| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Chytrý prstýnek
Josef Čada
V dnešní době je nositelná elektronika velmi rychle rostoucí součástí trhu. V roce 2022 byl příjem z těchto zařízení téměř 73,3 miliard dolarů. Asi největším lákadlem jsou různorodé funkce měření našeho zdraví. Od spánku, přes srdeční tep až po EKG či srdeční rytmus. Velkým hráčem v tomto odvětví je společnost Apple. Senzory na jejich hodinkách jsou zajímavé tím, že jsou certifikované jako zdravotní senzory, a tím pádem můžete bez obav z přesnosti posílat data o svém srdci přímo doktorovi k odbornému zhodnocení. Vcelku čerstvou novinkou je také detekce pádu, kterou mimo Applu mají i chytré hodinky Galaxy Watch od Samsungu a tato funkce se chystá i do hodinek Pixel Watch společnosti Google. Hodinky dnes už ale nejenom měří naše těla, ale zastupují v mnoha případech i naše mobilní telefony. Například při placení, SMS, telefonování a zajišťují velké množství aplikací třetích stran – například hry nebo bankovní aplikace.
Vývoj trhu s nositelnou elektronikou. Zdroj: Statista.
|
SNR (šum) – Signal to Noise Ratio, poměr signálu k šumu. Parametr, který popisuje kvalitu signálu ve vztahu k úrovni šumu. Šum je nechtěné rušení nebo variace v signálu, které mohou pocházet z různých zdrojů, jako jsou elektronické součástky, vnější interference nebo nedokonalosti měřicího zařízení. SNR se obvykle uvádí v logaritmické škále, tj. jako logaritmus poměru výkonu užitečného signálu k výkonu šumu. Udává se v decibelech (dB). Vyšší hodnota SNR znamená, že užitečný signál je silnější než šum a je snazší jej rozlišit od pozadí. V aplikacích, jako jsou PPG systémy, zajišťuje vyšší hodnota SNR kvalitní a čitelný signál, což vede k přesnějším a spolehlivějším měřením. EPFL – École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Švýcarský federální technologický institut v Lausanne. Jde o výzkumnou univerzitu ve švýcarském Lausanne, jejíž kořeny sahají do roku 1853. Má přes 12 500 studentů (2022). Řadí se do první dvacítky nejprestižnějších univerzit světa. PPG – photoplethysmography, fotopletismografie, získávání informací z průchodu světla živou tkání. Příkladem mohou být pulzní oxymetry zjišťující hladinu kyslíku v krvi. LED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. |
Od hodinek přes náramek k prstýnku
Dnes nenosíme jen chytré hodinky, ale velmi běžné jsou i chytré náramky. Jsou často levnější a poskytují omezenější data. Dají se pořídit v řádech stokorun a od velkého množství firem. Často u nich najdeme nějaké základní měření srdečního tepu, fyzických aktivit, a pokud máme štěstí, tak i spánku. Avšak některé čínské firmy, jako jsou Huawei, Honor nebo Xiaomi, se na ně hodně zaměřily a v jejich nabídce jsou i náramky s podobným vybavením jako hodinky. Nabízí i pokročilejší aplikace či placení, ty jsou ale dostupné pouze v Číně.
Hodinky či náramky tedy již poměrně přesně a různorodě měří naše zdraví. Co když nám ale nevyhovuje je každý večer nabíjet? Nebo se nám jednoduše nechce nosit něco na zápěstí?. V tom případě je elegantním řešením chytrý prsten. Velmi populární v tomto odvětví je prsten Oura. Ten na rozdíl od hodinek vydrží na jedno nabití týden. Také dle jeho výrobců je prst vhodnější pro měření srdečního tepu než zápěstí. Prsten nabízí měření spánku, srdečního tepu a proměnlivosti srdeční frekvence (HRVHRV – Heart Rate Variability, proměnlivost srdečného rytmu.). Samozřejmostí je sledovaní fyzických aktivit a spálených kalorií. Je také vodotěsný a data jsou pak přehledně k dispozici v aplikaci s dodatečnými analýzami. Ale cena 8 600 korun je zvláště v porovnáni s hodinkami, které nabízejí více funkcí, zarážející. Pokud chcete využívat všechny funkce, je navíc nutné platit měsíční poplatek šest dolarů.
Chytrý prsten Oura. Zdroj: Asiana Times.
Dva přátelé ze Švýcarského federálního technologického institutu v Lausanne (EPFLEPFL – École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Švýcarský federální technologický institut v Lausanne. Jde o výzkumnou univerzitu ve švýcarském Lausanne, jejíž kořeny sahají do roku 1853. Má přes 12 500 studentů (2022). Řadí se do první dvacítky nejprestižnějších univerzit světa. – „švýcarské MIT“), Antonino Caizzone, podnikatel a vědec, spolu s Assimem Boukhaymou, inženýrem fotonických senzorů, založili společnost Senbiosys, která se zabývá vývojem tzv. On-Chip senzorů. Tyto senzory, integrované přímo na čipu nebo polovodičovém substrátu, mohou měřit různé fyzikální veličiny, jako jsou teplota, tlak, vlhkost, světlo nebo zrychlení. Senbiosys nyní vlastní 11 patentů a má 60 publikací a 1 000 vědeckých citací.
Základem nového prstenu společnosti Senbiosys, který naruší dominanci Oura prstenu, je senzor na čipu označovaný SB140. Jde o optický PPGPPG – photoplethysmography, fotopletismografie, získávání informací z průchodu světla živou tkání. Příkladem mohou být pulzní oxymetry zjišťující hladinu kyslíku v krvi. senzor pro sledování změn objemu krve v mikrovaskulárním systému. Běžné PPG senzory se skládají ze dvou hlavních součástí: světelných diod (LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence.) a fotodetektorů (PD). V architektuře senzoru se obvykle používá červené až infračervené světlo LED diod, protože dlouhé vlnové délky jsou vhodné pro měření průtoku krve hluboko v tkáních. Fotodetektory detekují objemové změny krve způsobené tlakem tak, že absorbují světlo LED procházející kůží. Neinvazivní a optický systém měření umožňuje senzoru PPG monitorovat dýchání, hypovolemiiHypovolemie – snížený objem tekutiny v cévním systému. a další oběhové stavy.
PPG senzory
Fotopletismografické (PPGPPG – photoplethysmography, fotopletismografie, získávání informací z průchodu světla živou tkání. Příkladem mohou být pulzní oxymetry zjišťující hladinu kyslíku v krvi., z anglického photoplethysmography) využívají šíření světla tkáněmi. Při průchodu světla kůží je jeho část absorbována. Úroveň absorpce kolísá se změnou rozměrů arteriálních cév vyvolanou srdečními údery. Fotodetektor nebo senzor detekuje světlo odražené od tkáně a převádí ho na elektrický proud.
Funkce PPG senzoru. Dilatace tepen zvyšuje absorpci světla. Zdroj: Senbiosys.
Změny absorpce světla představují malý zlomek průměrné intenzity odraženého světla, ve výsledku pak má PPG signál dvě složky. Velkou kvazistejnosměrnou (velmi nízkofrekvenční) složku, která odpovídá rozptylu světla tkáněmi a nepulzujícími vrstvami krve. A poté malou střídavou složku způsobenou průchodem přes arteriální krev. Jednou z hlavních výzev systémů PPG je maximalizování poměru mezi těmito dvěma složkami, tj. tzv perfuzního indexu (PI). Kompenzace nízkého perfuzního indexu při zachování dobrého odstupu mezi nejvyšší a nejnižší hodnotou signálu (peak-to-peak) vyžaduje zvýšení výkonu anebo senzor s velkým dynamickým rozsahem, aby se zabránilo saturaci. Oba přístupy mají za následek zvýšení spotřeby energie.
Perfuzní index je podíl střídavé a stejnosměrné složky signálu. Zdroj: Senbiosys.
Běžně má perfuzní index hodnoty v rozsahu od 0,5 do 5 %, v závislosti na teplotě, umístění senzoru na těle a na barvě pleti Nejvýhodnější pozice na těle pro umístění PPGPPG – photoplethysmography, fotopletismografie, získávání informací z průchodu světla živou tkání. Příkladem mohou být pulzní oxymetry zjišťující hladinu kyslíku v krvi. senzoru jsou uši, prsty a zápěstí. Další problematikou je optimalizace vzdálenosti mezi senzorem a zdrojem světla. Optimalizace této vzdálenosti je spojena se specifickými kompromisy. Čím je větší, tím je vyžadován vyšší výkon. Větší vzdálenost také zmenšuje poměr signálu a šumu (SNRSNR (šum) – Signal to Noise Ratio, poměr signálu k šumu. Parametr, který popisuje kvalitu signálu ve vztahu k úrovni šumu. Šum je nechtěné rušení nebo variace v signálu, které mohou pocházet z různých zdrojů, jako jsou elektronické součástky, vnější interference nebo nedokonalosti měřicího zařízení. SNR se obvykle uvádí v logaritmické škále, tj. jako logaritmus poměru výkonu užitečného signálu k výkonu šumu. Udává se v decibelech (dB). Vyšší hodnota SNR znamená, že užitečný signál je silnější než šum a je snazší jej rozlišit od pozadí. V aplikacích, jako jsou PPG systémy, zajišťuje vyšší hodnota SNR kvalitní a čitelný signál, což vede k přesnějším a spolehlivějším měřením.) střídavé složky při stejném výkonu. Malá vzdálenost může negativně ovlivnit efektivní dynamický rozsah senzoru a také SNR v důsledku světla odraženého od povrchu kůže. S výjimkou chytrých hodinek využívá většina zařízení větších vzdáleností mezi senzorem a zdrojem světla.
Pro LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. zdroje světla platí, že čím větší je vlnová délka, tím hlouběji pronikne světlo do těla. To ale neznamená lepší citlivost, protože absorpce krví se snižuje s větší vlnovou délkou. Proto se často vybírají zelené vlnové délky, které jsou kompromisem mezi schopností proniknout do tkáně a absorpcí v krvi a které zajistí optimální činnost senzoru PPG.
Senzor SB140 od společnosti Senbiosys má větší přesnost a zároveň potřebuje méně LED světla než běžný senzor. Poskytne tak nejen údaje o krevním řečišti, ale i o intenzitě okolního osvětlení či vzdálenosti. V budoucnu může být aplikován nejen v chytrých prstenech, ale i v hodinkách, sluchátkách, naslouchátkách nebo náramcích. Tento senzor na čipu tvoří základní kámen nového prstenu Iris. Autoři slibují, že i přes menší velikost samotného čipu je přesnější a zároveň úspornější. Na prstenu Iris je umístěno šest senzorů namísto dvou na Oura prstenu, což umožňuje navíc měření teploty pokožky, stresu, stálé měření okysličení krve, srdečního tepu a HRVHRV – Heart Rate Variability, proměnlivost srdečného rytmu.. V půlce roku 2024 má také přijít měření srdečního tlaku a plodnosti pro ženy. Cena prstenu Iris je 4 700 korun (200 euro), avšak je třeba počítat s měsíčním poplatkem ve výši 250 korun (10 euro).
Řez prstýnkem Iris. Zdroj: Senbiosys.
Nový prsten Iris tedy nabízí vylepšenou přesnost a úspornost, což by mohlo narušit tržní dominanci prstenu Oura. Díky inovativním vlastnostem a širšímu spektru měřených hodnot má prsten Iris potenciál stát se populární volbou pro spotřebitele, kteří hledají chytré prstýnky s pokročilými funkcemi. Já osobně očekávám, že se dočkáme stejného vývoje jako v oblasti chytrých hodinek. Tedy že nejdřív na trhu bude dominovat několik firem se svými výrobky a budou se předhánět v jejich vlastnostech. Poté přijdou jak menší a méně kvalitní alternativy, tak i velcí hráči jako Apple, Google či Samsung, a celou dynamikou trhu ještě více zamíchají. Předpokládám, že tedy za pár let budeme moct svému doktorovi posílat data o našem zdraví jak z hodinek, tak i z prstenů.
Odkazy
