Dans une revue publiée dans Supports de communicationles chercheurs ont discuté des avancées récentes et des obstacles au développement d’un corps connecté numériquement via un réseau de capteurs portables et de bio-interfaces.
Ils ont en outre souligné la nécessité de disposer d’écosystèmes d’appareils holistiques pour une surveillance complète et à long terme de la santé.
Étude: Vers un corps connecté numériquement pour une vision globale et continue de la santé. Crédit d’image : SOMKID THONGDEE/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
Les progrès des capteurs cutanés non invasifs, tels que l’électronique épidermique, offrent des informations en capturant les fluides et en fournissant des propriétés physiques uniques, permettant une détection plus sophistiquée au-delà des méthodes traditionnelles.
Ces capteurs incluent des capacités biochimiques et biophysiques, permettant la mesure de marqueurs comme le cortisol ainsi que des informations sur les stress physiologiques. La traduction de ces innovations du laboratoire à un usage clinique ou domestique se heurte à des défis qui peuvent être classés en (1) matériel et interface, (2) intégration et (3) défis liés à l’adoption.
L’adoption généralisée de ces innovations dépend de matériaux compatibles avec les interfaces intelligentes, du renouvellement de la peau et d’une intégration transparente dans les systèmes de santé. De tels systèmes peuvent potentiellement avoir un impact significatif sur la surveillance et le traitement des maladies pour améliorer la santé de la population.
Les défis des matériaux et des interfaces
Les bio-interfaces portables sont confrontées à des défis fondamentaux, en particulier lorsqu’elles sont fixées de manière adhésive à la peau, telles qu’une durée de fonctionnement limitée en raison du renouvellement épidermique et de l’inconfort potentiel de l’utilisateur.
Différentes classes de dispositifs sont couramment utilisées : (a) brique et sangle conventionnelles, (b) électronique épidermique avec fixation cutanée adhésive, et (c) un hybride combinant des dispositifs épidermiques couplés par adhésif avec une électronique réutilisable fixée magnétiquement.
Alors que les dispositifs à briques et à sangles offrent fiabilité et viabilité commerciale, l’électronique épidermique assure un contact conforme, réduisant ainsi les artefacts de mouvement, mais est confrontée à des problèmes de fixation adhésive et d’empreintes de pas plus grandes. L’approche hybride combine le caractère jetable et les composants réutilisables, mais introduit de la complexité.
Les capteurs sont limités par la dégradation biochimique et les risques biologiques liés à la canalisation de la sueur. Les plates-formes épidermiques minimisent les artefacts de mouvement mais nécessitent une attention particulière à la mécanique au niveau du système pour une stabilité chronique.
Les stimulateurs non invasifs sont classés comme stimulateurs haptiques, électriques et thermiques et sont cruciaux pour une utilisation chronique. Cependant, ils nécessitent des approvisionnements énergétiques élevés, ce qui rend leur réalisation difficile.
Les méthodes d’encapsulation pour les dispositifs portables chroniques impliquent de surmonter les défis mécaniques et fluidiques, en particulier pour les dispositifs épidermiques flexibles et haute fidélité. Des stratégies innovantes telles que les interconnexions serpentines et les encapsulations diélectriques peuvent être utilisées pour surmonter ces défis.
Les défis de l’intégration
L’intégration des appareils portables a un impact sur le confort, la stabilité et les performances des capteurs. Le besoin d’une alimentation électrique élevée est identifié comme un défi majeur, limitant le fonctionnement continu des appareils.
Les batteries traditionnelles offrent des durées de fonctionnement limitées (1 à 2 jours) pour les appareils multimodaux haute fidélité, ce qui nécessite des recharges fréquentes et affecte la fidélisation des utilisateurs.
Diverses méthodes de transfert d’énergie sans fil sont actuellement utilisées. Les appareils biosymbiotiques sont rechargés via une diffusion de puissance en champ lointain pour un fonctionnement fluide 24h/24 et 7j/7. Les appareils photoniques utilisent des cellules solaires à base de pérovskite et une distribution d’énergie sans fil via des textiles.
L’exploitation des sources d’énergie ambiantes et des alimentations électriques transportées par les utilisateurs, telles que le rayonnement électromagnétique des smartphones, fournit des solutions de détection distribuée et réduit la fatigue des utilisateurs.
Les considérations relatives à la plate-forme matérielle pour les appareils portables impliquent des défis d’évolutivité et une conformité compromise. Les activités de traduction réussies utilisent des matériaux comme l’uréthane thermoplastique (TPU) et le polyimide.
Les méthodes de communication sont des considérations importantes pour les appareils portables. Les approches basées sur le Bluetooth Low Energy (BLE) et la communication en champ proche (NFC) sont couramment utilisées.
Le calcul est crucial pour les grands ensembles de données et peut bénéficier de méthodes basées sur l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle. Sur la base d’une analyse de puissance des exigences cliniques, l’analyse des données peut être effectuée sur l’appareil ou via le cloud.
Les défis de l’adoption
L’acceptation par les utilisateurs est un aspect essentiel de l’impact des appareils portables, des facteurs tels que la confidentialité, la portabilité, la facilité d’utilisation, l’exactitude des données et la valeur perçue influençant les taux de rétention.
Pour les appareils courants de capture de l’état de santé, le taux de rétention moyen n’est que de 50 % sur six mois. Le succès commercial n’est pas garanti, compte tenu des défis tels que l’interopérabilité, l’acceptation de la communauté médicale et la couverture d’assurance qui créent des barrières à l’entrée élevées.
Les certifications réglementaires telles que l’approbation de la FDA et le marquage CE, essentielles au maintien de la confiance, contribuent à un processus d’innovation lent, faisant du développement de nouvelles technologies une entreprise à haut risque. Malgré une technologie passionnante, une adoption lente peut entraver considérablement le succès d’un appareil.
Exemples de wearables chroniques multimodaux
Les biosymbiotiques constituent une classe intéressante d’appareils portables. Ils capturent des biosignaux haute fidélité en continu et sans interruption.
Ces dispositifs se fixent sur l’épiderme via des structures en maille souple, s’adaptant au corps sans adhésifs, permettant une utilisation prolongée sur plusieurs semaines. La projection de puissance en champ lointain recharge l’appareil, offrant un fonctionnement autonome 24 heures sur 24 et permettant une recharge à proximité d’une roulette de puissance.
Les appareils conservent leur fonctionnalité pendant diverses activités, y compris les douches, capturant des flux de données à des taux d’échantillonnage élevés, tels que les contractions des biceps et les mesures haute résolution de la température cutanée, impossibles à réaliser avec les appareils portables traditionnels.
Conclusion
Les interfaces cutanées portables haute fidélité offrent des informations avancées, mais leur déploiement réussi nécessite des avancées clés dans les matériaux destinés à une utilisation chronique.
Les stratégies impliquant des matériaux tels que des hydrogels et des substrats ultra-fins avec des interfaces à faible impédance permettent une fixation transparente à la peau, prenant en charge des interfaces haute fidélité continues pendant des semaines.
L’adoption généralisée des appareils repose sur la création d’approches transparentes au niveau du système reliant différents types d’interfaces, délais d’application et aspects des stratégies de communication, de calcul et d’alimentation.
Des technologies telles que la diffusion d’énergie sans fil, les réseaux maillés de faible puissance et le calcul neuronal peuvent faciliter une diffusion plus rapide de cette classe d’appareils.
Dans l’ensemble, ces progrès présentent un grand potentiel pour avoir un impact sur l’espérance de vie et la santé de la population, notamment en améliorant la détection et le traitement des maladies cardiaques.
