slide1

ایجاد یک سیستم پایش نوار قلب مبتنی بر اینترنت اشیا

در ۱۰ دقیقه این متن را بخوانید

فناوری اینترنت اشیا (IoT) امکان پایش از راه دور نوار قلب را با استفاده از دستگاه­ های اینترنت اشیا برای بازیابی سیگنال­ های نوار قلب فراهم می ­کند و امکان انتقال اطلاعات بصورت بی­ درنگ از طریق اینترنت به پزشک را برای تجزیه و تحلیل بیشتر فراهم می کند. اینترنت اشیا اتصال پیشرفته‌­ای از دستگاه‌­ها­، سیستم‌­ها و خدمات را فراهم می­ کند که می­ توانند فراتر از ارتباطات ماشین به ماشین (M2M: ارتباط ماشین‌ها با شبکه اینترنت و در نتیجه، با تمام اشیاءِ متصل به اینترنت، بدون دخالت یا با دخالت اندک انسان) باشند و همچنین انواع مختلفی از پروتکل‌ها، دامنه‌ها و برنامه­‌ها را در بر می­ گیرند.

در یک سیستم پایش نوار قلب مبتنی بر اینترنت اشیا، دستگاه‌­هایی شامل حسگر نوار قلب، تلفن­ همراه هوشمند، رایانه لوحی به شکل یکپارچه با استفاده از زیرساخت اینترنت و شبکه بی­‌سیم، در بستر یک پروتکل ارتباطی به یکدیگر متصل می­­ شوند و با هم در ارتباط و تعامل هستند. داده­ های نوار قلب با استفاده از یک گره پایشگر پوشیدنی جمع ­آوری می­ شوند و به طور مستقیم با استفاده از یک شبکه بی­سیم (مانند بلوتوث،Wi-Fi ، ZigBee) به ابر اینترنت اشیا منتقل می­ شوند. سیگنال­ های نوار قلب از طریق تقویت، فیلتر کردن و غیره پردازش می­ شوند تا کیفیت سیگنال بهبود یابد. یکی از پروتکل­های HTTP[۱] و MQTT[۲] (پروتکل­ های شبکه که پیام­ ها را بین دستگاه ­ها منتقل می ­کنند.) در ابر اینترنت اشیا به منظور ارائه داده ­های نوار قلب بصری و به موقع به کاربران استفاده می­ شوند که البته MQTT پروتکل استاندارد اینترنت اشیا و انتخاب مناسب­تری نسبت به HTTP است. تمام پایانه­ های هوشمندِ دارای یک مرورگر وب (تلفن­ همراه، رایانه، …) می­ توانند داده­ های نوار قلب را به راحتی بدست آورند، که این امر مشکلات ناشی از تغییر پلتفرم را کاهش داده است. تقریباً هیچکدام از سیستم‌های پایش نوار قلب قابل حمل موجود نمی­ توانند بدون یک برنامه (app) تلفن همراه، که مسئول جمع ­آوری و نمایش داده­ ها است، کار کنند.

مزایای برنامه (app) اینترنت اشیای سیستم پایش نوار قلب

سیستم پایش نوار قلب مبتنی بر اینترنت اشیا هنوز یک فناوری جدید و آزمایشی است و در این حوزه، تنها تعداد کمی محصول تجاری بفروش ­رسیده است. اما واکنش ­های اولیه کاربران نتایج مثبتی را به همراه داشته است، بنابراین یک سیستم پایش نوار قلب به عنوان یک برنامه اینترنت اشیا یک محصول خوب برای سرمایه گذاری می ­باشد.

مزایا برای بیماران

  1. علاقمندان به سلامتی که پیشرفت فیزیکی خود را ردیابی می ­کنند، می ­توانند یک ردیاب قابل اعتماد برای فعالیت قلب داشته باشند.
  2. کاربرانی که هنوز بیماری­ های قلبی مانند فیبریلاسیون دهلیزی (AFib) در آنها تشخیص داده نشده است اما گاهی اوقات با علائمی مانند ضربان­ های قلب نامنظم یا پرش کننده مواجه می ­شوند، با استفاده از برنامه نوار قلب می­ توانند این علائم را برای تجزیه و تحلیل بیشتر توسط پزشکان کنترل و ثبت کنند.
  3. بیماری­های احتمالی قلبی که می ­تواند بطور بالقوه به بیماری­های جدی­تر منجر شود آشکار می­ شوند.
  4. بیماران مبتلا به بیماری­های قلبی می توانند سلامتی و پیشرفت پزشکی خود را کنترل کنند.
  5. بیماران مسن هربار که به نوار قلب احتیاج دارند، از مسافرت و استرس آنها کاسته می­ شود.
  6. برخی از پزشکان پیشنهاد می­ کنند که بهترین مورد استفاده­ برای برنامه نوار قلب، پایش بیماران دارای مشکلات قلبی موجود است نه پایش افراد سالم.
  7. سطح آگاهی از مراقبت از قلب افزایش می ­یابد.

مزایا برای پزشکان

  1. برنامه پایش نوار قلب مبتنی بر اینترنت اشیا، دید عموم مردم را درباره اهمیت مراقبت از قلب افزایش می­ دهد.
  2. بیماران جدیدی وارد برنامه می­شوند تا صحت خوانش نوار قلب را تایید کرده و از نتایج مطمئن شوند.
  3. پایش بیماران از راه دور از طریق ارسال گزارش؛ این کار را می­توان بصورت دستی از طریق ایمیل یا دیگر پلتفرم­های پیام­رسانی انجام داد یا می ­توان برنامه را به منظور ارسال خودکار گزارش­ های دیجیتال طراحی کرد.

مزایا برای بیمارستان­ ها

  1. از برنامه نوار قلب می ­توان به عنوان نسخه ارزان قیمت و قابل حمل­تر از دستگاه نوار قلب آزمایشگاهی در بیمارستان استفاده کرد. با تجهیز هریک از پرسنل بیمارستان به برنامه نوار قلب، بیمارستان می­ تواند بیماران بیشتری را بررسی کند.
  2. از آنجایی که مزاحمت برنامه نوار قلب از نوار قلب آزمایشگاهی استاندارد کمتر است، بیمارستان می­تواند تجربه بهتری را برای بیماران بستری فراهم کند. آزمایش­های نوار قلب می ­تواند با کمترین تلاش یا ناراحتی برای بیمار انجام شود.
  3. برنامه نوار قلب می ­تواند آگاهی کاربران را در مورد اهمیت نوار قلب افزایش دهد. این امر منجر به هجوم بیماران قلبی جدیدی خواهد شد که به دنبال بررسی نتایج برنامه نوار قلب خود هستند و درآمد بیمارستان را افزایش می­ دهند.

نگاهی دقیق تر به نحوه ایجاد برنامه اینترنت اشیای سیستم پایش نوار قلب

اگرچه این مفهوم هنوز در مراحل ابتدایی است، اما چند محصول موفق به بازار عرضه شده است. یکی از سیستم­ های پایش نوار قلب مبتنی بر اینترنت اشیای درخور توجه، برنامه نوار قلب در ساعت اَپِل سری ۴ است. در ادامه، درباره چگونگی توسعه یک برنامه پایش نوار قلب مانند برنامه نوار قلب اپل صحبت خواهیم کرد.

۱- مزایای تجاری در مقایسه با نوار قلب معمولی

نرم­افزارهای فعلی نوار قلب می­ توانند فعالیت قلب را برای زیر یک دقیقه کنترل کنند که معمولاً در زیر ۳۰ ثانیه تنظیم می­ شوند. نقطه کنترل می­ تواند مچ باشد (شکل ۱) همانطور که توسط برنامه نوار قلب ساعت اَپِل استفاده می ­شود و یا نوک انگشتان (شکل ۲) باشد، همانطور که توسط Kardia، یکی دیگر از برنامه­ های محبوب نوار قلب استفاده می­ شود. این بدین معناست که برنامه نوار قلب فقط از یک پروب برای اندازه ­گیری یک نقطه یا بخشی از بدن استفاده می ­کند.

article thumbnail

شکل ۱. برنامه نوار قلب روی ساعت اَپِل سری ۴

شکل۲. برنامه Kardia و الکترودها بصورت افزونه

دستگاه­ های نوار قلب آزمایشگاهی ۱۲ پروب دارند که می­ توانند به قفسه سینه و سایر اندام­ ها متصل شوند. این دستگاه از ۱۲ قسمت مختلف از بدن ضربان ­هایی را دریافت می ­کند تا نتیجه دقیق ­تر و تصویر بهتری از وضعیت قلب بیمار بدست آورد. بنابراین فناوری پوشیدنی فعلی سطح پایش قلب یکسان با دستگاه نوار قلب آزمایشگاهی را ندارد.

از سوی دیگر، سیستم برنامه نوار قلب بسیار مقرون به صرفه ­تر از دستگاه­ های نوار قلب کاملاً تضمینی است. در مورد دستگاه­ های نوار قلب معمولی، انجام هر پایش مستلزم پرداخت هزینه بالایی است (۵۰ دلار). اما با پرداخت مقدار مشخصی هزینه برای خرید ساعت اپل سری ۴ که برنامه نوار قلب روی آن نصب شده است (۴۰۰ دلار) و افزونه KardiaMobile و برنامه آن (۹۹ دلار)، خوانش نامحدود نوار قلب در هر زمان و هر مکان برای شما فراهم می ­شود. برای کاربرانی که نیاز به پایش نوار قلب مقدماتی دارند، خوانش از یک برنامه نوار قلب در مقایسه با دستگاه نوار قلب آزمایشگاهی سریع و اقتصادی است.

۲- بررسی عملکرد برنامه نوار قلب اینترنت اشیا

برای بررسی عملکرد سیستم های نوار قلب مبتنی بر تلفن هوشمند، برنامه مطالعاتی خاصی طراحی گردید. این برنامه تحقیقاتی بر روی شناسایی یک نوع حمله قلبی بسیار خاص و کشنده به نام سکته قلبی (STEMI) متمرکز بوده است. این حمله قلبی که به شدت تهدیدکننده حیات است زمانی اتفاق می افتد که یک شریان اصلی به طور کامل مسدود شده باشد و در صورت عدم درمان در مدت زمان بسیار کوتاهی، مرگ یا ناتوانی در آن رخ خواهد داد. برای بررسی دقت برنامه های پایش نوار قلب هوشمند، سیستم جدید تلفن هوشمند Kardia بر روی ۲۰۴ بیمار که از درد حاد قفسه سینه رنج می برند، مورد آزمایش قرار گرفت. تمام آیتم های عملکردی هم از نوار قلب سنتی با ۱۲ پروب و هم نوار قلب ECG جدید با دو پروب دریافت گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که سیستم مبتنی بر برنامه کوچک تقریباً به اندازه نوار قلب سنتی در تمایز بین حملات قلبی STEMI و غیر STEMI موثر عمل کرده است.

۳- ویژگی هایی که باید در نظر گرفته شود

عناصر اصلی که باید هنگام ساخت یک سیستم پایش نوار قلب به عنوان یک برنامه اینترنت اشیا مورد توجه قرار گیرد، در زیر آورده شده است.

  1. به عنوان یک دستگاه پوشیدنی کار می­ کند؛ ویژگی اصلی قابل معامله­ی برنامه نوار قلب قابلیت جابجایی آن است که به شما امکان اندازه­ گیری نوار قلب را در هر مکان و هر زمان می­دهد. برنامه نوار قلب باید بتواند بر روی یک دستگاه تلفن همراه هوشمند اجرا شود و یا از ترمینال­ های حسگر موجود دستگاه استفاده کند یا دارای یک حسگر جداگانه باشد که می­ تواند به راحتی بر روی دستگاه هوشمند حمل و یا متصل شود.
  2. امکان اتصال به شبکه ابری؛ هرجایی و در هر زمان، به این معنی است که از شبکه ابری مازاد بر احتیاج و پایدار استفاده می­کند که در آن می­توان نتایج دیجیتال را ذخیره و به آنها دسترسی پیدا کرد.
  3. پایش از راه دور؛ این سیستم می ­تواند برای ارسال گزارش­ های کوتاه به یک متخصص قلب یا یک مربی شخصی پیکربندی شود. هر زمان که اندازه­ گیری­ ای نوار قلب را بررسی می­کنید می­توانید آن را به طور خودکار تنظیم کنید.
  4. سیستم هشدار؛ برنامه­های نوار قلب فعلی فقط باید از طریق لمس حسگر داخلی (ساعت اَپِل) یا یک افزونه (KardiaMobile) فعال شوند. پس از اندازه­ گیری، برنامه می­تواند ناهنجاری­ های موجود در خوانش نوار قلب را تشخیص دهد که سپس می ­تواند به صورت یک هشدار مخابره شود. پیشرفتی که می­ تواند انجام شود این است که برنامه فعالیت قلبی را به طور مداوم اندازه­ گیری می­ کند و سپس با تشخیص ناهنجاری هشدار می­ فرستد.
  5. گزارش؛ هر بار خوانش نوار قلب گزارشی بیانگر اطلاعات استاندارد مانند تعداد ضربان در دقیقه را ایجاد می­ کند و همچنین یک یافته برمبنای خوانش ایجاد می­ کند. این گزارش در یک محیط ابری ذخیره می ­شود و می­ تواند برای تجزیه و تحلیل به پزشک ارسال شود.

۴- هزینه توسعه

هرکس که بخواهد برنامه سیستم پایش از راه دور خود را توسعه دهد، باید اجزای اساسی مورد نیاز برای ایجاد برنامه اینترنت اشیا را درک کند. این لیست شامل دستگاه نهایی، زیرساخت ­ها و سیستم مرکزی است.

سرور ابری

مکان اصلی سیستم مدیریت و مخزن خوانش­های نوار قلب ذخیره شده (در صورت فعال بودن توسط کاربر) می­ باشد. مانند هر التزام سرور، این نیز می­تواند یک سرور سخت افزاری فیزیکی باشد که برای دسترسی از راه دور پیکربندی شده ­است.

هزینه: این موضوع به وسعت پروژه بستگی دارد و می ­تواند از چند صد دلار تا چند هزار دلار متغیر باشد. اگرچه ذخیره اطلاعات حداقل خواهد بود، اما قدرت افزونگی و وجود گره­ های متعدد در مکان­ های مختلف جغرافیایی، دسترسی و تجربه مشتری را بهبود می بخشد.

حسگرهای قلب یا نبض

این فرض بر این است که شما از یک افزونه جداگانه استفاده خواهید کرد که به یک دستگاه تلفن همراه هوشمند متصل خواهد شد. این دستگاه باید کوچک باشد و از طریق بی­سیم با استفاده از بلوتوث (توصیه می شود) و Wi-Fi یا سیم ­های فیزیکی می ­تواند به تلفن هوشمند متصل شود. به عنوان مثال می ­توان به حسگر ضربان قلب Rohm اشاره کرد.

هزینه: یک واحد حسگر بین ۵۰ تا ۱۰۰ دلار خواهد بود (همراه با سفارشی سازی و اختصاص علامت تجاری).

۵- توسعه سیستم

این سیستم به توسعه دهندگان فصلی برنامه احتیاج دارد و نیروی انسانی یا هزینه کار باید بخشی از هزینه کلی پروژه باشد. این یک برنامه در سطح سازمانی (نیاز به دانش بالا و سرمایه­گذاری قابل توجه) به دلیل نیازهای دورسنجی و یکپارچه­ سازی با دستگاه حسگر شخص ثالث در نظر گرفته شده است. در زیر مواردی ذکر شده است که باید در هزینه توسعه لحاظ شوند.

  • سیستم کنترل کاربر اینترنت اشیا؛ این سیستم، رابط کاربری اصلی است و باید شامل تمام کنترل­ها و تنظیمات باشد تا نتایج نوار قلب را بدرستی نمایش دهد.
  • سرور MQTT؛ سیستم پیام­رسان اولیه است که به سرور اجازه می­ دهد خوانش­ های ارسالی را بی­ درنگ دریافت کند.
  • احراز هویت؛ یک سیستم احراز هویت کاربر است که دسترسی به سیستم را فیلتر می­کند و فقط به پرسنل مجاز اجازه ورود می ­دهد. این یک محافظت موثر در برابر هَک و سایر اَشکال دسترسی غیرقانونی است.
  • یکپارچه­سازی با حسگر دستگاه؛ این یکپارچه­ سازی M2M قلب برنامه نوار قلب است و باید بدون خطا باشد. پروتکل کاربرد محدود[۳] (CoAP)، یک سیستم ارتباطی با سرباره کم که می­تواند بافت اتصال دهنده بین حسگر، دستگاه هوشمند و اینترنت باشد.
  • پنل پایش کاربر نهایی؛ می ­تواند یک پلتفرم مشاهده مرورگر وب باشد که توسط کاربر و پرسنل مجاز قابل دسترسی است، به طور معمول پزشک یا متخصص قلب مختص کاربر می ­تواند به طور مستقیم به تمام نتایج نوار قلب دسترسی پیدا کند.

هزینه: ۱۰۰ هزار دلار تا ۵۰۰ هزار دلار.

۶- جدول زمانی توسعه

توسعه یک برنامه اندازه ­گیری با ویژگی­­ های دورسنجی برای جمع آوری داده ­ها و یکپارچه ­سازی با تهجیزات حسگر قلب اینترنت اشیا تقریباً ۶ ماه به طول می انجامد.

۷- مروری بر روند توسعه

  • طرح ریزی قوانین تجارت
  • جمع آوری الزامات و ویژگی­های پیشنهادی مالکان.
  • جمع آوری و بررسی بهترین اقدامات از متخصصان حوزه پزشکی.
  • دریافت الزامات سازمان غذا و دارو[۴] (FDA)، مفهوم و تایید طراحی. بررسی برنامه های مشابه یا موجود به منظور یافتن تمایز. آماده سازی قابلیت­ ها و ویژگی­ های عملی.
  • تجربه کاربری و طراحی رابط کاربری.
  • یکپارچه­سازی با حسگرهای قلب از طریق واسط برنامه­ نویسی کاربردی[۵] (API) یا کد سخت.
  • توسعه سیستم دور سنجی با استفاده از پروتکل ­های اینترنتی، اما برای اتصال دستگاه نوار قلب توصیه می­شود از MQTT به عنوان یک پروتکل پیام­رسان TCP[۶] (مجموعه‌ای از پروتکل‌های قراردادی است که پایه و اساس اینترنت می‌باشد.) استفاده کنید.
  • توسعه عقبه (بخشی از سیستم که مستقیماً با کاربر سروکار ندارد) و استقرار در ابر.
  • آزمایش سیستم با استفاده از ابزارهای ثابت مانند Cypress.
  • آزمایش دقت نوار قلب در کاربران انسانی.

۸- مفهوم کمینه محصول پذیرفتنی[۷] (MVP)

  • مقاله مفهومی تهیه می ­شود و همه جزئیات پروژه را شامل می­ شود.
  • نمونه اولیه کاغذی که گزارش کار را نشان می­دهد می­توان تهیه کرد.
  • نسخه اولیه برنامه را می­توان سفارش داد تا ظاهر و احساس را نشان دهد.
  • آماده سازی نمونه اولیه حسگر قلب یا آوردن تامین کننده شخص ثالث.
  • یک نسخه فعال از برنامه با عملکرد تمام وظایف
  • یک سیستم کامل (برنامه و حسگر) که می­ تواند اندازه­ گیری کند، داده­ های نوار قلب را ذخیره کند و اطلاعات جمع ­آوری شده را در قالبی قابل خواندن نمایش دهد.

دلایل احتمالی تاخیر

  • تغییر طرح ­ها و ویژگی ­ها یا افزودن ویژگی در حال توسعه.
  • عدم تأیید از طرف واحد FDA حاکم که می­تواند منجر به جریمه­های احتمالی دولت شود.
  • جلسات بازرسی و پیگیری اهداف و چالش­ها بطور منظم انجام نمی­شود. یک روش توصیه شده، توسعه چابک است؛ فرایندی که در آن کنترل­ ها و بررسی­ ها برای حل زود هنگام مشکلات انجام می ­شود.
  • کاربر نهایی اطلاعات و پشتیبانی را ارائه نمی­ دهد.
  • حسگر قلب نمی­تواند با نرم­افزار نوار قلب یکپارچه شود.
  • اگر از پروتکلMQTT استفاده شده باشد، احتمال ناسازگاری سرور با ارائه دهنده ابر وجود دارد.
  • دریافت دیرهنگام خطاهای دیگر.

۹- توصیه­ هایی برای یک روند توسعه سریع

  • اگر توسعه دهندگان داخل کشور به اندازه کافی برای ایجاد یک سیستم پایش نوار قلب مبتنی بر اینترنت اشیا یا با نیازهای پزشکی آشنا نیستند، توصیه می ­شود پروژه به خارج از کشور برون سپاری شود.
  • اگر برنامه در هر دو دستگاه iOS و Android در دسترس خواهد بود، ذینفعان را شناسایی کنید. این امکان وجود دارد که هر پلتفرم به یک حسگر قلب متفاوت نیاز داشته باشد زیرا یکپارچه­ سازی­ های مختلفی وجود خواهد داشت.
  • توصیه می­ شود حسگرهای قلب از خارج از کشور تامین شود. برای دریافت چندین گزینه، جلساتی با تامین کنندگان مختلف برگزار شود.
  • اگر از حسگرهای ذاتی دستگاه تلفن همراه استفاده می­شود (به عنوان مثال پویشگر اثر انگشت به عنوان حسگر انگشت)، بررسی کنید که آیا از نظر فنی امکان پذیر است.
  • همیشه قبل از نسخه نهایی به MVP نیاز دارید.
  • نمایش و جمع آوری اطلاعات باید با قوانین حریم خصوصی داده­ها مطابقت داشته باشد.
  • در مرحله آزمایش، ارائه­ دهندگان خدمات باید از یک فرآیند تست خودکار برای اجرای همزمان دسته­ای از آزمون­ها به جای تست دستی استفاده کنند.

نتیجه­ گیری

نوآوری­ هایی که می ­توانند به حفظ سلامتی فرد کمک کنند سرمایه­ گذاری قابل قبولی در وقت و هزینه هستند. بیماری­ های قلبی یکی از سخت­ترین بیماری­ ها از نظر پایش است زیرا به علت وجود چالش­ هایی در اندازه­گیری­ های نوار قلب بصورت بی­ درنگ، حتی بهترین پزشکان ممکن است تشخیص را از دست بدهند. قابلیت حمل، پویایی و رابط کاربری آسان، پیشنهادهای با ارزش برنامه پایش نوار قلب است که آن را به یک محصول موفق تبدیل کرده است.

منابع:

  • https://ardas-it.com/creating-a-real-time-ecg-monitoring-system-as-an-iot-app
  • https://newatlas.com/heart-attack-smartphone-app-ecg/57185
  • Shaown, I. Hasan, M. M. R. Mim and M. S. Hossain, “IoT-based Portable ECG Monitoring System for Smart Healthcare,” ۲۰۱۹ ۱st International Conference on Advances in Science, Engineering and Robotics Technology (ICASERT), Bangladesh, 2019, pp. 1-5.
  • Yang, Z., Zhou, Q., Lei, L. et al. An IoT-cloud Based Wearable ECG Monitoring System for Smart Healthcare. J Med Syst ۴۰, ۲۸۶ (۲۰۱۶)
  • Mohd Khairuddin, Adam & Ku Azir, Ku Nurul Fazira & Kan, Phak. (2017). Limitations and Future of Electrocardiography Devices: A Review and the Perspective from the Internet-of-Things. 10.1109/ICRIIS.2017.8002506.

——————————————————————————————————————————————————————————————————

[۱] Hypertext Transfer Protocol

[۲] Message Queuing Telemetry Transport

[۳] Constrained Application Protocol

[۴] Food and Drug Administration

[۵] Application Programming Interface

[۶] Transmission Control Protocol

[۷] Minimum viable product

این مطلب را به اشتراک بگذارید

اشتراک گذاری در print
اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در whatsapp
اشتراک گذاری در telegram