Fra trening til helse: Lokasjonsbevisste kroppsnære medisinske enheter endrer dagliglivet

I følge Juniper Research vil rundt 60 millioner aktivitetsmålere være i bruk innen 2018, mer enn tre ganger så mange som ble solgt i 2014. Hvis analyseselskapet CCS Insight har rett, vil det totale markedet for kroppsnære enheter stige til 172 millioner enheter innen 2018, så aktivitetsmålere vil utgjøre over en tredjedel av alle kroppsnære enheter.

Aktivitetsmålere
Velkjente eksempler som Fitbit og Xiaomi’s MiBand er smarte enheter for å måle hjertefrekvens og aktivitetsnivå. Noen ganger gjør de også et rimelig anslag over hvor mange kalorier som brennes ved et gitt aktivitetsnivå. Disse armbåndene har fått mye oppmerksomhet i media, men mer komplekse kroppsnære enheter har også blitt lansert som samler inn og overfører data fra en rekke biometriske sensorer.

Kan forbedre livskvalitet
Bruken av disse er ikke lenger begrenset til å hjelpe folk med å sjekke aktivitetsnivået og formen sin og dele denne informasjonen med venner via en kombinasjon av mobiltelefonapper og skybaserte tjenester. Denne relativt nye generasjonen av enheter blir brukt av helsesektoren for å forbedre pasienters livskvalitet, og noen ganger til og med forventet levealder.

mHelse – forretningsmulighet
Men dette handler ikke bare om bedre helseomsorg. Investering i mobilhelse – såkalt mHelse – utgjør en svært god forretningsmulighet (figur 1). Ifølge Juniper Research vil ekstern pasientovervåking mellom 2013 og 2018 ha spart helsevesenet for $ 38 milliarder på verdensbasis, kuttet antallet nødvendige dager i sykehussenger med 25 % og redusert sykehusinnleggelser med 20 %.

Redusere pleiekostnader
En rapport fra 2013 fra konsulentfirmaet PWC, på oppdrag fra GSMA som representerer interessene til mobilradiooperatører verden rundt, er enda mer optimistisk angående innsparingene. Den antyder at mHelse i Europa kan redusere pleiekostnadene for kroniske tilstander med 30 til 35 prosent ved å behandle 185 millioner pasienter mer effektivt. Samlet sett kan mHelse gi 100 millioner euro i kostnadsinnsparinger i regionen og tilføre 93 milliarder euro til brutto nasjonalprodukt, hevder organisasjonen.

Redder liv
Det er ikke bare I-land som kan dra nytte av dette. I en annen av sine offisielle rapporter oppgir GSMA at mHelse kan bidra til å redde 200 000 liv i året i Afrika sør for Sahara. Her brukes teknologien til å bekjempe malaria, tuberkulose, perinatale tilstander og AIDS/HIV, som til sammen forårsaker 3 millioner dødsfall i året. En rapport fra 2014 fra PWC viser faktisk at bevisstheten om mHelse-teknologi er mye større i fremvoksende markeder (61 %) enn i utviklede markeder (37 %).

Hva kan måles?
Mens hjerteslag er det mest grunnleggende vitale tegnet på menneskelig helse, kan sofistikerte sensorer nå brukes til å fange opp mange andre typer fysiologiske data, inkludert hjertefrekvens, hjerterytme, respirasjonsfrekvens, blodtrykk, blodoksygennivå med mer. Kroppsnære enheter kan også være koblet til sensorer som er implantert i kroppen.

Trådløse kroppsnettverk
I helsesektoren utvikles det nå stadig flere trådløse nettverk av kroppssensorer, eller trådløse kroppsnettverk (WBAN). Det kan også være nyttig for helsepersonell å få tilgang til data om hvor pasientene befinner seg, mobiliteten deres og hvorvidt de blir utsatt for ulykker. Posisjonsdata kan komme fra proprietære trådløse systemer innenfor et sykehusmiljø, fra Wi-Fi- eller mobilradionettverk, fra satellittsporingssystemer eller en kombinasjon av disse teknologiene. 3D-akselerometre brukes til å påvise når en pasient er involvert i en plutselig uventet bevegelse som kan være resultatet av en ulykke.

Frittstående og tilkoplede
Kroppsnære mHelse-enheter, som vil utvikles i mange ulike former og størrelser, kan noen ganger være frittstående enheter som ganske enkelt minner pasientene på å utføre visse handlinger – som å ta medisin eller fornye resepter. Det store flertallet vil imidlertid måtte kobles til et program som analyserer og formidler data fra sensorer. Programmer kan ligge på en pasients smarttelefon, men de største fordelene ved mHelse kan oppnås ved å levere data via Internett til skybaserte tjenester som helsepersonell kan få tilgang til.

Måler arytmi
Aggregering av data fra tusenvis eller til og med millioner av pasienter gir helsepersonell ny innsikt i medisinske tilstander. For eksempel har iRhythm i USA utviklet en løsning for å påvise, karakterisere og diagnostisere arytmi, eller uregelmessig hjerterytme. Ved hjelp av sensorer teipet til pasienters bryst og data levert via en smarttelefon eller nettstedet sitt, har selskapet samlet inn over 51 millioner timer med hjerteslag fra EKG-registreringer. De bruker resultatene til å danne seg en bedre forståelse av arytmi, og for å forbedre analysealgoritmene sine.

Lokasjonsbevisst teknologi i mHelse
Lokasjonsbevissthet tilfører en ny dimensjon til fysiologiske sensordata. Hvis helsepersonell blir varslet om at en pasient er i nød eller fare, kan det å vite nøyaktig hvor pasienten befinner seg – ideelt sett uten å være avhengig av talekommunikasjon – utgjøre forskjellen mellom liv og død.

Mobilveske
Et eksempel på et selskap som tar i bruk en rekke teknologier for å tilby mHelse, er Numera. Deres mobilveske, Libris+ (figur 2), gir fallbeskyttelse for sårbare personer, særlig eldre. 14,8 millioner mennesker over 65 år faller hvert år i USA. 20 til 30 prosent av disse fallene resulterer i moderate til alvorlige skader. Libris+, som vanligvis henges rundt halsen, integrerer falldeteksjonssensorer med global satellittnavigasjon og mobilradio (tale og data) for å kommunisere problemer til et servicesenter, og derfra til slektninger eller venner av brukeren slik at hjelp kalles inn raskt og gis på en effektiv måte. Kommunikasjon kan også aktiveres manuelt ved å trykke på en knapp. Elektroniske vekter, blodtrykksmålere og detektorer for blodoksygennivå kan også kobles til Libris+ slik at enheten blir et lokalt kommunikasjonsknutepunkt for brukeren, koblet til diverse fysiske og fysiologiske sensorer.

Tilføring av lokasjonsbevissthet
Innendørs lokasjonsdata kan hentes fra egne trådløse sensornettverk inne i en bygning eller fra Wi-Fi-soner. Utendørs gir satellittnavigasjon den mest konsekvente globale dekningen. Nøyaktigheten kan forbedres ytterligere ved å tilføre lokasjonsdata fra mobilnettverk eller Wi-Fi-rutere.

Satellittsporing
Mange bruker «GPS» som en fellesbetegnelse for satellittposisjonering eller navigasjonssystemer, men GPS beskriver mer spesifikt USAs satellittsporingssystem. Globale navigasjonssatellittsystemer (GNSS) er en mer presis fellesbetegnelse, da Russland har utviklet GLONASS-systemet, Kina har BeiDou og Europa ruller ut Galileo. Disse systemene suppleres ofte med et satellittbasert forsterkningssystem (SBAS), som tilfører data fra bakkebaserte referansestasjoner til dem som mottas fra satellitter.

Utfordringer med GNSS
Det å tilføre GNSS-lokasjonsbevissthet til mHelse-produkter har sine utfordringer. Brukerne ønsker seg små, diskré, lette enheter og vil helst slippe å lade opp batteriene for ofte, så svært lavt strømforbruk er avgjørende. Dette er også i all vesentlighet et forbrukermarked der fortjenestemarginene er små. Det fører til at det blir lagt stort kostnadspress på komponentleverandører. Sist, men ikke minst er produsenter av mHelse-enheter del av et innovasjonskappløp. Det å være først ute på markedet med nye produkter kan utgjøre forskjellen mellom suksess og fiasko, så enkel integrering av lokasjonsbevisste funksjoner er avgjørende.

Moduler vs IC-basert
Noen få selskaper velger å designe sine egne GNSS-funksjoner, med utgangspunkt i integrerte kretser. Mange kan imidlertid dra fordel av enklere integrering, kortere tid til markedet og redusert produksjonskompleksitet via ferdiglagde GNSS-moduler.

U-blox moduler
To eksempler på slike moduler er u-blox EVA-7M (7 x 7 x 1,1 mm) og MAX-7 (9,7 x 10,1 x 2,5 mm). Begge kan spore GPS- eller GLONASS-satellittsignaler og støtte SBAS på GPS. Modulene trenger ikke en verts-mikrokontroller og krever svært få eksterne komponenter. De kan derfor integreres raskt og enkelt i kroppsnære enheter. Ved å kombinere høy sporingsfølsomhet med kontinuerlig strømforbruk på bare 16,4 mA ved 3 V (4 mA – 4,5 mA ved 3V i strømsparingsmodus) gir modulene GPS-posisjoneringsdata med 2,5 m nøyaktighet (4 m på GLONASS), eller ned til 2,0 m med SBAS aktivert.

Flere kanaler
Når det er behov for bredere GNSS-dekning, er u-blox EVA-M8M- og MAX-M8-modulene av samme størrelse som henholdsvis EVA-7M og MAX-7, men tilfører BeiDou-mottaksegenskaper og kan operere samtidig med opptil to satellittsystemer. EVA-M8M har sporingssensitivitet på -164 dBm, og MAX-M8M oppnår -167 dBm. Begge moduler er Galileo-klare og kan, når Galileo-systemet er klart, oppdateres.

Forbedring av nøyaktighet
Som tidligere nevnt, kan navigasjonsnøyaktigheten forbedres, spesielt når satellittsignalene er svake eller blokkert av hindringer, ved å bruke Internett eller mobile trådløse nettverksdata for å supplere informasjon fra satellitter. u-blox’ AssistNow (figur 4)er en gratis assistert GNSS (A-GNSS)-tjeneste som tar denne tilnærmingen for å muliggjøre beregning av posisjon i løpet av sekunder, snarere enn minuttene eller timene det kan ta ved hjelp av kun GNSS-signaler, som kan være blokkerte eller dempet.

Internettilkopling
I fitness-markedet vi diskuterte i begynnelsen av denne artikkelen, oppnås Internett-tilkobling vanligvis ved hjelp av en smarttelefon eller et nettbrett med mobil- eller Wi-Fi-tilkobling. Data fra sensorer, eller sensormoduler med integrerte prosessorer, bruker i økende grad lavenergi-Bluetooth (også kalt Bluetooth Smart) for å koble til telefonen eller nettbrettet, siden Bluetooth i disse dager er tilgjengelig på alle slike enheter. Tilkobling av kroppsnære mHelse-enheter kan imidlertid være vanskeligere, spesielt for å overvåke de som er sårbare grunnet alder eller helseproblemer. Her vil en egen tilkobling til Internett vanligvis være å foretrekke. Hvis noen glemmer å ta smarttelefonen med seg når de drar på butikken, eller mister den, blir ikke kommunikasjonen med helseleverandøren avbrutt.

Smart skosåle
SmartSole fra det amerikanske firmaet GTX Corp. har bygd GPS-sporing og mobilradio inn i en skosåle. Dette gir en diskré løsning slik at helsepersonell, eller slektninger og venner, kan følge med på sårbare personer som kan komme til å utsette seg for fare. I noen tilfeller vil det gjøre det mulig for pasienter å bli i sine egne hjem heller enn å bli lagt inn på institusjoner. Personer som lider av demens eller andre hjernesykdommer kan selvsagt ha vanskeligheter med å bruke en smarttelefon eller huske å ta den med seg, så det eneste pålitelige her er en fullt integrert løsning. SmartSole (figur 5) har også en bedre batterilevetid enn mange smarttelefoner, og fungerer i 2–3 dager mellom oppladinger.

Båndbreddebehov
Som med GNSS er fordelene mobilradiofunksjonalitet, liten størrelse, enkel integrering, pålitelig ytelse og lave kostnader. Moduler gir ofte den mest kostnadseffektive løsningen. For applikasjoner med lav datahastighet, som mange mHelse-programmer, tilbyr 2G-nettverk vanligvis tilstrekkelig båndbredde og funksjonalitet. Operatører begynner imidlertid nå å stenge ned gamle nettverk på bakgrunn av økt investering i 4G-infrastruktur. For å bygge en grad av fremtidssikring inn i mHelse-enheter, som kan være designet for mye lengre levetider enn forbrukerprodukter som fokuserer på fitness heller enn helse, er det nå ønskelig å tilføre mobiltilkobling med 3G- og 4G-moduler. Det innledende utlegget blir sannsynligvis mer enn kompensert i løpet av sluttproduktets levetid, da færre oppdateringer er nødvendige for å gjøre plass til nettverksoppgraderinger. Det er også verdt å sørge for at mobilradiomodulen som velges, har et kretskort som lett kan oppgraderes på et senere tidspunkt uten endringer i oppsettet.

Sømløs migrering
u-blox TOBY-L2-serien av 4G LTE tale- og datamodemmoduler (figur 6) tilbyr sømløs drop-in-migrering fra selskapets SARA-U2 (3G)- og SARA-G3 (GSM)-moduler, takket være et nestet design. Mønsterkortet trenger dermed ikke å endres for å imøtekomme produktoppgraderinger.

Raske moduler
TOBY-L2-moduler er de raskeste som er tilgjengelige for øyeblikket. De gir nedlastingshastigheter på opptil 150 Mbps og opplastingshastigheter på opptil 50 Mbps. De er tilgjengelige i varianter for Nord-Amerika, Europa, Stillehavsasia og Sør-Amerika, så produkter som bruker dem kan enkelt tilpasses for globale markeder. TOBY-L2-moduler tilbyr pålitelig drift i krevende miljøer. De har et driftstemperaturområde på -40 °C til +85 °C, og i likhet med andre u-blox-komponenter og -moduler produseres de på ISO/TS 16949-sertifiserte anlegg.

Integrering
Alle u-blox-radiomoduler er designet for tett integrering med selskapets GNSS-moduler. Dette gir designere en rekke alternativer med lav risiko, høy pålitelighet og høy ytelse når de skal kombinere posisjonsdata med mobil tilkobling. De inneholder også u-blox’ CellLocate-teknologi, som muliggjør frittstående lokasjonsberegning basert på omkringliggende mobilinformasjon, i kombinasjon med GPS-posisjonsdata. Dette bedrer posisjonsnøyaktighet og hastighet, spesielt i skjermede miljøer der GNSS-signaler er svekket.

Hvorfor større funksjonell integrering er veien videre

Jo større antall funksjoner som kan innlemmes i et enkelt stykke silisium eller i en enkelt modul, desto mer kostnadseffektiv blir løsningen. Kostnaden per funksjon faller med økende integrering. På kort sikt kommer vi til å se enda nærmere integrering av GNSS-funksjoner med en rekke tilkoblingsmuligheter på de samme modulene, inkludert Wi-Fi, Bluetooth og mobilradio. Med tiden kan vi kanskje også få se alle disse funksjonene kombinert i integrerte kretser.