Исследователи из Японии разработали гибкий сенсорный пластырь, который может изменить здравоохранение, отслеживая и анализируя жизненно важные данные о здоровье прямо с поверхности кожи. Патч, разработанный командой Университета Хоккайдо, использует тип обработки, известный как «периферийные вычисления», который устраняет необходимость в облачной обработке данных. Это компактное и гибкое устройство может обнаруживать ранние признаки проблем со здоровьем, таких как аритмия, кашель, падения и даже тепловой стресс.

Современная эра мониторинга здоровья

Носимый мониторинг здоровья значительно продвинулся вперед: более полумиллиарда человек во всем мире носят такие вещи, как умные часы или фитнес-трекеры. Эти носимые устройства отслеживают такие параметры, как частота сердечных сокращений, шаги и режим сна. Но обычно они в значительной степени полагаются на облачные вычисления, где данные необходимо отправлять на удаленные серверы для обработки. Это приводит к задержке обратной связи и потенциальным рискам для конфиденциальности. Кроме того, обычные носимые устройства часто ограничиваются мониторингом ограниченного диапазона показателей, часто с сомнительной точностью.

Новый датчик использует другой подход, используя периферийные вычисления.

Периферийные вычисления — это подход к обработке, при котором данные анализируются локально, на устройстве, на котором они генерируются, или рядом с ним, а не отправляются на централизованный сервер или в облако для обработки. Например, в портативных медицинских технологиях периферийные вычисления позволяют таким устройствам, как «умные» патчи или часы, анализировать данные о здоровье непосредственно на устройстве или на ближайшем смартфоне. Такая локальная обработка сокращает время отклика, поскольку данным не приходится перемещаться далеко, и повышает конфиденциальность, сохраняя конфиденциальную информацию ближе к пользователю.

«Наша цель в этом исследовании заключалась в разработке мультимодального сенсорного патча, который мог бы обрабатывать и интерпретировать данные с использованием периферийных вычислений, а также обнаруживать ранние стадии заболеваний в повседневной жизни», — объясняет автор исследования профессор Кунихару Такей из Университета Хоккайдо.

Данные датчика передаются через Bluetooth на смартфон, где обрабатываются в режиме реального времени. Первоначальные испытания продемонстрировали его способность обнаруживать аномальные сердечные ритмы, кашель и даже падения — ключевые показатели, которые могут сигнализировать об основных проблемах со здоровьем. Успех этого устройства открывает двери для широкого спектра применений в личном мониторинге здоровья, особенно для раннего выявления заболеваний.

Прочная конструкция с усовершенствованными датчиками

Создание носимого сенсорного патча, который мог бы отслеживать несколько жизненно важных показателей без ущерба для комфорта и долговечности, является впечатляющим инженерным достижением.

По словам Такеи, в патче ZME Science интегрированы разные датчики, и каждый датчик использует разные материалы. Это означает, что вам придется иметь дело с различными температурами и химическими средами, в которых работают датчики, а затем сделать так, чтобы их можно было интегрировать в переносной гибкий пластырь.

«Из-за этого для интеграции различных датчиков нам необходимо тщательно продумать процесс изготовления. Кроме того, что немаловажно, разработка различных датчиков на гибкой пленке — это еще одна задача», — говорит исследователь.

Первоначально устройство было протестировано на трех добровольцах, которые носили пластырь на груди, в то время как датчики контролировали их жизненные показатели в различных условиях. Даже при воздействии высоких температур (например, во время жары) датчики могут обнаружить изменения в жизненно важных показателях. Это достижение, хотя и предварительное, показывает, что патч может помочь выявить заболевания на ранней стадии, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными.

«Отслеживая непрерывные жизненные изменения, мы, скорее всего, сможем обнаружить небольшие изменения, соответствующие началу заболевания, которые мы часто не можем почувствовать сами. Анализируя это небольшое изменение, мы полагаем, что сможем обнаружить болезнь на ранней стадии. Этот непрерывный и автоматический мониторинг жизненно важных функций очень важен для будущих областей медицины и здравоохранения», — объяснил исследователь в электронном письме.

Аппаратное и программное обеспечение

Помимо разработки физических датчиков, команда разработала алгоритм машинного обучения для обработки записанных данных. Благодаря этому они смогли выявить закономерности и аномалии в показаниях, что имеет решающее значение для выявления конкретных событий со здоровьем, таких как аритмия или внезапное падение.

Устройство может обнаруживать даже незначительные изменения, которые могут позволить пластырю идентифицировать такие заболевания, как респираторные инфекции, ранние сердечно-сосудистые проблемы или даже уровень стресса, прежде чем они станут симптомами.

В ходе дальнейших испытаний исследователи надеются выявить больше заболеваний и повысить точность устройства при раннем выявлении. «Нам нужны физиологические тесты с участием гораздо большей группы добровольцев — более 100 — чтобы подтвердить, что мы можем надежно выявлять заболевания на ранних стадиях или другие отклонения», — сказал Такей в интервью ZME Science, подчеркнув продолжающиеся усилия в области исследований и разработок.

Соавтор исследования, доцент Токийского университета Кохей Накадзима, подчеркнул ценность периферийных вычислений.

Обработка данных на самом устройстве, а не передача их на облачный сервер, дает двойное преимущество. Это сводит к минимуму задержку передачи данных, благодаря чему данные сенсорного патча получаются практически мгновенно, а также повышает конфиденциальность, сохраняя конфиденциальные данные о состоянии здоровья на устройстве пользователя. Однако модель машинного обучения по-прежнему требует начального обучения на компьютере. Эту проблему можно решить в будущих версиях с помощью более оптимизированной модели обработки данных, которая позволит выполнять все вычисления непосредственно на смартфоне.

Работаем с больницами

Исследовательская группа ставит амбициозные цели в отношении этой технологии. Они планируют расширить возможности обнаружения для мониторинга других заболеваний и повысить общую точность устройства. Для этого они сотрудничают с медицинскими работниками и учреждениями, стремясь адаптировать сенсорный пластырь к конкретным состояниям здоровья.

«В настоящее время мы работаем с врачами и больницами над изучением возможности мониторинга ряда симптомов», — пояснил Такей. Хотя подробности пока не разглашаются, команда сосредоточена на заболеваниях, которые потенциально можно диагностировать на ранней стадии посредством постоянного мониторинга жизнедеятельности.

Еще одним потенциальным обновлением устройства является более удобный интерфейс и система. Поскольку для обработки данных и оповещений патч использует смартфон, хорошо продуманный интерфейс приложения может еще больше упростить работу, упрощая пользователям понимание данных о своем здоровье и реагирование на любые аномалии. Это может быть особенно полезно для пожилых или менее технически подкованных пользователей, которые могут получить наибольшую пользу от мониторинга состояния патча в реальном времени.

На данный момент исследователи сосредоточены на расширении своих наборов данных, тестировании патча в различных реальных условиях и совершенствовании своих моделей машинного обучения. Они надеются, что после более масштабного тестирования сенсорный пластырь в конечном итоге достигнет точки, когда его можно будет использовать в обычных медицинских учреждениях или даже в качестве личного инструмента мониторинга здоровья дома.

Ссылка в журнале: Анализ данных о личном здравоохранении в режиме реального времени с использованием периферийных вычислений для мультимодальных носимых датчиков. 10.1016/j.device.2024.100597