamazaki,
Asistent Manager,
Anritsu Corporation
Despre autor:
Dr. Yamazaki s-a alăturat companiei Anritsu în 2008. Are peste 10 ani de experiență ca inginer în domeniul echipamentelor de testare și măsurare pentru industria optică și fotonică. A lucrat în dezvoltarea de hardware și software de-a lungul carierei sale, iar în prezent este angajat în domeniul marketingului digital. Dr. Yamazaki a obținut diplomele B.E., M.E. și Dr.E. la Universitatea Hosei, Tokyo, Japonia. Din 2005 până în 2008, a fost cercetător în cadrul societății japoneze pentru promovarea științei.
Referințe:
[1] “Global Digital Health Market Forecast (2021–2028)”, Global Information, Inc.
[2] Cybersecurity in Medical Devices: Refuse to Accept Policy for Cyber Devices and Related Systems Under Section 524B of the FD&C Act.
https://www.anritsu.com/en-gb/test-measurement/solutions/5g-iot-solution
* Wi-Fi® este o marcă înregistrată a Wi-Fi Alliance®.
* Mărcile comerciale și logo-urile Bluetooth® sunt proprietatea Bluetooth SIG, Inc. Anritsu utilizează aceste mărci sub licență.
