Zaloguj
Definicja urządzeń ubieralnych
Urządzenia ubieralne, nazywane także elektroniką noszoną (ang. wearable devices lub body-worn devices) to niezwykle szeroka kategoria relatywnie niewielkich, lekkich urządzeń, które – jak sama nazwa wskazuje – mogą być zakładane (bezpośrednio lub pośrednio) na ciało użytkownika. Internetowy portal dictionary.com określa znaczenie hasła wearable technology jako „mały komputer lub zaawansowane urządzenie elektroniczne zakładane na ciało lub noszone na nim” [1]. Warto w tym miejscu podkreślić, że rozróżnienie pomiędzy urządzeniami mobilnymi (mobile devices) oraz – w ogólności – przenośnymi (portable devices), a elektroniką ubieralną, polega nie tyle na rzeczywistym sposobie użytkowania, co na pewnych specyficznych rozwiązaniach konstrukcyjnych. O ile bowiem każdy smartfon może być założony np. na ramię biegacza przy użyciu specjalnego etui, to nie czyni to jeszcze owego telefonu członkiem obszernej rodziny urządzeń noszonych. Te ostatnie są bowiem fabrycznie przystosowane do tego, by w jakiś sposób zakładać je na ciało użytkownika, najczęściej na dość długi czas (choć wielu z nas nosi np. inteligentną opaskę czy zegarek przez całą dobę, pomijając oczywiście przerwy niezbędne do naładowania wewnętrznego akumulatora).
Aplikacje elektroniki noszonej
Jednoznaczny podział wszystkich obecnych na rynku urządzeń ubieralnych na całkowicie rozłączne kategorie jest trudny do ustalenia, zwłaszcza w przypadku produktów z segmentu konsumenckiego. Wynika to z bardzo prostego faktu – zdecydowana większość wyrobów znajdujących się w sprzedaży pełni jednocześnie szereg różnych funkcji, przez co trudno je jednoznacznie zaklasyfikować do określonej grupy. Przykładowa klasyfikacja – uwzględniająca ten fakt – mogłaby zatem wyglądać następująco.
Wielofunkcyjne urządzenia konsumenckie stanowią zdecydowanie najszerszą i najłatwiej dostępną (obok słuchawek bezprzewodowych) grupę wyrobów z sektora wearable. Miniaturyzacja wydajnych mikrokontrolerów i procesorów aplikacyjnych o dopracowanych trybach oszczędzania energii, a także upowszechnienie (i – co za tym idzie – spadek cen) doskonałej jakości wyświetlaczy OLED i AMOLED spowodowało, że czołowi producenci smartfonów podjęli próbę przeniesienia części funkcjonalności tychże urządzeń mobilnych na znacznie mniejszą platformę, której rozmiary umożliwiłyby noszenie jej dokładnie tak, jak klasycznego zegarka naręcznego.
Swego rodzaju podgrupą smartwatchy (fotografia 1) są tzw. opaski sportowe (ang. smartbands – fotografia 2), których funkcjonalność w rzeczywistości pokrywa się w przeważającej części z możliwościami smartwatchy, a rozróżnienie pomiędzy nimi opiera się dziś głównie na proporcjach obudowy oraz ukierunkowaniu na funkcje stricte sportowe (w przypadku opasek).
Standardową funkcjonalnością praktycznie wszystkich współczesnych smartwatchy i smartbandów jest pomiar tętna metodą optyczną (fotopletyzmograficzną – fotografia 3), w przypadku bardziej zaawansowanych zegarków często rozszerzony o SpO2 (pulsoksymetr), a nawet proste, jednoodprowadzeniowe EKG, korzystające z metalowych elementów obudowy jako elektrod (fotografia 4).
Co ciekawe, do tej samej grupy należą też ultra-nowoczesne smart ringi (inteligentne pierścienie – fotografia 5).
Te kompaktowe urządzenia stanowią popis współczesnej miniaturyzacji, gdyż w formie stosunkowo cienkiego pierścienia integrują kompletne urządzenie pełniące szereg rozmaitych funkcji – w tym przede wszystkim pomiary podstawowych parametrów biomedycznych (częstości tętna oraz saturacji krwi tętniczej), liczby kroków czy rodzaju aktywności (te dwa ostatnie pomiary są dokonywane za pomocą akcelerometru MEMS). Część smart ringów oferuje także pomiar temperatury skóry, który jednak stanowi bardziej dodatkowy gadżet, niż jakąkolwiek rzeczywistą wartość z medycznego czy użytkowego punktu widzenia.
Urządzenia audio obejmują różnego rodzaju słuchawki bezprzewodowe – zarówno te nauszne (fotografia 6), jak i douszne oraz dokanałowe. Standardem komunikacji obowiązującym w tym obszarze jest oczywiście łącze Bluetooth, choć dostępne są też nieliczne modele słuchawek odbierających sygnał audio za pośrednictwem innych rodzajów transmisji radiowej i sprzedawane zwykle jako akcesoria przeznaczone do użytku domowego (np. do telewizora).
Szczególną grupę stanowią słuchawki określane jako true wireless, czyli popularne „pchełki”, niepołączone ze sobą żadnym pałąkiem ani przewodem (fotografia 7) – dane audio są przesyłane z urządzenia nadrzędnego (smartfona) albo do obydwu słuchawek jednocześnie, albo w całości tylko do jednej z nich, pełniącej jednocześnie rolę przekaźnika strumienia przeciwległego kanału do drugiej słuchawki (rysunek 1).
Urządzenia sportowe – ta grupa, oprócz produktów wymienionych w punkcie pierwszym, obejmuje także jednofunkcyjne czujniki parametrów życiowych (w tym pulsometry w postaci pasów piersiowych – fotografia 8), a także rozmaite produkty pozwalające na śledzenie postępu treningów bądź diagnozowanie problemów, wynikających np. z powtarzalnych, niewłaściwych wzorców ruchowych, charakterystycznych dla danego sportowca (lub pracownika – w obszarze badań nad ergonomią i BHP).
Na rynku dostępne są m.in. systemy śledzenia ruchu (motion tracking) oparte na zestawie bezprzewodowych czujników IMU (fotografia 9), zakładanych na poszczególne segmenty kończyn, tułowia a nawet głowę i przesyłające dane w sposób synchroniczny do centralnego urządzenia odpowiedzialnego za ich agregację.
Urządzenia medyczne to obecnie najbardziej zróżnicowana funkcjonalnie część sektora elektroniki ubieralnej. Większość komercyjnie dostępnych i – co ważne – naprawdę stosowanych w praktyce urządzeń pełni jedną, określoną funkcję. Praktycznie co roku w mediach branżowych pojawiają się doniesienia o kolejnych planowanych lub dokonanych wdrożeniach. W naszym artykule skupimy się jednak na krótkim scharakteryzowaniu tylko wybranych podgrup medycznych urządzeń ubieralnych, ze szczególnym uwzględnieniem tych rozwiązań, które już teraz realnie wpływają na obraz współczesnej medycyny – nie sposób bowiem wskazać wszystkich możliwych zastosowań urządzeń z segmentu wearables we opiece zdrowotnej w 3. dekadzie XXI wieku.
Rejestratory holterowskie to zdecydowanie jedne z najstarszych, elektronicznych urządzeń ubieralnych, stosowanych w praktyce medycznej. Choć pierwszy w historii rejestrator ambulatoryjny EKG zdecydowanie nie należał do urządzeń najwygodniejszych w użytkowaniu (opracowany w 1947 roku sprzęt miał postać sporego plecaka o wadze „zaledwie” 38 kg – fotografia 10), to okazał się on wynalazkiem na wskroś wizjonerskim – nie tylko bowiem umożliwiał sam zapis sygnału EKG u pacjenta nieuwiązanego do stacjonarnej aparatury, ale jednocześnie stanowił pierwsze, w pełni mobilne urządzenie telemedyczne: sprzęt był bowiem wyposażony w nadajnik radiowy, odpowiedzialny za transmisję sygnału elektrokardiograficznego na odległość.
Przez lata intensywnego rozwoju rejestratory holterowskie ulegały postępującej miniaturyzacji, przechodząc przez różne stadia zaawansowania: od całkiem pokaźnych urządzeń, do złudzenia przypominających magnetofony szpulowe (fotografia 11), poprzez znacznie nowocześniejsze sprzęty oparte na kasetach magnetofonowych, aż po kompaktowe i lekkie rejestratory wyposażone we wbudowaną lub wymienną pamięć półprzewodnikową (fotografia 12).
Dopiero jednak wdrożenie scalonych front-endów analogowych, realizujących niemal cały tor pomiarowy do rejestracji sygnału elektrokardiograficznego (premiery pierwszych takich układów miały miejsce zaledwie kilkanaście lat temu), pozwoliło jeszcze bardziej zminiaturyzować rejestratory EKG. Tak powstały urządzenia określane mianem ECG patch, czyli niewielkie „łatki” przyklejane na ciało pacjenta i zdolne do długoterminowego monitorowania rytmu serca (fotografia 13).
Ciekawą odmianą klasycznych rejestratorów holterowskich są kamizelki lub koszulki EKG – ich rozciągliwa, elastyczna struktura zawiera wbudowane elektrody, umożliwiające wykonywanie pełnych, 12-odprowadzeniowych (lub jeszcze obszerniejszych) zapisów elektrokardiograficznych, zaś predefiniowane ułożenie poszczególnych elektrod (narzucone przez geometrię takiej e-odzieży) znakomicie ułatwia samodzielne zakładanie i zdejmowanie urządzenia przez samego pacjenta lub jego opiekuna (fotografia 14). Należy bowiem pamiętać, że właściwe pozycjonowanie poszczególnych elektrod, a przede wszystkim tych przedsercowych (umieszczonych na przedniej i bocznej ścianie klatki piersiowej) ma fundamentalne znaczenie dla prawidłowego odwzorowania znormalizowanych odprowadzeń elektrokardiograficznych.
Dla jasności należy wspomnieć, że oprócz holterów EKG istnieją także ambulatoryjne rejestratory ciśnienia krwi – od strony konstrukcyjnej stanowią one rozszerzenie klasycznego ciśnieniomierza sfigmomanometrycznego (działającego w oparciu o metodę oscylometryczną) o wbudowaną pamięć, umożliwiającą zapis wyników pomiaru zbieranych przez całą dobę (fotografia 15).
Pompy insulinowe i sensory CGM stanowią jedne z najważniejszych i najszerzej stosowanych medycznych urządzeń ubieralnych (fotografia 16). Zadaniem pompy insulinowej jest automatyczne lub półautomatyczne dostarczanie precyzyjnie dawkowanej insuliny pacjentom z cukrzycą typu 1. Urządzenia pracujące w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego ułatwiają podawanie leku, jednak nie zdejmują z barków pacjenta odpowiedzialności za dokonywanie okresowych pomiarów poziomu glukozy we krwi.
Prawdziwą rewolucję przyniosło połączenie pomp insulinowych z czujnikami CGM (ang. continuous glucose measurement), które w sposób ciągły monitorują glikemię i odpowiednio dostrajają szybkość podawania insuliny, komunikując się z pompą drogą radiową (fotografia 17).
Same sensory CGM bazują natomiast najczęściej na elektrochemicznej metodzie enzymatycznej, co pozwala na wykonywanie pomiarów w relatywnie prosty (pod względem elektronicznym) sposób, korzystając z jednorazowych czujników przyklejanych do skóry pacjenta. W spodniej części sensora znajduje się cienka i krótka igła, która – po zagłębieniu w tkankę podskórną – uzyskuje kontakt z płynem śródmiąższowym (fotografia 18). To właśnie w nim mierzone jest stężenie glukozy. Najnowocześniejsze czujniki CGM dokonują pomiaru co minutę nawet przez 14 dni od zamocowania, co w oczywisty sposób podnosi komfort życia diabetyków, zwalniając ich z konieczności częstego i bolesnego nakłuwania skóry palców w celu pobrania kropli krwi, nanoszonej następnie na pasek współpracujący z klasycznym glukometrem. Niektóre sensory CGM umożliwiają odczyt danych za pośrednictwem łącza NFC, inne zaś mają wbudowany transceiver Bluetooth LE – to ostatnie rozwiązanie pozwala na prawdziwie ciągłe monitorowanie, wyznaczanie trendu zmian stężenia glukozy i automatyczne powiadamianie pacjenta (w czasie rzeczywistym!) o spodziewanych zaostrzeniach choroby.
Aparaty słuchowe – początki historii elektrycznych wzmacniaczy słuchu datuje się wprawdzie na koniec XIX wieku, jednak dopiero wynalezienie tranzystora pozwoliło realnie zminiaturyzować stosowane na początku XX w., nieporęczne i dość ciężkie konstrukcje lampowe – gwoli ścisłości należy dodać, że konstruktorzy pracujący w erze lampowej dwoili się i troili, by uczynić ówczesne aparaty możliwie najmniejszymi, jak to tylko możliwe (fotografia 19).
Przełom nastąpił w roku 1952, kiedy to na rynek trafił Sonotone 1010 (fotografia 20) – pierwszy komercyjny aparat słuchowy, w którym do budowy końcówki mocy zastosowano tranzystor (co ciekawe, przedwzmacniacz nadal bazował jeszcze na lampach elektronowych).
Należy jednak pamiętać, że w pełni ubieralne urządzenia tego rodzaju (tj. pozbawione wzmacniacza noszonego na pasku i połączonego przewodem ze słuchawką) pojawiły się sporo później. W 1970 roku do konstrukcji aparatów słuchowych trafiły pierwsze mikroprocesory, co zapoczątkowało erę cyfrowej protetyki słuchu. Dziś nowoczesne aparaty (fotografia 21) są wyposażone w zaawansowane procesory audio do realizacji adaptacyjnych algorytmów przetwarzania dźwięku, wspierają połączenia z urządzeniami mobilnymi, obsługują funkcje asystenta głosowego, pełnią funkcję inteligentnego tłumacza symultanicznego, a nawet… monitorują aktywność użytkownika i wykrywają upadek (!).
Oprócz aparatów zausznych dostępne są także konstrukcje wewnątrzuszne oraz – niewidoczne dla osób postronnych – urządzenia całkowicie wewnątrzkanałowe (fotografia 22).
Neurostymulatory i stymulatory mięśni – stymulacja elektryczna jest stosowana od wielu dekad, przede wszystkim w obszarach neurologii, psychiatrii, a także medycyny sportowej i estetycznej. Do najpopularniejszych okołomedycznych oraz terapeutycznych urządzeń należą rozmaite stymulatory mięśni (TENS – fotografia 23) – te przeznaczone do użytku domowego są łatwo dostępne w aptekach czy na internetowych portalach sprzedażowych.
Stałoprądowa stymulacja przezczaszkowa mózgu (tDCS – fotografia 24) stanowi wg licznych badań skuteczne remedium na niektóre zaburzenia i choroby z pogranicza neurologii i psychiatrii, m.in. depresję.
Z kolei neuromodulacja nerwu błędnego (fotografia 25) okazuje się przydatna w leczeniu klasterowych bólów głowy czy migren, a niektóre prace wskazują na przydatność tej techniki w łagodzeniu późnych skutków infekcji COVID-19, w tym zaburzeń snu czy tzw. mgły mózgowej. Część spośród omawianych urządzeń ma postać niewielkich aparatów noszonych np. na pasku biodrowym i podłączonych do elektrod za pomocą przewodów, podczas gdy inne stanowią konstrukcje samonośne, tzn. jednostka główna jest zintegrowana z zaczepami współpracującymi z wymiennymi elektrodami samoprzylepnymi.
Ubieralne defibrylatory stanowią rewolucyjne podejście do krótkotrwałego zabezpieczania pacjentów zagrożonych wystąpieniem nagłych zaburzeń rytmu serca, które mogłyby ze sporym prawdopodobieństwem doprowadzić do śmierci pacjenta. O ile osoby cierpiące na przewlekłe, poważne zaburzenia rytmu serca często wymagają wszczepienia implantowalnych kardiowerterów-defibrylatorów (ICD), to już np. pacjenci po niektórych rodzajach operacji kardiochirurgicznych niekoniecznie będą potrzebowali dożywotniej ochrony. W takich właśnie przypadkach zastosowanie znajdują ubieralne (nieinwazyjne) defibrylatory, mające postać noszonej przez pacjenta jednostki głównej, połączonej ze specjalną kamizelką, wyposażoną w płaskie elektrody defibrylacyjne – przykład takiego systemu można zobaczyć na fotografii 26.
Sztuczne narządy – w przypadku schyłkowej niewydolności nerek pacjenci muszą być poddawani terapii nerkozastępczej, w skrócie określanej dializą. Konieczność częstego wykonywania takich zabiegów powoduje istotne upośledzenie jakości życia pacjentów, którzy są niejako „uwiązani” do stacji dializ i każdorazowo spędzają w takim ośrodku kilka godzin (co gorsza – kilka razy tygodniowo). Nic więc dziwnego, że od lat trwają intensywne prace badawczo-rozwojowe nad sztucznymi narządami, które byłyby w stanie na stałe zastąpić chore nerki albo przynajmniej ułatwić pacjentowi życie w oczekiwaniu na przeszczep naturalnego organu. Sztuczne nerki mają niestety wciąż postać obszernych „instalacji” (fotografia 27), które pacjent jest zmuszony dźwigać na swoich biodrach, ale ich „ubieralność” i tak stanowi spory krok do przodu.
Wciąż prowadzone są projekty mające na celu maksymalizację ergonomii i komfortu pacjenta korzystającego z noszonego dializatora – przykład interesującej koncepcji można zobaczyć na fotografii 28.
Telemedyczne monitory wielofunkcyjne, przeznaczone przeważnie do ambulatoryjnego, długookresowego monitorowania pacjentów (przykład można zobaczyć na fotografii 29), są opracowywane i wdrażane przez dziesiątki firm (w dużej mierze także start-upów) już od kilkunastu lat. I tutaj warto wspomnieć o niezwykle ciekawym zjawisku.
Możliwość zdalnej diagnostyki i nadzoru fizjologicznego za pomocą silnie zminiaturyzowanych urządzeń ubieralnych, z łatwością rozpala wyobraźnię konstruktorów – pomimo to niemal żadne z nich nie osiągnęło jak dotąd sukcesu rynkowego w takim stopniu, by choć trochę „podgryźć” część komercyjnego tortu, zdominowanego przez urządzenia pełniące zaledwie jedną funkcję – chociażby zwykłe, stosowanym od dekad, rejestratory holterowskie. Przyczyn tego faktu, leżących zarówno w obszarze technologii, jak i całkowicie poza nim, jest wiele i nie będziemy się nimi zajmować na łamach tego artykułu. Warto natomiast wspomnieć, że worek z tego typu pomysłami rozwiązał się w dużej mierze za sprawą coraz mniejszych, bogatszych i bardziej energooszczędnych front-endów analogowych, integrujących w sobie często kilka funkcji pomiarowych (np. rejestrację sygnału EKG, pomiary bioimpedancyjne czy fotopletyzmografię, a nawet jej rozszerzoną wersję, czyli pulsoksymetrię). Przykład takiego układu można zobaczyć na fotografii 30 – front-end MAX86176 integruje w sobie kompletne tory sygnałowe do pomiaru EKG oraz akwizycji danych fotopletyzmograficznych, a jego wymiary to zaledwie 2,73 mm×2,71 mm – to, co dawniej wymagało rozbudowanej płyty drukowanej z kilkudziesięcioma układami scalonymi, dziś mieści się w na jednym płatku krzemu! Więcej szczegółowych informacji na temat front-endów medycznych (i nie tylko) można znaleźć w obszernym cyklu artykułów pt. „Praktyczne aplikacje scalonych układów AFE”, który publikowany był na łamach „Elektroniki Praktycznej” w latach 2021...2023.
Urządzenia „prospołeczne” to kolejna, choć znacznie węższa grupa produktów, którą można wydzielić w ramach naszego przeglądu. Do tej kategorii postanowiliśmy „wrzucić” wszystkie wyroby przeznaczone do rozwiązywania konkretnych problemów natury społecznej, z którymi boryka się współczesna cywilizacja w krajach wysoko rozwiniętych. Pierwszą podgrupę stanowią opaski dla seniorów – ich celem jest automatyczna detekcja i powiadamianie rodziny o upadku samotnie mieszkającej osoby starszej, który nierzadko mógłby się skończyć dla niej tragicznie. Tego typu urządzenia są zwykle wyposażone w przycisk SOS (fotografia 31) umożliwiający łatwe i szybkie wezwanie pomocy przez samego użytkownika, zaś – zwłaszcza w przypadku osób z demencją – bardzo potrzebna może okazać się także funkcja geolokalizacji na podstawie wbudowanego odbiornika GPS.
Do drugiej grupy trafiły urządzenia, które wprawdzie także mają na celu zdalny nadzór, jednak dotyczą już zgoła innej grupy docelowej. Mowa o trackerach stosowanych do tzw. dozoru elektronicznego, czyli opaskach montowanych najczęściej nad kostką lub (rzadziej) na ramieniu osoby skazanej na karę pozbawienia wolności (fotografia 32). W przypadku osób, które otrzymały karę maksymalnie roku więzienia, polskie prawo dopuszcza odbywanie jej w środowisku domowym, co pozwala w przypadku „lżejszych” przewinień na uniknięcie pobytu w zakładzie karnym i ma fundamentalne znaczenie dla podtrzymania dotychczasowej aktywności zawodowej i rodzinnej czy też kontynuowania terapii. Opaski tego typu są oczywiście wyposażone nie tylko w system geolokalizacji, ale także w zabezpieczenia telemetryczne, umożliwiające wykrywanie prób nielegalnego usunięcia urządzenia przez skazanego – takie działanie jest zresztą surowo karane.
Okulary VR, AR i FPV znalazły szereg zastosowań konsumenckich – pozwalają na obsługę nowoczesnych gier komputerowych, wygodne sterowanie amatorskimi dronami w trybie first person view (czyli z perspektywy pierwszej osoby) itp. Przykład gogli FPV można zobaczyć na fotografii 33.
Aplikacji profesjonalnych można jednak wskazać jeszcze więcej – zaawansowane planowanie operacji chirurgicznych, śródoperacyjna fuzja danych obrazowych z użyciem rozszerzonej rzeczywistości (AR – fotografia 34), symulacje medyczne wykonywane w celach dydaktycznych z zastosowaniem wirtualnej rzeczywistości (VR), czy też zdalne wsparcie serwisantów infrastruktury przemysłowej przez ekspertów znajdujących się nawet tysiące kilometrów od naprawianej maszyny – to zaledwie kilka spośród niezliczonych przykładów zastosowań nowoczesnych okularów VR/AR. Zaletą stosowania tego typu urządzeń jest możliwość pełnego „zanurzenia się” w obserwowane sceny, co nie tylko skupia uwagę operatora na najważniejszych aspektach, ale także – w przypadku zastosowań rozrywkowych, np. podczas pilotowania amatorskich dronów – przenosi obsługę systemu na zupełnie inny poziom wrażeń.
Podsumowanie
W artykule zebraliśmy przegląd rozmaitych aplikacji elektroniki ubieralnej – znalazły się w nim zarówno te najpopularniejsze, bliskie niemal każdemu z nas (np. smartwatche, opaski sportowe czy słuchawki bezprzewodowe), jak i wysoce specjalistyczne, zaawansowane urządzenia medyczne. Powyższa lista nie jest rzecz jasna kompletna, a wynika to z dwóch przyczyn. Po pierwsze rynek urządzeń wearable stale dynamicznie się rozwija, co wiąże się z wdrażaniem kolejnych rodzajów urządzeń, które wcześniej w ogóle nie istniały (nawet w uproszczonej formie), a nierzadko wręcz wymykają się sztywnym klasyfikacjom. Po drugie ilość współczesnych zastosowań urządzeń noszonych jest tak duża, że nie sposób zebrać w ramach jednego artykułu wszystkich możliwych aplikacji. Przegląd utrudnia w pewnym stopniu także specyfika rynku produktów ubieralnych – okazuje się bowiem, że wiele firm (zwłaszcza start-upów) udostępnia na swoich stronach internetowych oraz w doniesieniach prasowych informacje na temat wyrobów, które albo są jeszcze w trakcie projektowania, albo zostały opracowane, ale nigdy nie doczekały się konkretnego wdrożenia na szerszą skalę. Dlaczego tak się dzieje? Przyczyn można byłoby znów wskazać kilka, ale oprócz trudności technologicznych pod uwagę trzeba wziąć także samych odbiorców – nie zawsze bowiem to, co „kręci” samych konstruktorów lub producentów, okazuje się trafiać w gust lub realne potrzeby końcowych użytkowników. A przecież to właśnie jest warunek niezbędny sukcesu w branży technologicznej.
inż. Przemysław Musz, EP
