استخدام أجهزة معالجة دقيقة في الأجهزة الصحية المستضعفة التالية

معجلات مخصَّصة من طراز AI و ML

وتكثيف الطاقة في نماذج التعلم الآلي التي تستخدم لأغراض عامة، إذ تدمج أجهزة التجهيز الجزئي التابعة للجيل التالي وحدات التجهيز العصبي أو أجهزة تعجيل العرف لعمليات الفرز، على سبيل المثال، تستخدم أجهزة تكييف ذات تأثيرات منخفضة على شبكة العجلات الكهربائية، التي يمكن أن تؤدي إلى التعرف على الوجه.

دمج المهام المتعددة في نظام وحيد

وتسمح تكنولوجيات التعبئة بواسطة النظام الداخلي (SiP) والنموذج المتعدد الشيكات (MCM) للمعالجات الدقيقة بدمج حركة RAM، والذاكرة الوميضية، والوصلات الاصطناعية اللاسلكية، وإدارة الطاقة في مجموعة واحدة، مما يقلل من البصمات، وتصميم المبسّط، ويحسن الموثوقية، وعلى سبيل المثال، فإن رقائق التصفيق التي تستخدم في نظام مراقبة التجميل، تدمج بين محركات المدمج، ومحركات المدمج،

تعزيز المعالم الأمنية

والبيانات الصحية حساسة للغاية، وتشمل أجهزة معالجة دقيقة حديثة الارتداء وحدات أمن المعدات التي توفر تخزيناً رئيسياً آمناً، وتسريعاً في البذور، وتؤمن الأحذية، وتمنع هذه السمات الحصول غير المأذون به على المعلومات الصحية الشخصية، وتضمن عدم وجود سوى برامج حماية مضمونة على الجهاز، كما أن الجيوب الآمنة، كما هو مشاهد في مسلسل آبل وغيره من البرامج، تعزل البيانات الصحية من نظام التشغيل الرئيسي.

الأثر على القدرات المحددة لرصد الصحة

وتترجم أوجه التقدم في تكنولوجيا التجهيزات الدقيقة مباشرة إلى تحسينات في دقة ونطاق خصائص الرصد الصحي.

Electrocardiography (ECG) and Arrhythmia Detection

وقد أصبح فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي ذو الرأس الواحدة سمة قياسية في المواخير الذكية، إذ يجب على المجهزات الدقيقة أن تلتقط إشارة من طراز ECG عند درجة حرارة 256-512 Hz، وأن تطبق أجهزة مرشحة رقمية لإزالة الضوضاء وخط الأساس، وأن تكتشف مجمعات أجهزة الفرز الترددي، وأن يقوم المعالج بتحليل عدم انتظام فترات إعادة الإمداد على مدى فترة زمنية.

اضطرابات الأوكسيدين الدموية (SpO2) والمعدل التنفسي

ويستخدم جهاز قياس النبض الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء لقياس التشبع بالأوكسجين، ويتحكم في توقيت التلقيح المضغوط، ويقرأ إشارات الاستديو، ويحسب نسبة الامتصاصات عند الخطين الموجيين، كما يعزل عنصر التركيز المميت للإشارة (المتصلة بالدم الشرياني الجري) عن عنصر التصويب في العاصمة.

رصد الغلوكوز المستمر - الجبهة القادمة

أما الذخائر غير الغازية أو التي لا تُغشّر إلا في منطقة متسارعة النمو، إذ يجب أن تتناول المجهزات الدقيقة في هذه المواد السائلة قراءات الاستشعار المتكررة (أي 1-5 دقيقة)، وأن تُحدّد مع غلوبوز الدم المرجعية، وأن تقيّم أسهام الاتجاهات، وتشمل المعالجة مقاييس متطورة للتعويضات العائمة، والرفض الصنعي، وحساب حجم الغلوكوس 14 أكثر كفاءة.

محلل النوم والتعافي

ويتطلب تتبع النوم الشامل أن يقوم المجهزون بالميكروسور باستمرار بتجهيز بيانات التسارع ومعدلات القلب طوال الليل، ويجب أن يفرقوا بين المراحل التي تلت ذلك، والنوم الخفيف، والنوم العميق، ومراحل التصوير المبسّط الحيوي استنادا إلى التوقيعات البيولوجية، وهذا يتطلب كميات كبيرة من الذاكرة عند الشق لتخزين البيانات الخام بكفاءة، والقدرة على تشغيل نماذج تصنف مراحل النوم في الوقت الحقيقي أو في وقت قريب من الواقع.

تحديات التصميم في تطوير الأجهزة الصغرى القابلة للزراعة

وعلى الرغم من التقدم الكبير، يواجه المهندسون عدة عقبات عند إدماج المجهزات الدقيقة في الأجهزة الصحية التي يمكن أن ترتدى في الجيل التالي.

الإدارة الحرارية

وحتى أجهزة تجهيزات صغيرة منخفضة الطاقة تولد حرارة أثناء التجهيز المكثف، مثل تشغيل مدخل للتعلم الآلي لتحليلات الغاز المائي، ويجب أن يحافظ الجلد القريب من الجلد على ارتفاع درجة الحرارة داخل الحدود الآمنة (أقل من 5 درجات مئوية فوق المحيط) على أن يستخدم المصممون تقنيات مثل الانتشار الحراري، والوعات الحرارية النحاسية المتجسدة في التخدير، ونموذج البرمجيات لإدارة الحرارة.

Battery Size vs. Performance Trade-off

فالبطارية الصغيرة تعني طاقة أقل متاحة للمعالجات الدقيقة لتشغيل الخوارزميات المعقدة، مما يدفع مهندسي البرمجيات والمعدات إلى تحقيق أقصى حد ممكن، وعلى سبيل المثال، فإن استخدام الخرطي الثابت بدلا من نقطة العائمة، والحد من الدقة في الخوارزمية، وقراءات الاستشعار التي تستخدم في تحديد مسار الرسوم يمكن أن تؤدي إلى توسيع نطاق الحياة البطارية بتكلفة مستمرة.

تعقيدات الحساسية والمعايرة

فجمع البيانات من أجهزة الاستشعار المختلفة (مثلاً، مقياس التراكم، درجة الحرارة) لاستخلاص قياس واحد مثل ضغط الدم هو معقد من الناحية الرياضية، ويجب أن تتعامل أجهزة التجهيز الجزئي مع تزامن الوقت، والانجراف المستشعر، واختلاف معدلات أخذ العينات، وكثيراً ما تحتاج الخوارزميات المعايرة إلى أن تكون شخصية لكل مستخدم، مما يزيد من قدرة المعالجين على التكيف مع الذات.

برامجيات وتصويبات أفقية

إن البرمجيات الصلبة جزء من المعادلة، ويجب أن تكون البرمجيات الجاهزة على المعالجات الدقيقة على المستوى الأمثل من الكفاءة، ويتعين على المطورين أن يكتبوا رمزا يستخدم الحد الأدنى من الذاكرة، ويتجنب دورات البرمجيات غير الضرورية، ويعزز المعجلات التي تستخدمها الأجهزة، وكثيرا ما ينطوي ذلك على تحقيق المستوى الأمثل من التجمعات الحرجة، والفهم العميق لهيكل الرقائق، حيث تصبح البرمجيات أكثر ثراء.

الاتجاهات المستقبلية: أجهزة تجهيز صغيرة في الغد(ب)(ب)

إن مسار تنمية المجهزات الصغرى يشير إلى زيادة التكامل مع الجسم البشري والبيئة.

Edge AI and Federated Learning

وسيؤدي السائل المزود بالمنتجات في المستقبل إلى زيادة عدد نماذج الاستخبارات الاصطناعية المتطورة مباشرة على الجهاز، وبدلا من تحميل بيانات الصحة الأولية على السحابة، ستدرب المعالجات الدقيقة نماذج شخصية محليا، وهذا النهج، المعروف بالتعلم الاتحادي، يعزز الخصوصية ويقلل من نطاق الترددات. وسيحتاج المعالجون البالغ الصغر إلى دعم التدريب على التوليد، الذي هو أكثر طلبا من النماذج المرجعية.

أجهزة مجهرية مرنة ومستقطعة

إن رقائق السيليكون الجامدة التقليدية ليست مثالية بالنسبة لأجهزة التكتل الجلدي، فالبحوث الناشئة تركز على المعالجات الدقيقة المرنة التي يمكن أن تنحني وتمتد مع الجسم، فتقنيات مثل استخدام الموصلات العضوية شبه الموصلات، أو أجهزة تحويل القذارة، أو تزيين السيليكون في مواضع فرعية مرنة يمكن أن تؤدي إلى تركيبات صحية قابلة للتطابق حقا.

النظم الهيدروجينية الحيوية وتعبئة الطاقة

فجمع المجهزات الدقيقة مع المكونات البيولوجية يفتح إمكانيات للأجهزة الصنعية أو المتحولة، مثلا، يمكن للمعالجات الدقيقة القابلة للتحلل الأحيائي أن ترصد جرحاً للتعافي ثم تحلل، وتلغي الحاجة إلى إزالة جراحية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للملابس المستقبلية أن تجني الطاقة من حرارة الجسم أو الحركة أو ردود الفعل الكيميائية الحيوية، مما يتيح للأجهزة أن تعمل إلى أجل غير مسمى دون بطاريات.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

ولتمكين تبادل البيانات الصحية غير المستقرة، سيتعين على منابر تجهيزات دقيقة الامتثال للمعايير الناشئة فيما يتعلق بالوصل بالأجهزة الطبية والأشكال للبيانات، مثل IEEE 11073 وHL7 FHIR، ويمكن أن تدمج الجيل التالي من هذه البرامج معدات مخصصة لمعالجة هذه البروتوكولات، مما يسهل على المطورين بناء أجهزة قابلة للتشغيل المتبادل، وسيتطلب ذلك أيضا هياكل أمنية قوية لتلبية المتطلبات التنظيمية من هيئة تنمية الأغذية وغيرها من الوكالات الصحية.

خاتمة

إن المعالجات الدقيقة هي العوامل الهاشمة للثورة الصحية القابلة للزراعة، وما بدأ بشحنات المقاييس البسيطة قد تطور إلى أجهزة متطورة وفعالة من حيث الطاقة قادرة على تشغيل الخوارزميات المعقدة، وتبخير مسارات متعددة للاستشعارات، وإدارة الاتصالات اللاسلكية المأمونة، والدفع المتردي نحو مسارات أصغر، ومسارات متكاملة للكهرباء، وإدارة متقدمة للطاقة، لم تكن سوى موضع اهتمام.