חברת imec חוקרת טכנולוגיה קיבולית, טכנולוגיה אופטית וטכנולוגית מכ”ם שיהיו משולבות בסביבה שלך, לביצוע ניטור בריאות שלא ניתן להבחין בו
‘פריקים’ של בריאות יכולים לענוד על פרק כף היד שלהם התקן למעקב כושר גופני, אך גם עבור אלו בינינו שאינם ‘פריקים’, יש דבר-מה נאה שעומד להגיע. באמצעות שילוב טכנולוגיה של חיישן ומכ”ם אל תוך מושבי רכב, בכורסאות ואפילו ברחבי המשרד, תוכל לנטר באופן דיסקרטי את קצב הנשימה וקצב הלב ולערוך קריאות אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג.). למעשה, תעשיית הרכב כבר הגיבה בהתלהבות לטכנולוגיה, מפני שהיא יכולה בהחלט (אם כי באופן עקיף) לעזור במניעת תאונות רבות. ואולם, זה לא הכל: בהינתן העובדה שאנו מבלים יותר ויותר זמן ברכב, רק הגיוני שהרכב יהיה המקום האידיאלי עבורנו שבו נבצע את בדיקות הבריאות היומיומיות שלנו.
אפשר לשלב חישנים קיבוליים בכורסה, במיטה, בכיסא משרדי או במושב רכב.
חברת imec פיתחה מערכת שיכולה לתמוך בעד 64 חישנים. אם אתה רוצה
להשתמש בחישנים קיבוליים לתיעוד נתונים לגבי קצבי נשימה ביישומים מעשיים,
חשוב יהיה גם לתעד את האמינות של הקריאות
התקני מעקב אחר בריאות לכל אחד?
על פי ממצאים של חברת המחקר הבינלאומית IDC, בשנת 2017 אמורים היו להימכר יותר מ- 125 מיליון התקנים לבישים – גידול של 20% משנת 2016. עד שנת 2021, סביר שהנתון הזה יכפיל את עצמו. רוב מי שמשתמשים בהתקנים כאלו הם אנשים שנוטים להיות מודעים למצב בריאותם, יותר מאשר רבים אחרים. אם כן, אם מישהו מבקש לשנות את ההרגלים שלהם – למשל לבצע יותר תרגול גופני או לרדת במשקל – התקינם לבישים יכולים לספק מוטיבציה, ודאי לתקופת זמן מסוימת. ואולם, נתח ניכר של האוכלוסייה לא באמת רוצה להשתמש בהתקנים לבישים – למעשה, לרבים מהם, כמו רופאים-מנתחים, לוחמי אש ומפעילי מכונות, אסור לענוד אותם. לכן, במקרים מסוימים, יכול היה להיות יתרון ברור אם היינו יכולים למדוד ולתעד את פרמטרי הבריאות שלנו, מבלי שהיינו נדרשים לענוד אותם.
לשבת ולשכב למען בריאות טובה יותר
ניקח לדוגמה מכונית: דמה בנפשך שהיית יכול לשלב חיישנים אל תוך מושב הנהג, גלגל ההגה ולוח המחוונים, באופן כזה שאפשר היה למדוד באופן קבוע את קצב הנשימה, לחץ הדם, קצב הלב והפעילות הלבבית שלך. בראש ובראשונה, תאונות דרכים רבות מאוד היו נמנעות על ידי גילוי מצבי עייפות, מתח או בעיות לב, לפני שהיו הופכות להיות בעיה מבחינת הנהג. ואם מדובר במכוניות אוטונומיות, הקריאות האלו חשובות ביותר, מפני שהנהג האוטומטי צריך להיות בטוח שהוא יכול לסמוך על כך שיש מאחוריו נהג ערני, עבור מצבים מסוימים. לאחר מכן, במקרים שבהם בכל זאת לא ניתן היה להימנע מתאונת דרכים, אפשר היה להשתמש בחיישנים אלו כדי לבדוק את מצב הנהג והנוסעים ולשדר את הנתונים האלו אל שירותי החירום. לבסוף, מושב המכונית שלך יכול היה לבצע את בדיקות הבריאות שלך מדי יום ולשלוח לך דוח שבועי שיכלול את כל הנתונים והמספרים שתועדו לגביך.
“את אותם חיישנים אפשר היה לשלב בחלל המשרד או בתוך כורסאות בבית או במיטת החולה שבבית חולים. למעשה, היית יכול לקבל אותם מעריסת התינוק – ואפילו מהאינקובטור שבמחלקת ילודים.”
שלוש הטכנולוגיות של ‘הרבה יותר מהתקנים לבישים’
חברת imec שוקדת כעת על שלוש טכנולוגיות שיהפכו לאפשרי את העידן של ‘הרבה יותר מהתקנים לבישים’: טכנולוגיה קיבולית, טכנולוגיה של מכ”ם וטכנולוגיה של חיישן לספקטרום רב ערוצי רציף (היפרספקטראלי).
1. חיישנים קיבוליים
חוקרים בחברת imec שילבו חישנים קיבוליים במקומות שונים בתוך כיסא משרדי ומושב רכב, על מנת לבצע קריאות א.ק.ג. ולבדוק קצבי נשימה דרך בגדים. העיקרון הזה אינו חדש, אבל הטכנולוגיה לא שימשה עד כה ביישומים מעשיים, מפני שאיכות הקריאות שהתקבלו הייתה גרועה כאשר האדם היה זז בכיסאו או אם הרכב היה נוסע בכביש משובש. אם כן, היה צריך לתת מענה לבעיית האמינות הבלתי קבועה, על מנת להפוך את היישומים האלו לאפשריים בעולם הממשי.
הפתרון טמון בשימוש באלגוריתמים חכמים. ראשית, אלגוריתמים יכולים לערוך התאמות או פיצוי על השינויים כאשר יש גילוי של תנועות וממצאי שווא (ארטיפקטים), ואלו הופכים את הקריאות המופקות לאמינות יותר. שנית, אלגוריתמים יכולים להפוך את המערכת למערכת מסתגלת. המשמעות היא שבתנאים טובים, אפשר לתעד אות (א.ק.ג.) באיכות רפואית. כאשר התנאים אינם כה טובים, החיישנים עוברים למצב מוקשח ואוספים יותר קריאות רגילות. לדוגמה, על אף שאתה יכול לתעד את קצב הלב, קבלת תרשים א.ק.ג. מדויק אינה אפשרית. את האיכות הבלתי קבועה משלבים בקריאות כגורמים בעלי חשיבות ומעבירים אותה ככזו – עם התוצאות שתועדו.
“נסיעה של שעה לעבודה יכולה לכלול 15 דקות של מדידות גרועות ו- 45 דקות של נתונים באיכות טובה. בהנחה שאתה יודע זאת, עדיין תקבל תוצאת מאוד שימושית. הדבר שונה מאוד מהתקנים כמו התקני מעקב אחר כושר גופני הקיימים היום, אשר מספקים קריאות רציפות של קצב לב, מבלי לציין עד כמה המספרים אמינים.”
- מכ”ם
חברת imec משתמשת בטכנולוגית CMOS כדי לייצר מודולי מכ”ם קומפקטיים ולא יקרים. לדוגמה, אפשר להשתמש במודול המכ”ם ל- 79 ג’יגה הרץ של imec לצורך תקשורת בין כלי רכב. ואולם, אפשר גם להשתמש בטכנולוגית המכ”ם כדי למדוד את קצב הלב וקצב הנשימה. כיום יש כבר בשוק התקני מכ”ם שמסוגלים למדוד את הפרמטרים האלו באדם שעומד מבלי לנוע. אבל, החוקרים של imec רוצים לעלות מדרגה נוספת ולהקליט את הקריאות מאנשים שונים במרחב מסוים, גם אם הם נעים. וגם כאן, יש צורך לקחת בחשבון את האיכות הבלתי קבועה של הנתונים.
החוקרים הצליחו להשתמש בהתקן מכ”ם ל- 5-7 ג’יגה הרץ כדי למדוד את קצב הלב ואת קצב הנשימה של שני אנשים שונים ששהו במרחב, במרחק שני מטר מהמכ”ם. כמו בחישנים קיבוליים, שוב משתמשים באלגוריתמים חכמים, כדי להתמודד עם הבעיה של אמינות בלתי קבועה, כך שנושא זה כבר אינו מכשול עבור יישומים מעשיים. התקן המכ”ם ששימש בניסוי הזה עדיין גדול למדי והוא משמש בעיקר כדי להדגים את העיקרון. בסיכומו של דבר, יש להשתמש במודול מכ”ם קטן יותר בהרבה, כזה שיוכל להיות משולב למעשה באופן שלא ניתן להבחין בו, אל תוך, נאמר, סביבת המשרד או בתוך לוח מחוונים של רכב. די יהיה במודול מכ”ם אחד לכל מרחב על מנת לקבל את הקריאות מאנשים שונים.
על ידי שילוב של טכנולוגיות שונות למדידה וניטור – תהליך שנקרא ‘מיזוג חישנים’ – אפשר לקבל קריאות אמינות עבור טווח רחב של יישומים.
במקביל, החוקרים בצוות המכ”ם עובדים על סוג חדש של מכ”ם שפועל ב- 140 ג’יגה הרץ. יחידה זו קומפקטית מאוד מפני שהאנטנות שלה קטנות מאוד וכל המערכת משולבת על שבב יחיד. מכ”ם זה יאפשר את מדידת המרחק והכיוון של האדם שאמור להימדד ביחס למכ”ם. פירושו של דבר שהקריאות עבור אנשים שונים באותו מרחב יהיו עוד יותר מדויקות.
- חישנים אופטיים לספקטרום רב ערוצי רציף
מצלמות לספקטרום רב ערוצי רציף מבחינות באור המשתקף של העצמים בפסים של אורכי גל עדינים במיוחד. אפשר להשתמש במצלמות אלו עבור יישומים כגון בדיקת איכות של מצרכי מזון, הרכב של עצמים וכיו”ב. חברת imec מפתחת מצלמות לספקטרום רב ערוצי רציף מבוססות על טכנולוגית CMOS. טכנולוגיה זו מאפשרת להן להיות קומפקטיות יותר וזולות יותר מהסוגים המשמשים כיום. כמו כן, באופן כזה אפשר יהיה להשתמש בהם ביישומים מטווח רחב יותר בהרבה.
עם מצלמות RGB רגילות אפשר, בתנאים מסוימים, למדוד את קצב הלב או את קצב הנשימה של אדם. עם מצלמות לספקטרום רב ערוצי רציף אפשר לעשות אותו דבר – אבל בדיוק רב יותר בהרבה. ואפשר גם לעשות דברים נוספים, למשל למדוד את תכולת החמצן בדם. מדידה כזו יכולה להיות בעלת ערך רב בבתי חולים או למשל לשמש ניטור תינוקות בבית. יש כבר התקני התרעה עבור תינוקות שפועלות על בסיס מצלמות רגילות, אך בעתיד – ובתמורה לכמה אירו נוספים בלבד – זו תהיה מצלמה לספקטרום רב ערוצי רציף.
שילוב שלהם למטרת נהיגה או עבודה של אדם בריא
באמצעות שילוב הטכנולוגיות המתוארות לעיל – שילוב שנודע בשם ‘מיזוג חיישנים’ (‘sensor fusion’) – אפשר לקבל קריאות אמינות. לדוגמה, אפשר להשתמש בחישנים קיבוליים במושב הרכב כדי לתעד נתוני קריאה של א.ק.ג. ונשימה. ואולם, העניין יכול להיות מלווה בקושי מסוים אם הנהג לובש סודר עבה או ג’קט. בשלב זה, באמצעות שילוב התקן מכ”ם אל תוך לוח המחוונים למדידה של קצב לב וקצב נשימה, השילוב של תוצאות הקריאות הופך לאפשרי ומוביל לתוצאה סופית, שבה ניתן להשתמש בו בכל המצבים. בסביבת המשרד, אפשר לשלב את החישנים הקיבוליים בתוך כיסא משרדי, בזמן שאת התקן המכ”ם או החיישנים האופטיים אפשר לשלב בתוך המחשב הנייד. בחדרי מגורים אפשר להשתמש בכורסה עם חישנים קיבוליים עם מסך טלוויזיה, התקן תאורה עם חישני מכ”ם או עם חיישנים אופטיים. כמו כן, אפשר לשלב חיישנים קיבוליים במזרונים של מיטת בית חולים. בעבודה שמתואמת עם היצרנים של מוצרים אלו, אנו מבקשים לבדוק איך אפשר לנצל את הטכנולוגיה הזו, אשר קוראת ערכי קריאות לשימושים טובים נוספים.
כאן גם נפתחת הדלת ליישומים חדשים מחוץ לבית החולים – למשל, לניטור נהגים או טייסים או לשימוש במצבי השגחה בתנאים ביתיים לצורך גילוי מוקדם של בעיות לבביות, שיכול להציל חיי אנשים רבים
“כמובן שהמטרה איננה להחליף את תשתית הניטור הרפואי הקיימת בבתי חולים בחיישנים אלו. אפשר לחשוב עליהם יותר כעל תוספת, כאשר בעזרת החיישנים אפשר לנטר את הסימנים החיוניים של הגוף בכל זמן – גם במצבים שבהם ניטור כזה אינו אפשרי או לא מעשי באותו זמן.”
רוצים לדעת עוד?
מחקר זה הוא חלק מהתוכנית imec.iChange, שמפתחת חומרה ותוכנה עבור התקנים לבישים ו’הרבה יותר מהתקנים לבישים’. אחת הדוגמאות לכך היא משפחת שבבי MUSEIC, שפותחה על ידי imec, ומתאפיינת בייחודיות כאשר בוחנים את הקומפקטיות שלה, צריכת האנרגיה הנמוכה ועלות הייצור הנמוכה שלה. לעת עתה, הפיתוחים בתחום הם בעיקר לקבלת קריאות מגע אשר משמשים ביישומים כמו רפידות דביקות, צמידים ואוזניות. שבבים אלו עוברים התאמות כדי שאפשר יהיה באמצעותם לתעד קריאות ללא מגע.
אם ברצונך במידע נוסף תוכל לעיין בכתבה הטכנית שכותרתה:
Robust wireless capacitive ECG system with adaptive signal quality and motion artifact reduction
(שמתפרסמת בסימפוזיון הבינלאומי בנושא מדידות ויישומים רפואיים 2016 IEEE), ואתה מוזמן ליצור עמנו קשר באתר www.imecmagazine@imec.be.
אפשר לשלב חישנים קיבוליים בכורסה, במיטה, בכיסא משרדי או במושב רכב. חברת imec פיתחה מערכת שיכולה לתמוך בעד 64 חישנים. אם אתה רוצה להשתמש בחישנים קיבוליים לתיעוד נתונים לגבי קצבי נשימה ביישומים מעשיים, חשוב יהיה גם לתעד את האמינות של הקריאות.
על ידי שילוב של טכנולוגיות שונות למדידה וניטור – תהליך שנקרא ‘מיזוג חישנים’ – אפשר לקבל קריאות אמינות עבור טווח רחב של יישומים.
המחברים:
כריס ואן הוף, מנהל ודירקטור, im
הביוגרפיה של כריס ואן הוף
כריס ואן הוף [Chris Van Hoof) מוביל את המחקר והפיתוח של התקני בריאות לבישים בחברת imec, בשלושה אתרים של imec (איינדהובן, לוון וגנט). צוותים של התקני בריאות לבישים של imec מספקים פתרונות לניטור מטופלים עם מחלות כרוניות ולרפואה מונעת דרך אימון וירטואלי. כריס העביר את הנושא של התקני בריאות לבישים ממחקר במצב עוברי לקו עסקי המשרת לקוחות בינלאומיים. כריס מעונין ליצור מוצרים שפועלים באמת. נוסף על אספקת פתרונות מאושרים מבחינה תעשייתית ללקוחות, פעולותיו כבר הניבו ארבע פעילויות הזנק של imec (שלוש מהן בתחום הבריאות). לאחר שבשנת 1992 הוא קיבל תואר PhD מאוניברסיטת KU של לוון בשיתוף פעולה עם imec, כריס משמש בתפקידים של מנהל ודירקטור בתחומים מגוונים (חיישנים, סורקי תמונה, אינטגרציה תלת ממד, מערכות MEMS, קצירת אנרגיה, רשתות תקשורת לגוף, התקנים אלקטרוניים ביו–רפואיים, התקני בריאות לבישים). הוא פרסם יותר מ- 600 מאמרים בכתבי עת ובפרסומים מקדימים של ועידות והגיש יותר משישים הרצאות מוזמנות. כריס ואן הוף הוא פרופסור באוניברסיטת KU של לוון.
www.chris.vanhoof@imec.be
הביוגרפיה של תום תורפס
טום טורפס, חוקר מערכות, מהנדס
מתכנן ומהנדס ראשי, im
טום טורפס [Tom Torfs] סיים את לימודיו בשנת 2001 כמהנדס אלקטרוניקה, באוניברסיטת
KIH De Nayer בבלגיה. בשנת 2010 הוא קיבל תואר MA בהנדסה – טכנולוגיה ביו רפואית – מאת אוניברסיטת KU של לוון בבלגיה. הוא עובד בחברת imec משנת 2001 כחוקר מערכות, מהנדס מתכנן ומהנדס ראשי, הוא מתכנן מערכות אלחוטיות אוטונומיות קומפקטיות שמבוססות על הטכנולוגיות של imec בתחומים של מערכות אלחוטיות, חיישנים ומארזים, ומתמקד בחיישנים ליישומים ביו–רפואיים וברשתות תקשורת לגוף. טום פרסם (כשותף) יותר מ- 50 פרסומים,
12 מתוכם כמחבר ראשי ולזכותו רשומים שני פטנטים.
www.tom.torfs@imec.be
