السلف في أجهزة الاستشعار الجلدية الرصد المستمر للفيزياء

مقدمة إلى أجهزة الاستشعار الجلدية - الأدائية

وتطورات علم الجلد، وتطورات الاستعلامات في المستقبل، وتطورات الاستنشاق، وتطورات الاستنشاق في مجال الطاقة، وتطورات الطاقة الكهربائية، وتطورات الطاقة في المستقبل، وتطورات الطاقة غير الحيوية، وتطورات الطاقة في المستقبل، وتطورات في مجال الطاقة، وتطورات في مجال الطاقة الكهربائية، وتطورات في مجال الطاقة الكهربائية، وتطورات في مجال الطاقة الكهربائية، ومقاييسها، وعلامات السحابية، وعلامية، وعلامات أخرى،

تطور المواد والتصميم

إن أداء جهاز الاستشعار الجلدي يرتهن بمواده وتصميمه الهيكلي، وكثيرا ما تعتمد أجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها في وقت مبكر على الكهروديس الصلب والمصاعد التي تسبب تدهوراً في الإشارات وتعددية المقاييس، وهي مواد تتحول حالياً إلى مادة متعددة المقاييس، وتتخلل هذه القيود عن طريق إدراج أشعة فوق الفوقية، وشبه بيولوجية، وتضع في سميتها الميكانيكية.

الابتكارات الماهرة

فالأداء المكثف هو أمر حاسم بالنسبة لاكتساب إشارات ثابتة، إذ أن الحساسيات التقليدية القائمة على الهجائن يمكن أن تسبب تجريد الجلد وردود الفعل الحساسية، ولا سيما تحت الحيازة، حيث أن النُهج الجديدة تستخدم مبيدات الجيل المائي التي تجمع بين الوجبات العالية وقابلية التنفس وإدارة الرطوبة، وبعض التصميمات تتضمن أسطحاً مصغرة تزيد من الارتداد دون تغطية كامل مساحة الجلد، مما يسمح باستنداد الضغط.

أجهزة إلكترونية ثابتة وقائمة على خدمات الصحة الذاتية

ومن أجل معالجة التشوهات الطبيعية للجلد، يجب أن تكون المكونات الإلكترونية قابلة للتمديد دون فقدان القدرة الوظيفية، وقد تحقق ذلك من خلال عدة استراتيجيات: ترابطات بين الثيران تتكشف تحت الضغط، وأجهزة البوليمر الموصلية التي تعيد مسارات كهربائية متكررة بعد التحلل، وأجهزة تحويلية ذاتية على أجهزة التبريد المسبقة التدريب، وقد استحدثت في الآونة الأخيرة مواد للتسخين الذاتي يمكن أن تصل إلى حد كبير.

الابتكارات التكنولوجية الرئيسية

وبالإضافة إلى التحسينات المادية، أدت عدة اختراقات تكنولوجية إلى دفع أجهزة الاستشعار ذات الاتساع الجلدي من الفضول المختبرية إلى أدوات ذات صلة سريرية، حيث تشمل هذه الابتكارات طرائق الاستشعار، والوصل اللاسلكي، وإدارة الطاقة، وتجهيز البيانات.

علم النانو والحساسية

وقد مكّن هذا الجهاز من الكشف عن إشارات الفيزيائية الدقيقة ذات الدقة الاستثنائية، وعلى سبيل المثال، يمكن للناموسيات النانوية الفائقة الصنع أن تحوّل التشوهات الميكانيكية من نبضات قلب أو نبضات إلى إشارة كهربائية ذات نسبة عالية من الإشارات إلى الأشعة المتينة، كما يمكن للمترجمين المتطورة من الناحية الغرافية أن يقيّموا التلويكوسل أو تركيزات اللوغارية في وقت واحد

الاتصال اللاسلكي والتطبيب عن بعد

فالرصد المستمر لا يمكن أن يُتاح إلا إذا أمكن الوصول إلى البيانات وتفسيرها في الوقت الحقيقي، إذ أن أجهزة الاستشعار الحديثة التي تعمل على الاكتفاء الذاتي تتضمن بروتوكولات اتصال منخفضة الطاقة مثل أجهزة التصحيح ذات القدرة المنخفضة (BLE) والاتصالات الميدانية القريبة (NFC) لتيار البيانات إلى الهواتف الذكية أو محطات التلقيم الأساسية، مع تقلص عدد شبكات الرعاية الصحية وقيود النطاق الترددي.

قدرات الاستشعار المتعدد الوسائط

وتتجلى معظم الحالات الفيزيولوجية في التغيرات في بارامترات متعددة في نفس الوقت، وقد يفوت جهاز الاستشعار الوحيد المولد للدمغة سياقا هاما، حيث أن مستويات الحرارة العالية التي ترتفع فيها مستويات الجلد، والارتفاع في مستويات الحرارة الأساسية، والتحولات التي تصيب العالم، هي عوامل تؤدي إلى زيادة المرونة في هذه المستويات، وتصلب التسارع إلى درجة الحرارة المتوسطة، وجهاز قياس الإجهاد التراكمي للوزن.

تطبيقات الرعاية الصحية وما بعدها

وقد أدت قابلية أجهزة الاستشعار الجلدية - المثبطة إلى اعتمادها عبر طائفة واسعة من حالات الاستخدام، بدءا بإدارة الظروف المزمنة إلى تعزيز الأداء البشري.

إدارة الأمراض المزمنة

أما بالنسبة للمرضى المصابين بمرض السكري، فإن الرصد المستمر للغاز المسيل للسكري هو معيار الرعاية، ويستخدم العديد من أجهزة التصوير بالأشعة السينية رقائق مائلة بأجهزة قياس مصغرة من أجل أخذ عينات من القمح، وتمتد مبادئ مماثلة إلى ظروف مزمنة أخرى، ويمكن رصد مرضى الفشل القلبي بمراحل تُقيّم الارتحال، وهي احتمالات لتراكم الحساسية التي تُحِّم.

الرياضة ورصد اللياقة

كما أن الرياضيين وحرائق اللياقة هم من أوائل معتمدي التكنولوجيا القابلة للارتداء، كما أن أجهزة الاستشعار ذات التردد العالي توفر مزايا على أجهزة تعقب اللياقة البدنية التي تستخدم في المغسلة، وذلك عن طريق زيادة الدقة أثناء الحركة النشطة والقدرة على قياس النشاط العضلي (عن طريق الكهرباء، وأجهزة التكتل الحرارية، والتكوين العرقي، مثلا، يمكن أن توفر التصحيحات التي تستخدم في أجهزة التصفح الترددي ردود الفعل على نحو أفضل

الرعاية للمسنين والمنبثين

أما بالنسبة للسكان المسنين، فإن الرصد المستمر يمكن أن يكشف عن الانسجام، أو التغيرات في البصمات الحيوية التي تشير إلى ظهور مرض حاد، إذ أن أجهزة الاستشعار المتأصلة التي تقيس معدل القلب، ومعدل التنفس، ودرجة الحرارة يمكن أن تحذر مقدمي الرعاية من علامات الإصابة أو الهضبة قبل أن تصبح حرجة، ويصمم الكثير من هذه التصفيات بحيث تُرت لمدة تصل إلى 14 يوما دون استبدالها، مما يقلل من العبء على المرضى وموظفي الرعاية.

التحديات الراهنة والنظر في المسائل الأخلاقية

ورغم التقدم السريع، فإن عدة عقبات تحول دون اعتماد أجهزة الاستشعار ذاتية الارتحال في الممارسات السريرية الروتينية على نطاق واسع، ومن بين الشواغل الرئيسية التوافق الطويل الأجل بين البشرة، وحتى مع وجود مهابط متطورة، يمكن أن يتسبب الاستبعاد المطول في حدوث تهاب أو تهاب جلدي أو عدوى فطرية، وتعالج هذه الكنزات باستحداث مواد قابلة للتنفس، وتدمج عوامل الرعي المتطورة، ولكن يجب أن تختبر هذه الحلول في مجموعات مختلفة من الزمن.

كما أن أمن البيانات وخصوصيتها أمران بالغ الأهمية، إذ أن أجهزة الاستشعار تنقل المعلومات الشخصية عن الصحة دون سلك، يجب التخفيف من خطر الاعتراض أو الوصول غير المأذون به، إذ أن الوكالات التنظيمية مثل هيئة تنمية الأعمال الحرة تتطلب خططا لإدارة المخاطر الأمنية الإلكترونية فيما يتعلق بالأجهزة الطبية المرتبطة بها، فالتشفير، والأحذية الآمنة، وتقنيات الكشف عن المعلومات، هي معايير في المنتجات المعتمدة، ولكن سرعة وتيرة الابتكار كثيرا ما تفوق عمليات التصديق على المواد.

ولا تزال التكلفة والقدرة على تحمل التكاليف تشكل حواجز أمام العديد من المرضى، فبينما انخفضت تكلفة وحدة مكونات أجهزة الاستشعار، فإن إدماج عناصر التصنت والضرب والتجهيز لا يزال يؤدي إلى ارتفاع السعر مقارنة بأساليب الرصد التقليدية، كما أن سياسات السداد تتخلف عن التكنولوجيا؛ وهناك خطط تأمين كثيرة لا تغطي الرصد المستمر لظروف مثل ارتفاع ضغط الدم أو فشل القلب، ونظرا لأن الأدلة المتراكمة تدل على فعالية المراقبة الوقائية، فمن المرجح أن تؤدي التغطية إلى توسيع نطاقها.

الاتجاهات المستقبلية

ومستقبل أجهزة الاستشعار الجلدية الاصطناعية مشرق، حيث استهدف البحث عدة مجالات رئيسية للتغلب على القيود الحالية وفتح تطبيقات جديدة.

أجهزة الاستشعار القابلة للتحلل الأحيائي

فالاستدامة البيئية مصدر قلق متزايد بالنسبة للالكترونيات القابلة للتصريف، إذ يقوم الباحثون بتطوير أجهزة استشعار عابرة مصنوعة من مواد قابلة للتحلل الأحيائي - مثل الحرير والزنك والزنك - التي تحل بعد فترة محددة، ولا تترك أي مخلفات ضار، وهذه الحساسات هي مثالية للرصد القصير الأجل في معالجة الجروح أو التعافي بعد الجراح، حيث يكون الإزالة والتصرف فيها غير ملائمين للضغط.

Energy Harvesting and Battery Life

ولا تزال القوة عاملاً يحد من الرصد المستمر، إذ أن معظم أجهزة الاستشعار تعتمد على البطاريات ذات الرش النحيل التي توفر عدة أيام من التشغيل في أفضل الأحوال، ويستكشف الباحثون استراتيجيات لجلب الطاقة تحول حرارة الجسم أو الحركة أو حتى الطاقة الكيميائية إلى الكهرباء، ويمكن للمولدات الكهربائية الحرارية أن تستغل درجة الحرارة بين الجلد والهواء المحيط لإنتاج نُهج اتصال غير مصغرة بالطاقة.

الاستخبارات الفنية والتحليلات الجاهزة

وتتم عملية إعادة تحديد البيانات المستقاة من أجهزة الاستشعار بصورة ساحقة دون معالجة ذكية، وتتمحور نماذج التعلم الماكنة مباشرة حول الحساسية الجاهزة للإشارة المسبقة، وكشف الصنع، والتعرف على الأنماط في الوقت الحقيقي، وتُعدّل التشخيصات الدقيقة التي تُكتشف على أساس الأشعة نفسها، وتُحدِّد المضبوطة على أساس الأشعة، على نحو يُحدِّد كميات كبيرة من البيانات، ويحافظ على الخصوصية.

التكامل مع العلاجات

فالتقارب النهائي هو نظام " المغلقة " الذي لا يرصد فحسب بل يُخضع للعلاج أيضاً، كما أن أجهزة الاستشعار المتقاربة التي تقيس الغلوكوز يمكن أن تقترن بمضخات الانسولين لتكييف الجرعات تلقائياً، كما يُشاهد في نظم التشخيص المغلقة للسكري، وبالمثل، فإن التصحيحات التي تكتشف فقدان الجهاز الهرويجي يمكن أن تُطلق من خلال أدوية مُهات مُهُهُكَة.

خاتمة

وتتطور أجهزة الاستشعار ذات الوجهة الجلدية من الكهربية البسيطة إلى برامج متطورة متعددة الوسائط تلتقط ثروة من البيانات الفيزيائية بأقل قدر من التدخل، وتنتج عن التقدم في علوم المواد أجهزة مرنة ومتوافقة بيولوجياً ترتاح في الجلد لفترات طويلة، وتزيد الابتكارات في مجال علم النانو، والاتصالات اللاسلكية، والاستخبارات الاصطناعية من نطاق البارامترات القابلة للكشف، وتسمح بإجراء تحليلات في الوقت الحقيقي.

For further reading on regulatory considerations, refer to the FDA guidance on wearable medical devices]. Recent advances in multimodalensors in ]Nature Sensors] and in technical articles from the ]IEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems.