Ανάπτυξη χαμηλής κατανάλωσης συσκευών για το διαδίκτυο των ιατρικών πραγμάτων (IoMT)

Abstract

The subject of the present PhD thesis is the development of low-power devices for the Internet of Medical Things (IoMT) that support remote interaction with healthcare professionals, and collection of patients’ health data. The software and hardware of these devices have been developed aiming at low-power consumption in order to achieve improved user experience and patient compliance. First, a smart pillbox that manages and stores medication is proposed aiming to support medication adherence, as patients usually deviate from their prescribed treatment. The foldable design and the low-power operation of the proposed pillbox connected with the IoMT platform, enable portability, continuous support and remote treatment adjustments. With photos provided by the patient, using a camera integrated in the 3D printed pillbox, dangerous interactions between drugs included in the treatment with other drugs, food, or supplements that the patient may consume can be detected and avoided. Patients can send a video to a smartphone app, describing their symptoms in order to report adverse drug reactions during treatment. Post analysis of the video by cloud services can lead to useful keywords extraction. The medication adherence improvement provided by the platform was evaluated through an experimental procedure in which participants used the developed IoMT pillbox and a dummy pillbox. During both cases, the participants followed a dense medication schedule including remote treatment adjustments. The experimental procedure results demonstrated excellent user acceptance. The comparison of errors (wrong or no pill intake) between IoMT and dummy pillbox did not demonstrate any statistically significant difference, but the total delay of pill intake was higher with the dummy pillbox. Moreover, this PhD thesis suggests an IoMT fall detection device that has been developed with hardware/software co-design in order to achieve minimum power consumption during operation. The operation algorithm of the device manages embedded functionalities of the integrated accelerometer and enables the fall detection while the rest of the circuit is turned off. This IoMT platform utilizes cloud services that provide remote information in the event of a patient fall. Compared with similar low-power implementations that enable fall detection, the proposed device operates with Wi-Fi connection, without the need of a local server or extra equipment. Moreover, the platform supports a notification mechanism during fall detection, a cancelation mechanism of the emergency signal and battery monitoring for continuous device operation.

Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη συσκευών χαμηλής κατανάλωσης για το Διαδίκτυο των Ιατρικών Πραγμάτων (ΙοΜΤ) οι οποίες υποστηρίζουν την απομακρυσμένη αλληλεπίδραση με επιστήμονες υγείας, και τη συλλογή δεδομένων υγείας των ασθενών. Το λογισμικό αλλά και το υλικό των συσκευών που περιγράφονται έχουν αναπτυχθεί με στόχο τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ώστε να επιτυγχάνεται βελτιωμένη εμπειρία χρήσης και αποδοτικότερη συμμόρφωση των ασθενών. Αρχικά, προτείνεται ένα έξυπνος περιέκτης χαπιών, ο οποίος αποθηκεύει και διαχειρίζεται τη φαρμακευτική θεραπεία των ασθενών. Ο περιέκτης χαπιών που παρουσιάζεται στοχεύει στη βελτίωση της φαρμακευτικής συμμόρφωσης, καθώς οι ασθενείς συνήθως παρεκκλίνουν από τη φαρμακοθεραπεία τους, όπως αυτή έχει συνταγογραφηθεί. Ωστόσο, ορισμένες φορές πρέπει να πραγματοποιηθούν αλλαγές απομακρυσμένα ώστε να διαμορφωθεί η θεραπεία ανάλογα με την πορεία του ασθενούς. Επιπλέον, επικίνδυνες αλληλεπιδράσεις φαρμάκων της θεραπείας με άλλα φάρμακα, τρόφιμα ή συμπληρώματα διατροφής που μπορεί να καταναλώσει ο ασθενής μπορούν να οδηγήσουν σε αποτυχία της θεραπείας. Με χρήση φωτογραφιών που παρέχει ο ίδιος ο ασθενής, χρησιμοποιώντας μία κάμερα που βρίσκεται ενσωματωμένη στον τρισδιάστατα εκτυπωμένο περιέκτη χαπιών, μπορούν να εντοπιστούν και αποφευχθούν τέτοιες επικίνδυνες αλληλεπιδράσεις. Η καταγραφή ανεπιθύμητων ενεργειών κατά τη θεραπεία μπορεί να γίνει με την αποστολή βίντεο σε εφαρμογή έξυπνων κινητών τηλεφώνων, στο οποίο ο ασθενής περιγράφει τα συμπτώματα που αντιμετωπίζει. Το βίντεο στη συνέχεια αναλύεται από υπηρεσίες υπολογιστικού νέφους και εξάγονται χρήσιμες λέξεις-κλειδιά. Η βελτίωση της φαρμακευτικής συμμόρφωσης που παρέχει η πλατφόρμα αξιολογήθηκε με κατάλληλη πειραματική διαδικασία που σχεδιάστηκε για το σκοπό αυτό, κατά την οποία οι συμμετέχοντες χρησιμοποίησαν τη λειτουργική ΙοΜΤ συσκευή που αναπτύχθηκε, καθώς και ένα μη λειτουργικό αντίγραφό της. Και στις δύο περιπτώσεις οι συμμετέχοντες ακολούθησαν ένα πυκνό πρόγραμμα θεραπείας το οποίο περιλάμβανε απομακρυσμένες αλλαγές. Τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας έδειξαν πολύ ικανοποιητικό βαθμό αποδοχής της συσκευής από τους χρήστες. Τα σφάλματα (λανθασμένη λήψη ή παράλειψη λήψης χαπιού) κατά τη σύγκριση της χρήσης μεταξύ της λειτουργικής ΙοΜΤ συσκευής και του μη λειτουργικού αντιγράφου της, δεν έδειξαν στατιστικά σημαντική διαφορά, ενώ ο συνολικός χρόνος των καθυστερήσεων στη λήψη ήταν υψηλότερος κατά τη χρήση του αντιγράφου. Επιπλέον, στη διατριβή προτείνεται μία ΙοΜΤ συσκευή ελέγχου πτώσεων, η οποία έχει αναπτυχθεί με παράλληλο σχεδιασμό υλικού και λογισμικού ώστε να επιτυγχάνεται ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Ο αλγόριθμος λειτουργίας της συσκευής αναλαμβάνει τη διαχείριση εξειδικευμένων λειτουργιών του επιταχυνσιομέτρου που βρίσκεται ενσωματωμένο και επιτρέπει τον έλεγχο πτώσεων με το υπόλοιπο κύκλωμα πλήρως απενεργοποιημένο. Αυτή η ΙοΜΤ πλατφόρμα με τη χρήση υπηρεσιών υπολογιστικού νέφους παρέχει τη δυνατότητα απομακρυσμένης ενημέρωσης σε περίπτωση πτώσης του ασθενούς. Σε αντίθεση με αντίστοιχες υλοποιήσεις χαμηλής κατανάλωσης που στοχεύουν στον εντοπισμό πτώσεων, η προτεινόμενη συσκευή λειτουργεί μόνο με σύνδεση Wi-Fi, χωρίς να απαιτεί τοπικό διακομιστή ή επιπλέον εξοπλισμό. Επιπλέον, η πλατφόρμα υποστηρίζει μηχανισμό ειδοποίησης σε περίπτωση εντοπισμού πτώσης, μηχανισμό ακύρωσης της αποστολής σήματος έκτακτης ανάγκης και έλεγχο των επιπέδων μπαταρίας για συνεχή λειτουργία της συσκευής.