控制疫情蔓延 IoT能幫大忙!

作者 : Asem Elshimi,Silicon Labs RFIC設計工程師

科技在對抗傳染病方面扮演重要角色,而物聯網(IoT)相關技術正是我們重要的防疫武器...

聯合國所訂定之永續發展目標之一,便是針對防治傳染病的蔓延做好準備。在新型冠狀病毒(COVID-19)流行期間,防疫已成為當前最重要目標,科技在對抗傳染病方面扮演重要角色,而物聯網(IoT)相關技術正是我們重要的防疫武器──降低成本、自發自主性、遠端護理和診斷,以及即時取得患者的資料只是物聯網改變醫療保健的幾個部分。 在疾病控制方面,無線連接和物聯網技術更提供了強而有力的解決方案。

我們經常將物聯網視為感測器和無線微控制器的聯結,其實這只是物聯網的實體層。 整體而言,物聯網是大規模的分散式運算。估計約有240億個IoT智慧連網裝置用來收集和執行前所未有的資料量。在對抗疫情流行時,更多資料可提供更好的決策制定和應對計畫,兩者對於預防和控制疾病傳播都是重要的關鍵。

接觸者追蹤

在流行疫情上升時,最緊迫的任務是追蹤並隔離可能與感染者接觸的人,這是控制疾病的一種方法。傳統的接觸者追蹤技術有賴於採訪接觸對象並調查相關問題,此方法不但昂貴費時,且易有人為錯誤。同時流動人群在人口稠密城市間更加劇了此一問題的嚴重性,突顯出傳統方法的缺失。

有別於傳統追蹤接觸者的方法是仰賴無線技術如RFID、藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)、GPS、Wi-Fi和磁場訊號等來追蹤詳細的定位。與傳統方法不同的是,無線技術可提供與確認病例互動接觸的時間和遠近等相關資訊。低功耗藍牙是最受青睞的IoT標準之一,可提供位置追蹤相對較高的精確度。

與Wi-Fi和蜂巢式定位技術相比,低功耗藍牙可以提供更高等級的接近檢測精度。而在針對追蹤接觸者分類並排定優先處理等級時,改善精確度至關重要,低功耗藍牙提供了多種位置追蹤方案,例如RSSI和到達角(angle of arrival,AoA)。低功耗藍牙標準也可廣泛應用在智慧型手機和大多數可連接的穿戴裝置上。

在疫情大流行期間,佈署藍牙標籤是改善應變計畫的另一種解決方案。就未來而言,這意味著在人口稠密的大都會地區需佈署數百甚至數千個藍牙標籤和智慧裝置通訊。這需要對藍牙裝置的網狀網路進行整體系統範圍的最佳化,以克服資訊衝突,也意味著若裝置未能註明曾與確診病患接觸的相關互動資訊,可能容易導致高度可疑的感染者遭到忽略。

生物感測器和即時檢測

因應疫情大流行的另一個關鍵任務是現場即時檢測(Point-of-Care)。由於缺乏廣泛可用的COVID-19測試套件,每當我們檢查COVID-19資料時,我們只能感知到冰山一角的資訊。如果使用的檢測試劑可以更加普及,就可大幅地減少COVID-19在例如美國紐約市的大規模傳播。 具成本效益且可快速佈署的診斷設備也是全球偏遠和發展中地區的基本需求,在這些地區如果缺少訓練有素的人員和配備完善的醫療中心可能會導致無法控制的疫情擴散。

診斷設備除了要具有成本效益外,還必須可靠、靈敏,可攜且讓使用者容易操作。此外,優選的設備則需要可以全部或部分使用後可以拋棄、易於重製、同時具有小型化封裝。而連結雲端的生物感測器則非常適合該方案。病人的體驗很簡單。 從患者體內提取樣本到拋棄式藥筒中。只需在30分鐘內,測試即可完成。

患者樣品在拋棄式藥筒上進行測試,結果可在30分鐘內取得。

(圖片來源:Silicon Labs)

從技術角度來看,以下情況會發生:藥筒被裝入可連上CMOS晶片,具備ISFET感測器陣列的實驗室晶片設備上,該感測器陣列連接到微控制器,同時透過藍牙將資料傳輸到雲端或智慧手機應用程式。使用中的ISFET生物感測器與MOSFET電晶體非常相似,不同之處在於金屬閘極被離子敏感(ion-sensitive)結構替代。ISFET生物感測器可以測量溶液中的離子濃度。感測器對晶片表面的反應進行離子成像,從而能夠即時監測到DNA的擴增。

監視此生物過程等同於檢測病毒感染。該演示展示了物聯網如何支援瑣碎的技術以實現無處不在的普及性計算,並提供前所未有的即時檢驗功能。綜觀未來,這種晶片實驗室技術儘管便宜很多,但與雅培(Abbott)實驗室的盒裝測試套件相似,該盒裝套件已獲得FDA的快速批准,並已在過去幾周內進行佈署。

ISFET生物感測器基本上是MOSFET電晶體,但其金屬閘極被離子敏感結構取代。

(圖片來源:Silicon Labs)

 

醫療物聯網

美國疾病預防控制中心(CDC)估計,每年因健康問題引發的感染人數(與健康相關的訪視期間被感染的人數)僅在美國醫院就高達170萬[資料來源資料來源]。在疫情大流行期間,此一數字不僅會增加,還會導致當我們最需要專業醫護人才時卻面臨短缺。我們如何才能降低大流行期間醫院感染的風險呢?

其中具吸引力的解決方案之一是醫療物聯網(IoMT)。 IDC估計,超過70%的醫療保健機構已經在佈署IoMT [資料來源],這對於未來的大流行預防是個好消息。基本的物聯網天才概念是它將任何物件變成資料來源。 對於IoMT而言,「物件」本身是醫療產品,無論是心率監測器,輪椅或是可穿戴設備。 病人產生資料(PGD)的串流資訊可用於分析病人的健康狀況。 就更大的計畫方案而言,從病患人口收集的資料可以用來加速醫學研究和發展。

在醫院佈署更多的自動化和技術如IoMT床頭設備,可減少與傳染病患者的接觸,讓工作人員得到更多保護。隨時可取得的患者資料將減少醫院就診的需要和時間,這與不斷發展的遠端醫生就診,遠端診斷和監控技術息息相關。

值得注意的是,儘管隨著IoMT和自動化技術的發展,除了流行病之外,該技術並不能取代人與人之間的連接,這是護理患者的關鍵部分。就效益而言,如果有的話,IoMT可為醫生提供更多時間來專注於人為方面的工作,例如對病患和家庭提供諮詢。

IoMT還增強了對老年人或慢性病患的遠端照料,在當前的COVID-19大流行中,這可能意味著可大幅減少最脆弱人群的接觸風險。在大流行期間照顧老年人時,減少非必要的接觸以避免危及生命至關重要。借助虛擬助手、醫療感測器和智慧家庭方案,我們可以確保脆弱的族群在身體和心理上的健康。

安全威脅

一般而言,如果不解決安全性和隱私問題,IoMT和IoT的倡議就不夠完備。儘管物聯網技術已經發展到足以將資料從物件到雲端之間來回傳輸,但是裝置和資料安全性仍然是一個問題。 這就解釋了為什麼醫療保健機構持續在其後端系統佈署物聯網之同時,仍對IoMT新領域可以調動了多少客戶介面持謹慎態度。

由於感測器不斷傳輸有關健康狀況的敏感資訊,這讓患者對智慧穿戴式醫療設備感到不安。此外,在疫情大流行的情況下,尤其是在接觸者追蹤方面,資料隱私成了敏感問題。如果我們在人群中佈署藍牙標籤,以在大流行時啟用接觸者追蹤功能,誰會擁有這些收集的資料? 在何種程度上可以取得和操縱這些敏感性資料?

IoT隱私和安全性漏洞的問題必須能夠解決,相關科技才能交付至醫療保健客戶手上。而要解決這些問題,有賴於在此領域攸關立法、經濟、醫療和技術參與者的共同努力。從技術角度來看,目前已有大量的創新來保護硬體和軟體設備免受駭客攻擊。

例如Silicon Labs的Secure Vault技術可為每個無線晶片生成唯一的簽章,就像出生證明一樣。這意味著在晶片上執行的運算僅能用於提供IoT服務的供應商,而不會被虎視眈眈的駭客竊取。但是供應商在處理個人資料方面如何建立消費者的信任仍然是個懸而未決的問題。

物聯網技術可以成為引領預防和管理當前和未來流行病的方法。面對大規模流行病,廣泛佈署的物聯網為人類提供了前所未有的資料和分析體系。使得防制疾病的傳播更加有效,並且可以利用IoT技術協助我們追蹤、測試和治療全體人類。

本文中譯版由Silicon Labs提供

(參考原文:How IoT Can Help Control Pandemic,By Asem Elshimi, Silicon Labs)

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