Älykkäät sisäpohjat avaavat kävelypohjaisen terveydenseurannan tulevaisuuden

Yksi päivittäisistä aktiviteeteistamme on kävely. Vaikka et ehkä kiinnitä paljon huomiota omaan tai toisten kävelytyyliin, niiden kävelytyyli voi kertoa paljon terveydestä.

Tämä johtuu siitä, että keskushermosto osallistuu raajojen liikkeiden hallintaan ja asennon ylläpitämiseen kehon liikkeessä.

Heikentynyt liike ja kävely ovat itse asiassa seurausta neurologisesta vauriosta, tuki- ja liikuntaelimistön häiriöistä sekä rappeutuvista patologioista. Perinteisesti nämä tilat diagnosoidaan lääkärien toimesta fyysisten ja lääketieteellisten tutkimusten perusteella, ja kävelyanalyysiä tehdään vain kehittyneissä sairaaloissa ja rajoitetulle määrälle potilaita.

Monet tutkijat väittävät, että kävelyanalyysi tulisi suorittaa kaikille näiden sairauksien riskialttiille potilaille sekä niille, jotka tarvitsevat pitkäaikaista kuntoutusta. Tämä on järkevää useista syistä.

Ensinnäkin noin 7 % Yhdysvaltain väestöstä kärsii vakavista kävelyongelmista, jotka viittaavat kävelyn, juoksun, liikkumisen tai portaiden nousun vaikeuksiin. Nämä kävelyongelmat ovat yleinen ja merkittävä piirre monissa neurokognitiivisissa häiriöissä, kuten dementiassa ja Parkinsonin taudissa (PD), jotka ovat yleistymässä.

Parkinsonin tauti erityisesti aiheuttaa vaikeuksia lihasten liikkeiden hallinnassa, mikä ilmenee asennon epävakautena ja kävelyn jäätymisinä. Aivohalvaus aiheuttaa myös epäsymmetrisiä raajaliikkeitä.

Sitten on näihin sairauksiin liittyvät valtavat kustannukset. Esimerkiksi liikehäiriöt maksavat arviolta 5 % Yhdysvaltain BKT:sta. Monet näistä sairauksista määritellään motorisen kontrollin heikkenemisen perusteella, kuten epäsäännöllinen kävely ja kävelyn epätasaisuus.

Nämä motoriset merkit voivat itse asiassa havaita pitkälle ennen sairauden diagnosointia ja ne voivat auttaa hoidossa. Esimerkiksi Parkinsonin taudissa, kun kliiniset diagnostiikkakriteerit täyttyvät, suurin osa potilaan neuroneista on jo rappeutunut.

Siksi on selvästi tarve seurata kävelyä ja jalkapohjan painetta päivittäisissä toiminnoissa auttaakseen erilaisten häiriöiden varhaista havaitsemista, mikä mahdollistaa varhaisen puuttumisen, joka voi ehkäistä ja hidastaa taudin etenemistä.

Kävelyn epäsäännöllisyyksien tunnistaminen varhaisessa vaiheessa mahdollistaa terveydenhuollon ammattilaisille henkilökohtaisten hoitomenetelmien soveltamisen ja parantaa potilaiden kokonaisvaltaisia tuloksia.

Lisäksi iäkkäiden väestön kävelyanalyysi tarjoaa ei-invasiivisen ja kustannustehokkaan menetelmän yleisen terveyden ja itsenäisyyden ylläpitämiseen.

Tässä teknologiat, kuten älypuhelimet, anturit ja antavaa kangas, ovat joitakin edullisia ja helposti saatavilla olevia vaihtoehtoja yksilöiden toimintojen seurantaan. Kannettavat laitteet ovat toinen tärkeä työkalu, joka voi näytellä keskeistä roolia tarjoamalla päivittäistä kävelyn valvontaa.

Erityisesti antureiden integroiminen kenkiin luoden kannettavia elektronisia laitteita tarjoaa lupaavan strategian, joka ylittää nykyisessä lääketieteellisessä käytännössä käytettävien paineen mittausalustojen ongelmat jalkapohjan painejakauman mittaamisessa.

Näiden alustojen käyttö on rajoitettu ajan ja tilan rajoitteiden vuoksi. Uusi tutkimus rakensi siksi älykkään langattoman sisäpohjan järjestelmän, joka mahdollistaa tilallisesti tarkennetun jalkapohjan paineen seurannan, mikä viittaa voiman jakautumiseen pohjan yli kantavissa toiminnoissa, kuten kävelyssä. Tämä täysin integroidut, itsevirtautuvat järjestelmä mahdollistaa kävelyn visualisoinnin reaaliajassa useissa tiloissa.

Reaaliaikainen kävelyn seuranta integroidun anturiverkon avulla

Ohio State Universityn tutkijat ovat suunnitelleet uuden kannettavan älykkään sisäpohjan, joka seuraa, miten seisot, kävelet ja juokset reaaliajassa. Tämä järjestelmä voi auttaa käyttäjiä paitsi parantamaan asentoa myös antamaan varhaisia varoituksia tiloista, jotka vaihtelevat yksinkertaisesta plantaarifaskiitiksesta, yleisestä kantapään kipua aiheuttavasta tilasta, vakavampiin sairauksiin kuten Parkinsonin tautiin.

Tämä kannettava laite rakennettiin käyttäen kaksikymmentäkaksi pientä (CNT/ACET/PDMS) paineanturia, ja kenkien päälle asennettiin pienet aurinkopaneelit virtalähteeksi.

Jotta koko järjestelmä voidaan virrata tehokkaasti ja kestävästi, suunniteltiin joustava perovskiittisolaarisolu (FPSC), jolla on korkea tehopitoisuus, korkea energiatehokkuus ja riittävä joustavuus kestämään mekaanisia rasituksia käytössä.

Järjestelmä tarjoaa reaaliaikaisen terveyden seurannan sen perusteella, miten henkilö kävelee, prosessi on yhtä ainutlaatuinen kuin sormenjäljet.

Paineantureiden tiedot kerätään ja siirretään Bluetoothin kautta älypuhelimeen nopeaa ja yksityiskohtaista analyysiä varten. Tiedot siirretään reaaliajassa, mikä mahdollistaa käyttäjän visualisoida plantaaripainejakauman kolmessa eri tilassa älypuhelinsovelluksessaan.

“Kehomme kantaa paljon hyödyllistä tietoa, josta emme edes ole tietoisia. Nämä tilat muuttuvat myös ajan myötä, joten tavoitteemme on käyttää elektroniikkaa näiden signaalien poimimiseen ja dekoodaukseen, jotta kannustetaan parempiin itsehoitotarkastuksiin.”

Tämä ei tietenkään ole ensimmäinen yritys tällaisesta kannettavasta laitteesta, jonka kiinnostus on kasvanut viime vuosina. Aikaisemmat prototyypit kohtasivat kuitenkin energian rajoituksia ja epävakaa suorituskyky.

Siksi tiimin on varmistettava, että heidän kannettavansa on kestävä, pystyy tarjoamaan johdonmukaisen ja luotettavan virran, ja kerää ja analysoi dataa korkealla tarkkuudella.

“Laitteemme on innovatiivinen korkean resoluution, spatiaalisen tunnistuksen, itsevirtautuvan kyvyn sekä sen kyvyn osalta yhdistää koneoppimisalgoritmeihin. Uskomme, että tämä tutkimus voi edetä pidemmälle tämän alan pioneerisien menestysten perusteella.”

– Tutkimuksen pääkirjoittaja Qi Wang, joka on tohtorikoulutuksen opiskelija materiaalitieteen ja tekniikan alalta Ohio Stateissa

Julkaistu tieteellisessä lehdessä Science Advances¹, tutkimus kuvaa täysin itsevirtaavan älyjärjestelmän kehittämistä.

Tässä sisäpohjassa on polyimidikerros (PI) kapselointikerroksia, elektrodeja, hiilinanoputki/asetyleenimusta/polydimetylisiloksaania (CNT/ACET/PDMS) sekä PDMS-kerros. PDMS tunnetaan biokompatibiliteetistaan, joustavuudestaan ja kyvystään muovata erilaisiin muotoihin.

Anturit on tiiviisti integroidut PDMS-kerrokseen, jossa ne muuntavat paineen signaalit sähköisiksi signaaleiksi. Signaalit kerätään analogi-digitaali-muuntimella (ADC) painetulostetulla piirilevyllä (PCB) ja siirretään mobiililaitteelle.

PDMS:n käyttö anturirakenteena ja antureiden upottaminen PDMS-kerrokseen mahdollistavat sisäpohjan erittäin kestävän, antaen sille kyvyn kestää venytystä, kiertymistä ja taittamista.

Klikkaa tästä oppiaksesi älyvaatteista, jotka voivat muuttaa urheilua ja fysioterapiaa.

AI-pohjainen liikkeentunnistus ja kestävä energiaratkaisu

CNT/ACET/PDMS-paineantureiden suunnittelun ja kehittämisen lisäksi täysin integroidulla, langattomalla älykkäällä sisäpohjajärjestelmällä oli kaksi muuta merkittävää saavutusta: kestävän energialähteen varmistaminen ja AI:n käyttö liike-tilojen kaappaamiseen ja tarkkaan tunnistamiseen.

Tiimi sisällytti itse asiassa tukivektorikone (SVM) -oppimismallin älykkääseen sisäpohjaan luokitellakseen ja tunnistaakseen erilaiset ihmisen liike-tilat.

Syväoppimismalleihin verrattuna tämä koneoppimismalli tarjoaa nopeamman koulutusnopeuden, riippumattomuuden suurista tietoaineistoista, selkeät päätösrajat ja kirkkaat optimointitavoitteet, mikä tekee siitä hyvin sopivan tähän tutkimukseen.

Malli koulutettiin kahdeksan eri liike-tilan kerätyllä datalla. Aineistoon sisältyi yhteensä 1275 merkattua näytettä, joista 80 % käytettiin koulutukseen ja loput validointiin.

Koulutuksen jälkeen SVM-malli pystyi luokittelemaan syötetyn datan ja tuottamaan tunnistustulokset, jotka tutkimus mainitsi olevan 100 % kaikille koulutetuille tiloille.

Käyttämällä tätä edistynyttä mallia järjestelmä pystyi tunnistamaan kahdeksan eri liike-tilaa. Näihin sisältyvät staattiset liikkeet, kuten istuminen ja seisominen, sekä dynaamisemmat, kuten kyykky ja juoksu. Se kattaa myös yhden jalan seisomisen, kävelyn sekä portaiden nousun ja laskun.

Antureiden jakautuminen varpaasta kantapäähän mahdollistaa tutkijoille nähdä, kuinka paine jalkapohjan eri osissa vaihtelee eri aktiviteettien, kuten kävelyn ja juoksun, välillä.

Koska varpaiden ja kantapäiden alueilla esiintyy monimutkaisia painekuvioita, näihin alueisiin on sijoitettu enemmän antureita, kun taas kaaren alueella on vain kaksi. Tämä suunnittelustrategia varmistaa, että vaikka antureita onkin rajallinen määrä, olennaiset jalkapohjan paineen tiedot tallennetaan tehokkaasti.

Kuten odotat, kävelyn aikana paine kohdistuu peräkkäin kantapäästä varpaisiin, kun taas juoksun aikana lähes kaikki anturit kokevat painetta samanaikaisesti. Lisäksi kävelyn aikana paineen soveltamisaika kattaa vain noin puolen kokonaisajasta, ja juoksun aikana noin neljänneksen.

Mitä tulee turvallisuuteen, tiimi varmistaa, että laite on vähäriskinen käyttämällä joustavia ja turvallisia materiaaleja sisäpohjissa.

Jatkuvaa käyttöä varten tiimi on asentanut pienikokoisia litiumakkuja, jotka virvoittavat kannettavan järjestelmän. Joustavat perovskiittisolaarimoduulit (FPSM) muuntavat auringonvalon energiaksi, joka sitten varastoidaan näihin akkuun, mahdollistaen itsevaraisen energiansyötön. Nämä akut, jotka on integroituna sisäpohjan kaaren alueelle mukavuuden, kätevyyden ja vakauden parantamiseksi, eivät vaikuta käyttäjän päivittäisiin toimintoihin tai aiheuta haittaa.

Kohti henkilökohtaista, ennaltaehkäisevää ja ennustavaa terveydenhuoltoa

Suorituskyvyn osalta tutkijoiden luomat älykkäät sisäpohjat osoittivat vaikuttavia tuloksia. Ne eivät kärsineet merkittävää heikkenemistä edes 180 000 puristus- ja purkautumissyklin jälkeen, mikä osoittaa niiden vakautta ja pitkäaikaista kestävyyttä.

“Liitäntä on joustava ja melko ohut, joten jopa toistuvassa muodonmuutoksessa se voi pysyä toiminnallisena. Ohjelmiston ja laitteiston yhdistelmä tekee siitä vähemmän rajoittuneen.”

– Li

Näin ollen tutkijat pyrkivät älykkäiden sisäpohjien avulla tukemaan kävelyanalyysiä varhaisten poikkeavuuksien havaitsemiseksi, jotka liittyvät neurologisiin tiloihin, kuten Parkinsonin tautiin, tuki- ja liikuntaelimistön häiriöihin sekä jalkapohjan paineeseen liittyviin tiloihin, kuten diabeteksen aiheuttamiin jalkahaavoihin.

Järjestelmän alhainen kustannus, yhdessä sen mekaanisen kestävyyden ja helpon valmistettavuuden kanssa, mahdollistaa räätälöidyt, ergonomiset mallit potilaille, joilla on korkea kaari tai litteät jalat.

Lisäksi AI:n käyttö uudessa järjestelmässä mahdollistaa terveydenhuollon räätälöinnin kunkin yksilön erityistarpeiden ja elämäntavan mukaan. Tämä tarkoittaa, että käyttäjät voivat käyttää sitä asennon korjaamiseen, vammojen ehkäisyyn ja kuntoutuksen seurantaan.

Mutta tämä ei ole kaikki; tutkijat uskovat myös, että heidän järjestelmäänsä voidaan soveltaa liikkeen optimointiin, väsymyksen ennustamiseen ja räätälöityyn kuntoiluharjoitteluun tulevaisuudessa. Tutkimus totesi:

“Kaiken kaikkiaan integroidut älykkäät sisäpohjat toimivat käyttökelpoisena ratkaisuna seuraavan sukupolven terveydenhuoltokäytäntöjen ja esineiden internetin mullistamiseen. Materiaalien, laitteiden, laitteiston ja ohjelmiston synergian sisältävä konsepti voi mahdollisesti laajentua vaihtoehtoisiin aloihin, avaten jännittäviä mahdollisuuksia digitaaliseen vuorovaikutukseen ihmisten ja maailman välillä.”

Nyt, jos mietit milloin voit saada käsiisi nämä kannettavat laitteet, tutkijat odottavat teknologian olevan kaupallisesti saatavilla seuraavan kolmen–viiden vuoden aikana.

Tällä hetkellä tutkijat työskentelevät järjestelmän kyvyn parantamiseksi eleiden tunnistamisessa, mikä vaatisi testausta monipuolisemmilla väestöryhmillä. Liian mukaan Li:

“Meillä on niin paljon vaihtelua yksilöiden välillä, että näiden mahtavien kykyjen demonstraatio ja koulutus eri väestöryhmille on jotain, johon meidän täytyy kiinnittää lisää huomiota.”

Klikkaa tästä oppiaksesi uudesta älymaskista, joka voi analysoida hengityksen kondensaattia sairauksien varhaisessa havaitsemisessa reaaliajassa.

Innovatiiviset yritykset

Nike Inc.

Kannettavien laitteiden maailmassa teknologiajättiläiset Apple (AAPL ) ja Alphabet Inc. (GOOG ) (GOOGL ) ovat valloittaneet merkittävän markkinaosuuden. Apple johtaa kannettavassa terveyden teknologiassa Apple Watchin avulla, kun taas Google tekee merkintänsä kuntoilulaitteella Fitbit.

Mutta tänään keskitymme jalkinejättiläiseen Nikeen, joka on jatkuvasti laajentanut digitaalista terveyttä ja älyvaatteiden tarjontaansa.

Kannettavien laitteiden markkinoilla Nike on vuosien varrella tarjonnut useita tuotteita, mukaan lukien ranteen ympärille asetettavat laitteet, kuten urheilukellot ja aktiivisuusmittarirannat.

Viime kesänä Nike lanseerasi itse sidontaiset koripallokengän Adapt BB, joka, kuten nimi kertoo, mukautuu reaaliajassa jalan muotoon optimaalisen tuntemuksen saavuttamiseksi. Kengässä oleva räätälöity moottori ja vaihteistokone havaitsee jalan ympäristön ja säätää sen mukaisesti tarjoten tiiviin istuvuuden.

Nike Adapt BB on jatkuvasti päivittyvä suorituskykytuote, joka tulee sovelluksen ja kehittyneen itse sidontajärjestelmän kanssa. Yritys on valinnut koripallon kengän debutiksi, ja FitAdapt-järjestelmää aiotaan soveltaa tulevaisuudessa muihin urheilu- ja elämäntapatuotteisiin, kun se on hiottu tarjoamaan optimaalinen laatu istuvuus koripallossa.

Nike on myös julostanut kumppanuuden palautusteknologiaa tarjoavan Hypericen kanssa kehittääkseen teknologiaa hyödyntäviä kenkiä, joita kutsutaan Hyperbootiksi. Yhteistyön tavoitteena on kehittää urheilijoille kannettava teknologia, joka parantaa suorituskykyä ja palautumista.

Nämä akkuvirralla toimivat korkeat kengät on suunniteltu hyödyttämään sekä lämmittelyä että palautumista. Kengät tarjoavat lämmitys- ja dynaamisen ilmanpuristushieronnan, jota voidaan säätää kolmeen tasoon pelkästään painamalla nappia.

“Hyperboot auttaa kehoa valmistautumaan toimintaan, olitpa sitten kilpailemassa mestaruudesta tai viettänyt paljon aikaa jaloilla työssä.”

– Tobie Hatfield, Nike Athlete Innovationin vanhempi johtaja

Tämä kumppanuus kehittää myös monikäyttöistä liiviä, joka käyttää termoelektrisiä jäähdyttimiä tarjoamaan välitöntä lämmitystä ja jäähdytystä, jolloin urheilijat voivat kohdistaa ympäristön, jota he eivät voi hallita. Lämpömoduulien anturit liivissä valvovat autonomisesti ja ylläpitävät kehon lämpötilaa.

Markkina-arvolla 84,5 miljardia dollaria Nike-osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 57,23 $, laskien 24,5 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 3,01, P/E (TTM) 19,04 ja ROE (TTM) 31,93 %. Nike maksaa myös osinkotuoton 2,80 %.

Yrityksen taloustietoja tarkasteltaessa, maaliskuussa 2025 Nike raportoi kolmannen neljänneksen tulokset, jotka päättyivät 28. helmikuuta 2025, jolloin liikevaihto oli 11,3 miljardia dollaria, 9 % lasku edellisvuoteen verrattuna, ja bruttokate laski 41,5 %:iin, ja laimennettu osakekohtainen tulos oli 0,54 $, mikä oli 30 % lasku.

Käteinen ja lyhytaikaiset sijoitukset neljänneksen lopussa olivat 10,4 miljardia dollaria, kun taas Nike palautti 1,1 miljardia dollaria osakkeenomistajille 594 miljoonan dollarin osinkojen ja 499 miljoonan dollarin osakkeiden takaisinoston kautta.

“Kannustavaa on se, että NIKE teki vaikutuksen tässä neljänneksessä, johtamalla urheilua urheilijatarinoiden, suorituskykytuotteiden ja suurten urheilutapahtumien kautta. Toimintaympäristö on dynaaminen, mutta tärkeintä NIKElle on palvella urheilijoita uusilla tuoteinnovaatiolla ja sytyttää brändin vauhti uudelleen urheilun kautta.”

– Toimitusjohtaja Elliott Hill

Neljännen neljänneksen osalta yritys ennustaa jyrkempää laskua kuin odotettiin. Mielenkiintoista on, että tänä vuonna Nike käytti ensimmäistä Super Bowl -mainosta lähes kolmen vuosikymmenen jälkeen. Yritys kohtaa tällä hetkellä presidentti Donald Trumpin vastavuoroisten tullien uhkaa, mikä vaikuttaa sen toimitusketjuun erityisesti Vietnamissa, Indonesiassa ja Kiinassa.
Klikkaa tästä oppiaksesi seuraavasta kannettavien laitteiden aallosta.

Yhteenveto 

Kun maailman väestö ikääntyy nopeasti, fyysisen toiminnan ja itsenäisyyden ylläpitäminen on äärimmäisen tärkeää heidän kokonaisvaltaiselle hyvinvoinnilleen. Tässä kävelyn seuranta on avain tarjoamaan kustannustehokkaan tavan arvioida erilaisia ikään liittyviä neurologisia järjestelmää koskevia tiloja ja tarjota arvokasta tietoa ikääntyvien sukupolvien terveydestä ja mahdollisista liikkuvuusrajoitteista. Kävelyanalyysi tarjoaa myös lupaavan varhaisen diagnostiikkatyökalun poikkeavuuksien havaitsemiseen ennen kuin ne muuttuvat krooniksi tai lamaannuttavaksi.

Viimeisin itsevirtautuva järjestelmä reaaliaikaisella kävelyanalyysillään osoittaa valtavan potentiaalin ennaltaehkäisevässä terveydenhuollossa. Sen integrointi AI:n ja älypuhelinsovellusten kanssa voi tehdä asennon korjauksesta, vammojen ehkäisystä ja jopa kaatumisen havaitsemisesta helposti saatavilla olevaksi massoille, edistäen terveempää väestöä ja tulevaisuutta!

Viitteet:

1. Wang, Q., Guan, H., Wang, C., Lei, P., Sheng, H., Bi, H., Hu, J., Guo, C., Mao, Y., Yuan, J., Shao, M., Jin, Z., Li, J., & Lan, W. (2025). Langaton, itsevirtautuva älykäs sisäpohja kävelyn seurantaan ja tunnistukseen epälineaarisen synergistisen paineentunnistuksen avulla. Science Advances, 11(16). https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1598