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如何利用物联网协助控制传染病疫情?

时间:2020-05-22 作者:Asem Elshimi,Silicon Labs设计工程师 阅读:
联合国的可持续发展目标之一是做好预防传染病传播的准备。在COVID-19大流行期间,防疫已成为当前最重要目标。科技在对抗传染病方面扮演重要角色,而物联网相关技术正是我们重要的防疫武器。降低成本、自主远程护理和诊断,以及即时获取患者的数据只是物联网改变医疗保健的其中几种方式。在疾病控制方面,无线连接和物联网技术更提供了强有力的解决方案。
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我们通常认为物联网是由传感器和无线微控制器组成的网络,其实这只是物联网的物理层。整体而言,物联网是大规模的分布式计算。估计有240亿个物联网智能连接设备可以收集前所未有的海量数据,并执行计算。在对抗疫情大流行时,更多的数据意味着更好的决策制定和更好的应对计划。两者对于预防和控制疾病的传播都至关重要。YUNEETC-电子工程专辑

追踪接触者

在流行疫情上升时,最紧迫的任务是追踪并隔离那些可能与感染者有过接触的人。这是控制疾病的一种方法。传统追踪接触者的技术有赖于采访接触对象并调查相关问题。此方法不但昂贵费时,而且容易出现人为错误。在人口稠密城市之间流动的人群更加剧了这一问题,突显出传统方法的弱点。[资料来源]YUNEETC-电子工程专辑

作为传统追踪接触者方法的替代,可依赖无线技术(RFID、低功耗蓝牙、GPS、Wi-Fi和磁场信号)来追踪详细的位置。与传统方法不同的是,无线技术可提供与确认病例互动接触的时间和距离等相关信息。低功耗蓝牙(BLE)是应用最广泛的IoT标准之一,可提供相对较高的位置追踪精确度。YUNEETC-电子工程专辑

与Wi-Fi和蜂窝定位相比,低功耗蓝牙可以提供高出一个数量级的定位精度。对追踪到的接触者进行分类并排定优先处理级别时,更高的精确度至关重要。低功耗蓝牙提供了多种位置追踪方案,例如RSSI和到达角(AoA)。低功耗蓝牙标准也广泛存在于我们的智能手机和大多数可连接的穿戴设备上。YUNEETC-电子工程专辑

传染病大流行期间,部署蓝牙标签是改善应变计划的另一种解决方案[资料来源]。就未来而言,这意味着在人口稠密的城市地区部署成百上千个蓝牙标签和智能设备进行通信。这需要对这些蓝牙设备组成的网络进行全系统的优化,以克服消息的冲突[数据来源]。消息的冲突可能意味着忽略一次极易发生感染的接触,因为他们的设备未能报告与确诊病患的接触。YUNEETC-电子工程专辑

生物传感器和即时(Point-of-Care)检测

应对传染病疫情流行的另一个关键任务是即时检测。由于缺乏广泛可用的COVID-19测试套件,每当我们检查COVID-19数据时,我们只能感知到冰山一角的信息。如果使用的检测试剂可以更加普及,发生在纽约市的不受控制的COVID-19病毒传播可能就会大幅地减轻。具成本效益且可快速部署的诊断设备也是全球偏远和发展中地区的基本需求,在这些地区缺少训练有素的人员和配备完善的医疗中心,从而会导致无法控制的疫情扩散。YUNEETC-电子工程专辑

诊断设备除了要具有成本效益外,还必须可靠、灵敏、便携式且让使用者容易操作。此外,设备最好能够在全部或部分使用后可以抛弃、易于重制、体积小。而云连接的生物传感器则非常适合该方案[资料来源]。病人的体验很简单。从患者体内提取样本到抛弃式药筒中。只需在30分钟内,测试即可完成。YUNEETC-电子工程专辑

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患者样品在抛弃式药筒上进行测试,结果可在30分钟内获得。YUNEETC-电子工程专辑

让我们从技术角度来看看发生了什么:药筒被装入一个芯片实验室设备上,这个设备包含一组安装在CMOS芯片上的ISFET传感器阵列,该传感器阵列连接到微控制器来通过蓝牙将数据传输到云或智能手机应用程序。使用中的ISFET生物传感器与MOSFET晶体管非常相似,不同之处在于金属栅极被离子敏感结构替代。ISFET生物传感器可以测量溶液中的离子浓度。YUNEETC-电子工程专辑

传感器对芯片表面的反应进行离子成像,从而能够实时监测到DNA的扩增。监视此生物过程等同于检测病毒感染。该演示展示了物联网如何支持琐碎的技术以实现无处不在的普及性计算,从而提供前所未有的即时检测功能。客观来看,这种芯片实验室技术尽管便宜很多,但与雅培(Abbott)实验室的盒装测试套件相似,该盒装套件已获得FDA的快速批准,并已在过去几周内进行部署。YUNEETC-电子工程专辑

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ISFET生物传感器基本上是MOSFET晶体管,但其金属栅极被离子敏感结构取代。YUNEETC-电子工程专辑

医疗物联网

美国疾病预防控制中心(CDC)估计,每年因健康问题引发的感染人数(与健康相关的访视期间被感染的人数)仅在美国医院每年就高达170万[资料来源]。在疫情大流行期间,此数字不仅会增加,还会导致当我们最需要专业医护人才时却面临短缺。我们如何才能降低大流行期间医院感染的风险呢?YUNEETC-电子工程专辑

其中具吸引力的解决方案之一是医疗物联网(Internet of Medical Things,IoMT)。IDC估计,超过70%的医疗保健机构已经在部署IoMT[来源],这对于未来的大流行预防是个好消息。基本的物联网天才概念是它将任何对象变成数据源。对于IoMT而言,“对象”本身是医疗产品,无论是心率监测器、轮椅或是可穿戴设备。病人产生数据(PGD)的串流信息可用于分析病人的健康状况。就更大的计划方案而言,从病患人口收集的数据可以用来加速医学研究和发展。YUNEETC-电子工程专辑

在医院部署更多的自动化和技术如IoMT床头设备,可减少与传染病患者的接触,让工作人员得到更多保护。随时可取得的患者数据将减少医院就诊的需要和时间。这与不断发展的远程医生就诊、远程诊断和监控技术息息相关。值得注意的是,尽管随着IoMT和自动化技术的发展,除了流行病之外,该技术并不能取代人与人之间的连接,这是护理患者的关键部分。就效益而言,如果有的话,IoMT可为医生提供更多时间来专注于人为方面的工作,例如对病患和家庭提供咨询。YUNEETC-电子工程专辑

IoMT还增强了对老年人或慢性病患的远程照料,在当前的COVID-19大流行中,这可能意味着可大幅减少最脆弱人群的接触风险。在大流行期间照顾老年人时,减少非必要的接触以避免危及生命至关重要。借助虚拟助手、医疗传感器和智能家居,我们可以确保易受伤害的群体在身体和心理上的健康。YUNEETC-电子工程专辑

安全威胁

一般而言,如果不解决安全性和隐私问题,IoMT和IoT的倡议就不够完备。尽管物联网技术已经发展到足以将数据从对象到云之间来回传输,但是设备和数据安全性仍然是一个问题。这就解释了为什么医疗保健机构持续在其后端系统部署物联网之同时,仍对IoMT前沿技术调动了多少客户接口持谨慎态度。YUNEETC-电子工程专辑

由于传感器不断传输有关健康状况的敏感信息,这让患者对智能穿戴式医疗设备感到不安。此外,在疫情大流行的情况下,尤其是在接触者追踪方面,数据隐私成了敏感问题。如果我们在人群中部署蓝牙标签以在大流行时启用接触者追踪功能,谁会拥有这些收集的数据?在何种程度上可以取得和操纵这些敏感数据?YUNEETC-电子工程专辑

IoT隐私和安全漏洞的问题必须能够解决,相关科技才能交付至医疗保健客户手上。而解决这些问题,有赖于在此领域立法、经济、医疗和技术参与者的共同努力。从技术角度来看,目前已有大量的创新来保护硬件和软件设备免受黑客攻击。例如,Silicon Labs的Secure Vault技术可为每个无线芯片生成唯一的签名,就像出生证明一样。这意味着在芯片上执行的计算仅能用于提供IoT服务的IoT服务商,而不会被虎视眈眈的黑客窃取。但是,供货商在处理个人数据方面如何建立消费者的信任仍然是个悬而未决的问题。YUNEETC-电子工程专辑

物联网技术可以成为引领预防和管理当前和未来流行病的方法。面对大规模流行病,广泛部署的物联网为人类提供了前所未有的数据和分析体系。使得防制疾病的传播更加有效,并且可以利用IoT技术协助我们追踪、测试和治疗全体人类。YUNEETC-电子工程专辑

Asem Elshimi是Silicon Labs的IoT无线解决方案的RFIC设计工程师。他于2018年加入Silicon Labs。Asem专业于RF电路设计和电磁结构设计。他拥有加利福尼亚大学戴维斯分校的电气暨计算机工程理学硕士学位。YUNEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengYUNEETC-电子工程专辑

(本文由Silicon Labs供稿,电子工程专辑对文中陈述、观点保持中立)  YUNEETC-电子工程专辑

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