Giới thiệu: Vai trò của việc truyền dữ liệu trong hệ thống Pancreas nhân tạo

Hệ thống này tự động kiểm soát liên tục mức độ lượng insulin và việc phân phối insulin, bắt chước chức năng của tuyến tụy lành mạnh. Ở trung tâm của hệ thống phân phối insulin là một cơ sở truyền dữ liệu phức tạp. Các bộ cảm biến phải gửi các chất đạm đến thuật toán kiểm soát, rồi yêu cầu bơm insulin để giải phóng một liều thích hợp - trong thời gian gần nhất.

thập kỷ qua đã chứng kiến sự tiến bộ đáng kể trong các giao thức truyền dữ liệu được xây dựng hoặc thích nghi với các thiết bị y tế. các kỹ sư có những yêu cầu cân bằng nhau: tiêu thụ năng lượng thấp cho cuộc sống pin thiết bị dài, sự đáng tin cậy cao trong sự hiện diện của sự can thiệp của radio từ các thiết bị điện tử khác, an ninh mạnh mẽ để ngăn chặn việc thay đổi sự sửa đổi và sự hỗ trợ thấp độ tăng tốc độ insulin nhanh. bài báo này kiểm tra những tiến bộ quan trọng nhất trong các giao thức này, những thách thức còn lại, và những hướng dẫn tương lai hứa hẹn gần hơn với các công nghệ mới nổi.

Tại sao giao thức truyền dữ liệu lại quan trọng trong hệ thống quần thể nhân tạo

Hệ thống tuyến tụy nhân tạo là hệ thống sinh học mạng nơi mà tình trạng của bệnh nhân (hệ thống đường huyết) phải được truyền đến bộ điều khiển nhiều lần mỗi phút. Bộ điều khiển tính toán liều insulin cần thiết và gửi các lệnh về máy bơm.

Giao thức truyền dữ liệu định nghĩa quy tắc gói, địa chỉ, truyền tải và nhận tin nhắn.

  • Thời gian thả lỏng:) Thời gian vòng từ đọc cảm biến để bơm lệnh máy bơm nên nằm dưới một vài giây để hiệu lực khả năng kiểm soát nồng độ phân giải chặt chẽ.
  • Đáng tin cậy cao: Cần phải có cơ chế chuyển đổi và chuyển đổi để đảm bảo rằng dữ liệu quan trọng đến ngay cả trong môi trường ồn ào.
  • Hiệu suất sử dụng hoặc có thể mặc thường chạy trên pin button-cell trong nhiều tháng. Giao thức này phải tiêu thụ điện tối thiểu.
  • Bảo mật và sự riêng tư: dữ liệu bệnh nhân — gồm các xu hướng và chất insulin — phải được mã hóa và xác thực để ngăn ngừa việc nghe trộm hoặc tiêm thuốc sai liều.
  • Khả năng khác nhau: ) Các bộ cảm biến, bộ điều khiển và máy bơm của mỗi nhà cung cấp khác nhau nên có thể giao tiếp qua giao thức chuẩn hóa để bệnh nhân có thể trộn lẫn và ghép các thành phần.

Nếu không có các giao thức mạnh mẽ, tuyến tụy nhân tạo không thể thực hiện lời hứa cải thiện khả năng kiểm soát và chất lượng cuộc sống.

Tiến bộ gần đây trong giao thức truyền dữ liệu

Nghiên cứu và công nghiệp đã tập trung vào việc phát triển các tiêu chuẩn không dây hiện có và tạo ra những giao thức nhẹ nhàng mới được chỉnh sửa cho y học Iot.

Năng lượng thấp kết hợp với hồ sơ tăng cường của kết quả âm thanh

Hệ thống nhận năng lượng thấp đã trở thành giao thức không dây khách hàng nổi bật cho thiết bị y tế cận đại ngắn vì khả năng tiêu thụ điện thấp, độ mở rộng thấp, và sự nhận dạng rộng [FL:2] Tập tin xác định [FLT:] [FLT: 0] để xác định cách máy gia tăng mức độ hiển thị và việc truyền dữ liệu của hệ thống định dạng của hệ thống định dạng màu xanh da trời.

Hệ thống tuyến tụy nhân tạo thực sự như Tandem t:slim X2 với Dexcom G6 sử dụng BLE để truyền tín hiệu của các chất này mỗi năm phút, với bộ điều khiển bơm có thể yêu cầu cập nhật thường xuyên hơn. Các nhà nghiên cứu cũng đã cho thấy hệ thống tắc nghẽn BLE dựa trên các mạch điện đóng cửa với độ trễ dưới 100 m, đủ để sửa chữa nhanh các cuộc thám hiểm.

Một thử thách có BLE là sự tương đồng với Wi-CufFi và các thiết bị khác trong ban nhạc của nhóm 2.4 GHz. Sự tiến bộ gần đây về tần số thích ứng với tần số nhảy múa — một phần của BLE 5. 1 và sau đó — giảm đáng kể sự can thiệp của kênh chuyển đổi động.

MQTT cho trình quản lý dữ liệu thời gian thực

Ban đầu, người ta đã phát triển để tạo ra tin nhắn nhẹ trong môi trường hạn chế, MQTT (Mesage Queuting Telemetry GMmetry Transport) được điều chỉnh để giao tiếp với thiết bị y tế. MQTT sử dụng một mô hình xuất bản để giải quyết các nhà sản xuất dữ liệu (ý kiến) từ người tiêu dùng (người điều khiển và người giám sát). Một nhà môi giới môi trường điều khiển tin nhắn cho phép nhiều thiết bị để theo dõi những đề tài cụ thể (v. d., “glucose/ p.)

Đối với hệ thống tuyến tụy nhân tạo, MQTT đưa ra hai lợi thế quan trọng: [FLT: 0] phiên chạy [FLT:] [FLT:] để đảm bảo giao hàng ít nhất một lần (QS 0) hoặc đúng một lần (QS). Trong một cuộc nghiên cứu gần đây, một hệ thống thí nghiệm thử nghiệm kết nối đã đóng lại bằng máy, dùng chức năng của MQT trên mạng WiFi để đạt được kết thúc một hệ thống thông tin bằng tiếng Anh, thậm chí còn trong vòng 1 giây (QS).

Bảo mật là quan trọng nhất trong hệ thống y tế MQTTT. Các giao thức hỗ trợ mã hóa hệ thống định dạng tLS, X509 chứng nhận để xác thực thiết bị, và danh sách kiểm soát truy cập. Các nhà nghiên cứu cũng đã đề xuất phần mở rộng tới MQTT để thêm kết thúc mã hóa và kiểm tra toàn bộ nội dung được điều chỉnh để liên tục kiểm tra. Tiêu chuẩn của MQTT được bảo tồn bởi tập hợp cơ sở thiết bị OAXXX; nơi [FT: 0] [FL: 0] của họ [FL:] cung cấp các đặc tả và thực hiện mới nhất để bảo mật nhất.

6LoWPAN và IPv6 cho mạng dao cạo

6LoWPAN (IPV6 trên mạng lưới vùng hẹp không dây cá nhân) cho phép liên lạc IPv6 trên các thiết bị đào tạo tài nguyên. Nó đặc biệt thích hợp với mạng lưới cơ thể y tế (BN) nơi mà nhiều bộ cảm biến — bộ theo dõi độ phân tích phân tích độ, thiết bị theo dõi nhịp tim — cần phải liên lạc với một thiết bị điều khiển duy nhất. Bằng cách sử dụng IPv6, mỗi bộ cảm biến nhận nhận nhận nhận có địa chỉ riêng lẻ, đơn giản hóa và loại bỏ nhu cầu cần thiết cho cổng dịch phức tạp.

Trong 6LoWPAN cho các ứng dụng y tế bao gồm việc giới thiệu [FLT: 0] bộ nén [FLT: 1] ) (để giảm chi phí cho gói y tế nhỏ) và có thể đạt được tỷ lệ phân phối [FLT:] [FLT:] để xử lý những gói tin lớn IPV6 trên khung IEE 80.15.4 nhỏ.4. Những đánh giá thực tế cho thấy 6LPWAN có thể đạt được tỷ lệ phân phối của tỷ lệ phát trên tỷ lệ 99% trong môi trường vận động cơ thể và các chướng ngại vật thông thường.

Một trong những phát triển đầy hứa hẹn nhất là sự kết hợp của 6LoWPN với giao thức [FLT: 0] Conscted Progency Ứng dụng Ứng dụng (CoAP) . COAP cung cấp một giao diện mạng RET để cho phép thiết bị y tế được kiểm soát và kiểm soát như tài nguyên web. Một bằng chứng gần đây của bộ phận kết nối tuyến tụy nhân tạo nơi mà bộ phận bơm và cảm biến insulin thông qua mạng 6LPAN, với máy điều khiển máy chủ ở cổng chính. Khả năng bảo đảm nếu một thiết bị ra khỏi phạm vi thông điệp, có thể chuyển tiếp qua các thiết bị di chuyển của bệnh nhân để kiểm soát tính năng.

Để đọc thêm về tiêu chuẩn 6LoWPAN và xem xét an ninh, thì [FLT: 0]IETF RFC 4919 định nghĩa khung cơ bản, trong khi công việc gần đây đã thêm DTS (Datagram giao thông bảo mật) để kết thúc việc mã hóa.

Mạng lúc nãy

Trong khi phần lớn hệ thống tuyến tụy nhân tạo sử dụng giao thức không dây, thì càng ngày càng chú ý đến mạng lưới định giờ (Sensitive Time) và số không mất quá trình kiểm tra dựa trên cơ sở dữ liệu và hệ thống có thể cấy ghép hoặc nằm bên cạnh. TSN mở rộng hệ thống y tế chuẩn Ethernet với sự sắp xếp xác định, hạn chế độ phân tách (micros) và số lượng mất gói thông qua dự phòng tập tin dự phòng. TEE 801Qv trong tương lai cho phép giao thông y tế quan trọng để truyền tải các thông tin không có sự tranh chấp từ các luồng dữ liệu khác.

Dù hiện nay hệ thống điều khiển bằng máy móc và máy móc, các nhà nghiên cứu lâm sàng đang khám phá ứng dụng của nó trong ngành phẫu thuật và giám sát chăm sóc đặc biệt. Đối với một tuyến tụy nhân tạo được dùng trong bệnh viện, hệ thống kết nối an toàn của TSN có thể tạo ra xương sống bị hỏng giữa hệ thống cảm biến bên giường bệnh nhân và máy chủ điều khiển trung tâm.

Đối mặt với những thách thức trong giao thức hiện thời

Dù có tiến bộ đáng kể, nhiều chướng ngại vật ngăn chặn việc triển khai rộng rãi các giao thức truyền dữ liệu lý tưởng trong hệ thống tuyến tụy nhân tạo.

Khả năng giao tiếp và tiêu chuẩn hóa

Một bộ cảm biến phát thanh của Dexcom G7 có thể sử dụng BLE với hồ sơ ứng dụng tùy chỉnh, trong khi máy bơm insulin Omnpd sử dụng một loại máy khác nhau [FL1] và [T2] [T2] gia đình có 110 [FLMMMM] [T], hoặc không có mục tiêu chính xác là tiếp nhận hệ thống y tế [FT] nhưng vẫn còn thiếu những tiêu chuẩn này [T] để nhấn mạnh đến hệ thống chăm sóc sức khỏe của bệnh nhân.

Các yếu tố bảo mật trong thiết bị y học vô tuyến

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh các cuộc tấn công vào các thiết bị giám sát đường huyết cũ dựa trên BLE (BLE) cho phép kẻ thù đọc dữ liệu về chất béo (SBLE) hoặc tiêm các tài liệu sai. Trong khi giao thức hiện đại kết hợp (AES 128 hoặc AES2) và việc xác định ngẫu nhiên hóa, các lỗi trong việc thực hiện có thể dẫn đến các yếu tố cơ sở dữ liệu. Một số giấy học thuật gia ngày càng tăng nhấn mạnh việc cần chính thức xác hóa các giao thức và cập nhật thường xuyên cho các phần mềm mới được phát hiện. Để xem xét các vấn đề an ninh toàn diện, các vấn đề về cơ quan [L: 0] cho các thiết bị y khoa học [FMT] cần thiết để biết cách điều chỉnh sửa chữa lỗi mới được.

Name

Tất cả các giao thức không dây phải đối mặt với một giao thức thương mại cơ bản: truyền thông thường xuyên và cao hơn năng lượng giảm hiệu suất nhưng giảm nhanh pin. Trong một tuyến tụy nhân tạo, nơi mà bộ cảm biến có thể cần gửi dữ liệu mỗi 5–10 phút (và đôi khi nhiều hơn trong khi tập thể dục hoặc bữa ăn), giao thức phải được điều chỉnh tốt. Năng lượng truyền tải thích ứng và nhiệm vụ nhiệm vụ chạy được nghiên cứu, nơi thiết bị giảm thời gian truyền tải trong thời gian ổn định và tăng cường khi lượng phân giải tăng lên. Máy học có thể dự đoán thời gian truyền đạt tối ưu, cân bằng chống lại sự sống.

Sự phối hợp đa kết hợp và sự can thiệp

Bệnh nhân thường mặc nhiều thiết bị y tế không dây cùng một lúc — máy theo dõi đường huyết thông thường, bơm insulin, đồng thời có thể bị tắc mạch, có lẽ một máy theo dõi nhịp tim. Tất cả hoạt động trong cùng 2. 4 kênh GHz quỳIM (có thể, WiGFi, Zigbee). Ngay cả với tần số thích nghi thường xuyên, khả năng va chạm gói, nghẽn mạch máu có thể gây ra các vụ va chạm gói. Các cơ chế tính năng cao như thời gian đa tiếp cận (DMA) và hệ thống định vị được kết hợp lại thành giao thức hệ thống mạng tiếp tiếp theo, nhưng họ cần thiết sự đồng bộ chặt chẽ hơn giữa các thiết bị điều khiển và quản trung tâm.

Hướng tương lai: Giao thức dân chủ kế tiếp và công nghệ bật

Nhìn về phía trước, nhiều công nghệ hứa hẹn sẽ cải thiện tính đáng tin cậy, an ninh và sự hưởng ứng của việc truyền dữ liệu trong hệ thống tuyến tụy nhân tạo.

Hợp nhất với mạng 5G

Mạng tế bào tế bào 5 hệ thống tế bào cung cấp bộ cảm biến có khả năng siêu tải lên một thuật toán điều khiển dựa trên mây trong khi vẫn còn đáp ứng các yêu cầu thời gian thực. Loại mây này cho phép các thuật toán phức tạp hơn (như kiểm soát tính toán) quá nặng đối với một bộ điều khiển vi mô. Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào mạng di động có thể giảm thiểu rủi ro: sự thiếu hụt mạng lưới, lỗi trong khi các lỗi mạng lưới, sự tấn công ban đầu. Những nghiên cứu này báo cáo cho biết những thuật toán này [FTTTTT] quá khó để kiểm soát.

Tính toán và học hỏi theo chiều dọc

Máy tính cạnh di chuyển dữ liệu gần hơn với bệnh nhân hơn — hoặc trên điện thoại thông minh hoạt động như một bộ điều khiển hay trên một cổng địa phương trong nhà. Điều này giảm sự dễ dàng và phụ thuộc vào đám mây. Giao thức truyền dữ liệu đang tiến triển để hỗ trợ cấu trúc cạnh bằng cách cho phép thiết bị để chọn giữa tính toán cục bộ và từ xa dựa trên điều kiện mạng. Ví dụ, một giao thức có thể chuyển giao thức cấp bách lượng kỹ thuật hấp dẫn trực tiếp đến bộ điều khiển máy in không dây không dây, trong khi dữ liệu thường được gửi đến đám mây để phân tích chiều dài tính.

Tập tin đa thức — nơi máy học mô hình được đào tạo qua nhiều thiết bị không chia sẻ dữ liệu thô — cũng ảnh hưởng đến thiết kế giao thức. Giao thức mới phải hỗ trợ cập nhật và tổng hợp an toàn mà không phơi bày thông tin của bệnh nhân. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu trong mạng không dây.

Bộ phát thanh siêuWideband (UWB) cho việc chạy bộ tiền tố và truyền dữ liệu nhanh

Giấy tần số cao (IEE 80.15.4.2020) cung cấp tần số cao băng thông và độ phân giải cực thấp trên khoảng cách ngắn (theo 10m). Khả năng đo khoảng cách với độ chính xác cm làm cho nó không chỉ hữu ích cho việc truyền dữ liệu mà còn giúp xác định vị trí tương đối của máy bơm insulin và bộ cảm biến trên cơ thể. Sự nhận thức không gian này có thể cải thiện tỷ lệ ước lượng kênh và giảm thêm nữa. UWB được dùng trong việc sử dụng bộ thu thập bộ nhớ và thử nghiệm trong thiết bị y tế. Nguyên mẫu của tuyến tụy nhân tạo đã đạt được một mức độ 6. 8 độ lap/ 8m, trong khi hệ thống truyền tải cao hơn, trong khi thiết bị truyền tải cần thiết để tăng giá trị điện và mức chi phí cao hơn.

Máy học cấu hình giao thức thích nghi

Thông minh nhân tạo đang được áp dụng cho các tham số cấu hình giao thức có tính năng động. Chẳng hạn, một nhân viên hỗ trợ học tập có thể học năng lượng tối ưu, tỷ lệ dữ liệu và chiến lược xác nhận cho môi trường cụ thể của bệnh nhân (nhà, phòng tập). Trình mô phỏng này cải thiện năng lượng cùng một lúc. Trình mô phỏng gần đây cho thấy các giao thức thích ứng như thế có thể giảm thiểu lỗi gói phần trăm so với cấu hình tĩnh trong khi kéo dài tuổi thọ của pin 25%. Việc thực hiện thực hiện chức năng tính năng quy định trên đầu không cần tính toán cao – vùng nhỏ (máy điều khiển vi mô) đang tiến bộ nhanh chóng.

Bản đồ mã hóa lượng tử cho Bảo mật Long Werm

Khi máy tính lượng tử được ra đời, các thuật toán mật mã hiện thời (RSA, ECDH) sẽ bị phá vỡ. Thiết bị y khoa có tuổi thọ dài (5–10 năm), và dữ liệu bệnh nhân phải được bảo mật ngay cả lâu hơn. Việc nghiên cứu vào mã hóa sau khi phân (PQC) cho thiết bị trói đang bắt đầu ảnh hưởng đến các thiết kế trong y học IoT. Tiêu chuẩn như hệ thống truyền tải dữ liệu của ORSSSKber và chim ưng được đánh giá thấp để thực hiện trên vi xử lý vi phân. Mặc dù việc nhận dạng thông tin vẫn còn phổ biến, các nhà phát triển tiếp theo thời gian đã được thiết kế để chuyển đổi sang dữ liệu.

Kết luận

Sự thành công của hệ thống tuyến tụy nhân tạo dựa trên các giao thức truyền dữ liệu ngầm. Những tiến bộ gần đây — từ những hồ sơ năng lượng thấp được tăng cường của viện trợ và mô hình phân hủy của MQTT cho phép người dùng sử dụng mô hình này đến 6 LVPGN, kết nối năng lượng và những bảo đảm chắc chắn về hệ thống mạng thời gian và thời gian sống — đã đưa hệ thống này đến gần hơn với lý tưởng của sự quản lý tiểu đường không thể tách rời, an toàn và người dùng của bộ hệ thống điều hành.

Nhìn về phía trước, sự tích hợp của máy tính 5G và cạnh, radio sóng siêu rộng, máy tính học cách điều chỉnh giao thức dẫn truyền của máy tính và mã hóa lượng tử sẽ đẩy xa hơn. khi công nghệ trưởng thành, bệnh nhân sẽ được lợi ích từ những thiết bị tuyến tụy nhân tạo tự động và đảm bảo có chất lượng cao.