تطوير أجهزة الاستشعار ذات المقاييس المتعددة لرصد الصحة المهبليـة

وقد تحولت المشهد العام لتكنولوجيا الصحة الشخصية بشكل كبير من مواجهات بسيطة إلى منابر استشعار متطورة قادرة على استيعاب صورة غنية للفيزياء البشرية، وتقف أجهزة الاستشعار المتعددة المقاييس ذات الارتطام في الوقت الراهن على حدود الرعاية الصحية الاستباقية، وتدمج مسارات البيانات مثل الإيقاع القلبي، وتشبع الأكسجين، وأنماط الحركة، ودرجة حرارة الجسم في سرد متماسك لظروف صحة الفرد في نفس الوقت.

The Rise of Multi-Parameter Wearable Sensors

وقد تركزت المستلزمات الاستهلاكية على مدى عقود على معدل ضربات القلب المفردة أو العد التنازلي للدرجة على نظرة مجزأة للصحة، غير أن الفيزيولوجيا البشرية تعمل كنظام متكامل حيث تتردد التغيرات في البارامترات في بعضها البعض في كثير من الأحيان، وعلى سبيل المثال، قد يشير ارتفاع معدل ضربات القلب إلى التمارين أو الإجهاد أو الحمى أو العلامات المبكرة للإصابة؛ دون أن تكون بيانات التراكم من درجة الحرارة أو من حيث التقريب بين الأوكسجين أو من حيث الفارق بين النشاط.

والدفع نحو الرصد الكلي نابع من الاعتراف المتزايد بأن الأمراض المزمنة تمثل 71 في المائة من الوفيات العالمية، وفقاً لـ منظمة الصحة العالمية ]، ويجعل الكشف المبكر عن عوامل الخطر المتعددة، مثل تقلب معدل القلب، والأكسجين الدمي، والنشاط البدني، من شأنه أن يقلل إلى حد كبير من عبء الظروف مثل أمراض القلب والأوعية الدموية، والاضطرابات الوعية الدموية.

البارامترات الرئيسية وتكنولوجيات الاستشعار

ويعتمد نهج الرصد الكلي على مجموعة من أجهزة الاستشعار التكميلية، وكل منها يُستشف منها على الوجه الأمثل لاستخلاص إشارة فيزيولوجية محددة، ويتطلب إدماج هذه أجهزة الاستشعار في جهاز واحد قابل للارتداء هندسة دقيقة للحفاظ على الدقة مع التقليل إلى أدنى حد من الحجم والوزن واستهلاك الطاقة.

Eectrocardiography (ECG) and Heart Rate Monitoring

وتقيس أجهزة الاستشعار التابعة لجماعة شرق الكاريبي النشاط الكهربائي للقلب، وتوفر معلومات تفصيلية عن نسق القلب، وتقلبات الأسعار، وإمكانات حدوث اضطرابات في القلب، وتستخدم أجهزة الارتداء الحديثة الكهروديس الجاف أو الانقلاب الأسري لالتقاط آثار الغازات المميتة التي تصيب الرأس، والتي يمكن تحليلها لعلامات الاختلاط في الأرض أو غير ذلك من الصور الفوتوغرافية.

مقياس نبضات (SpO2)

ومن خلال قياس نسبة الأكسجين إلى الهيموجلوبين المكسور في الدم، توفر أجهزة قياس النبض تقديرا غير متفشيا لتشبع الأكسجين، وهذا البارامتر حاسم في الكشف عن الظروف التنفسية مثل مرض الرئوي أثناء النوم، والمرض الانسدادي المزمن، والإصابة الحادة مثل COVID-19.

درجة الحرارة الجسمية

ويتيح رصد درجات الحرارة المستمر الإنذار المبكر بالحمى أو العدوى أو الدول المسببة للإصابة، وتشمل المواد الحديثة ذات الصبغة الحمراء أو أجهزة الرش ذات الدقة العالية التي تُوضع بالقرب من الجلد، كما تشمل بعض الأجهزة الخوارزميات للتعويض عن تغيرات درجات الحرارة البيئية ونوعية الاتصال بالجلد.

Accelerometry and Gyroscopes for Movement Analysis

وتتتبع أجهزة قياس التكتل الثلاثي والقنوات كثافة الحركة، والوضع، والأنماط المتحركة، بالإضافة إلى عدّ خطوات، تتيح هذه أجهزة الاستشعار كشف الخريف، وتصنيف مرحلة النوم (عن طريق التكرير)، والاعتراف المفصل بالنشاط (السير، والركض، والدوران، والتدريب على الوزن)، كما يمكن للبيانات الخام، عند معالجة نماذج التعلم الآلى، أن تكشف أيضا التغيرات الخفية المرتبطة بإصابات الأخوية، والتعافي من مرض باركينسون.

Bioelectrical Impedance Analysis (BIA)

وتمر أجهزة الاستشعار عن طريق الكهرباء الكهربائية ذات المستوى المنخفض من خلال الجسم، وتقيس مقاومة تقدير تركيبة الجسم (كتلة الذرة، وكتلة العضلات، وحالة التهوية) التي تقتصر تاريخيا على مقاييس مخصصة، يجري الآن التقليل من تأثيرها على البقعة والعصيان ذات اللبس، ويمكن أن يكون الرصد المستمر للنظافة مفيدا للرياضيين وكبار السن والمرضى المصابين بأمراض كلوي.

الاستجابة لحيوانات البشرة الخافتة والنشاط الإلكترودرائي

(ج) تدابير التصدي للجلد الغالفاني (GSR) التغييرات في سلوك الجلد التي تحركها أنشطة الغدة العرق، التي ينظمها النظام العصبي المتعاطف، وهذا البارامترات يوفر نافذة في مستويات التوتر والإثارة العاطفية والحمولة المعرفية، وعندما يقترن ذلك بتقلبات ودرجات الحرارة، يسهم هذا المقياس في مؤشر للإجهاد المتعدد الأبعاد.

تحديات التصميم في النظم المتعددة المعايير

(ب) بناء آلية وحيدة يمكن أن تُؤدّي إلى وجود عقبات هندسية كبيرة في مجال الاستشعار، ويجب التصدي لهذه التحديات لضمان بقاء الجهاز عملياً ومريحاً ومفيداً من الناحية السريرية على مدى فترات ممتدة.

إذكاء الوعي واتساق البيانات

وعندما تعمل أجهزة الاستشعار المتعددة في نفس الوقت، وكل منها بمعدلات مختلفة لأخذ العينات وبخصائص ضوضاء فريدة، يجب أن تتزامن البيانات الناتجة عن ذلك وتدمج في سلسلة زمنية ذات معنى، ويمكن أن تؤدي حالات الارتباك إلى نتائج خاطئة - مثلاً، تنسب درجة حرارة ترتفع إلى النشاط البدني عندما تكون ناجمة بالفعل عن العدوى، كما أن تجهيز الإشارات الرقمية المتقدمة ومقاييس المعايرة في الوقت الحقيقي مطلوبة للحفاظ على اتساق البيانات.

استهلاك الطاقة وحياة البطارية

ويمكن أن يستنفد بسرعة تشغيل فريق الخبراء التقني، وجهاز تحديد المواقع، ومقياس التسارع، ودرجة الحرارة، ومجسات الإغراء، جهاز نموذجي يرتدى برسغ صغير، وقد يحتاج إلى إعادة شحن يومية، مما يعرض للخطر الالتزام الطويل الأجل، كما أن الابتكارات في خطوط الاستشعار ذات القوى المنخفضة، وخطط التقلبات في الرسوم الجمركية، وجمع البيانات عن البطارية باستخدام حرارة أو حركة الجسم أمر أساسي لتحقيق تعددية الحياة.

الحجم والثمانية والقابلية للذوبان

ويطالب كل جهاز استشعار ببطاقاته الخاصة بالأجهزة الكهربائية، والأجهزة المبلّغ عنها، وأجهزة الاستديوهات، والأجهزة الحرارية، وأجهزة التحكم بالمايكرويك، ويدخلها إلى عامل مريح وخفيف الوزن، وعامل شكل مقبول من الناحية الاصطناعية دون أن يؤدي ذلك إلى تقويض الأداء المستشعر، هو صراع مستمر، كما أن الحلول الإلكترونية المرنة والبرمجة تساعد على الحد من الحجم المادي.

الحركة والنشاطات البيئية

ويجب أن تؤدي أجهزة الاستشعار المرهقة أداء دقيقا أثناء الأنشطة اليومية - الركوب، والركض، والنوم، وحتى الاستحمام، ويستحدث الحركة قطع أثرية عبر جميع الطرائق: فـإن بي جي عرضة للتغييرات في حجم الدم الناجم عن الحركة، ويمكن أن تفسد هذه المادة بسبب ضوضاء عضلة، وترتفع درجات الحرارة عندما يفقد الجهاز الاتصال بالجلد.

أمن البيانات وخصوصيتها

ويثير استمرار جمع البيانات الفيزيولوجية الحساسة شواغل بشأن الوصول غير المأذون به، وخرق البيانات، وإساءة الاستخدام، وقد وضعت لائحة الاتحاد الأوروبي العامة لحماية البيانات، وقانون سلامة التأمين الصحي والمساءلة في الولايات المتحدة معايير صارمة، ويجب على المصنعين المحتملين تنفيذ عملية التشفير النهائية، وتأمين تخزين البيانات، ووضع بروتوكولات لاختيار هوية المستخدمين، ووضع بروتوكولات واضحة لموافقة المستعملين.

الابتكارات التي تقود الجيل القادم

وقد أدى التصدي للتحديات المذكورة أعلاه إلى ابتكارات ملحوظة في مجال علوم المواد وتصميم الدوائر وأساليب الحساب، حيث إن عدة إنجازات تُعيد تشكيل قدرات المواد ذات المقاييس المتعددة.

الإلكترونيات المرنة والثابتة

لوحات الدوائر المطبوعة المتحركة تفسح المجال للمرونة التي تتوافق مع مواقد الجسم، ومترجمات الرش، والوصلات المتطاولة، والمواد الناعمة تسمح بضم أجهزة الاستشعار في الشقق، والضمادات، وحتى الملابس، وهذه المرونة تحسن الاتصال الجلدي، وتخفض من عدم الارتياح، وتسمح بعوامل جديدة من قبيل الأذان والملابس.

منخفض الاطراف، مختلطات - نظام معلومات أساسية

:: تجمع الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات الآن بين عدة أجهزة استشعار، ومحولات متماثلة إلى أرقام، وتجهيز رقمي على رقاقة واحدة، وهذا التكامل يقطع استهلاك الطاقة بشكل كبير، فمثلاً يمكن أن يعمل جهاز مختص بمقياس التركيز المؤثر على الطاقة (ECG + PPG ASIC) على مستويات دونية، مع توفير نوعية من الإشارات الطبية.

درء الحاسوب ومباشرة

بدلاً من أن يبث البيانات الخام إلى السحابة، فإن عمليات الارتداء الحديثة تشير إلى استخدام شبكات عصبية خفيفة الوزن محلياً، وهذا النهج الحوسبي يخفض من درجة الحرارة ويحافظ على الخصوصية ويخفض الطاقة التي تنفق على النقل اللاسلكي، ويمكن للأغوريديات الحديثة أن تكشف عن الرذاذ وتصنف مراحل النوم وتحسب درجات التوتر دون أي معالجة خارجية.

نقل الطاقة وشحن الأسرى

وللتغلب على القيود المفروضة على البطاريات، يقوم الباحثون بتطوير محصولي الطاقة التي تنكب الطاقة من حرارة الجسم (المولدات الكهربائية الحرارية)، والحركة (المنتجات الكهربائية أو الكهرومغناطيسية)، والضوء المحيط (الخلايا الفولطية)، وفي حين توفر هذه المصادر حالياً طاقة تكميلية، فإن التقدم في الكفاءة والتكامل قد يؤدي في نهاية المطاف إلى الارتداءات ذات القدرة الذاتية.

ألف - زيادة البيانات وتفسيرها

ويمكن لنماذج التعلم في مجال الآلات التي يتم تدريبها على مجموعات البيانات الكبيرة أن تثبط إشارات من أجهزة الاستشعار المتعددة إلى مقاييس صحية أعلى مستوى لا يمكن قياسها بصورة مباشرة، وعلى سبيل المثال، يمكن الجمع بين الـ بي جي، ومقياس التسارع، وبيانات درجة الحرارة أن تقدر اتجاهات ضغط الدم بمرور الوقت، وهذه القياسات المشتقة توسع من الصلاحية السريرية للملابس دون إضافة معدات.

تطبيقات الرعاية الصحية في جميع أنحاء العالم والحياة اليومية

إن قابلية الارتداء المتعددة المستويات للتكاثر تجعلها قيمة في مجموعة واسعة من البيئات، بدءاً بإدارة الأمراض المزمنة إلى رياضيات النخبة، ويندرج أدناه في نطاقات التطبيقات الرئيسية.

إدارة الأمراض المزمنة

ويستفيد المرضى الذين يعانون من مرض السكر من الرصد المستمر للغلوكوس (CGMs) إلى جانب أجهزة استشعار للنشاط ودرجة الحرارة للتنبؤ بأوضاع التخلف، ويمكن تنبيه المرضى الذين يعانون من الفشل القلبي إلى الاحتفاظ بالسوائل عن طريق تغيرات في التبسيط البيولوجي قبل ظهور الأعراض، كما أن القابلات المستخدمة تتيح الرصد عن بعد لضغط الدم والوزن ومستويات الأكسجين، مما يقلل من القراء في المستشفى.

رصد المرضى عن بعد

ويُعجَّل اعتماد خدمات الصحة عن بعد خلال وباء الأوبئة في الفترة 19 من هذا العام، كما أن المستلزمات المتعددة المستويات توفر الآن للمستوصفين بيانات شبه مستمرة بين الزيارات، مما يتيح إدارة استباقية لظروف مثل الأمراض الرئوية المزمنة التي يمكن أن يُستفحل فيها مرض الرئوي ومعدل التنفس يمكن أن يُعَلَّمَ بها، وتُسد مراكز الولايات المتحدة لزراعة الأدوية والخدمات الطبية.

الكفاءة والأداء

ويستخدم رياضيون ومحفزات اللياقة البدنية في الألف مواد متعددة البارامترات لرصد حمولة التدريب والتعافي والتأهب، وقد تؤدي مقاييس مثل تقلب معدلات القلب وسلوك الجلد ونوعية النوم إلى تحقيق الأداء الأمثل والحد من مخاطر الإصابة، مثلاً، إلى انخفاض مفاجئ في HRV مقترنة بارتفاع درجة الحرارة عند الاستراحة إلى زيادة التدريب أو المرض، مما يؤدي إلى حدوث يوم للراحة.

الكشف المبكر والصحة الوقائية

ويمكن أن تكشف المراقبة المستمرة عن علامات مبكرة على الأمراض التي قد لا يلاحظها أحد، كما تبين أن الأشعة غير الشرعية التي كشفت التغيرات الطفيفة في معدل القلب وأنماط درجات الحرارة قد تُتوقع ظهور أعراض الـ COVID-19 قبل يومين من إجراء الاختبارات الإيجابية، وبالمثل، فإن إيقاعات القلب غير النظامية التي اكتشفها الفريق في واشيات الذكية يمكن أن تؤدي إلى تأكيد الصدمات الكهربائية وتمنع السكتات.

الصحة العقلية وإدارة الإجهاد

إن الاستجابة للجلد الجالفاني، وتقلبات القلب، والارتفاع بالعجلات معاً توفر مؤشراً قوياً للإجهاد، ويمكن أن تُعلّم العجلات القابلة للزراعة استناداً إلى القياسات الحيوية في الوقت الحقيقي المستعملين عن التعرف على مسببات الإجهاد ونشر التمارين التنفسية، وتدمج بعض البرامج هذه العلامات الحيوية في أجهزة العلاج من أجل القلق والاكتئاب.

الاتجاهات المستقبلية والتكامل مع منظمة العفو الدولية

ويشير مسار الارتداءات المتعددة المستويات إلى زيادة التكامل مع الاستخبارات الاصطناعية، والمحللين السحابيين، والنظم الإيكولوجية للصحة الرقمية، ومن المرجح أن تركز موجة الابتكار التالية على المجالات التالية.

التحليل الافتراضي والتأديبي

بواسطة تدريب نماذج الـ "أى إي" على البيانات ذات المقياس المتعدد، قد تنبأ الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "الـ "أى" قريباً بالأحداث الصحية السيئة مثل "السقطات" أو السكتة القلبية أو السكتة القلبية

التوائم الرقمية والطب الشخصي

التواؤم الرقمي هو نسخة افتراضية من الفيزيولوجيا الشخصية التي تستكمل باستمرار مع بيانات قابلة للارتداء في الوقت الحقيقي، يمكن للمريضين أن يحيّزوا العلاجات على التوأم قبل أن يُطبّقوا إلى المريض، ويُفضّلوا العلاج بأقل قدر من المحاكمة والخطأ، وهذا المفهوم يجري استكشافه بالفعل لإدارة السكري والرعاية القلبية الوعائية.

النظم الإيكولوجية البحرية المتعددة الأبعاد

وبدلاً من الاعتماد على معصم واحد، فإن الرصد الصحي في المستقبل سيشمل على الأرجح مجموعة من الأجهزة القابلة للزراعة والمرتجلة، والبقع، والخواتم، وبوزين الأذن، والملابس الذكية المتخصصة في مجموعة فرعية من البارامترات، وسيؤدي نظام بيانات موحد إلى بث الإشارات من جميع المصادر، مما يوفر صورة شاملة دون تحميل المستخدم بشحنات متعددة وبطاقات متعددة.

التقييم التنظيمي والعيادي

ومع انتقال المواد السائلة إلى أجهزة طبية منظمة، يجب على المصنعين أن يبرهنوا على دقة وموثوقية واستحقاقات سريرية صارمة، وقد أصدرت إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة توجيهات بشأن البرمجيات باعتبارها جهازا طبيا، ومسحت عدة خوارزميات قابلة للارتداء من أجل كشف الاضطرابات وتقدير ضغط الدم، وسيلزم إجراء المزيد من التجارب السريرية لتوسيع نطاق التطبيقات القابلة للسداد.

الاعتبارات الأخلاقية والإنصاف

ويجب أن يعالج الاعتماد الواسع النطاق الشواغل المتعلقة بالتحيز القائم على أساس المنهج، وملكية البيانات، وأوجه التفاوت في الوصول، وقد تؤدي المقاييس التي يتم تدريبها أساسا على بعض الفئات الديمغرافية أداء ضعيفا على الفئات الأخرى، وضمان التنمية الشاملة والتحقق من الشفافية أمر أساسي لتجنب تفاقم أوجه عدم المساواة الصحية.

خاتمة

إن أجهزة الاستشعار المتعددة المستويات التي يمكن استرجاعها تمثل تقارباً في الهندسة المشعرة، وعلم البيانات، وتقديم الرعاية الصحية، مما يتيح رؤية شاملة حقاً لصحة الإنسان، ومن خلال جمع بيانات القلب والتنفس والحرارة والحركة في الوقت نفسه، فإن هذه الأجهزة تمكن الأفراد والعيادات من اكتشاف المشاكل في وقت سابق، وإدارة الظروف المزمنة على نحو أكثر فعالية، وتحقيق أفضل قدر من النجاح، وينطوي المسار على التغلب على تحديات التصميم من خلال الأجهزة الإلكترونية المرنة، والعقبات ذات القدرة المنخفضة.