IoMT aneb o zdraví se pečuje digitálně

Stejně jako v případě logistiky a průmyslových nebo i spotřebních zařízení sledujeme rostoucí zájem o využití internetu věcí IoT rovněž v aplikacích spojených se zdravotnickou péčí a medicínou. Hovoříme pak o tzv. „Internet of Medical Things“, zkráceně IoMT. Očekává se, že související trh do budoucna výrazně poroste, a to z 113 miliard USD v roce 2021 na 341,17 miliard USD do roku 2028 [1].

Internet věcí pro zdravotnictví IoMT zahrnuje sběr i analýzu dat z věcí, připojených k internetu, pokud jde o různá zařízení, vybavení či příslušenství, zatímco vše využijeme při shromažďování nových poznatků o kondici pacienta. Mezi aplikace, vhodné pro IoMT, zařadíme bezprostřední dohled nad stavem pacienta díky měření různých faktorů, např. stupně aktivity, krevního tlaku či spánku. Nepůjde však jen o přímé zkvalitnění života. IoMT zde totiž dokáže zefektivnit práci lékařů nebo i nemocnic a zajistit pro pacienty ještě lepší péči. Počítáme s tím, že IoMT může prodloužit průměrnou délku života stráveného ve zdraví, řešit nedostatek zaměstnanců ve zdravotnictví a zlepšovat i úroveň péče, poskytované lékaři či sestřičkami.

Obr. 1 Tři vrstvy služeb IoMT

IoMT z pohledu zařízení a také systému

IoMT jako služba zahrnuje dle obr. 1 hardware, aplikace a také sítě. Stěžejní části zde budou tvořit

Vrstva senzorů

• zařízení IoMT, např. nositelné snímače s možností připojení k síti

Komunikační vrstva

• brány, např. mobilní zařízení a routery pro bezdrátovou LAN (IEEE 802.11x / Wi-Fi^®)
• agregace dat v cloudu
• sítě (veřejná síť nebo internet) zajišťující spojení mezi bránou a cloudem

Aplikační vrstva

• aplikace, řešené v cloudu nebo na mobilních telefonech, poskytující služby, např. vizualizace snímaných dat

Vhodný základ pro služby IoMT zde vytváří mobilní telefony, a to zejména proto, že je vlastní tolik lidí. Mobily se rovněž jednoduše připojí k zařízením IoMT, např. chytrým hodinkám, prostřednictvím rozhraní Wi-Fi nebo Bluetooth^® a pomocí veřejných sítí 4G (LTE) či 5G zvládnou také spojení s cloudem. Poběží na nich aplikace a mohou tudíž podporovat různé funkce.

Získáváme data

Získaná data jsou ze zařízení IoMT odesílána do mobilních zařízení či bran prostřednictvím rozhraní Wi-Fi či Bluetooth. Některá zařízení IoMT mají vlastní SIM kartu a rovnou se proto připojují k veřejným sítím. Data, jako je dechová frekvence, tělesná teplota, tepová frekvence a krevní tlak zde vytváří základní informace, označované též jako fyziologické funkce. Někdy mezi ně řadíme i nasycení krve kyslíkem (SpO2).

Mezi hlavní výhody snímání biometrických dat pomocí zdravotnických zařízení patří skutečnost, že prakticky nejsou invazivní a obejdou se bez odběru krve či tělních implantátů. Základní technologií se stává fotopletysmografie (PPG), která optickou cestou zaznamenává změny objemu krve v cévách. LED na zadní straně chytrých hodinek vyzařuje světlo (převážně zelené barvy) na zápěstí a jeho cévy, zatímco odražené světlo již necháme dopadat na fotodetektor. Díky zpracování signálu pak mohou chytré hodinky, navzdory různorodému rušení, odhalit pravidelné výkyvy a získat informace o tepové frekvenci. Pokud se společně použije zelená a také červená LED, lze z úrovně navázání na hemoglobin odhadnout i transkutánní tepenné nasycení krve kyslíkem (SpO2).

Dechovou frekvenci je zase možné posoudit na základě tepové frekvence s využitím respirační sinusové arytmie, kdy se nám tepová frekvence při nadechování nepatrně zvyšuje a při výdechu poté lehce snižuje. Krevní tlak dále určujeme z průtoku krve v návaznosti na tepovou frekvenci. A o spánku se konečně rozhoduje s přihlédnutím k pohybům těla, které u chytrých hodinek zaznamenává akcelerometr.

Obr. 2 K principu činnosti optického modulu

Náročné úkoly při návrhu zařízení IoMT

Pokud mají být aplikace IoMT úspěšné, je zapotřebí vyřešit spoustu složitých situací, spojovaných především se službami, hardwarem a také komunikací.

V oblasti služeb jsou hlavními kritérii přesnost měření při získávání tělesných údajů a zajištění bezpečnosti osobních dat, agregovaných v cloudu. Zapomenout nesmíme ani na dodržování pravidel a směrnic pro vysokofrekvenční provoz na regionální či celostátní úrovni a získání potřebné certifikace.

Zařízení IoMT se mohou k mobilním telefonům a branám IoT připojovat bezdrátovou cestou. Udržet komunikační spojení je klíčové, protože zde máme za úkol sbírat přesná zdravotnická data. Systémy typu chytrých hodinek či obuvi využijí k pohodlnému spárování s mobily a dalšími přístroji, a také z důvodu nízké spotřeby energie, rozhraní Bluetooth. V kmitočtovém pásmu 2,4 GHz se pak jedná o bezlicenční vf stanici s nízkým příkonem. Wi-Fi (IEEE 802.11x) je zase použito u zařízení IoMT na pevně daných místech, jako jsou např. chytré váhy, postele a jiné senzory činností „jdeme spát / vstáváme“ či dohledové kamery.

Jeden z hlavních problémů se u zařízení IoMT a jejich hardwaru dotýká snižování rozměrů. Chytré hodinky, které se svým provedením podobají běžným náramkovým, musí kupříkladu obsahovat baterii, obvody sloužící k nabíjení, mikrokontrolér, komunikační systém, displej, ale i další součástky, stejně jako různá čidla. Omezená kapacita baterie navíc vyžaduje řešení s nízkou vlastní spotřebou.

Mezi další významné prvky zde zařadíme analogovou vstupní část (front – end), zesilující slabé elektrické signály produkované fotodetektory či akcelerometry, kde také dochází k filtraci, abychom oddělili požadovanou informaci od šumu.

Testování vf rušení a shoda se standardy pro bezdrátová zařízení

Pokud jde o vysokofrekvenční rušení, komercializace zařízení IoMT vyžaduje shodu s různými standardy pro jeho testování. K ověření, že rušivé vf elektromagnetické pole daného systému IoMT neovlivní jiná zařízení, slouží testování emisí. Také zde máme test odolnosti (narušení) se kterým zkontrolujeme, zda takovými projevy nebude postiženo samotné zařízení IoMT. Rušivé elektromagnetické pole, vyzařované elektronickými obvody, může totiž narušovat a také zkreslovat slabé signály z vestavěných senzorů a způsobit chyby při komunikaci prostřednictvím rozhraní Wi-Fi a Bluetooth. 

Typickými zdroji elektromagnetického rušení se u zařízení IoMT stávají spínané zdroje napájení (DC/DC měniče), generující harmonické složky. Zapomenout ale nesmíme ani na problematické hodinové signály pro taktování mikrokontrolérů či paměti.

Protiopatření za účelem potlačování rušení zde zahrnují fyzické oddělení citlivých elektronických obvodů od antén, doplnění filtrů EMI, způsob rozvržení desky plošného spoje, včetně jejího motivu a vrstev, nebo též ochranné kryty (stínění).

Příslušné testy počítají u spotřebních zařízení IoMT s CISPR 32, třída B dle International Special Committee on Radio Interference (CISPR) pro zkoumání emisí a CISPR 35 v případě testů odolnosti. Systémy IoMT vybavené rozhraními Wi-Fi a Bluetooth musí navíc pokaždé vyhovět národní legislativě, upravující vf provoz.

Obr. 3 Elektromagnetické rušení může v rámci systému zasahovat do dalších obvodů a ovlivňovat jejich činnost

Zabezpečení a osobní data

Další záležitostí se stávají opatření z pohledu kybernetické bezpečnosti. Federální agentura Spojených států FDA (Food and Drug Administration) v březnu 2023 například vydala nové směrnice pro prodejce zařízení, která se používají v medicíně [2]. Když tato nová zařízení vyvíjíme, direktivy nám doporučí nebo i nařizují provedení, která počítají s kyberbezpečností. Vytváří se tzv. SBOM (software bill of materials) a vyhodnocuje zranitelnost. Zároveň se očekává pohotové zajištění bezpečnostních aktualizací po celou dobu životnosti produktu, přičemž u systémů, které to nedodrží, předpokládáme, že na trhu přijdou o povolení.

Kromě toho zde řešíme i dodržování zákonů na ochranu soukromí. Data sbíraná zařízeními IoMT, která budou analyzována v cloudu či mobilních aplikacích s možností identifikovat konkrétního člověka, lze považovat za osobní údaje a vyžadují proto speciální ochranu.

Budoucnost IoMT

Zdravotnická péče a medicína se potkávají v oblasti IoMT, kde také na příslušných trzích do budoucna očekáváme výrazný růst. Služby IoMT zde pomohou prodloužit průměrnou délku života stráveného ve zdraví, zkvalitnit jej a mohou vést i k tomu, aby lidé zůstali aktivní tak dlouho, jak jen to bude možné. Díky zdravější populaci a klesajícím nákladům na sociální pojištění lze výrazně ulevit i daňovým poplatníkům.

Předpokládáme, že telemedicína s využitím IoMT bude již brzy skutečností a zprostředkuje zdravotnické služby mnoha lidem, a to včetně těch, kteří žijí na odlehlých místech. Na vývojářích pak je, aby přišli s moderními zařízeními IoMT a také službami, které od nich rovněž očekáváme.

Wi-Fi^® je registrovaná ochranná známka Wi-Fi Alliance^®.

Ochranné známky a loga Bluetooth^® jsou majetkem Bluetooth SIG, Inc. a společnost Anritsu je používá na základě licence.

Odkazy:

[1] Global Digital Health Market Forecast (2021–2028), Global Information, Inc.

[2] Cybersecurity in Medical Devices: Refuse to Accept Policy for Cyber Devices and Related Systems Under Section 524B of the FD&C Act.

[3] IoMT, https://www.anritsu.com/en-us/test-measurement/solutions/internet-of-things-iot/iomt?5g-iot_index