Komunikācijas sistēma caur cilvēka ķermeni ar pielietojumiem ķermeņa mēroga bezvadu tīklos (BCC)

Kas ir šis projekts?

“Komunikācijas sistēma caur cilvēka ķermeni ar pielietojumiem ķermeņa mēroga bezvadu tīklos” ir Fundamentālo un lietišķo pētījumu projekts (FLPP), projekta Nr. lzp-2020/1-0358, kuru realizē Elektronikas un datorzinātņu institūts (EDI). Sākotnēji projekts iesniegts vērtēšanai 2019. gada augustā; atkārtoti 2020. gada martā. Projekts uzsākts 2021. gada 1. janvārī, un saņem 100 000 EUR finansējumu gadā, un tā izpildes laiks ir trīs gadi. Projektu neformāli atbalsta CERT.LV un Tallinas Tehnoloģiju universitāte. Projekta pieteikumu vērtēja divi starptautiskie eksperti, un tas tika finansēts sīvā konkurencē: tikai 9,8% no pieteiktajiem projektiem jomā tika finansēti.

Kas tiks darīts projektā?

Projekta galvenais mērķis ir pētīt inovatīvu komunikāciju tehnoloģiju zemas jaudas ierīcēm. Šo tehnoloģiju sauc par BCC. Tas ir saīsinājums no Body Coupled Communication. Tulkojumā: “komunikācija caur ķermeni”.

Saskaņā ar projekta plānu, tajā tiks veikti šādi uzdevumi:

1. Savākt datu kopu par BCC signāla izplatīšanos caur cilvēku ķermeni uz vietējās populācijas. Šis uzdevums paredz izveidot mērījumu stendu, kurš ļaus izmērīt signāla zudumus no raidošā elementa līdz uztverošajam elementam brīdī, kad tiem pa vidu ir cilvēka ķermenis. Uz brīvprātīgiem pētījuma dalībniekiem tiks izmērīta signāla izplatīšanās un noteikts, kā to ietekmē tādi parametri kā dzimums, vecums, ķermeņa masas indekss un citi. Lai veiktu šos mērījumus, pie pētījuma dalībnieku ādas tiks īslaicīgi pieslēgti metāla kontakti (elektrodi). Netiks veiktas invazīvas procedūras vai uzstādīti jebkādi sensori.

2. Izveidot parametrisku matemātisku modeli par BCC signāla izplatīšanos caur cilvēka ķermeni. Šis uzdevums izmantos mērījumu datus, lai konstruētu modeli (matemātisku vienādojumu), kurš apraksta signāla zudumus atkarībā no attāluma starp signāla sūtītāju un signāla saņēmēju, kā arī atkarībā no citiem parametriem. Modelis ļaus pateikt, ar kādu jaudu jāraida, lai varētu veiksmīgi noraidīt informāciju starp dažādām vietām uz ķermeņa. Piemēra, signāla saņēmjs var būt viedais pulkstenis, kas atrodas uz cilvēka rokas. Būtu vajadzīga viena raidīšanas jauda, lai uz to veiksmīgi noraidītu signālu no sirdsdarbības sensora krūšu apvidū, un cita, lielāka raidīšanas jauda, lai to izdarītu no kustību sensora uz kājas.

3. Izpētīt un papildināt IEEE 802.15.6 protokolu komunikācijai caur cilvēka ķermeni. Starptautiskā inženieru organizācija IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ir definējusi savu standartu ķermeņa mēroga bezvadu tīkliem, apzīmētu ar kodu IEEE 802.15.6. Šī standarta 10. nodaļa definē protokolu komunikācijai caur cilvēka ķermeni. Mūsu projekta uzdevums ir šo protokolu eksperimentāli izpētīt un piedāvāt uzlabojumus, piemēram, katram cilvēkam specifisku raidīšanas jaudu atkarībā no tā, cik labi signāls izplatās viņa/viņas ķermenī.

Kādi ir projekta pielietojumi?

Vispārīgi, projekts paredz pielietojumus veselības aprūpē un veselīga dzīvesveida uzturēšanā. Viens piemērs tādiem lietojumiem ir cilvēku biometrisko parametru novērošana, izmantojot sensorus uz ķermeņa un ķermeņa iekšienē. Ir būtiski panākt, lai tā spētu darboties ilgtermiņā, un būtu minimāli traucējoša.

Specifiski, projekts fokusējas uz komunikāciju starp viedajiem pulksteņiem un sensoriem cilvēku biometrisko parametru mērīšanai. Šobrīd šīs ierīces komunikācijai izmanto Bluetooth vai WiFi. Ierīču piemēr ir:

kustību sensori aktivitātes un soļu skaita mērīšanai (Fitbit u.c.);
pulsa un asinsspiediena sensori;
krūšu josta sirdsdarbības novērošanai;
glikozes sensori cukura sastāva noteikšanai, utt.

Nākotnē tie var būt arī implantētie sensori, kuri šobrīd vēl atrodas pētniecības stadijās – piemēram, ķirurģijas laikā ievietoti sensori, kuri seko līdzi pēcoperācijas dzīšanas procesam un brīdina par komplikāciju risku; vai arī tādi implanti, kuri dzīšanas procesa laikā nodrošina lokālu antibiotiku piegādi.

Šādi sensori var atvieglot medicīniskā personāla darbu, sniedzot viņiem detalizētu, objektīvu informāciju par pacientiem; palīdzēt pašiem pacientiem sevi novērot, piemēram, uzzināt par cukura līmeni savās asinīs un tā izmaiņām dienas laikā; kā arī palīdzēt sportistiem un aktīvā dzīvesveida entuziastiem labāk organizēt treniņus, uzturu, un novērtēt savu progresu.

Kādi ir ieguvumi no projekta?

Projektā pētītā BCC tehnoloģija piedāvā drošāku un mazāk enerģiju patērējošu veidu, kā nelielos attālumos pārraidīt datus, kuri ievākti no biometriskajiem sensoriem.

Drošāku, jo BCC signāls minimāli izplatīsies gaisā. Tātad hakeriem un citām trešajām personām nebūs iespējams uztvert šo signālu no attāluma. Lai arī WiFi un Bluetooth pa gaisu pārraidītie signāli ir šifrēti, prakse rāda, ka ik pa laikam šajās tehnoloģijās atrodas kāds drošības “caurums”, kuru hakeri var izmantot. Drošāk ir signālu gaisā vienkārši neraidīt.

Mazāk enerģiju patērējošu, jo elektromagnētiskā signāla pārraide pa gaisu prasa vairāk enerģijas nekā BCC signāla pārraide pa ķermeni.

Šis ir zinātnisks projekts, kura iznākumā nav tieši sagaidāmas jaunas preces vai pakalpojumi; galvenais projekta rezultāts būs zināšanas. Tās ļaus nākotnē ražot valkājamās ierīces un sensorus, kuras ir drošākas un kurām baterija darbojas ilgāk. Tā kā zināšanas tiks iegūtas Latvijā esošā institūtā, Latvijas iedzīvotāji un uzņēmumi būs labākajās starta pozīcijās, lai šīs zināšanas izmantotu un pārvērstu ekonomiskos guvumos.

Kādi tieši sensori tiks izmantoti projektā?

Šobrīd nav gatavu, komerciāli pieejamu sensoru, kas prastu “sarunāties” izmantojot BCC tehnoloģiju. Jebkurā gadījumā, projekts neparedz konkrētu sensoru uzstādīšanu un izmēģināšanu, tā mērķis ir komunikāciju tehnoloģijas uzlabošana.

Tomēr projektā ir minēti arī pielietojumi, jo šo tehnoloģiju komunikāciju uzlabosim priekš konkrētiem pielietojumiem, kas nozīmē mērķēšanu uz konkrēta veida sensoriem. Tas ir tāpēc, ka atšķirīgi sensoru veidi izvirza atšķirīgas prasības, tādas kā datu apjoms, aizture, uzticamība. Pēc analoģijas, video pārraidei bez vadiem ir nepieciešams WiFi, bet skaņas pārraidei pietiek ar Bluetooth.

Kā var pārraidīt datus caur cilvēka ķermeni?

BCC ir tehnoloģija, kas ļauj datus pārraidīt bez vadiem. Citi, plašāk zināmi bezvadu pārraides veidi ir WiFi, Bluetooth, un mobilo sakaru tīkli. Visas šīs tehnoloģijas datu pārraidei izmanto elektromagnētisko starojumu. Ir arī citi bezvadu datu pārraides veidi, kas strādā tuvākos attālumos: tādi ir piemēram RFID, kuru izmanto bezkontakta bankas kartēm, e-talonam un citur, kur vajadzīgs identificēt konkrētu objektu. Līdzīga ir arī mobilajos telefonos esošā NFC tehnoloģija (Near Field Communication).

Gan BCC, gan plašāk zināmās RFID un NFC tehnoloģijas izmanto tuvo lauku (near field). Fizikā par tuvo lauku sauc reģionu tuvu raidītājam, kur elektriskais un magnētiskais lauks eksistē kā divas atsevišķas komponentes. Tālajā laukā tās saplūst vienotā elektromagnētiskajā starojumā, kas atkarībā no frekvences var būt gan radioviļņi, gan gaisma, gan cita veida starojums.

Tuvā elektriskā lauka fizika ļauj efektīvi komunicēt tuvos attālumos, tādos kā cilvēka ķermeņa mērogā. Atšķirībā no WiFi un Bluetooth, BCC signāls slikti izplatās pa gaisu: tam ir lieli zudumi. Tas ļauj mazāk raizēties par to, ka BCC signālu noklausīsies nevēlamas personas.

Eksistē divi BCC pieslēguma veidi. Viens no tiem ir kapacitīvais, kas darbojas līdzīgi skārienjūtīgajiem ekrāniem viedajos telefonos un planšetēs, un neprasa tiešu elektrodu kontaktu ar ādu. Otrs ir galvaniskais, kas prasa tiešu kontaktu, taču ir vēl drošāks, jo vēl mazāka signāla daļa noplūst gaisā, tāpēc būtu piemērots īpaši sensitīvas informācijas noraidīšanai.

Jebkurā gadījumā, lielākā BCC signāla daļa izplatās caur ādu, līdz ar to, lielākā daļa elektriskā lauka neizplatīsies līdz dziļākiem audiem.

Vai tas ir droši?

Starptautiskā inženieru organizācija IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ir definējusi drošības standartu cilvēku saskarei ar elektriskajiem, magnētiskajiem, un elektromagnētiskajiem laukiem. Tā kods ir IEEE C95.1-2019.

Šis standarts definē, ka maksimālā strāva kontaktā ar cilvēka ķermeni projektā lietotajā frekvenču joslā nedrīkst pārsniegt 16.7 miliampērus. BCC signāla pārraidei pietiek ar ievērojami mazāku strāvas daudzumu; piemēram, pašreizējais raidītāja prototipam kontakta strāva ir zemāka par miliampēru.

BCC izmanto zema sprieguma mainīgas frekvences signālus. Salīdzinot ar WiFi vai mobilo telefonu izmantotajām frekvencēm, BCC izmantotās frekvences ir zemas un raidītāja jaudas nelielas. BCC tipiski izmanto frekvences līdz 30 megaherciem (MHz). Salīdzinājumam, WiFi un mobilie tīkli izmanto frekvences ap 3 gigaherciem (GHz), kas ir ap 100 reižu vairāk nekā BCC. Šīs frekvences ir arī daudz, daudz zemākas nekā tās elektromagnētiskā spektra frekvences, pie kurām sākas jonizējošais starojums. Līdzīgi ir ar raidīšanas jaudām: WiFi raidīšanas jauda ir 100 milivati (mW), bet BCC signālam tikai ap vienu milivatu (mW).

Pirms projektā tiks uzsākts pētījums ar brīvprātīgajiem, ar tā detalizētu aprakstu un motivāciju iepazīsies EDI ētikas komisija. Visiem brīvprātīgajiem tiks izsniegta forma piekrišanas izteikšanai, ar detalizētu uz viņiem veicamo mērījumu skaidrojumu. Pēc labākajām zinātnes tradīcijām, brīvprātīgajiem jebkurā brīdī būs iespējams pārtraukt dalību projektā, neminot tam iemeslus, kā arī pieprasīt dzēst viņu datus no ievāktās datu kopas. Pētījums paredz arī aptaujāt brīvprātīgos par šīs tehnoloģijas sociālo pieņemamību.

Pirmos eksperimentālos mērījumus datu kopas ievākšanai veiksim uz pašiem projektam dalībniekiem.

Vai projekts paredz pastāvīgu brīvprātīgo izmantošanu izmēģinājumiem?

Nē, brīvprātīgie ir vajadzīgi tikai datu kopas ievākšanai, kas prasa tikai dažu minūšu garu mērījumu uz katra brīvprātīgā. Citi projekta uzdevumi, piemēram, protokola izstrāde, tiks veikta izmantojot simulācijas datorā un eksperimentus uz mākslīgās ādas substrāta.

Vai projekts paredz implantu uzstādīšanu?

Nē, projektā tas nav paredzēts. Turpmākie šīs tehnoloģijas pielietojumi var ietvert arī komunikāciju ar implantētiem sensoriem, bet tas nav šī projekta mērķis. Ja turpmāk tādi projekti tiks realizēti, tajos tiks iesaistīti profesionāli mediķi un saņemta atļauja no atbilstošajām ētikas komisijām.

Kur var sīkāk palasīt par izmantoto tehnoloģiju?

Labs populārzinātnisks raksts par BCC tehnoloģiju ir pieejams žurnāla IEEE Spectrum 2020. gada decembra numurā (raksta PDF versija ir pieejama te).

Vai es varu kaut kā iesaistīties?

Mēs projektā ievāksim datu kopu no brīvprātīgajiem. Ja vēlies atbalstīt projektu vai arī vienkārši interesē, kā BCC signāls izplatās pa Tavu ķermeni salīdzinājumā ar citiem cilvēkiem, vari pieteikties pētījumam rakstot uz info@edi.lv Mēs sazināsimies, kad būs gatavs eksperimenta aprīkojums un saņemta atļauja no ētikas komisijas.

Jaunumi

2022. gada 12. aprīlī 11:00 projekts rīko semināru ar Jura Ormaņa un Ata Elsta referātiem par projektā paveikto.

2021. gada 18. jūnijā 14:00 projekts rīkoja semināru: https://www.edi.lv/18-junija-edi-riko-flp-projekta-komunikacijas-sistema-caur-cilveka-kermeni-ar-pielietojumiem-kermena-meroga-bezvadu-tiklos-bcc-seminaru/ Semināra ieraksts pieejams https://youtu.be/tKNpTDBlIXQ.

2021. gada 1. janvārī projekts tiek uzsākts.