IoT : התקנים לבישים בשירות הבריאות

מטופלים שסובלים ממחלות כרוניות מסתמכים על בקרת טיפול מדויקת וזקוקים למעקב 24/7 אחר הפרמטרים הביומטריים שלהם. התקנים רפואיים ניידים, שמחוברים דרך ספקי שירות לבתי חולים, יאפשרו לרופאים להבטיח בצורה טובה יותר את ביצוע המעקב והבקרה אחר פרמטרים של מטופל השוהה בביתו וטיפולים שהוא יקבל, על ידי זיהוי שינויים בנתונים הנאספים דרך מערכות חישה/קצה הנמצאות בבית המטופל. מרגע שמטופל מאובחן כסובל ממחלה ניוונית כרונית, הסיכויים שלו לחוות סיבוך חמור קשורים ישירות למידה שבה הטיפול שהוא מקבל יהיה מבוקר. מחלה ניוונית כרונית, כשמה כן היא, כרונית, מפני שאינה ניתנת לריפוי. המטופל ייאלץ לחיות עם מצבו הכרוני, וחשוב לציין שמצבים כרוניים, בסופו של דבר, הם ניווניים, מפני שהם נוטים להחמיר עם הזמן. בנוסף, מפני שלא קיים ריפוי למחלה כרונית, גוף האדם מסתגל במידה מסוימת לטיפול הפרמקולוגי לאורך זמן, ועלולות להופיע תופעות של ירידה במידת התגובתיות (תופעות טכיפילקטיות). ירידה במידת התגובתיות היא סיבולת שהגוף מטפח כלפי תרופות, אשר בה הגוף הופך להיות מורגל לתרופה המשמשת באופן חוזר ונשנה, ומינון גדול יותר נדרש בכל פעם עד אשר בסופו של דבר עלולה לא להיות תגובה לתרופה בכלל. לעתים, ייתכן שיהיה צורך בטיפול פרמקולוגי במינון כפול או משולש מזה שהיה ניתן בעבר, רק כדי לקבל אותה השפעה בריאותית. לכן, ניטור אמין אחרי המידה שבה התרופה עוזרת למטופל, הוא קריטי. ועם זאת, לא נוכל לצפות מרופאים לראות את המטופלים פעמיים או שלוש פעמים ביום רק כדי למדוד תוצאות של בדיקות או לסקור את הסימנים החיוניים של המטופל. בדרך כלל, ביקור אחד בחודש אצל הרופא ייחשב למצב תקין. בנוסף, גם להזדקנות הגוף יש חלק חשוב, מאחר שהזדקנות רגילה מצמצמת את יכולת התפקוד של אברי הגוף במהלך הזמן. כפי שניתן לשער, המצב של המטופל לא ישתפר עם הזמן, וחוסר ציות והקפדה לטיפול עלולים לזרז סיבוכים.

האינטרנט של הדברים עבור שירותי הבריאות

בעודנו נכנסים לעידן ‘האינטרנט של הדברים’ (IoT), מחשבים חכמים נמצאים באינטראקציה ויוצרים תקשורת עם מחשבים אחרים, אובייקטים, סביבות ותשתיות, מפיקים כמויות גדולות של נתונים ומעבדים את הנתונים האלו לפעולות מועילות, כשהם הופכים בכך את חייהם של בני האדם להרבה יותר קלים. ה-IoT יהיה המפתח שיאפשר לאנשים לקבל שירותי בריאות מניעתיים ופתרונות לבקרת מחלות, באמצעות נקודות חישה/קצה שמורכבות מחיישנים, מיקרובקרים, מיקרו מעבדים, ומקורות של קישוריות ואנרגיה, שמתחברים אל Gateways של ה-IoT, (אשר מחוברים לענן ולמרכזי נתונים) דרך ספקי שירות.

התקנים רפואיים יכולים באופן אוטומטי לעקוב אחר הסימנים החיוניים של המטופל וההקפדה על הטיפול. לדוגמה, מדבקות רפואיות ושעוני ענידה לפעילות ספורטיבית יכולים לאסוף מידע מהמטופלים. מדידה של הנתונים מבלי שיישלחו לאנשים המתאימים, אינה אלא בזבוז זמן וכסף. ואולם, אם פרמטרים מסוימים יעברו מעל או מתחת לערכי סף שבנורמה, הודעה דרך Gateways חכמים אמורה לזהות אם המידע הוא דבר מה ראוי לשידור או שמא מתאים לאחסון עד לדיווח עתידי. ערכים מסוימים יכולים להיות בבחינת סכנת חיים, אחרים יכולים להיות חשובים להעברה מיידית לספקי שירותי הבריאות, וערכים אחרים יכולים להעיד על יעילותה של תרופה מסוימת שניתנת למטופל.

לספקי השירות יש תפקיד חשוב בהשלמת התמונה הזו: אם זוהו נתונים מחוץ לטווח, אפשר לשדר אותם עם ההיסטוריה הרפואית של המטופל לרופא שנמצא במיקום מרוחק או אל שירותי חירום של בית חולים.

קיימים תכנונים לייחוס של ®Freescale עבור כל מרכיבי ה-IoT החל מנקודת חישה/קצה ועד לעיבוד מקבילי בענן. תכנוני הייחוס מבוססים על חיישני , ARM® Cortex®-M4, וארכיטקטורת מעבדים מרובי ליבות.

נקודת חישה/קצה

רוב נקודות הקצה (edge node) של ה-IoT מורכבות מחיישנים, מעבד משובץ (בדרך כלל יחידת מיקרובקר – MCU), יחידת קישוריות ומקור אנרגיה. יחידות קצה אנלוגיות (Analog Front Ends – ) הן הממשק העיקרי בין המטופל ליחידות העיבוד.

על מנת להוריד מעל המטופל את המעמסה הכרוכה בהבנה של איך, מתי וכמה מדידות יש לערוך, הוכנס השימוש בהתקנים לבישים (wearables), אשר עונים באופן אוטומטי על הבעיות האלו. רבים מההתקנים האלו קיימים בצורה של טבעות, שעונים, מדבקות ועוד צורות גיאומטריות, שאינן דורשות כל הגדרת משתמש, ולכן אורך חיי סוללה וביצועים בהספק נמוך מהווים חלק חיוני של התכנון.

עבור רוב המחלות הניווניות הכרוניות הנפוצות יש לערוך מדידות של הפרמטרים הבאים:

עבור מטופלים עם יתר לחץ דם עיקרי ומשני:

1. לחץ דם –

לחץ עורקי סיסטולי, דיאסטולי וממוצע, וקצב לב. במכשירי המדידה הקיימים יש צורך בחלק השרוולית, שהופך את הניטור במצב רציף לבלתי מעשי. מצב המדידה האוסצילומטרי (מצב שבו נעשית מדידה של הדופק העורקי) שבו משתמשים, נוטה לשגיאות הקשורות בתנועה של המטופל. טכנולוגיות חדשות נלמדות כיום עבור מכשירי מדידה קטנים ללא שרווליות, כגון פוטו-פלטיסמוגרף (מכשיר למדידת שינויים בנפח הגוף הבאים לידי ביטוי בשינויים בכמות הדם – PPG) לביש עם חיישן גובה.

עבור מטופלים עם סוכרת סוג 1 וסוג 2 וסוכרת היריון:

2. סוכר בדם –

מדידת הסוכר בדם תלויה במטופל, עד כמה הוא מקפיד על הטיפול, עד כמה מצבו נמצא תחת שליטה, או בצרכים מיוחדים שנדרשים לטיפול פרמקולוגי, בהערכה נוכחית או בהתאמות רציפות/סדירות שנדרשות רק כמה פעמים ביום. בשוק קיימות טכנולוגיות לניטור רציף של סוכר בדם.

עבור מטופלים עם פתלוגיות קרדיו-וסקולריות:

3. אלקטרוקרדיוגרפיה –

רישום פעולת הלב:   המדידה הנפוצה ביותר נעשית בעזרת בדיקת א.ק.ג. עם מוליך אחד, שלה נדרשות שתי אלקטרודות עיקריות, על מנת ליצור את ההפרש בין האלקטרודה המוליכה והאלקטרודה לייחוס. בנוסף, רווח השימוש באלקטרודה זו, כדי לקבל משוב על הרעש ולבטל אותות רעש פוטנציאליים. כיום קיימות בשוק מדבקות א.ק.ג. לבישות, שמתאפשרות בזכות טכנולוגיות של Freescale. מדבקה זו מקבלת את האות כתוצאה משילוב של אלקטרודות בהתקן עם אנטנת רדיו אלחוטית. התקנים נוספים אחרים, כגון חיישנים לבדיקת קצב לב בצורת טבעת, נמצאים בפיתוח.

עבור מטופלים שסובלים מכל סוג של מחלת ריאות חסימתית כגון מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD), אסטמה, סרטן ריאות או מחלות המטולוגיות (מחלות דם) מסוימות:

4. מדידת דופק בבדיקת אוקסימטריה – מדידת החמצן בהמוגלובין –

זוג דיודות משמש לקבלת רמות של רוויית החמצן (סטורציה) החלקית דרך נוסחאות לוגריתמיות, שבעזרתן אפשר לקבל גם תוצאות של בדיקת PPG.

מיקרובקרים ומיקרו מעבדים

לאחר שאספנו את הנתונים מהחיישנים על מנת לערוך כמה חישובים אלגוריתמיים בסיסיים, זיהינו ערכי סף וביצענו ניתוח נתונים פשוט, עלינו לנהל את הנתונים. הליך זה כרוך במדידה ובשידור הנתונים בדיוק גבוה ובאופן מיידי, כך שמערכת הניהול תוכל להעביר את המידע אל ספק שירותי הבריאות המתאים. ביצועים בהספק נמוך מהווים דרישה, מפני שכל ההתקנים האלו בדרך כלל מופעלים בעזרת סוללה. בנוסף, יש צורך בהצפנה של הנתונים מאחר שההתקן שמפיק את הנתונים משדר מידע, ולנתוני המטופל יש צורך בדרגה מינימלית של אבטחה בזמן שהם משודרים, בייחוד דרך המדיה האלחוטית.

המיקרובקרים (MCU) ממשפחת ®Kinetis של Freescale מבוססים על Cortex-M4 או על Cortex-M0+. המיקרובקרים ממשפחת ARM הוכיחו ביצועי הספק ויכולות זיכרון טובים יותר בהשוואה לארכיטקטורות אחרות של מיקרובקרים, וכן יש להם תמיכה בתשתית רחבה של כלים בשוק.

עבור יישומים שלהם יש צורך בהקטנת מספר הרכיבים האנלוגיים החיצוניים ובשילוב עם מנוע מדידה רב עוצמה, אנו ממליצים על מיקרובקרים מהסדרה Kinetis K של Freescale בעלי התכונות הבאות:

(DSP/FPU)

אות מעורב בדיוק גבוה, טכנולוגיית FlexMemory (אמולציית EEPROM מובנית בזכרון), ממשק אדם מכונה (HMI), קישוריות ואבטחה

50-180, , 32-256 פינים

ראוי לציין במיוחד את יחידת המיקרובקר Kinetis K50 המשלבת מנוע מדידה אנלוגי, המתבסס על מגברי שרת ומגברי תמסורת התנגדות (trans-impedance) משולבים עם מודולי ממירים ADC ו-DAC ברזולוציה גבוהה.

המשפחה מאופיינת גם ברשת

IEEE® 1588 Ethernet ובהצפנה בחומרה, חיבור USB 2.0 OTG שפועל במהירות מלאה עם יכולת זיהוי טעינת התקן ועם בקר גמיש של תצוגת מקטעי LCD בהספק נמוך, עם תמיכה עבור עד 320 מקטעים. רכיב ה-K50 הינו מוצר בעל יעילות אנרגטית גבוהה.

אם נדרשים ביצועי הספק נמוך, מומלץ להשתמש בסדרה Kinetis L. סדרת Kinetis L משלבת נצילות אנרגיה וקלות שימוש במעבד Cortex-M0+ עם הביצועים, מערכי התקנים היקפיים, יכולת ואפשרות שדרוג של יחידות מיקרובקרים בתיק המוצרים Kinetis 32-bit.

יחידות המיקרובקרים מסדרת Kinetis L משפרות את המגבלות העומדות בפני יחידות המיקרובקרים הפועלים ב-bit

ו-bit, על ידי שילוב של זרמים דינמיים וזרמי מצב חסכון יוצאים מן הכלל, עם ביצועי עיבוד מעולים, מבחר רחב של אפשרויות זיכרון הבזק (Flash) על השבב ואפשרויות נרחבות של התקנים היקפיים אנלוגיים לקישוריות ולממשק אדם מכונה (HMI).

יחידות המיקרובקרים מסדרת Kinetis L גם תואמות חומרה ותוכנה של סדרת Kinetis K המבוססת על Cortex-M4, ובכך מספקות נתיב שדרוג, למען שילוב של ביצועים, זיכרון ותכונות נוספות.

Gateway של ה-IoT עם מיקרובקרים

ה-Gateways של ה-IoT יורידו חלק ניכר מעומס הפונקציונליות של מרכז הנתונים, ויספקו את השירותים באופן מקומי, לא רק קבלת החלטות פשוטות עבור נקודות חישה/קצה הקשורות אליהם, אלא גם יבצעו ניתוחים מקומיים של נתונים בהיקף גדול (big data), ויעבירו את הנתונים הלאה לענן, רק אם יידרש. ה-Gateways יכולים גם לשלוח החוצה נתוני-על (Meta Data). יהיה להם הרבה זיכרון, וכתלות בדרישות זמן-אמת של המערכת הם יצטרכו להשתמש במערכות הפעלה רגילות או במערכות הפעלה לזמן אמת (RTOS).

מיקרו מעבדים, כמו אלו מסדרת

(®i.MX) של Freescale מספקים פתרון מצוין עבור Gateway שצריך לתמוך בתצוגת מסך מגע לממשק אדם מכונה, להפעיל את מערכת ההפעלה

ואת הפרוטוקולים לרישות (networking)

כגון ®IPv6, 3G, Wi-Fi ופרוטוקולי תקשורת אלחוטית אחרים, ולספק ביצועי מחשוב נרחבים.

הסדרה i.MX6 של מעבדי יישומים היא פלטפורמת ריבוי הליבות הראשונה בתעשייה שבאמת ניתנת לשדרוג וכוללת משפחות של ליבה יחידה, ליבה כפולה וארבע ליבות, שמבוססת על ארכיטקטורת Cortex-A9. תאימות פינים בין ארבע מבין המשפחות, משמעה שאפשר למנף את השקעת הלקוח באחת הפלטפורמות ולהשתמש בה שוב על פני קווי מוצר מרובים, ובכך, להוריד את דרישות המשאבים ולקצר את זמן היציאה לשוק. הרכיב i.MX6SoloLite והרכיב i.MX6SX נתונים במארז קטן יותר ולכן אינם תואמים פין לפין עם משפחות אחרות, אולם יש להם תאימות בתוכנה.

חיבור התקנים ניידים והתקנים שאינם ניידים

עם הרשת

התמונה השלמה לא תהיה מושלמת ללא החלק האחרון – העברת הנתונים אל ספקי שירותי הבריאות, כדי שמערכת הניהול של שירותי הבריאות תוכל לקבל החלטה בהקשר למחלה ניוונית כרונית או אפילו למנוע סיבוך חמור של מחלה כזו, בזכות זיהוי מספיק מוקדם. אנו זקוקים למעבדים שיעמדו בדרישות התפוקה, בד בבד עם תקשורת אמינה בזמן אמת, מנקודה לנקודה, כמו זו של מעבדי ™QorIQ של Freescale.

דוגמה לתרחיש פוטנציאלי שבו ה-Gateway הוא טלפון נייד, שמבקר ומנהל סדרה של התקני חישה/קצה היא כמעט מובנת מאליה. אך מנגד ישנן גם דוגמאות נוספות כמו למשל מטופל מבוגר שמבקש לחיות את חייו באופן עצמאי. הפתרון האידיאלי עבורו הוא Telehealth Gateway קל לשימוש ומספיק פשוט כדי שיותקן לשימוש בביתו.

שתי סדרות מצויינות, מבוססות על

®Power Architecture, מומלצות על ידי Freescale. הסדרה  (T1 – T5), שמבוססת על ליבת e6500 בריבוי תהליכים (multithreaded), הפועלת ב- 64bit בתדירויות שמגיעות עד ל-2.5GHz, כוללת את יחידת עיבוד הווקטורים ™AltiVec שפונה אל עיבוד נתונים ברוחב פס גבוה ולפעולות מחשוב מרובות על אלגוריתמים. סדרת ריבוי הליבות QorIQ תואמת פין ותוכנה בין משפחות P1 ל-P2 עם אפשרויות של ליבה יחידה וליבה כפולה, מתאפיינת בהספק נמוך ובעלות נמוכה, עם טווחי תדירות שמתחילים ב-533MHz ועד ליבה כפולה שפועלת

ב-1.2GHz. המשפחות P3 ו-P4 מבוססות על הליבה e500mc ובעלות ארבע עד שמונה ליבות שפועלות בעד 1.5GHz. חלק ממערכות ההפעלה הנתמכות הן

®Embedded Linux® , QNX ו-®INTEGRITY.

אפשר להבטיח את יכולת הפעולה ההדדית של ההתקן הרפואי על ידי ציות לקווי ההנחיה של עמותת חברות הבריאות (Continua Health Alliance). ההנחיות של עמותת הבריאות מבוססות על התקן IEEE 11073 ומשמשות בהתקנים שונים, מרמת התקנים אישיים לשירותי בריאות דרך USB Personal Healthcare Device Class®, ZigBee Health Care™, Bluetooth ו-Bluetooth v4.0 ועוד אחרים שעתידים לבוא, כגוןNear Field Communication

. יכולת פעולה הדדית וגישה לרשת האינטרנט של כל ההתקנים תיצור רשת רפואית בלתי רגילה של התקנים המשמשים את שירותי הבריאות.

יתרונות לטווח הארוך

ה-IoT יאפשר למטופל ליטול את השליטה על הטיפול שהוא מקבל, ולהיות פעיל יותר בהליך השיקום שלו. הוא יפחית את העלויות החברתיות והכלכליות של רופאים ואחיות העמוסים כל כך בבתי חולים, ויעביר תפקידים ופעילויות, שקודם לכן בוצעו אך ורק בבתי חולים, אל בתי המטופלים, כשהם מסייעים במניעה של סיבוכים חמורים ועוזרים בשיפור הטיפולים המוענקים למטופלים.