Современный мир тяжело представить без носимых устройств. Мобильность, компактность и производительность этих устройств являются важными характеристиками, над улучшением которых непрерывно работают инженеры и ученые со всего мира. Носимые устройства, целью которых является мониторинг состояния здоровья пользователя, являются одними из важнейших аспектов цифровой медицины. Но, как и любое другое персональное устройство, они нуждаются в развитой инфраструктуре для передачи сигналов от носителя к центру обработки данных. Проблема в том, что далеко не везде есть эта инфраструктура. Ученые из Аризонского университета (Тусон, США) разработали новое устройство, способное передавать данные на расстояние до 15 миль без какого-либо доступа к спутниковой инфраструктуре. Из чего состоит это устройство, как оно работает и насколько оно эффективно? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Носимые датчики могут извлекать высокоточную информацию из основных физиологических процессов и передавать эту информацию по беспроводной сети для агрегирования и исследования. Устройства, предназначенные для этих приложений, обычно реализуют связь ближнего радиуса действия, Bluetooth Low Energy или Wi-Fi в качестве способов связи. Хотя эти протоколы связи надежны и хорошо развиты, их использование ограничено из-за присущих им требований к инфраструктуре, таких как адекватное покрытие сотовой связи, подключение к Интернету для взаимодействия с прикладными программами и магистральные источники питания для расширенной работы. Получается, что в местах, где подобная инфраструктура отсутствует, носимые мониторинговые устройства превращаются в футуристическое украшение. Хотя некоторые решения направлены на решение этой проблемы за счет использования спутниковой связи, требования к электропитанию, оборудованию и стоимости реализации препятствуют широкому распространению в условиях ограниченных ресурсов. Для решения этой проблемы было реализовано использование протоколов глобальной сети с низким энергопотреблением (LPWAN от low-power wide area network), таких как сверхузкополосный (UNB от ultra-narrow band), LoRa и SigFox.

Несмотря на развитие этих возможностей, работа по реализации носимых устройств с такой функциональностью была проведена ограниченно. Частично это связано с высокими требованиями к питанию для связи на больших расстояниях и, как следствие, необходимостью в громоздких батареях и антеннах, которые налагают значительную нагрузку на пользователей и ограничивают модальности и точность измерения.

Недавние достижения в области архитектуры носимых биосимбиотических устройств в сочетании с распространением дополнительной электроники для использования передачи данных на большие расстояния открывают многообещающий путь для реализации этой технологии.

Результаты исследования

В данном труде ученые представляют биосимбиотическое устройство, которое использует достижения в области технологий носимых устройств, чтобы обеспечить сбор биосигналов на большом расстоянии без необходимости в какой-либо внешней инфраструктуре. На 1A представлен обзор работы устройства, которое обеспечивает удаленную передачу данных на расстояние до 15 миль и беспроводную подзарядку без взаимодействия с пользователем.


Изображение №1

Для достижения этой цели ученые реализовали описанные ранее процессы цифрового проектирования, позволяющие проектировать и оптимизировать механику и электромагнетизм устройства. Принципы работы системы показаны на 1B.

В устройстве используется одна антенна на частоте 915 МГц, которая позволяет как собирать энергию от коммерчески доступного передатчика мощности на частоте 915 МГц, так и передавать данные на большие расстояния с использованием протоколов связи LoRa. Использование лишь одной антенны позволяет уменьшить габариты устройства, повысить гибкости и снизить производственные затраты.

LoRa — это запатентованный протокол связи, который является производным расширенного спектра частотной модуляции со встроенной прямой коррекцией ошибок и использует широкополосную передачу для обработки потенциальных сдвигов частоты и шума. Приемный блок LoRa может декодировать передачи с мощностью значительно ниже минимального уровня шума, обеспечивая надежные схемы связи на большие расстояния. Благодаря работе в более низкочастотном (915 МГц) диапазоне ISM в США эта схема связи является интересной альтернативой традиционным технологиям связи, которые работают в более высокочастотных диапазонах ISM (Wi-Fi и Bluetooth), которые имеют ограниченные расстояния связи и требуют обширной инфраструктуры. Кроме того, связь с использованием LoRa обеспечивает возможность увеличения расстояний связи до сотен миль за счет использования нескольких шлюзов и развертывания беспроводных сетей LoRa (LoRaWAN).

Управление приемом энергии (Rx), передачей данных (Tx) и сбором энергии осуществляется с помощью встроенного микроконтроллера с поддержкой LoRa и схемы дуплексирования PIN-диода, которая позволяет переключаться между двумя режимами работы без необходимости использования дополнительной антенны. Полученный переменный ток (AC) от радиочастотного передатчика преобразуется в постоянный ток (DC) с помощью мостового выпрямителя. Эта мощность постоянного тока затем обрабатывается схемой управления аккумулятором, которая выполняет двойную функцию: контролирует перезарядку литий-полимерной батареи (LiPo) и обеспечивает питание системы. Устройство оснащено функциями измерения частоты сердечных сокращений и термографии кожи, которые позволяют регулярно оценивать состояние здоровья пользователя.

Полученное биосимбиотическое устройство (1C) было напечатано на 3D-принтере с использованием моделирования осаждения плавлением (FDM от fusion deposition modeling) и коммерчески доступной нити из термопластичного полиуретана (TPU от thermoplastic polyurethane). Активные электронные компоненты размещены на гибких круглых островках диаметром не более 6 мм. Эти островки соединены растягивающимися змеевидными соединениями, что обеспечивает мягкую механику и низкую среднюю плотность устройств, что способствует свободному потоотделению и обновлению эпидермиса.


Изображение №2

Чтобы реализовать возможности приема мощности и передачи данных с использованием одной антенны на корпусе, используется схема дуплексной связи для изоляции соответствующих цепей Rx и Tx. Для этого используются PIN-диоды. Когда внешнее напряжение подается на «линию разрешения передачи» через контакт ввода/вывода общего назначения (GPIO от general-purpose input/output), внутреннее сопротивление PIN-диода изменяется, позволяя мощности от линии передачи проходить через диод к антенне на корпусе (2A). Альтернативно, когда «линия разрешения передачи» заземляется на выводе GPIO, оба PIN-диода проявляют высокое сопротивление, пропуская мощность через полный мостовой выпрямитель в систему управления аккумулятором. Это обеспечивает дуплексную связь с одной антенной для одновременной беспроводной передачи энергии и передачи данных на большие расстояния без сбоев в работе из-за помех.

Вкратце, использование управления напряжением постоянного тока позволяет переключаться между режимами Tx и Rx посредством сигнала V1. Когда PIN-диод включен (V1 включен), он обеспечивает низкие вносимые потери от передатчика LoRa. Когда V1 включается, D1 и D2 находятся в прямом смещении, позволяя сигналу передатчика (V2) получить доступ к антенне. Когда V1 выключен, сигнал V3 ослабляется через D1 или D2 в любом направлении. Следовательно, сигнал от V3 поступает в схему выпрямителя на обоих концах (VCC и GND) антенны, расположенной на корпусе. Поскольку сигнал от V3 не может проходить через D1, передатчик получает минимальный сигнал от V3.

Эти схемы оказывают минимальное влияние на характеристики антенны. На 2B показаны измерения отражения змеевидной антенны с различными схемами выпрямления. При использовании антенны без выпрямления наблюдается начальный резонанс 908 МГц с обратными потерями -10.42 дБ. Добавление схем выпрямления сдвигает резонанс до 916 МГц с обратными потерями -11.04 и -11.85 дБ для мостового выпрямителя и схемы PIN-выпрямления соответственно (2C). Пространственные характеристики устройства по отношению к блоку передатчика энергии показаны на 2D. Наблюдается мощность 30.03 мВт, собранная на расстоянии 15 см от передатчика, а мощность 9.47 мВт и 2.56 мВт наблюдается на расстоянии 50 и 100 см соответственно. Кроме того, схема дуплексирования PIN-диода обеспечивает непрерывный сбор данных по всему рабочему пространству с минимальным влиянием (снижение эффективности на 5%) на беспроводную передачу энергии (WPT) (потери доступной энергии менее 1.3%). На 2E показаны характеристики антенны на теле вдоль ее главных осей.

Устройства с поддержкой LoRa можно настроить с использованием нескольких различных параметров, которые влияют на протокол связи и, следовательно, на расстояние передачи и энергопотребление. Модуляция этих функций важна при проектировании системы, позволяющей сбалансировать требования к производительности и мощности. Эти параметры включают мощность передачи, коэффициент расширения, полосу пропускания и скорость кодирования, при этом мощность передачи и коэффициент расширения оказывают наиболее существенное влияние на расстояние передачи.

Включение PIN-диода в приемник LoRa обеспечивает успешную и приоритетную передачу данных рядом с источником питания, обеспечивая при этом эффективную беспроводную связь без помех для WPT. Это дополнительно продемонстрировано на 2F, где показана трехмерная карта относительной мощности, принимаемой в приемном устройстве, как функция изменений коэффициента расширения и мощности передачи. Мощность передачи можно регулировать в диапазоне от 10 до 20 дБм, причем более высокие мощности позволяют передавать на большие расстояния за счет более высоких требований к энергии.

Из-за низкого рабочего цикла устройства и для максимального увеличения дальности передачи был выбран коэффициент расширения 12 и мощность передачи 20 дБм. Благодаря включению схемы дуплексирования PIN-диода достигается псевдоодновременность передачи данных (5% рабочего цикла) и приема мощности (95% рабочего цикла), что облегчает непрерывный сбор данных при эффективном использовании WPT.

Характеристики передачи продемонстрированы на 2G. На графике показано сравнение встроенной в корпус змеевидной антенны и имеющейся в продаже несимметричной антенны. Данное сравнение показывает весьма аналогичную производительность, обозначенную значением индикатора мощности принятого сигнала (RSSI от received signal strength indicator), записанным на приемнике. По мере увеличения расстояния обе антенны демонстрируют схожие характеристики (отклонение RSSI в пределах 6%), при этом антенна на корпусе превосходит коммерчески доступный несимметричный эквивалент на 2.8% на расстоянии 15 миль.

Как отмечают ученые, из-за высокой мощности передачи данных на большие расстояния удельный коэффициент поглощения (SAR от specific absorption rate) вызывает беспокойство. Благодаря добавлению гибкой заземляющей пластины эти эффекты можно смягчить ниже требований Федеральной комиссии по связи (FCC от federal communications commission). Фактически, для мощности передачи до 25 дБм наблюдается поглощение SAR менее 0.295 Вт/кг во время событий передачи, что значительно ниже норматива в 1.6 Вт/кг (2H).


Изображение №3

Использование 3D-антенн и дополнительных протоколов связи LoRa позволяет создать устройство, способное непрерывно и с высокой точностью записывать биосигналы и связь LoRa. Чтобы продемонстрировать это, было реализовано биосимбиотическое устройство с микроконтроллером с поддержкой LoRa, мультимодальными датчиками и аккумуляторным питанием (3A).

Устройство прикрепляется к дистальной части предплечья, что позволяет разместить оптический датчик рядом с ладонной стороной запястья для записи физиологически значимой информации. На 3B показана схема функциональных компонентов системы, которая оснащена аналоговым датчиком температуры с субмилликельвиновым разрешением. Датчик инкапсулирован и имеет низкую тепловую и механическую массу (вес устройства < 400 мг), что позволяет проводить измерения с высокой чувствительностью. Это устройство также обеспечивает цифровую связь со встроенным оптическим датчиком для записи фотоплетизмографии (PPG от photoplethysmography).

В датчике используется вырез в TPU сетке и ламинированный эластомерный материал, легированный черным красителем (5% по весу), чтобы обеспечить конформный контакт с телом и защитить датчик от оптического шума окружающей среды, существенно снижая артефакты движения и обеспечивая сбор данных во время физической активности.

Параметры передачи, используемые для передачи данных, сильно влияют на энергопотребление устройства. Чтобы смягчить эти эффекты, используется режим работы с низким рабочим циклом (< 20%). Это актуально для многих приложений, которые требуют лишь периодического сбора данных, а не измерений с высокой временной точностью. Пример одного события сбора и передачи данных показан на 3C. Устройство остается в режиме гибернации со средним потреблением тока 10.5 мкА, когда оно не используется (выделено зеленым). После активации микроконтроллер начинает собирать данные с периферийных датчиков (100 Гц), вычисляет и упаковывает информацию для отправки через LoRa (выделено красным). После завершения вычислений данные передаются посредством события передачи высокой мощности, которое в среднем составляет 148/6 мА в течение 800 мс. Модулируя частоту сбора, хранения и передачи данных на устройстве, можно обеспечить физиологически значимое временное разрешение, сохраняя при этом разумное среднее энергопотребление (3D). Из графика видно, что при низких рабочих циклах может быть достигнуто среднее потребление тока менее 2 мА. Следовательно, при таком потреблении срок службы батареи емкостью 150 мАч составит не менее 75 часов. При рабочем цикле 5% срок службы устройства без подзарядки составляет 103 часа.

Новый метод считывания биосимбиотической платформы демонстрируется оптической записью физиологических процессов с использованием микросхемы PPG для определения частоты сердечных сокращений пользователя в области ладонной части запястья. В этом случае изменение поглощения инфракрасного излучения, вызванное изменением объема подлежащей сосудистой сети, можно использовать для мониторинга частоты сердечных сокращений. На 3E показан необработанный ИК-сигнал, собранный при отсутствии физической активности (режим отдыха).

Из-за ограничений передачи LoRa на микроконтроллере с поддержкой LoRa используется вычислительный метод для обнаружения локализованного пика и расчета средней частоты пульса. Это позволяет уменьшить общий размер и частоту передаваемых пакетов, увеличивая дальность передачи за счет времени вычислений на устройстве. Код использует локализованное обнаружение пиков и собирает определенное количество обнаруженных пиков, прежде чем использовать разницу во времени между пиками для оценки частоты сердечных сокращений. Компромисс между временем вычислений и точностью изображен на 3F.

Количество пиков, собранных для вычислений, следует линейной тенденции с увеличением среднего встроенного времени вычислений почти на 1.42 пика/с (в зависимости от частоты сердечных сокращений). Однако процентная ошибка показывает логарифмическое уменьшение. Фактически, по мере увеличения количества обнаруженных пиков процентная ошибка показывает минимальное изменение после шести обнаруженных пиков. Для поддержания баланса между временем расчета и процентной ошибкой было решено использовать 5-пиковую вычислительную схему, которая дает среднее время расчета 9.2 с и процентную ошибку 4.2%.

На 3G показана чувствительность этой платформы при ее размещении на запястье. В этом эксперименте испытуемый начинает в сидячем положении (заштриховано белым), а затем начинает движение со скоростью 3 мили в час под углом 3 градуса в течение 10 минут (заштриховано красным). Устройство отлично воспринимало увеличение сердечных сокращений во время нагрузки с последующим их снижением в режиме отдыха. Результаты этих экспериментов подтверждают чувствительность устройства для отслеживания изменений частоты сердечных сокращений во время умеренных упражнений и поддержания адекватного сенсорного интерфейса во время движения.


Изображение №4

Чтобы продемонстрировать на практике возможности этой платформы, ученые создали биосимбиотическое устройство для размещения на дистальной части предплечья (4A). Расстояние между испытуемым и приемником составило 15 миль (4B). Затем испытуемого попросили пройти по заранее определенному маршруту (4C), который состоит из умеренно гористой местности с перепадами высот (± 98 м) (4D). Устройство было запрограммировано на передачу с частотой примерно 5 МГц и использовало усреднение частоты сердечных сокращений по 5 выборкам, в результате чего время расчета составило 9.2 секунды. Температура также регистрировалась на частоте 5 МГц. Данные, собранные в ходе этого эксперимента, представлены на 4E.

Частота пульса в состоянии покоя начинается в среднем с 72 ударов в минуту, затем увеличивается во время активности до пика в 104 удара в минуту, а затем возвращается к 89 ударам в минуту во время второго периода отдыха. Аналогичным образом наблюдается повышение локальной температуры кожи с 34.3 °C до 36.7 °C. Несмотря на низкую частоту передачи, благодаря встроенным вычислениям устройство смогло обнаружить и передать относительные изменения температуры и частоты сердечных сокращений, вызванные умеренными физическими упражнениями, на приемник, расположенный на расстоянии 15 миль от самого испытуемого и, как следствие, от устройства.

Ученые отмечают, что их устройство разрабатывалось с учетом использования в «сельской» местности, т. е. на открытом пространстве. Однако оно способно передавать данные на расстояние до 0.5 мили без прямой видимости в густонаселенной местности с высокими зданиями, окружающими пользователя. Чтобы продемонстрировать долгосрочные эксплуатационные возможности в городских условиях, был проведен эксперимент длительностью 7 дней. Необработанные данные о частоте пульса, термографии и напряжении батареи показаны на 4F.

Во время этого эксперимента устройство работало непрерывно на частоте 5 МГц и подзаряжалось, когда пользователь находился рядом с передатчиком энергии, расположенным в местах с высокой посещаемостью, таких как прикроватная тумбочка и рабочий стол (4G). Напряжение аккумулятора контролировалось через регулярные 8-часовые интервалы, при этом области, заштрихованные зеленым, указывают на близость к передатчику энергии. Наблюдался непрерывный сбор данных о частоте сердечных сокращений и температуре кожи (заштриховано красным). В периоды умеренной активности, например ходьбы, также наблюдалось менее выраженное увеличение частоты сердечных сокращений (4H). Устройство показало надежную работу в нескольких различных сценариях в городских условиях, обеспечивая непрерывный сбор и передачу биосигналов с высокой точностью независимо от активности (4I).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые описали своей изобретение — носимое устройство сбора и передачи биосигналов пользователя. Такие устройства уже существуют, но созданное учеными выделяется на фоне конкурентов своей способностью работать в условиях отсутствия необходимой коммуникационной инфраструктуры. Их разработка способна передавать данные от пользователя на расстояние до 15 миль. Секрет успеха данного устройства заключается в использовании LPWAN (low power wide area network, т. е. энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия), которая обеспечивает расстояние в 2400 раз больше, чем у Wi-Fi, и в 533 раза больше, чем у Bluetooth. Новая система использует LoRa, запатентованную технологию LPWAN.

Параллельно с реализацией этого протокола ученые разработали схему и антенну, которую можно было встроить в мягкое носимое устройство. Еще одной особенностью устройства стала возможность бесконтактной подзарядки на расстоянии более 2 метров от базы.

В будущем ученые планируют продолжить работу над устройством, а именно попытаться увеличить дальность связи за счет внедрения шлюзов беспроводной сети LoRa, которые смогут обслуживать сотни квадратных миль и сотни пользователей устройств, используя лишь небольшое количество точек подключения. По словам ученых, их творение является еще одним шагом к реализации глобализации цифровой медицины.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?