الأجهزة ذات الطاقة الضعيفة لرصد الصحة

العناصر الرئيسية والتحديات المتعلقة بالتكامل

وفي حين أن جمع الطاقة هو السمة الرئيسية، فإن القابلات ذاتية التشغيل تتطلب أيضاً أجهزة إلكترونية تعمل بالطاقة فوق طاقتها، وأجهزة إدارة الطاقة بكفاءة، وتعبئة مرنة ومتوافقة أحيائياً، ويجب أن تُعد هذه النظم الفرعية كوحدة متماسكة لضمان التشغيل الموثوق به في ظل ظروف العالم الحقيقي.

إدارة السلطة وتخزينها

وكثيرا ما تكون الطاقة المستخرجة متقطعة وغير كافية للقيام مباشرة بتشغيل أجهزة الاستشعار، والمتحكمات الدقيقة، والمرسلات اللاسلكية، وبالتالي، فإن وحدة إدارة الطاقة تقوم بتصحيح وتنظيم وتخزين الكهرباء المتولدة في بطارية صغيرة ذات طابع عازل، أو بطارية متينة، أو مجهزة بمحركات متفوقة، وتستعمل أجهزة التحكم في الطاقة الحديثة أكبر قدر ممكن من التتبع لنقطة توليد الطاقة.

Ultra — Low —Power Electronics

ولكي يظل النظام العام قابلاً للتطبيق، يجب أن يستهلك كل عنصر إلكتروني الحد الأدنى من الطاقة، فالدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق والمصممة لرصد الصحة تسحب الآن أقل من 1 ميكروو في حالة النوم، ولا تسحب سوى بضعة ميغاواط أثناء الاستشعار والنقل النشطين، فمثلاً يمكن أن تعمل أجهزة إرسال ذات قدرة عالية جداً على إحداث تغيير في اتجاه التركيزات الاقتصادية دون 500 ناي، ومتوسط أجهزة إرسال الطاقة المنخفضة (BLEmic)

التواؤم البيولوجي والتقلب الميكانيكي

ويجب أن تستخدم الأجهزة القابلة للارتطام التي تظل على اتصال بالجلد لفترات طويلة مواد لا تسبب التهيج أو ردود الفعل الحساسية. فالسليكونيات الطبية - الطب، والبوليوريثان، والهيدروغيلات شائعة، ولكن يجب عليها أيضاً أن تستوعب الضغوط الميكانيكية على الحياة اليومية، والتمدد، والغسيل.

التطبيقات السريرية عبر الرعاية الصحية

وتتجاوز المستلزمات ذاتية القدرة النماذج الأولية وتتجه إلى أماكن صحية حقيقية في العالم، إذ إن قدرتها على العمل باستمرار دون تغيير البطاريات تجعلها مثالية لرصد المرضى الذين يعانون من ظروف مزمنة، أو التعافي بعد الجراح، أو الذين يعيشون في مناطق نائية ذات قدرة محدودة على الوصول إلى الهياكل الأساسية للطاقة.

رصد القلب والأوعية الدموية

إن استمرار معدل القلب ورصد الغازات المهددة للكهرباء أمر أساسي لكشف الاضطرابات والأوبئة والعلامات المبكرة لفشل القلب، فالصلائح الصدرية ذات الطاقة الذاتية والرسغات توفر الآن رصداً مكثفاً لأسابيع، كما أن عدم وجود البطاريات يتيح رصداً أكثر رقاقة وأكثر راحة للمرضى الذين هم أكثر استعداداً للارتداء، ويجمع بعض النظم بين أجهزة التكليل وأجهزة التوليد التي تعمل على كشف الطاقة

رصد الغلوكوز المستمر للسكري

ويحتاج المرضى المصابين بمرض السكر إلى قراءات غلوكية متكررة لإدارة الأنسولين والغذاء، كما أن حركات الأشعة التقليدية تعتمد على البطاريات القابلة للتصريف التي يجب استبدالها كل ٧-١٤ يوما، مما يخلق نفايات وقلقا، كما أن أجهزة الاستشعار ذاتية القدرة، التي تستخدم في كثير من الأحيان أجهزة الكشف عن الحساسية أو غير الانزيمية، يمكن أن تدمج مع جهاز قياسي لتوليد الطاقة الحرارية.

التأهيل والعلاج البدني

وبالنسبة للمرضى الذين يتعافون من السكتة الدماغية أو الجراحة المشتركة أو الإصابات المسببة للضغوط، فإن رصد نطاق الحركة، والتماثل في الغايات، والتفعيل العضلي أمر بالغ الأهمية، كما أن وحدات القياس غير الذاتي ذات القدرة الذاتية، والمجسات التي تلحق بالأطراف، يمكن أن تنقل البيانات إلى لوحة غطاء للدوائر دون أن تتطلب حرقاً للركبتين يومياً.

الرعاية الصحية للمسنين وكشف الخسائر

وكثيرا ما يواجه كبار السن صعوبة في تذكر شحنات العصي، مما يجعل الأجهزة ذاتية القدرة قيمة خاصة، ويمكن أن تعمل الآن نظم الكشف الفاشلة التي تجمع بين أجهزة التسارع ومظاريف الجروسكوب إلى أجل غير مسمى باستخدام الطاقة من المشي أو ببساطة من حرارة الجسم، وعندما يكتشف حدوث انخفاض، يمكن للجهاز أن يرسل إنذارا إلى مرشد أو خدمة طوارئ، وقد تم باستمرار عرض النماذج الأولية لأجهزة الكشف عن الخريف المزودة بالطاقة الحرارية على مدى ستة أشهر.

اعتبارات إدارة البيانات والأمن

ويولد الرصد المستمر والخفيف من البطاريات كميات كبيرة من بيانات الصحة الشخصية التي يجب نقلها وتخزينها وتحليلها بأمان، ويستخدم معظم المصابيح ذاتية القدرة على استخدام السائل BLE أو الاتصال القريب من الميدان لنقل البيانات إلى جهاز هاتف ذكي أو بوابة، الذي يُرفعها إلى سجل صحي إلكتروني مهيمن، وكثيرا ما تُستهلك الطاقة التي تستهلكها أجهزة البث اللاسلكي ميزانية الطاقة بكفاءة،

ومن وجهة نظر أمنية، فإن الطابع المستمر للرصد الذاتي يثير شواغل تتعلق بالخصوصية، ويجب تنفيذ تشفير البيانات على مستويي الاستشعار والنقل، واستخدام الخوارزميات البكائية الخفيفة الوزن التي لا تستنفد الطاقة المحصولة، إضافة إلى أن الأطر التنظيمية مثل برنامج العمل المتعلق بالأخشاب المنبعثة في الولايات المتحدة والناتج المحلي الإجمالي في أوروبا تتطلب الكشف عن بيانات المرضى، وأن يحافظ المستعملون على السيطرة على كيفية تقاسم بياناتهم.

ويجري استكشاف نهج " Blockchain " ونُهج حاسوبية حافة من أجل تحقيق اللامركزية في تخزين البيانات الصحية ومنح المرضى زمام الأمور في مساراتهم الصحية، وفي حين أن هذه التكنولوجيات لا تزال غير مرئية، فإنها يمكن أن تقلل من خطر خروق البيانات المركزية مع ضمان بقاء القابلات للذوبان ذاتية القدرة على البقاء في مأمن ومراجعة الحسابات.

الاتجاهات المستقبلية: المواد، وأجهزة الإعلام، والاستدامة

ويتطور ميدان الارتداءات ذاتية الطاقة بسرعة، مدفوعاً بانتكاسات في علوم المواد، والاستخبارات الاصطناعية، والتصميم المستدام، ومن المرجح أن يكون الجيل القادم من الأجهزة أكثر كفاءة، وأن يتحلل بيولوجياً بالكامل، وأن يكون قادراً على تحليلات صحية في الوقت الحقيقي دون تدخل بشري.

المواد المتقدمة والمهاجرون الهجين

ويقوم الباحثون بتطوير محصول للطاقة الهجينة يجمع بين آليتين أو أكثر، على سبيل المثال، رقعة واحدة تلتقط حرارة الجسم )الكهرباء( وحركة الذراع )البطي(، ويمكن لهذه الهجينات أن توفر طاقة أكبر عشرة أضعاف من محصول واحد، مما يتيح تشغيل أجهزة استشعار أكثر طلبا مثل أجهزة التصوير الفلكي الضوئية لقياس الأكسجين.

الاستخبارات الفنية في إدج

إن إدخال أجهزة التعلّم الآلية مباشرة على الجهاز القابل للارتداء (المبادرة المتقدمة) يعد واعداً بشكل خاص بالنسبة للنظم ذات الطاقة الذاتية لأنها تقلل من الحاجة إلى استمرار النقل اللاسلكي، وإنقاذ الطاقة، ولا يمكن لمعجل الشبكة العصبية المنخفض أن يحلل الآن نماذج الطاقة المصغرة التي تُنتج عن التكتل، إلا أن يرسل إنذاراً عندما يُعثر على نمط متوافق مع هذا الاستهلاك من العيادات.

Biodegradable and Transient Electronics

ومع تزايد عدد الأجهزة القابلة للارتداء، تصبح النفايات الإلكترونية مصدر قلق، فالإنتاجات الإلكترونية القابلة للتطهير المادي التي تصمم لتحل بعد فترة محددة من الزمن، وإيجاد حل لتصورات الرصد الوحيدة أو القصيرة الأجل (مثلاً، التعافي بعد التشغيل)، وتستلزم إزالة الأحاسيس ذاتية القدرة على التحلل البيولوجي التي يتم إنتاجها من الحرير والزنزانة والزنكية جمع الطاقة من الحركات الجسمية، ومن ثم تدهور البيئة.

التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، تواجه القابلات للذوات ذاتية القدرة عدة عقبات قبل أن تصبح أجهزة طبية رئيسية، والأهم من ذلك هو الاكتفاء في الطاقة: فمعظم المحصولين لا يمكن أن يولد سوى مواه دقيقة، في حين أن وجود مادة طبية نموذجية قابلة للارتداء باستمرار القياس عن بعد لاسلكي يتطلب وجود مغذيات متعددة، وسيتطلب سد هذه الفجوة إما أن تكون أكثر كفاءة في جمع المواد، أو أن تكون أجهزة استنشاق ذات قدرة منخفضة، أو تخزينها إلكترونيا متداخلة.

وتضيف الموافقة التنظيمية طبقة أخرى من التعقيد، إذ أن إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة والهيئات المناظرة لها في مناطق أخرى تتطلب اختبارا صارما للسلامة والفعالية ودقة البيانات، إذ أن الأجهزة ذات الطاقة الذاتية التي تضاعف عدد المراقبين الطبيين يجب أن تستوفي نفس المعايير التي يستوفيها النظراء الذين يعملون بالبطارية، ومع ذلك فإن عناصرها الجديدة لجمع الطاقة تستخدم أساليب فشل إضافية (مثلا، اختبارات التقلب في إمدادات الطاقة).

وأخيراً، يؤدي قبول المستعملين دوراً حاسماً، إذ يجب على المرضى أن يثقوا في أن جهازاً لا يحتاج إلى رسوم يمكن الاعتماد عليه وأن بياناتهم الصحية آمنة، ويحتاج مقدمو الرعاية الصحية إلى أدلة واضحة على أن الرصد المزود بالقوى الذاتية يحسن النتائج ويقلل من التكاليف، وسيتطلب التصدي لهذه الحواجز التعاون بين المهندسين والعيادات والمنظمين والمرضى.

الخلاصة: نظام إكولوجي للرعاية الصحية قائم على الذات

وتمثل الأجهزة ذات الطاقة الذاتية الارتيلة تحولاً في رصد صحة المرضى، إذ أنها، بجني الطاقة من الجسم والبيئة، تزيل القيود التقليدية للبطاريات المحدودة، مما يتيح الرعاية المستمرة وغير المشروطة والمنخفضة الصيانة، ومن رصد القلب والأوعية والجليد إلى الكشف عن الأمراض وإعادة التأهيل، فإن التطبيقات السريرية واسعة النطاق ومتنامية.

إن الابتكارات في مجال الطاقة الفائقة، وكهرباء الحرارة، وأجهزة المحصول الثلاثي - التي تقترن بأجهزة إلكترونية ذات طاقة عالية، ومواد مرنة، وأجهزة استخبارات مصطنعة تعمل على زيادة عدد المرضى الذين يُدارون في المستقبل دون هوادة، والأحداث الحادة التي تُتوقع قبل أن تحدث، وفي حين أن التحديات في كثافة الطاقة، والقابلية للدوام، والحدود، والتنظيم لا تزال واضحة.