מכשירים בעלי יכולת עצמית למעקב אחר בריאות המטופל

עלייתו של ניטור בריאותי-אנרגיה-אונקום

טכנולוגיה עוטה שינתה באופן יסודי את האופן שבו מטפלים ומטופלים ניגשים לטיפול מונע, ניהול מחלות כרוניות ושיקום.אבל מגבלה מתמשכת אחת נותרה: הצורך בסוללות הדורשות התחדשות תכופה או החלפתן.מכשירים בעלי עוצמה עצמית עונים על צוואר הבקבוק הזה על ידי קצירת אנרגיה ישירות מהגוף האנושי או הסביבה הסובבת את הסביבה, המאפשרות הפעלה רציפה, ללא תחזוקה.

על ידי חיסול התלות על מקורות כוח חיצוני, עונדים מונעים את עצמם לא רק להפחית את אי הנוחות אלא גם לפתוח את הדלת ליישומים חדשים במעקב מרחוק, מערכות התראה מוקדמות, ורפואה אישית. מאמר זה חוקר את עקרונות ההנדסה, יישומים קליניים, וכיוונים עתידיים של אלה ניטור בריאותי אוטונומי באנרגיה.

כיצד אנרגיה מבוססת-עצמית

החדשנות הבסיסית מאחורי עונדים מופעלים על ידי עצמי טמונה ביכולת שלהם להמיר אנרגיה הסביבה או ביולוגית לכוח חשמלי הניתן להשגה.בניגוד למכשירים קונבנציונליים הנשען על סוללות ליתיום או על supercapacitors, מערכות אלה מעסיקות טרנסדוקנטים המנצלים תופעות טבעיות.שלוש המנגנונים המסיקים העיקריים הם משככי כאבים, תרמואלקטריות וטריות, כל אחד מתאים למקומות ספציפיים ופרופילי גוף ותנועות.

▪ אנרגיה חשמלית קצירת

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי כאשר חומרים מכניים deformed. in Wearable מכשירים, עיוות זה יכול לבוא הליכה, נשימה, או אפילו את הלמות של הלב. חומרים נפוצים כוללים zirconate titanate titanate titanate (PZT), פוליוינילidene פלואוריד (PVDF), וננוwires חד-חמצני של אבץ יש סיבים אדזואלקטריים בדפוס, ברקמות, ברקמות, בחזה, וקטים, למשל, כדי ללכוד אנרגיה נמוכה, או לנפיחות, למשל, לנפיחות של לחץ דם נמוך.

ההתקדמות האחרונה בתרכובות אדזואלקטריות גמישות מאפשרות גנרטורים אלה להשתלב בכתמים רכים, תואמים לדבוק בעור מבלי לגרום לאי נוחות.TheFLT:0ACS Applied Materials & InterfacesFLT:1 דיווח על תיקון אדזואלקטרי נשימה אשר מאלץ לפקח גלוקוז מתמשך באמצעות רק את הזנים המכניים מתנועות הזרוע.

אנרגיה מתחדשת

גנרטורים ה-Surmoelectric (TEGs) מנצלים את אפקט ה-Seebeck, ומייצרים מתח מטמפרטורה בין העור ( ⁇ 32-37°C) ואוויר מתפתל. בעוד ה ⁇ הוא קטן – לעתים רק כמה מעלות - חומרים תרמואלקטריים כגון bismuth Telluride ומוליכים למחצה אורגניים גמישים עדיין יכולים לקציר מספיק כוח (עשרות עד מאות מיקרו-וואט) לחיישנים נמוכים, כי הם בעלי גוף רגיל.

Newer מודפס סרטי thermoelectric, שנבנה מתרכובות פחמן ננו-tube, ניתן להדפיס על בד, מה שהופך את TEG מבוסס על לבישים כמעט בלתי ניתן להבחין בין בגדים רגילים.מחקר בFLT:0 דוחות מדעיים טבע מובנים FLT:1 הראה מסיקת thermoelectric מבוססת טקסטיל אשר הפעילה אלקטרוקרדיוגרם (G) ברציפות במשך יותר מ-48 שעות ללא תשלום חיצוני.

אנרגיה טריבואלקטרית אנרגיה קציר

ננוגני חמצון טריבואלקטריים (TENG) מייצרים חשמל באמצעות מגע והפרדה של שני חומרים שונים - תופעה המכונה אפקט טריבואלקטרי בשילוב עם אינדוקציה אלקטרוסטטית.כאשר שני חומרים משפשף יחד (למשל, עור וסיליקון, או ניילון ו-PTFE), העברות פני השטח, וכן, הבדל פוטנציאלי מניע זרם דרך מעגל חיצוני.

ניתן לזעום בחגורתות, כפפות או גרביים, וכמה עיצובים משלבים כעת משטחים מיקרו-מבנים כדי לשפר את הדור המטען. צפיפות הכוח הפלט יכולה להגיע למספר מילימטרים לסנטימטר מרובע מתחת לתנועת גוף רגילה, מספיק כדי להפעיל צג קצב לב Bluetooth-מחדש שפורסם בו-זמנית ב-FLT:0 JouleFalph:1LT מתאר לעצמו-healsulstosivestostostostostosto-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in's כדי לצרף-in's כדי לצרף חיתוך-in's-in's-in's-in's-in's-in's-in's-in's-in's-in's ניטור של מעקב אחר , אשר מאפשר מעקב אחר , אשר מאפשר מעקב אחר , אשר מאפשר ניטור של קצב לב חיתוך של שיער, אשר מאפשר ניטור סוללות, אשר מאפשר ניטור סוללות, ללא סוללת הלב של כל , ו-Bots-Bots-Botphts-Botnchtphtphtphtphts-inten

אתגרים מרכזיים ושילוב

בעוד איסוף אנרגיה הוא התכונה הכותרת, כיולים מופעלים על ידי עצמי דורשים גם אלקטרוניקה אולטרה-נמוך, מעגלים יעילים לניהול חשמל, ואריזות גמישות, ביו-איות.מערכת המשנה הזו חייבת להיות מונדסת כיחידה קוהרסיבית כדי להבטיח הפעלה אמינה בתנאים של העולם האמיתי.

ניהול חשמל ואחסון

אנרגיה מנוסחת לעתים קרובות לסירוגין ולא מספקת לתפעול ישיר של חיישנים, מיקרובקרים, ו transceivers אלחוטי. לכן, יחידת ניהול כוח (PMU) רצף, מווסת, ומאחסן את החשמל שנוצר ב-bu קטן - באופן זמני סוללה דק-סרט או supercapacitor. PMUs המודרנית להשתמש בנקודת כוח מקסימלית (MPPT) כדי להתאים את העומס שנוצר ב-העומס האפשרי, ממתכת יעילה, חייב להיות מסוגל לשמור על פני השטח של אנרגיה גמישה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מסוגל, 000 מסוגל, 000, 000, 000 מסוגל לשמור על ידי אחסון יעיל יותר, 000 מסוגל, 000 מסוגל, 000.

Ultra-Low-Power Electronics

כדי לשמור על המערכת הכוללת קיימא, כל רכיב אלקטרוני חייב לצרוך כוח מינימלי.לשלבים משולבים ספציפיים יישומים (ASICs) המיועד ניטור בריאות עכשיו לצייר פחות מ 1 מיקרו-W במצב שינה ורק כמה מיקרו-וואט במהלך חישה פעילה ומשלוח. לדוגמה, אולטרה-עוצמה אנלוגי-חזית-חזית-חזית-חזית-חזית-חזית-ה-חזית-קדמית עבור ECG יכול לפעול מתחת ל-500 NW, ו-Bluetooth Energy (BLE) יכול לשלוח נתונים במתחמיחזור נמוך ב-micro-micro-co-Val-micro.

גמישות וגמישות מכנית

מכשירים לבישים נשארים במגע עם העור לתקופות ארוכות חייבים להשתמש בחומרים שאינם גורמים לגירוי או לתגובות אלרגיות. סיליקון ברמה רפואית, פוליאורטן, הידרוגלס נפוצים, אבל הם חייבים גם להכיל את הלחץ המכאני של חיי היומיום - החלף, מתיחה, ו הכביסה.התקדמות באלקטרוניקה מתוחה, כגון עקבות מתכת בצורת נחשין וחיבורי נוזל, אפשרו ל-עצמית למתחים ללא התאמות חשמליות.

יישומים קליניים בכל בריאות

עונדים מופעלים על ידי עצמם נעים מעבר לאפרו-טיפוס ולהגדרות קליניות בעולם האמיתי.היכולת שלהם לפעול ללא שינוי סוללה הופכת אותם אידיאליים למעקב אחר חולים עם תנאים כרוניים, שיקום לאחר ניתוחי, או אלה החיים באזורים מרוחקים עם גישה מוגבלת לתשתיות כוח.

ניטור Cardiovascular

קצב לב מתמשך ו- ECG ניטור חיוני לזיהוי של arrhythmias, Ischemia, וסימנים מוקדמים של כשל לב. כתמים עצמי מופעל חזה ופרקים עכשיו לספק ניטור אמפירי במשך שבועות בזמן. היעדר סוללות מאפשר דק יותר, עיצובים נוחים יותר כי חולים מוכנים יותר ללבוש. כמה מערכות משלבות משככי כאבים וטריפוק חשמלי כדי ללכוד אנרגיה הן מהתפשטות החזה והן גוף, אפילו מבטיח דיוק סטנדרטי זה יכול להיות מסוגל לזהות את זה.

ניטור גלוקוז מתמשך (CGM) לסוכרת

מטופלים דיאביטיים דורשים קריאה תכופה של גלוקוז כדי לנהל אינסולין ותזונה. CGMs המסורתית מסתמכים על סוללות חד פעמיות שיש להחליף כל 7-14 ימים, יצירת פסולת ואי נוחות.חיישנים הגלוקוז המופעלים על ידי עצמי, לעתים קרובות באמצעות זיהוי האנזיומטי או לא נזימטי, ניתן לשלב עם חיישנים תלת-חמצני או תרמוגני, לדוגמה, תיקון גמיש כי קציר אנרגיה מהציפורן של האצבע, הוכח לאחרונה ל-מסוג של גרוטציה של גרוטאלית, ו-F כבר כמה ימים לאחר מכן, ו-מסוגים של ה-מסוגים, ו-מספקיתנים, כמו גם כן, ו-מסוגים של ה-מספקיתנים של ה-מסוגים של ה-מסוגל-מסוג של ה-מספקטמיים של ה-מספקטומטיים של ה-מספקטומטיים של ה-מספקטומטיים של ה-מספקיתים של ה-מסוג של ה-מספקט.

שיקום וטיפול גופני

עבור חולים להתאושש משבץ, ניתוח משותף, או פציעות musculoskeletal, טווח ניטור של תנועה, gait סימטריה, ותפקוד שרירים הוא קריטי.יחידות מדידה מונעת עצמית (IMUs) וחיישנים מתוחים המחוברים לגפיים יכולים להעביר נתונים לחוונים של מטפל מבלי לדרוש חיישנים טמבוימים בברך או נעלים לא רק מאנרגיה כפולה של הליכה ולהפחית את המורכבות של כוח תגובה עצמית.

מבוגרים זהירות וגילוי

מבוגרים לעתים קרובות מתקשים לזכור לטעון כי ללבוש, מה שהופך את המכשירים מופעלים על ידי עצמי במיוחד מערכות זיהוי Fall המשלבות accelerometers וgyroscopes יכול לפעול ללא הגבלת זמן באמצעות אנרגיה הליכה או פשוט מחום הגוף. כאשר בסתיו הוא מזוהה, המכשיר יכול לשלוח התראה למטפלים או שירות חירום. אבות טיפוס מוקדם של גלאי גלאוט המופעלים על ידי תרמואלקטרי הוכח לרוץ ברציפות במשך שישה חודשים.

שיקולים ניהול נתונים ואבטחה

ניטור רציף, ללא סוללה מייצר כמויות עצומות של נתונים אישיים שיש להעביר, מאוחסן, וניתח בבטחה.מרבית בעלי יכולת השימוש בלחיות המונעות על ידי שימוש ב-BLE או ליד שדה תקשורת (NFC) כדי להוריד נתונים לסמארטפון או למכשיר שער, אשר לאחר מכן מעלה אותו לרקורד בריאות אלקטרוני מבוסס ענן.האנרגיה הנצרכים על ידי שידור אלחוטי לעתים קרובות שולטת של תקציב הכוח, נתונים יעילים והודעות חכמות הם תזמון קריטי.

מבחינה ביטחונית, הטבע המתמשך של ניטור עצמי מעורר חששות פרטיות.יש ליישם הצפנה של נתונים הן ברמת החיישן והן ברמת השידור, באופן אידיאלי באמצעות אלגוריתמים קריפטוגרפיים קלים שאינם מרוקנים את האנרגיה המנוסחת.בנוסף, מסגרות רגולטוריות כגון HIPAA בארצות הברית והן ב-GDPR באירופה דורשות שהנתונים החולה יהיו אנונימיים וכי משתמשים שומרים על האופן שבו הנתונים שלהם משותפים.

גישות blockchain ו- קצה-הכיבוי נחקרות כדי להנגיש את אחסון הנתונים הבריאותיים ולתת לחולים בעלות על זרמי הבריאות שלהם.בעוד עדיין nascent, טכנולוגיות אלה יכולות להפחית את הסיכון של פריצות נתונים ריכוזיות תוך הבטחת כי כי עונדים מופעלים על ידי עצמם נשארים עמידים בפני טמפר וביקורתיים.

כיוונים עתידיים: חומרים, בינה מלאכותית, וקיימות

תחום של עונדים מופעלים על ידי עצמי מתפתח במהירות, מונע על ידי פריצות דרך במדעי החומרים, בינה מלאכותית ועיצוב בר קיימא. הדור הבא של מכשירים יהיה יעיל יותר, מלא ביו-דידנטי, ומסוגל ניתוח בריאות בזמן אמת ללא התערבות אנושית.

חומרים מתקדמים וקצירים היברידיים

חוקרים מפתחים קצירי אנרגיה היברידיים המשלבים שני מנגנונים או יותר – לדוגמה, כתם יחיד שלוכד את חום הגוף (אתרמואלקטרי) ותנועת זרוע (piezoelectric) היברידיות כאלה יכולים לספק 10 פעמים יותר כוח מאשר מציר יחיד, המאפשר את פעולתם של חיישנים תובעניים יותר כמו photoplethysmography (PPG) למדידת חמצן בדם. 2D, כולל חומרים מלוטשים ו- mstraene נמוך תכונות ממותרפיות, ומדפסים, 000, 000, להראות חניכיים נמוך.

אינטליגנציה מלאכותית ב- Edge

הבאת למידת מכונה ישירות על המכשיר התלבש (AI) הוא מבטיח במיוחד עבור מערכות המופעלות על ידי עצמי כי זה להפחית את הצורך שידור אלחוטי מתמשך, חיסכון אנרגיה. a נמוך כוח עצבי מאיץ רשת יכול לנתח את גלפורות ECG על device כדי לזהות arrhythmias, רק לשלוח התראה כאשר anomaly נמצא. זה "אפילו מונע" גישה צריכת חשמל זעירה עדיין מטבולית של שבבים.

אלקטרוניקה חדשנית ואלקטרוניקה

ככל שמספר המכשירים העצומים גדל, פסולת אלקטרונית הופכת לדאגה. אלקטרוניקה טראנס-קלינטית – התאמות שנועדו להתמוסס פיזית לאחר תקופה מוגדרת – מעבר לפתרון עבור תרחישים ניטור יחיד או לטווח קצר (למשל, לאחר התאוששות לאחר הניתוח) חיישנים ביו-מרוסים המופעלים על ידי משי, צלולוז, וספק לקצור אנרגיה מתנועות גוף ולאחר מכן לא מזיקות בסביבה או בגישה זו היא יעילה במיוחד עבור טיפול תרופתי.

אתגרים לאימוץ נרחב

למרות התקדמות יוצאת דופן, עונדים מופעלים על ידי עצמי עומדים בפני כמה מכשולים לפני שהם הופכים למכשירים רפואיים מרכזיים.המשמעותיים ביותר היא ספיקת אנרגיה: רוב הקצירים יכולים רק לייצר מיקרו-וואט, בעוד שרמת טיפול רפואית טיפוסית עם טלמטריות אלחוטיות מתמשכת דורשת מ"טאטים" (Ridging) שללפרקים יעילים יותר, רדיו-כוח נמוך יותר, או היברידית עם תשואה אלקטרונית לטווח ארוך של אלפי חומרים גמישים.

אישור רגולטורי מוסיף שכבה נוספת של מורכבות.המנהל האמריקאי למזון ותרופות (FDA) וגופים מקבילים באזורים אחרים דורשים בדיקות קפדניות לבטיחות, יעילות ודיוק נתונים. מכשירים המופעלים על ידי עצמי, כי כפולים כמו צגים רפואיים חייבים לעמוד באותם סטנדרטים כמו מקבילים מופעלים סוללות, אך רכיבי איסוף האנרגיה שלהם מציגים מצבי כישלונות נוספים (למשל, אספקת חשמל מחוספסת).

לבסוף, קבלת משתמשים ממלאת תפקיד קריטי.מטופלים חייבים להאמין כי מכשיר שמעולם לא צריך לטעון הוא אמין וכי נתוני הבריאות שלהם מאובטחים.ספקי הבריאות שלהם זקוקים לראיות ברורות כי ניטור עצמי משפר את התוצאות ומפחית עלויות.

מסקנה: מערכת בריאות עצמית

מכשירים בעלי יכולת עוטה עצמית מייצגים שינוי פרדיגמה ב ניטור בריאות המטופל.על ידי קצירת אנרגיה מהגוף והסביבה, הם מסירים את התחזוקה המסורתית של סוללות סופיות, המאפשרות טיפול מתמשך, לא פולשני, ובטיחות נמוכה.מ ניטור לב וכלי דם ועד לגילוי ושיקום, היישומים הקליניים הם רחבים וצומחים.

חידושים ב- ⁇ electric, thermoelectric ו- triboelectric קצירים - בשילוב עם אולטרה-עוצמה אלקטרוניקה, חומרים גמישים, ו-Device מלאכותי אינטליגנציה - מביאים אותנו קרוב יותר לעתיד שבו תנאים כרוניים מנוהלים בצורה חלקה וחריף אירועים צפויים לפני שהם מתרחשים.בזמן אתגרים בדחיסות אנרגיה, עמידות, עלות, ותקנה, המסלול הוא ברור: הגבול הבא של הבריאות כבר לא מופעל על ידי חולים דמויי.