مقدمه: نقش انتقال داده ها در سیستم های Pancreas مصنوعی

مدیریت دیابت نوع 1 با توسعه سیستم های تحویل انسولین حلقه بسته، که اغلب به نام سیستم های پانکراس مصنوعی نامیده می شود، تغییر کرده است، این سیستم ها نظارت مداوم سطح گلوکز خون و تحویل انسولین را خودکار می کنند، تقلید عملکرد یک پانکراس سالم را تقلید می کنند، در قلب این سیستم های حیاتی زندگی، یک چارچوب انتقال داده پیچیده است.

دهه گذشته پیشرفت قابل توجهی در پروتکل های انتقال داده ها دیده است که برای دستگاه های پزشکی ساخته شده یا سازگار شده اند. مهندسان تقاضای متناقض متعادل دارند: مصرف کم انرژی برای عمر باتری دستگاه طولانی، اطمینان بالا در حضور دخالت رادیویی از سایر وسایل الکترونیکی مصرف کننده، امنیت قوی برای جلوگیری از دستکاری و تأخیر پایین برای حمایت از تنظیمات سریع انسولین.این مقاله بررسی مهمترین پیشرفت در این پروتکل ها، چالش هایی که همچنان در حال توسعه هستند و حتی وعده های شبکه های یکپارچه سازی را با تکنولوژی های سریع.

چرا پروتکل های انتقال داده در سیستم های Pancreas مصنوعی اهمیت دارند

یک سیستم پانکراس مصنوعی یک سیستم فیزیکی سایبری است که در آن وضعیت بیمار (سطح گلوکز خون) باید به یک کنترل کننده چندین بار در دقیقه منتقل شود.کنترل کننده دوز انسولین ضروری را محاسبه می کند و دستورات را به پمپ می فرستد.هر گونه شکست در این حلقه ارتباطی - چه به دلیل بسته های کاهش یافته، تاخیر بیش از حد، یا نقض امنیتی - می تواند منجر به هیپرگلیسمی خطرناک یا هیپوگلیسمی شود.

پروتکل های انتقال داده قوانین بسته بندی، آدرس، انتقال و دریافت این پیام ها را تعریف می کنند:

  • تأخیر در پایین: زمان دور سفر از خواندن سنسور برای پمپ فرمان باید کمتر از چند ثانیه برای فعال کردن کنترل گلوکز سخت باشد.
  • قابلیت اطمینان بالا: اذعان و مکانیسم های انتقال مجدد لازم است تا اطمینان حاصل شود که داده های حیاتی حتی در محیط های پر سر و صدا می آیند.
  • بهره وری انرژی: دستگاه های ایمپلنت یا پوشیدنی اغلب بر روی باتری های سلول دکمه برای ماه ها اجرا می شوند.این پروتکل باید حداقل قدرت را مصرف کند.
  • ] امنیت و حریم خصوصی: [ داده های بیمار - از جمله روند گلوکز و انسولین - باید رمزگذاری و معتبر برای جلوگیری از تجزیه و تحلیل و یا تزریق مخرب از دوزهای نادرست.
  • تداخل پذیری: سنسورهای مختلف فروشندگان، کنترل کنندگان و پمپ ها باید قادر به برقراری ارتباط از طریق پروتکل های استاندارد باشند تا بیماران بتوانند اجزای مخلوط و مطابقت داشته باشند.

بدون پروتکل های قوی، پانکراس مصنوعی نمی تواند وعده خود را برای بهبود کنترل گلیسمیک و کیفیت زندگی به دست آورد.

پیشرفت های اخیر در پروتکل های انتقال داده

تلاش های تحقیقاتی و صنعتی بر روی توسعه استانداردهای بی سیم موجود و ایجاد پروتکل های سبک جدید برای IoT پزشکی متمرکز شده است.

بلوتوث کم انرژی (BLE) با پروفایل های پیشرفته

بلوتوث کم انرژی پروتکل بی سیم بی سیم غالب برای دستگاه های پزشکی مصرف کننده ([۱] به دلیل مصرف کم برق، تاخیر پایین و استفاده گسترده در گوشی های هوشمند تبدیل شده است. (SIG) طول عمر را تعریف کرده است: (۰٫۴) انتقال داده ها (FLT 1) و نظارت های مداوم انسولین (FLP)

سیستم های پانکراس مصنوعی دنیای واقعی مانند Tandem t:slim X2 با Dexcom G6 برای انتقال گلوکز هر پنج دقیقه استفاده می کنند، با کنترل کننده پمپ قادر به درخواست به روز رسانی های مکرر است. محققان همچنین سیستم های حلقه بسته با تاخیر زیر 100 متر، کافی برای اصلاح سریع گشت و گذار گلوکز را نشان داده اند.

یک چالش با BLE همزیستی با Wi-Fi و سایر دستگاه ها در باند 2.4 گیگاهرتز است.پیشرفت های اخیر در یک فرکانس سازگار - بخشی از BLE 5.1 و بعد - به طور قابل توجهی کاهش مداخله با کانال های سوئیچ پویا برای یک مرور کلی فنی عمیق تر، اشاره به tooth SIG] خلاصه از ویژگی های BLE 5.1[F:1LT.

MQTT برای لوله های داده های real-Time

در ابتدا برای پیام های سبک در محیط های محدود، MQTT (پیام Queuing Telemetry Transport) برای ارتباطات دستگاه پزشکی سازگار شده است. MQTT از یک مدل پستی انتشار استفاده می کند که تولیدکنندگان داده (حساسیت) را از مصرف کنندگان (کنترل کننده ها و داشبورد ها) جدا می کند.

برای سیستم های پانکراس مصنوعی، MQTT دو مزیت مهم را ارائه می دهد: جلسات پراکنده (بنابراین پیام ها اگر یک دستگاه به طور موقت اتصال را از دست بدهد) و کیفیت خدمات (QoS) سطح که تضمین تحویل حداقل یک بار (QoS 0) یا دقیقا یک نمونه اولیه شبکه مجازی بسته (2) را انجام می دهد.

امنیت در سیستم های پزشکی مبتنی بر MQTT بسیار مهم است. پروتکل از رمزگذاری TLS، X.509 گواهینامه برای تأیید دستگاه و لیست های کنترل دسترسی پشتیبانی می کند. محققان همچنین افزونه هایی را به MQTT پیشنهاد کرده اند که رمزگذاری و بررسی های یکپارچگی نهایی را برای نظارت مداوم گلوکز اضافه می کنند. استاندارد MQTT توسط کنسرسیوم OASIS حفظ شده است؛ [F:0 رسمی] آخرین مشخصات امن و روش های استقرار سایت را فراهم می کند.

6LoWPAN و IPv6 برای شبکه های مقیاس پذیر

6LoWPAN (IPv6 بیش از شبکه های منطقه شخصی بی سیم) امکان اتصال IPv6 در دستگاه های آموزش دیده منابع را فراهم می کند، به ویژه برای شبکه های منطقه پزشکی (BANs) مناسب است که در آن بسیاری از سنسورها - مانیتور گلوکز، مانیتور ضربان قلب، ردیاب های فعالیت - نیاز به برقراری ارتباط با یک دستگاه هماهنگ کننده منفرد با استفاده از IPv6، هر سنسور در سطح جهانی یک آدرس منحصر به فرد دریافت می کند و مسیریابی برای حذف ترجمه پیچیده.

پیشرفت در 6LoWPAN برای کاربردهای پزشکی شامل معرفی فشرده سازی (برای کاهش سربار برای بسته های پزشکی کوچک) و پیچیدگی و جمع آوری مجدد برای رسیدگی به IPv6 بزرگ بر روی بسته های کوچک IEEE 802.15.4 اندازه واقعی ارزیابی که نشان داده شده است که نسبت بدن معمولی و یا انتقال می تواند به محیط های بالینی 6٪ از 6 و یا 6٪ از محیط های تحویل دهنده دسترسی داشته باشد.

یکی از امیدوار کننده ترین پیشرفت ها ادغام 6LoWPAN با پروتکل برنامه آموزش دیده (CoAP) CoAP یک رابط وب RESTful را فراهم می کند که به دستگاه های پزشکی اجازه می دهد تا مانند منابع وب، یک اثبات اخیر نشان داد که یک سیستم پانکراس مصنوعی که در آن انسولین و سنسور بیش از حد اتصال داده شده است که دستگاه انتقال دهنده اتصال داده می تواند یک دستگاه حیاتی را در یک دستگاه کنترل کننده شبکه 6 تضمین کند.

برای مطالعه بیشتر در 6LoWPAN استانداردها و ملاحظات امنیتی، IETF RFC 4919 چارچوب پایه را تعریف می کند، در حالی که کار اخیر DTLS (Datagram Transport Layer Security) را برای رمزگذاری نهایی اضافه کرده است.

شبکه های زمان شارژ (TSN) بر روی Ethernet

در حالی که اکثر سیستم های پانکراس مصنوعی از پروتکل های بی سیم استفاده می کنند، علاقه فزاینده ای به شبکه های زمان شارژ (TSN) برای نظارت بر بیمارستان و برای سیستم های کاشت آینده یا بستری وجود دارد. TSN اترنت استاندارد را با زمان تعیین کننده، تاخیر محدود (میکرو ثانیه)، و صفر بسته از طریق قرمز شدن گسترش می یابد.

اگرچه TSN در حال حاضر در کنترل صنعتی و سیستم های خودرو رایج تر است، محققان بالینی در حال بررسی کاربرد آن در ربات های جراحی و نظارت بر مراقبت های فشرده هستند.برای یک پانکراس مصنوعی که در یک محیط بیمارستان استفاده می شود، TSN می تواند یک ستون فقرات ارتباطی ضعیف بین آرایه سنسور سمت تخت بیمار و یک سرور کنترل متمرکز را فراهم کند.

چالش های در برابر پروتکل های فعلی

علی رغم پیشرفت قابل توجه، چندین مانع مانع از استقرار گسترده پروتکل های انتقال داده های ایده آل در سیستم های پانکراس مصنوعی می شوند.

قابلیت متقابل و استاندارد

تولید کنندگان مختلف اغلب پشته های ارتباطی اختصاصی را به کار می برند، حتی زمانی که از همان تکنولوژی رادیویی پایه استفاده می کنند (یک سنسور Dexcom G7 ممکن است با یک نمایه کاربردی سفارشی از BLE استفاده کند، در حالی که یک پمپ انسولین Omnipod از یک سرویس متفاوت استفاده می کند: این دستگاه تجزیه و تحلیل شده برای استفاده از جفت های سنسور خاص و جلوگیری از یک اکوسیستم واقعی "پل" (FLT) نیاز به استانداردهای مراقبت از درمان ناقص دارد:

آسیب پذیری های امنیتی در دستگاه های پزشکی بی سیم

خطرات امنیتی به یک نگرانی مرکزی تبدیل شده اند زیرا سیستم های پانکراس مصنوعی متصل تر شده اند. [۱] محققان حملاتی را در مانیتورهای گلوکز مبتنی بر حد و حصر نشان داده اند که به یک دشمن اجازه می دهد داده تا داده های گلوکز را بخواند یا قرائت های نادرست را تزریق کند، در حالی که پروتکل های مدرن شامل رمزگذاری (AES-128 یا AES-256) و رفع نقص های جدید امنیت سایبری می شوند.

مطالبات تجاری

تمام پروتکل های بی سیم با یک معامله اساسی مواجه هستند: انتقال بیشتر و در قدرت بالاتر تاخیر را کاهش می دهد اما باتری را به سرعت تخلیه می کند.در یک پانکراس مصنوعی، که سنسور ممکن است نیاز به ارسال داده ها هر 5 تا 10 دقیقه (و گاهی اوقات بیشتر در طول ورزش یا وعده های غذایی)، پروتکل باید به خوبی تنظیم شود.یک انتقال سازگار با قدرت انتقال سازگار و طرح های مربوط به کار، که دستگاه در طول زمان انتقال پایدار و یا زمان انتقال گلوکز را کاهش می دهد، زمان سرعت افزایش می دهد.

هماهنگی چند بعدی و Interference

بیماران اغلب چندین دستگاه پزشکی بی سیم را به طور همزمان استفاده می کنند - یک مانیتور گلوکز مداوم، یک ساعت هوشمند، و شاید یک مانیتور ضربان قلب. همه در همان باند 2.4 گیگاهرتز ISM کار می کنند (BLE، Wi-Fi، Zigbee) حتی با یک فرکانس سازگار، هماهنگ کننده می تواند باعث برخورد بسته ها شود.

مسیر های آینده: پروتکل های نسل بعدی و فناوری های انحلال

با نگاهی به آینده، چندین تکنولوژی قول می دهند که قابلیت اطمینان، امنیت و پاسخگویی انتقال داده ها در سیستم های پانکراس مصنوعی را بهبود بخشد.

ادغام با 5G networks

شبکه های سلولی نسل پنجم ارتباطات بسیار قابل اعتماد (URLLC) را با تاخیر به عنوان پایین به عنوان 1 متر و پهنای باند بالا ارائه می دهند.برای یک کاربر پانکراس مصنوعی، سنسور متصل به دروازه 5G می تواند محاسبات را به یک الگوریتم کنترل مبتنی بر ابر کاهش دهد، در حالی که هنوز با نیازهای زمان واقعی مواجه است، این معماری مبتنی بر ابر اجازه می دهد تا مطالعات پیچیده تر (مدل پیش بینی شده) را به عنوان تاخیر در طراحی سایت های بسیار سنگین، به عنوان یک سیستم کنترل دقیق، به عنوان یک سیستم کنترل دقیق، به عنوان یک سیستم کنترل دقیق، ارائه دهد.

Edge Computing و آموزش فدرال

محاسبات Edge پردازش داده ها را به بیمار نزدیک تر می کند – یا بر روی گوشی هوشمند که به عنوان یک کنترل کننده یا در یک دروازه محلی در خانه عمل می کند، این باعث کاهش تأخیر و وابستگی به پروتکل های انتقال داده ابری می شود تا از معماری های لبه پشتیبانی کند و به دستگاه ها اجازه می دهد به طور پویا بین محاسبات محلی و از راه دور بر اساس شرایط شبکه انتخاب کنند.

یادگیری رزرو شده - که در آن مدل های یادگیری ماشین در بسیاری از دستگاه ها بدون به اشتراک گذاری داده های خام آموزش دیده اند - همچنین بر طراحی پروتکل تأثیر می گذارد. پروتکل های جدید باید از به روز رسانی های مدل امن و تجمع بدون افشای اطلاعات قابل شناسایی بیمار پشتیبانی کنند.این یک منطقه فعال در شبکه های منطقه بی سیم است.

Ultra-Wideband (UWB) برای انتقال داده های دقیق و سریع

Ultra-wideband (IEEE 802.15.4-2020) پهنای باند بالا و تاخیر بسیار پایین در مسافت های کوتاه (تا 10 متر) را ارائه می دهد توانایی آن برای اندازه گیری فاصله با دقت ۱۰۰٪ آن را نه تنها برای انتقال داده مفید می کند، بلکه برای تعیین موقعیت نسبی پمپ انسولین و سنسور در بدن نیز می تواند برآورد کانال را بهبود بخشد و قدرت بیشتر استفاده از دستگاه های اولیه دسترسی به اینترنت و استفاده از آن در هنگام استفاده از داده های هوشمند در دسترس بودن.

آموزش ماشین برای پیکربندی پروتکل Adaptive

هوش مصنوعی برای پارامترهای پروتکل پیکربندی پویا اعمال می شود.به عنوان مثال، یک عامل تقویت کننده می تواند قدرت انتقال بهینه، نرخ داده ها و استراتژی تشخیص برای محیط خاص بیمار (خانه، دفتر، سالن بدنسازی)، این سازگاری بهره وری انرژی و قابلیت اطمینان را به طور همزمان یاد بگیرد.

رمزنگاری کوانتومی برای امنیت بلند مدت

با ظهور کامپیوترهای کوانتومی، الگوریتم های رمزنگاری فعلی (RSA، ECDH) قابل تجزیه خواهد شد. دستگاه های پزشکی طول عمر طولانی (5 تا 10 سال) دارند و داده های بیمار باید برای حتی طولانی تر محرمانه باقی بمانند، تحقیقات در رمزنگاری پس از اندازه (PQC) برای دستگاه های محدود شروع به نفوذ در طراحی پروتکل در استانداردهای پزشکی IoT مانند NIST's CRY-STAL انتقال داده های صاف و سبک تر است.

نتیجه گیری

موفقیت سیستم های پانکراس مصنوعی به شدت بر پروتکل های انتقال داده های اساسی استوار است.پیشرفت های اخیر - از پروفایل های پیشرفته بلوتوث کم انرژی و مدل انتشار MQTT به 6LoWPAN اتصال IPv6 و تضمین های تعیین کننده شبکه های زمان-Sensitive - این سیستم ها را به ایده آل یکپارچه، ایمن، و مدیریت دیابت کاربر پسند نزدیک کرده اند، با این حال، امنیت چند دستگاه، و امنیت، امنیت چند منظوره، و مناطق تجاری، امنیت، و امنیت زیست محیطی فعال باقی مانده است.

به جلو، ادغام محاسبات 5G و لبه، رادیوهای فوق العاده باند، سازگاری پروتکل یادگیری ماشینی، و رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی مرزهای را بیشتر فشار می دهد، زیرا تکنولوژی بالغ می شود، بیماران از وسایل پانکراس مستقل تر، قابل اعتماد و ایمن بهره مند می شوند که به طور چشمگیری کیفیت زندگی را بهبود می بخشد. پیشرفت در پروتکل های انتقال داده صرفا یک مهندسی کنجکاوی نیست - یک جزء حیاتی در مبارزه روزمره است.