تطوير أجهزة قياسية لرصد مستويات الأوكسيد الحشرية الدموية أثناء النشاط البدني

فهم الفيزياء خلف اضطرابات الدم

ويقيّد تسرب الأكسجين بالدم النسبة المئوية للمواقع الملزمة للهوملوبين في خلايا الدم الحمراء التي يشغلها الأكسجين، وهذا القياس بالغ الأهمية لأن الأوكسجين هو وقود الأيض الخلوي، ولا سيما أثناء الإجهاد البدني عند الطلب على الأكسجين، ويعوض الجسم بزيادة معدل كثافة القلب ومعدل التنفس، ولكن ظروف مثل الربو أو مؤتمر الأطراف للتنمية الصناعية أو حتى بيئات الارتفاع يمكن أن تعطل أجهزة الاكتشاف.

وخلال النشاط المتوسط إلى الحيوي، يمكن أن يزيد استهلاك الأوكسجين (VO2) إلى مستويات الراحة تتراوح بين 15 و20 مرة، وبدون إمدادات ثابتة، تتحول العضلات إلى الأيض الهوائي، مما يؤدي إلى تراكم حمض التكتيك وانخفاض الأداء، ويساعد الرصد المستمر للأوكسجينات الاصطناعية على بقاء الرياضيين ومساحوس اللياقة في منطقة التنفس الجوي، ويحقق التفاؤل في حالات التعافي من الاضطرابات.

تكنولوجيا الاستشعار الأساسية: رسم الخرائط

ويعتمد معظم مراقبي السوائب البيرفلورية على التصوير الضوئي. ويحتوي جهاز الاستشعار من نوع بي جي على خطين موجيين من أحمر من الضوء )٦٦٠ نانو متر( وأشعة تحت الحمراء )٩٤٠ نانو متر( - من خلال الجلد، ويستوعب جهاز التكلورين المكشوف الضوء بدرجة أكبر ويتيح مزيدا من الضوء الأحمر للارتطام؛ ويقي نسبة الارتداد الى الارتداد)٢(.

التصميم الضوئي ومصنع الاستمارة

ويواجه جهاز التفريغ (المستخدم في أجهزة مغسلة) قيوداً فريدة مقارنة بجهاز نقل الأصابع (أفران النبض التقليدية) ويعاني المعصم من كثافة أقل من الشرايين، ويعاني من خطر شديد على الحركة، والتعفن، والتدخل في الضوء المحيط، ويجب على المطورين أن يحسّنوا وضعياتهم، وحساسية أجهزة التصوير الضوئي، وأجهزة الاستدلال الحديثة.

التخفيف من الآثار الأثرية

والحركة هي التحدي الرئيسي في رصد الأجسام القريبة من الأرض يمكن أن ترافق أجهزة الاستشعار التي تستخدمها أجهزة الاستشعار ذات التسارع والمناظير التي تستخدمها أجهزة التسارع، وذلك عند اكتشاف الجهاز للحركة الأثرية، يمكن أن تتخلص من أجزاء البيانات الفاسدة أو تطبق تصفية التقلبات التكييفية.

العناصر الرئيسية للمعاهد أبعد من جهاز الاستشعار

وحدة تجهيز المتحكمين في الميكرواتاتات والعلامات

ويجب أن يتولى جهاز التحكم الجزئي المنخفض القدرة أخذ عينات مستمرة من بيانات الفريق العامل المعني بالتنوع البيولوجي عند 50 إلى 100 هرتز، وتطبيق التصفية الرقمية، وحساب المقياس المرجعي الثاني عن طريق نسبة الكثافة السوقية، وتشمل الخيارات الشعبية مؤشر المقياس المرجعي للصدمات المتوسطة الأجل، وأرقام قياسية جديدة لمعدلات ضربات القلب المتفاوتة في معالجة الإشارات المنخفضة الطاقة.

البطارية وإدارة الطاقة

إن حياة البطارية عامل حاسم في تبني المستخدمين، إذ يتطلب مراقب العجلات السائلة المطبعية الجاهزة 50 إلى 100 ميغاواط أثناء الاستشعار النشط، ويمكن لمدير الطاقة الذكية أن يقوم بدورة جهاز الاستشعار من نوع بي جي: مثلا، أخذ قياس كل 10 ثواني في الراحة، ولكن التحول إلى أخذ عينات مستمرة (كل نبضات قلب) أثناء النشاط العالي المكتشف.

Display and Haptic Feedback

وفي حين أن الشاشات التي تظهر قيماً ذاتية التوقيت، فإنها ترسم الطاقة، فالنساء بدون عرض يعتمد على البيب الصالح للأكل أو الهاب الهاب الهاب لتنبيه المستخدمين عندما تنخفض معدلات التشبع بالأكسجين إلى أدنى من عتبة (مثل 90 في المائة)، ويمكن أن يظهر العرض الذي يُظهر دائماً القراءة الحالية بأقل قدر من الطاقة.

التحديات والمبادلات الهندسية

Skin Tone and Sensor Calibration

وتظهر المقاييس القائمة على أساس نوع الجنس تحيزاً تاريخياً ضد مسامير الجلد المظلمة لأن الميلانين يستوعب الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء، ويغير النسبة، وتُعدل البحوث التي أجريت مؤخراً من هيئة تنمية الحراجة والمؤسسات الأكاديمية (مثلاً، ]) الاتصال الآمن من المؤسسة بشأن مقياس نبضات المقاييس () الذي يجب أن يخفف من صحة أجهزة التصنيع من أدوات التكيف المتعددة

Motion —Induced Signal Corruption

وكما لوحظ، فإن القطع الأثرية للحركة هي أكبر شرّير في المقياس التقريبي القابل للذوبان، ففي أثناء القفز البصمي أو القفز اللاصفي، تصبح موجة البوليغي ملوثة بشدة بحركة الأنسجة، وقد طور الباحثون إلغاء ضوضاء مكيّفة باستخدام الوصل المزدوج الموجات الحرارية: إذا تحولت الإشارات الميكانيكية الحمراء والأشعة تحت الحمراء بطريقة لا يمكن تفسيرها بالتغيرات الفيزيائية، فإن البرمجيات الفوقية المتشابكية المتجانسة

جهاز الاتصال

وإذا كان جهاز الاستشعار طليق جدا، فإن الضوء المشرق يتسرب إلى الداخل؛ وإذا كان الاختلال ضيقا جدا، فإن الاختناق العنيف يغير القياس، فالأغلال الضوئية أو نوافذ الاستشعار المنسوجة تساعد على الحفاظ على اتصال متسق، ويدخل طبقة إضافية من الرطوبة يمكن أن تبعث الضوء بشكل غير متوقع.

الامتثال التنظيمي ونزاهة البيانات

ويجب أن يمتثل مراقبو المقياس الطبي للمقياس الإلكتروني التالي: 80601 - 2 من أجل الدقة (عن طريق الخطأ في مقياس مقياس الحرارة 2 في المائة) وكثيراً ما تهدف الصلاحية الاستهلاكية إلى تحقيق درجة أقل من ال3 في المائة من المقاييس ولكن لا تزال تواجه تدقيقاً من الجهات التنظيمية.() وينبغي أن يقوم المطورون بتنفيذ عملية تحقق قوية من مقياس ثاني أكسيد الكربون المرجعي في إطار سريري.() وبالإضافة إلى ذلك، يجب ضمان سلامة البيانات أثناء بروتوكولات التعقب غير المأمونة

Algorithms: From Raw PPG to Accurate SpO2

تجهيز الإشارات قبل الشحن

وتمر بيانات الأشعة فوق البنفسجية من خلال مرشح لجوازات الضمادات (0.5 إلى 5 هرتز) لإزالة الضوضاء العائمة والشديدة التردد، ثم يستخرج خوارزمية الاكتشاف من الذروة الاصطناعية، ومن هذه الذروة، تفصل عناصر الأشعة فوق البنفسجية ورقم التلقيم المقطعي (SBO)

تعليم الآلات للروبوت

أما الأجهزة المتقدمة فتتألف الآن من شبكات عصبية صغيرة (مثلاً، الشبكة الدولية للناموسيات والصغيرة الحجم) التي تتعلم خصائص الأجزاء النظيفة ضد الشرائح المزعجة، ويمكنها أيضاً أن تعوض عن الفيزيولوجيا الفردية مثل الاختلافات الشريانية - المتانة أو التداولية المحيطة بها، ويستلزم التدريب هذه النماذج بيانات مشروحة كبيرة من أنشطة متنوعة (العمل، والتدو، والشحن الحقيقي).

معايرة المستخدمين عبر الحدود

ويستخدم معايرة المصانع قيمة مكافئة معروفة (مثلاً من جهاز محاكاة من جهاز مركب) لتحديد خط الأساس، غير أن الاختلافات الفردية في سميك الجلد وكثافة الشعر ومورفولوجيا العظام يمكن أن تؤثر على المسار البصري، إذ توفر بعض القابلات للزراعة معايرة ذات مرة واحدة حيث يرتدى المستخدم في نفس الوقت مقياساً للضغط على الصبغة المصفورة من أجل 60 ثانية.

خبرات المستعملين وبحث التصميم

Interface and Alerts

ومن شأن وجود ارتياب فعال أن يوفر تغذية مرتدة غير مؤذية ولكنها ذات مغزى، ويمكن أن تشير أنماط الاهتزاز الهباتية الهباتية إلى انخفاض في مستوى الارتفاعي الثاني دون أن يطلب من المستخدم التوقف عن الشاشة والنظر إليها، فعلى سبيل المثال، فإن ثلاثة نبضات قصيرة كل 10 ثوان عندما ينخفض معدل الارتفاع عن المقياس القياسي لأسعار الاستهلاك إلى أقل من 88 في المائة، كما أن متوسط القراءة المتنقلة للصوت(2).

تكامل البيانات وشبكة السحاب

(ب) أن يكون نظام الطاقة المنخفضة الازرق معياراً فعلياً لنقل البيانات إلى الهواتف الذكية، وينبغي أن يدعم الجهاز تزامناً دورياً (كل بضع دقائق) لإبقاء الطبق حتى الآن دون استنزاف بطارية الهاتف، ويتيح تخزين الكلاب تحليلاً طولياً، أو تقاسماً مع المدربين، أو إدماجاً في السجلات الصحية الإلكترونية (بموافقة)، والخصوصية هي الجوهر: التشفير في البيانات الصحية.

Battery Life Realities

ويتوقّع المستعملون أن يُجرى على مدى أسبوع من ساعات اللياقة، ويُعتبر تحقيق ذلك في حين يُرصد نظام التشغيل الآلي باستمرار تحدياً، ويُكتسب النهج الهجين من الانتصاب: فالجهاز يستخدم جهازاً استشعاراً بصرياً منخفض الطاقة لكشف الحركة، ويُعمِل فقط جهاز الاستشعار الكامل للمستخدمين عند وجود منطقة نشاط معتدلة عالية الكثافة، مما يمكن أن يخفض متوسط استهلاك الطاقة الكهربائية بنسبة 50 في المائة بينما لا يزال يُستوعب البيانات.

تطبيقات في الرياضة والطب

تحقيق الاستخدام الأمثل للأداء الرياضي

يستخدم الرياضيون الألف بيانات عن الارتفاعات الفوقية لضبطها في ظروف تقلب الهاون، ويمكن للأجهزة القابلة للزراعة التي تنبههم عندما تتجه مستويات منخفضة بشكل خطير إلى توفير التدريب على الارتفاعات الأكثر أماناً، وبالنسبة للرياضة التي تدوم أكثر من 95 في المائة في كل السباق، يمكن أن تكون مفرق أداء، ويمكن للمدربين أن يستعرضوا اتجاهات ما بعد العمل السريع لكشف علامات التدريب المبكر، حيث يمكن أن يتعرض تسليم الأوكسجين للخطر بسبب الأوتومات.

الرصد السريري في مجال إعادة التأهيل

ويستفيد المرضى الذين يتعافون من الـ COVID -19 أو الذين يعيشون مع مرض رئوي مسبب للإعاقة المزمنة من الرصد المستمر للمصابين بمرض الرئوي أثناء عملية إعادة التأهيل، ويمكن أن تكيف المصابون تلقائياً كثافة التدريب على أساس القراءات في الوقت الحقيقي، مما يحول دون حدوث تحلل خطير، وفي إعادة تأهيل القلب، قد يشير الانخفاض المفاجئ في الـ " سبوك " إلى تهاب رئوي أو إلى تفاقم الاضطرابات القلبية في الارتداد القلبية.

الرياضة العالية النطاق وعمليات الإنقاذ الميدانية

ويستخدم المتزلجون والمتسلقون والمنتشرون أجهزة رصد ذات قدرة على الارتداء لتقييم مدى استحقاقهم، كما أن القراءة المستمرة التي تقل عن 80 في المائة على ارتفاع عال هي علامة على مرض الجبال الشديد، وإشارة إلى الانخفاض، فالقابلات المزروعة ذات عمر البطاريات الطويلة وخزن البيانات خارج الخط أمر حاسم بالنسبة لهذه البيئات، وبعض الأجهزة تدمج الآن تتبع النظام العالمي لتحديد المواقع بحيث يربط بين الجداول الزمنية المحددة لحجم الجسم الفضائي.

الطرق التنظيمية والتوثيق

ويشتمل إنشاء جهاز رصد قابل للذوبان في السوق على نقل أنظمة الأجهزة الطبية في كل منطقة مستهدفة، وفي الولايات المتحدة، تصنف الهيئة المقاييس النبضية على أنها أجهزة من الدرجة الثانية )التطهير ٥١٠ )ك((( عندما تستخدم لصنع القرار السريري، وحتى إذا كان الجهاز يُنبه " إلى النواحي والحسنة " ، فإن المصنعين لا يقدمون مطالبات بشأن تشخيص المرض أو معالجةه دون ترخيص طبي)٧(.

ويشمل الامتثال الاستباقي إدارة الجودة التي يقوم بها المعهد الدولي لتوحيد المقاييس 13485، واختبار السلامة الذي يجريه المركز الدولي للإحصاء 60601 (الكهرباء والكهرباء والبيئة)، ودراسات القابلية للإستخدام التي تُستأثر بخطأ المستخدم، كاستراتيجية واضحة لتحديد الوسم، مثل " هذا الجهاز ليس جهازاً طبياً ولا يقصد به تشخيص أو رصد أي حالة طبية " - يمكن أن يعجل دخول سوق المستهلكين ولكنه يحد من إمكانية التطبيق السريري.

الابتكارات المستقبلية بشأن الأفق

الاستشعار المتعدد المواقع والمتعدد الأبعاد

وسيجمع الجيل القادم من الجيل الثاني بين الجيل الثاني وبين الجيل الأوروبي ودرجة حرارة الجلد ورد الجلد الجالفاني على شكل صورة شاملة للقلب الرئوي، ويمكن أن يؤدي وضع أجهزة الاستشعار على كل من المعصم والصدر أو الأذن إلى تحسين الدقة عن طريق استخلاص موجات الشريان من مواقع متعددة.

المعايرة المستمرة عن طريق الكيمياء المتعرية

ويستكشف الباحثون العلاقة بين العلامات البيولوجية للتعريق (اللمحات، الصحة العامة) ومستويات الأكسجين الدموي، ويمكن أن توفر هذه الوصلات الجامدة للأجهزة المستخدمة في ظروف ساخنة ورطوبة تصحيحاً زمنياً حقيقياً للاختفاءات أو التحلل، مما يؤدي إلى تدهور دقة تعادل القوة الشرائية، وهذا سيكون قفزة للأمام بالنسبة للأجهزة المستخدمة في ظروف ساخنة ورطوبة.

Ultra - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

وتتيح التطورات في مواد التصوير الضوئي العضوية أجهزة استشعار أكثر رقاقة ومرونة تتطلب قوة أجهزة التصوير التقليدية للسيليكون، مع الجمع بين جمع الطاقة من حرارة الجسم أو الحركة، يمكن أن تتيح الرصد المستمر والمتحرر من الارتفاع عن السائل المنوي لمدة أسابيع.

التعليم الموحد للنماذج الشخصية

وبدلا من أن تكون البيانات الصحية للمستعمل مركزيا، يقوم التعليم الاتحادي بتدريب الخوارزمية على جهاز المستخدم نفسه، ولا يرسل سوى تحديثات نموذجية مسموعة إلى السحابة، مما يحفظ الخصوصية ويتيح للنموذج التكيف مع الفيزيولوجي الفريد لكل مستخدم على مر الزمن، كما أن المستخدم الذي يمارس بانتظام في البيئات الساخنة، مثلا، سيحصل على نموذج يمكن أن يميز التشفير الحقيقي عن النسيج المسبب للحرارة.

خاتمة

إن استحداث جهاز قابل للارتداء لرصد مستويات الأكسجين الدمي أثناء النشاط البدني هو مسعى متعدد التخصصات يتطلب فهما عميقا للفيزياء البصرية، وتجهيز الإشارات، والفيزيولوجيا البشرية، وتصميم واجهة المستعملين، وفي حين أن التحديات مثل الحركة اليدوية، والتحيز المشعر عبر أطنان الجلد، وحياة البطاريات ستظل مجالات بحث نشطة، فإن المسار واضح: إذ أن الأجهزة ترتدى أعداداً أصغر وأكثر دقة وأكثر ذكاء.