دمج أجهزة الاستشعار في الملابس الذكية لرصد الإشارات الحيوية المستمرة

ما هو ملابس ذكية؟

إن الملابس الذكية، التي كثيرا ما تسمى " النيكستيلات الإلكترونية " أو المنسوجات الإلكترونية، تمثل تقاربا في صناعة الملابس التقليدية والإلكترونيات المرنة، إذ إن هذا التتبع يخفض إلى أدنى حد، ويربط بين أجهزة الاستشعار، وأجهزة الاتصال اللاسلكية، ويستخدم هذه الملابس الفاسدة، ويحول كل يوم مع ارتفاع ضغط الدم إلى أشرطة.

السائقون خلف صعود الثياب المدمجة

وقد عجلت الضغوط العالمية على الرعاية الصحية الوقائية ورصد المرضى عن بعد من الاهتمام بالمستشعرات القابلة للارتداء، وكثيرا ما يعتمد قياس العلامات الحيوية التقليدية على الزيارات الدورية للعيادات، التي لا توفر سوى صور سريعة لصحة الشخص، وتملأ الملابس الذكية هذه الفجوة بتقديم بيانات مستمرة ومرنة في الوقت الحقيقي، ووفقا لاستعراض أجري في أجهزة الاستشعار ، تشمل معدلات نمو الطلب على الوقود غير المرئية(27).

أجهزة الاستشعار الأساسية وأهدافها الفيزيولوجية

وتتضمن الملابس الذكية الحديثة مجموعة من طرائق الاستشعار، كل منها مصمم لالتقاط علامة حيوية محددة أو قياس حركة.

معدل القلب والرياضي القلبي

كما أن أجهزة الاستشعار عن طريق ضربات القلب في الملابس الذكية تعتمد عادة على التصوير الضوئي أو التصوير الكهرومغناطيسي. وتستخدم هذه الأشعة الضوئية أو أجهزة التصوير الضوئي لقياس التغيرات في حجم الدم تحت الجلد، التي كثيرا ما تدمج في أغطية الصدر أو المعصمات. وتستخدم النظم القائمة على أساس التلقيم المغناطيسي الكهرومغناطيسي الاصطناعي الذي يربط الجلد لقياس النشاط الكهربائي للقلب.

معدل التنفس ونواة التنفس

ويمكن رصد الارتعاش في الملابس الذكية من خلال الرئويات أو أجهزة الاستشعار الممتدة، وتمر أجهزة الاستشعار عن طريق الإغماء بإشارة منخفضة السرعة عالية التردد بين كهرباء على الصدر؛ وتظهر التغييرات في التلقيح تغيرات في حجم الرئة، وبدلاً من ذلك، تستخدم أجهزة الكيمياء الخصبية النطاقات الجامدة أو أجهزة الاستشعار التي تعمل على تغيير الصبغة (20).

درجة الحرارة الجلدية والدرجة الحرارة الجسمية الأساسية

إن رصد درجات الحرارة المستمر أمر حاسم في الكشف عن الحمى أو نقص الحرارة أو العلامات المبكرة للإصابة، إذ أن أجهزة الأشعة المحتوية على مقياس حرارة من نوع ثينفيلم أو حرائق تحت الحمراء تُحْمَّل على النسيج، وتوضع بالقرب من الجلد، ولأن درجة حرارة الجلد يمكن أن تتأثر بالعوامل البيئية، فإن الإنذارات المتعددة المقاييس غالبا ما تجمع بين أجهزة الاستشعار المتعددة المقاييس لتقدير درجة الحرارة الأساسية.

ضغط الدم (طرق لا تطاق)

ويتطلب رصد ضغط الدم التقليدي الاكتفاء بالضغط، وهو أمر غير مريح للاستخدام المتكرر، ويقوم الباحثون في الملابس الذكية بوضع نهج لا تطاق تقدر بـاء من وقت عبور النبض أو سرعة موجة النبض، ويقاس هذا المقياس بدمج إشارات التعبئة من النبضات المضغوطة من خلال إحداث هامش زمني بين النشوء الكهربائي في القلب ووصول موقع النسيج المستمر.

Motion, Posture, and Gait Analysis

ويمكن أن يُوضع في ملابس لكشف الحركة، والأحداث الخريفية، والنشاط، أي وحدة واحدة من وحدات الرصد الدولي في المخزن، أن تصنف الجالس والوقوف والمشي والسير بحساسية عالية، كما أن الأزياء الأكثر تطوراً تستخدم وحدات متعددة موزعة من أجل إعادة بناء الكينات الدماغية، مما يتيح تحليل الأحذية خارج المختبر.

المواد والتقنيات الصنعية

ويتطلب إدماج الإلكترونيات في المنسوجات مواد مرنة وقابلة للتنفس وقابلة للغسل، وتشمل النهج المشتركة ما يلي:

• Conductive yarns and threads] made from silver-plated nylon, stainless steel, or carbon nanotubes. These are knitted or woven into the fabric to create circuit traces and sensor electrodes.
• Printed electronics] using conductive inks (e.g., silver nanoparticle or PEDOT:PSS) deposited directly on fabric via screen printing or inkjet printing. This enables high-resolution patterns at lower cost.
• Sandwich structures] where electronic components (microcontrollers, Bluetooth modules, bat) are attachedd in a removable, waterproof pocket, this allows the garment to be washed after removing the rigid parts.
• Washable encapsulation] using silicone or polyurethane coatings to protect electronic components from moisture and detergents. Standards such as ISO 6330 define washing cycles that e-textiles must survive for commercial viable.

تجهيز البيانات والاتصالات اللاسلكية

وتحتاج الإشارات الخام من أجهزة الاستشعار إلى التصفيق والتضخم والتحويل من جانب الملغمة إلى الشكل، وتحتوي معظم الملابس الذكية على ملوث صغير يعمل على تكييف الإشارات الأولية، وتنتقل البيانات المجهزة دون تليف إلى جهاز محمول أو خادم سحابي بلوتون منخفض الطاقة، أو زيغبي، أو اتصالات قصيرة الأجل للاستهلاك (NLEC).

وحالما تكون السحابة تستخدم الخوارزميات للتعلم الآلاتي لكشف الشذوذ، والاتجاهات المتجانسة، وتولد تنبيهات، فعلى سبيل المثال، قد يتعلم الخوارزمية وجود خط أساس معدل حرج المستخدم وانحرافات العلم التي تشير إلى حدوث الإصابة أو الإجهاد، ويجب معالجة أمن البيانات وخصوصيتها عن طريق التشفير، ودقة الكشف عن الهوية، والامتثال للوائح مثل خط الأنابيب المطبقي أو الناتج المحلي الإجمالي.

النطاقات الرئيسية للتطبيقات

إدارة الأمراض المزمنة

كما أن المرضى الذين يعانون من ارتفاع ضغط الدم أو إخفاق القلب أو مرض السكر يستفيدون من الرصد المستمر دون زيارات عيادة، ويمكن للملابس الذكية أن تتعقب اتجاهات ضغط الدم، وأن تكشف عن علامات مبكرة على الإيديما الرئوي عن طريق الإزدحام الهرموني، وأن ترصد غلوكوز الدم باستخدام أجهزة الاستشعار الضوئية القابلة للارتداء، كما أن دراسة تجريبية أجريت مؤخرا عن مرضى فشل القلب الذين يرتدون جهاز كشف مثبت بضوعهم أظهرت انخفاضا بنسبة 40 في المائة في المستشفيات.

الرياضة والخير

ويستخدم الرياضيون الاليون الملابس الذكية لرصد مناطق معدل ضربات القلب، وكفاءة التنفس، والنشاط العضلي، ويمكن لمستشعرات الارتداد التي تدمج في القمصان المضغوطة أن تتعقب شدة العضلات وترشد حمولات التدريب لمنع الإصابة، وبالإضافة إلى ذلك، يساعد تحليل الحركة على تحسين التقنيات في مجال الرياضة مثل السباحة أو الغولف، وقد أثبتت المنتجات الاستهلاكية مثل قميص هيكسكين وخط مختبرات الآثوس أن القياسات يمكن المقارنة يمكن أن توفر بالفعل.

الرعاية الصحية للمسنين وكشف الخسائر

فالأسباب هي السبب الرئيسي للإصابة بين كبار السن، ويمكن للملابس الذكية مع وحدات قياس الدخل ومستشعرات الضغط أن تكشف عن حدوث انخفاض في غضون ثواني وأن تحذر مقدمي الرعاية تلقائيا، كما أن الرصد المستمر لمعدلات القلب والتنفس يساعد أيضا على تحديد الظروف مثل الالتهابات البولية أو الالتهاب الرئوي، التي كثيرا ما تكون موجودة مع تغيرات طفيفة في العلامات الحيوية في المسنين، والارتباط غير المستقر بالملابس.

الصحة والسلامة المهنيتان

فالعاملون في بيئات عالية الضغط مثل مكافحة الحرائق أو التعدين أو البناء يمكن أن يرتدون ملابس محسسة لرصد الإجهاد الحراري ومعدل القلب والإجهاد، ويمكن أن تمنع التحذيرات في الوقت الحقيقي السكتة الحرارية أو الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإفراط في الإطفاء، وقد مولت البحرية الأمريكية بحوثاًاً في الزي الرسميات التجريبية التي تتعقب عن الحمل المعرفي عن طريق التهالي عن طريق التهاكليل عن طريق التقلب المعرفي عن طريق التقلبات المعرفي عن طريق التقلبات المعرفي عن طريق التقلبات المعرفية عن طريق التقلبات عن طريق التقلبية عن طريق التقلبية عن طريق التقلبات القلبية عن طريق التقلبية عن طريق التقلبية والتفاعل مع الجلدية عن طريق تحسين القدرة على الجلدية والضغط على الجلدية، بهدف تحسين سلامة المغناطيسية.

التحديات التي تواجه التغلب على التحديات

ورغم التقدم السريع، فإن عدة عقبات تحول دون اعتماد ملابس متكاملة مجهزة بالاستشعار على نطاق واسع.

دال - القابلية للاستمرار والقابلية للغسل

ويجب أن تتحمل المرائب دورات الغسيل المتكررة دون إزالة أو تآكل أو كسر آثار السلوك، وتستخدم التصميمات الحالية لأفضل الممارسات الإلكترونيات المكبدة في طوابق قابلة للاستبدال، ولكن واجهة النسيج والكهرباء لا تزال نقطة ضعف، إذ يجري تطوير موصلات جديدة للمناقصات وبوليمرات التعبئة الذاتية لتوسيع نطاق عمر المنتج.

الإمداد بالطاقة

وتضيف البطاريات وزناً وتتطلب إعادة شحنها، وتوجد بطاريات مرنة ذات كثافة طاقة، ولكنها لا تزال تحد من راحة الملابس، وتجمع النُهج الهجينة على بطارية صغيرة قابلة للشحن مع جني الطاقة من الحركة (الكهرباء أو الفلاحة) أو حرارة الجسم (الكهرباء) - على مسار واعد نحو الملابس الذكية ذات الطاقة الذاتية.

الحساسية والمعايرة

أما أجهزة الاستشعار المنسوجية فهي أكثر عرضة للحركة اليدوية، وتغييرات الضغط، وتقلبات الاتصال بالجلد من الأجهزة الطبية الصلبة، كما أن الخوارزميات المتقدمة لتجهيز الإشارات والمجسات الزائدة المتعددة تساعد على ذلك، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى معايرة الأجهزة التي تستخدم معايير الذهب من أجل القبول السريري، وتحتاج الهيئات التنظيمية مثل هيئة الأغذية والتجهيز إلى التحقق من صحة أي جهاز استشعار يزعم أنه يُستخدم في تشخيص الحالة الطبية.

خصوصية البيانات والأمن

والبيانات الصحية المستمرة حساسة للغاية، إذ يجب على صناع الملابس الذكية أن ينفذوا التشفير من النهاية، والتخزين السحابي الآمن، وسياسات تبادل البيانات الشفافة، وقد يؤدي خطر الإخلال بالبيانات أو الوصول غير المأذون به إلى تقويض الثقة وتباطؤ التبني.

التبني ورفوف

وقد يتردد المستعملون في ارتداء ملابس " التكنولوجيا المتقدمة " إذا شعروا بالثقة أو الثقيلة أو يتطلبون صيانة غير عادية، ويجب أن يعطي التصميم الأولوية للأجهزة التجميلية، وقابلية التنفس، وسهولة الاستخدام، وقد أظهرت التجارب السريرية أن التمسك يحسن عندما تكون الملابس غير قابلة للتفكك من الملابس العادية في النظر والشعور.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ويستكشف الباحثون الجيل القادم من المواد وبنى النظم التي ستدفع الملابس الذكية نحو الموثوقية من الدرجة السريرية.

الاستخبارات الفنية والتحليلات الجاهزة

ويمكن لرقائق الـ(إدج آي) أن تجهز بيانات الاستشعار مباشرة على الثياب، وتقليص الحماسة والحفاظ على الخصوصية عن طريق تجنب انتقال السحاب المستمر، ويمكن لنماذج التعلم الآلي عند التصعيد أن تكتشف الظواهر الرئوية أو التنبؤ بالمضبوطات أو تقدير غلوكوز الدم بشكل غير متفشي، حيث أن النماذج تصبح أكثر دقة، فإن الملابس الذكية يمكن أن تحذر المستعملين من التسبب في أحداث صحية تحول الرعاية الصحية من الارتداد إلى المبادرة.

المواد المتقدمة: غرافين، المعادن السائلة، والهيدروغلز

وتعطي أجهزة الاستشعار التي تستخدم الجرافين حساسية شديدة ومرونة وشفافية، ويمكن أن تمتد أجهزة الاستشعار التي تستخدم الفلزات السائلة (مثلاً، الصالة الدهونية) دون كسر الثياب التي تصغّل الجلد والتي تتفق مع الجسم، وتوفر هيدروغل الكهرود درجة عالية من الاتصال الجلدي وتخفض من القطع الأثرية، وقد ينتج الجمع بين هذه المواد أجهزة الاستشعار التي لا يمكن تصورها عملياً.

نظم تسخير الطاقة وتعبئة الطاقة الذاتية

ويمكن للألياف الفلزية التي تولد الكهرباء من الركود والتمدد أثناء الحركة أن تزيل البطاريات تماماً، وبالمثل، يمكن للأفلام الفلكية الحرارية أن تحول حرارة الجسم إلى مواه دقيقة من الطاقة، وعلى الرغم من انخفاض كثافة الطاقة الحالية، فإن تحسين الكفاءة المادية يمكن أن يدعم قريباً الاستشعار المستمر من الطاقة المنخفضة.

دمج الوثائق المتعلقة بالصحة الإلكترونية والإنترنت

ويمكن أن تُبث بيانات الملابس الذكية تلقائياً في سجل الصحة الإلكتروني للمريض، مما يمكّن العيادات من النظر إلى الاتجاهات إلى جانب نتائج المختبرات وقوائم الأدوية، ويجري اعتماد معايير التشغيل المشتركة مثل HL7 FHIR لتيسير هذا الإدماج، مما يجعل الملابس الذكية عنصراً لا يوصف في النظم الإيكولوجية الصحية الرقمية.

مسارات التنظيم والمبالغ المسددة

ولكي تدخل الملابس الذكية الرعاية الصحية الرئيسية، يجب على المصنعين الحصول على ترخيص تنظيمي (علامة المؤسسة الإنمائية الدولية، وعلامة CE) ورموز سداد التكاليف، ومن المرجح أن يستهدف المتبنون المبكرون ظروفا محددة بأدلة سريرية قوية، مثل رصد القلب للمرضى بعد الولادة، وقد يغطي المدفوعون التكاليف، مع تراكم الأدلة.

الطريق: من نيشي إلى نورم

إن إدماج أجهزة الاستشعار في الملابس الذكية لرصد العلامات الحيوية المستمر لم يعد خيال علمي، بل هو مجال سريع للزراعة مع نشرات العالم الحقيقي في المستشفيات والبيوت والرياضيين، وبينما تظل التحديات التقنية والعملية، فإن تقارب الإلكترونيات المرنة، والاتصالات اللاسلكية، والوعود الاستخبارية الاصطناعية لجعل الملابس المستشعرة - المتطورة كما هو الحال بالنسبة لأجهزة تعقب النسيج

For further reading, see the comprehensive review on e-textile sensors published in Sensors], an analysis from the World Health Organization on ]digital health standards, and a report on wearable medical devices by the