Oulun ammattikorkeakoulu
ePooki 111/2020

Älykkäitä kasvomaskeja – Smart Mask

Metatiedot

Nimeke: Älykkäitä kasvomaskeja – Smart Mask

Tekijä: Torniainen Niina; Tuomaala Tomi; Määttä Harri

Aihe, asiasanat: COVID-19, hengityksensuojaimet, kasvosuojaimet, prototyypit, tekoäly

Tiivistelmä: COVID-19-pandemian aiheuttamat vaikutukset yhteiskuntaan synnyttävät uusia tarpeita ja kysyntää erilaisille ratkaisuille pandemian leviämisen rajoittamiseksi. Oulun ammattikorkeakoulu on yhdessä Oulun yliopiston kanssa toteuttamassa Smart Mask -hanketta, jossa kehitetään älykkään kasvomaskin prototyyppiä. Älykäs kasvomaski yhdistää sensoroinnin ja langattoman viestinnän mobiilisovellukseen ja taustajärjestelmiin. Maskin sensoroinnit sisältävät toimintoja suojaustason säilyttämiseksi ja suodattimen laadun havaitsemiseksi.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miksi kasvomaskeja suositellaan käytettäväksi, mitkä ovat älykkäiden maskien hyödyt ja minkälaista kehitystä älykkäisiin maskeihin tehdään Smart Mask -hankkeessa ja muualla maailmassa.

Julkaisija: Oulun ammattikorkeakoulu, Oamk

Aikamääre: Julkaistu 2020-12-17

Pysyvä osoite: http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe20201211100375

Kieli: suomi

Suhde: http://urn.fi/URN:ISSN:1798-2022, ePooki - Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut

Oikeudet: CC BY-NC-ND 4.0

Näin viittaat tähän julkaisuun

Torniainen, N., Tuomaala, T. & Määttä, H. 2020. Älykkäitä kasvomaskeja – Smart Mask. ePooki. Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut 111. Hakupäivä 27.2.2021. http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe20201211100375.

COVID-19-pandemian aiheuttamat vaikutukset yhteiskuntaan synnyttävät uusia tarpeita ja kysyntää erilaisille ratkaisuille pandemian leviämisen rajoittamiseksi. Oulun ammattikorkeakoulu on yhdessä Oulun yliopiston kanssa toteuttamassa Smart Mask -hanketta, jossa kehitetään älykkään kasvomaskin prototyyppiä. Älykäs kasvomaski yhdistää sensoroinnin ja langattoman viestinnän mobiilisovellukseen ja taustajärjestelmiin. Maskin sensoroinnit sisältävät toimintoja suojaustason säilyttämiseksi ja suodattimen laadun havaitsemiseksi.

Miksi kasvomaskeja suositellaan käytettäväksi?

Useat maat vaativat julkisilla paikoilla kasvomaskin käyttöä pandemian leviämisen rajoittamiseksi. Kohtuuhintaisten älymaskien saatavuus hyödyttäisi suurta osaa väestöstä, koska se auttaa pienentämään riskiä taudinaiheuttajalle altistumisesta. Julkisilla paikoilla maskin oikeaoppisella käytöllä on merkittävä vaikutus pandemian leviämisen estämiseen Tian, L., Li, X., Qi, F., Tang, Q-Y., Tang, V., Liu, J., Li, Z., Cheng, X., Li, X., Shi, Y., Liu, H. & Tang, L-H. 2020. Calibrated intervention and containment of the COVID-19 pandemic. arXiv e-prints. Hakupäivä 4.12.2020. https://arxiv.org/abs/2003.07353.

Pandemiat ovat vakavia maailmanlaajuisia kansanterveyteen vaikuttavia tilanteita. Koska lääkkeitä tai rokotteita ei ole vielä saatavilla, pandemian lieventäminen perustuu muihin kuin farmaseuttisiin interventioihin, kuten sosiaaliseen etäisyyden säilyttämiseen ja hyvään käsihygieniaan. 

Valokuva, jossa koronamalli ja kasvomaski.

KUVA 1. 3D-tulostettu koronamalli ja perinteinen kasvomaski (kuva: Tomi Tuomaala)

Kasvomaskien käyttö voi vähentää infektioiden ja muiden hengitysteitse tarttuvien tautien leviämistä. Teoreettiset, kokeelliset ja kliiniset todisteet viittaavat siihen, että oikein käytettynä kasvomaskien käytöllä on merkittäviä etuja hengitysteitse leviävien virusten leviämisen estämisessä erityisesti pandemiatilanteissa. Gupta, M., Gupta, K. & Gupta, S. 2020. The use of facemasks by the general population to prevent transmission of Covid 19 infection: A systematic review. medRxiv. Hakupäivä 4.12.2020. https://doi.org/10.1101/2020.05.01.20087064 

FFP-luokan hengityssuojaimen tai niin sanotun kirurginmaskin on todistettu tutkimuksissa antavan suuremman suojan virusten tarttumisessa kuin kokonaan ilman suojaa oleminen. Täyttä suojaa nämä eivät anna, mutta amerikkalaisen N95-standardin mukaisen maskin käytöllä tartunnan saaminen oli neljä kertaa epätodennäköisempää. Loeb, M., Dafoe, N., Mahony, J., John, M., Sarabia, A., Glavin, V., Webby, R., Smieja, M., Earn, D. J. D., Chong, S., Webb, A. & Walter, S.D. 2009. Surgical Mask vs N95 Respirator for Preventing Influenza Among Health Care Workers A Randomized Trial. JAMA 302 (17), 1865–1871. Hakupäivä 4.12.2020. https://doi.org/10.1001/jama.2009.1466 MacIntyre, C.R., Cauchemez, S., Dwyer, D. E., Seale, H., Cheung, P., Browne, G., Fasher, M., Wood, J., Gao, Z., Booy, R. & Ferguson, N. 2009. Face Mask Use and Control of Respiratory Virus Transmission in Households. Emerging Infectious Diseases 15 (2), 233–241. Hakupäivä 4.12.2020. https://dx.doi.org/10.3201%2Feid1502.081167

Haittojen hallitseminen sen lähteellä eli kasvomaskien käyttö nähdään ainakin yhtä tärkeänä kuin sosiaalinen etäisyys ja käsienpesu, jotka ovat ensisijaisen tärkeitä nykyisessä tilanteessa. Maskit ovat erityisen tärkeitä esimerkiksi sellaisille työntekijöille, jotka eivät voi jäädä etätöihin ja jotka joutuvat alttiiksi ihmisten välisiin kontakteihin pienillä turvaväleillä. Maskien joukkokäyttö onkin hyödyllinen ja varsin edullinen lisä sosiaalisen etäisyyden säilyttämiselle ja käsihygienialle pandemian aikana. Cheng, K. K., Lam, T.H. & Leung, C.C. 2020. Wearing face masks in the community during the COVID-19 pandemic: altruism and solidarity. The Lancet. [Epub ahead of print] Hakupäivä 4.12.2020. https://doi.org/10.1016/S0140-6736%2820%2930918-1

Kasvomaskit voivat kuitenkin tarjota väärän turvallisuudentunteen ja aiheuttaa jopa vaaratilanteita, jos ne eivät sovi kunnolla, niitä pidetään väärin tai niitä ei vaihdeta pitkäaikaisen käytön jälkeen.  

Business Finland Korona Co-Creation -rahoitus

Koronan aiheuttamat vaikutukset ovat synnyttäneet uusia yhteiskunnallisia tarpeita ja kysyntää erilaisille ratkaisuille. Business Finland pyrki osaltaan vastaamaan tähän tarpeeseen tarjoamalla tutkimusorganisaatioille mahdollisuuden hakea tilapäistä Co-Creation-rahoitusta koronakriisin aiheuttamien haasteiden ratkaisemiseen. 

Rahoitusta voi käyttää pilotointien tekemiseen, erilaisiin kokeiluihin, validointiin ja soveltavaan julkiseen tutkimukseen. Rahoitettavien projektien olisi liityttävä kiinteästi koronakriisin aiheuttamien haasteiden ratkaisemiseen ja näiden ratkaisujen liiketoiminnalliseen hyödyntämiseen muuttuvassa maailmassa. Business Finland. 2020. Tilapäinen Co-Creation-rahoituspalvelu. Hakupäivä 15.10.2020. https://www.businessfinland.fi/kampanjasivut/tilapainen-co-creation--rahoituspalvelu-koronakriisin-ratkaisemiseen-liittyville-tutkimusorganisaatioiden-projekteille/

Tätä tilapäistä rahoitusta oli mahdollista hakea ratkaisuihin, jotka liittyvät:

Koronakriisirahoituksen kriteerit ja ehdot ovat muuten samat kuin yleensäkin Co-Creation-projekteille, mutta seuraavin poikkeuksin:

Smart Mask -hanke on rahoitettu Business Finland Korona Co-Creation rahoituksesta.

Smart Mask -hankkeessa kehitetään puettavaa teknologiaa, joka integroituu kasvomaskeihin

Uusien materiaalien ja tekniikoiden avulla on mahdollista kehittää kasvomaskeja, jotka voidaan käyttää uudelleen ja varustaa erilaisilla suodattimilla ja antureilla käyttäjän suojaamiseksi sekä terveys- ja ympäristösignaalien mittaamiseksi. 

Vaihdettavalla anturimoduulilla voidaan tehdä erilaisia mittauksia. Näitä terveyteen liittyviä mittauksia voidaan käyttää tarjoamaan käyttäjille heidän henkilökohtaiset terveystietonsa. Tietojen tallentaminen mahdollistaa tekoälytekniikoiden hyödyntämisen ja vertailut suurempiin tietomääriin, joita voidaan edelleen käyttää hälytysten, suositusten ja henkilökohtaisten terveyspolkujen tarjoamiseen. Mobiilisovelluksella henkilökohtaiset terveystiedot on helppo visualisoida.

Älykäs kasvomaski, jota kehitetään Oulun yliopiston ja Oulun ammattikorkeakoulun toimesta Smart Mask -hankkeessa, tulee osoittamaan ratkaisun toteutettavuuden ja käytännön potentiaalin. Hankkeen päätavoitteita ovat:

  1. Toteuttaa älykkään maskin prototyyppi, joka mahdollistaa sensoroinnin ja langattoman viestinnän mobiilisovelluksiin ja taustajärjestelmiin.

  2. Maskin sensoroinnit sisältävät toimintoja suojaustason säilyttämiseksi ja suodattimen laadun havaitsemiseksi, mutta myös mahdollisesti ilmanlaadun, hengitysnopeuden sekä muiden bio- ja ympäristöominaisuuksien tunnistamiseksi.

  3. Toteutetaan intuitiivisella käyttöliittymällä varustettu mobiilisovellus, joka tarjoaa tietoa maskista, maskin käyttäjästä ja ympäristöstä.

  4. IoT-alusta, jossa on tiedonkeruu ja reunalaskentaan perustuva analyysi taustalla.

  5. Yrityksistä ja tutkimusorganisaatioista koostuva verkosto, jotka jatkavat työtä Smart Mask Business Finland -yhteisinnovaatiohankkeessa.
Kuvassa Smart Mask v2.0 konsepti.

KUVA 2. Smart Mask v2.0 konsepti

Tarve älymaskeille ja niiden hyödyt

Älykäs hengityssuojain sisältää antureita, jotka tarkkailevat esimerkiksi käyttäjän liikkeitä, hengitystaajuutta, hiilidioksidipitoisuutta maskin sisällä, käyttäjän hengityksen tai ruumiin lämpötilaa, suojaimen istuvuutta tai esimerkiksi suodattimen kuntoa tai käyttöikää. Älykäs hengityssuojain voi indikoida monella tapaa erilaisia tietoja käyttäjälle, esimerkiksi väri-indikaattoriin perustuen tai se voi lähettää tietoa reaaliaikaisesti esimerkiksi mobiilisovellukseen.

Sovellus tulkitsee ja käsittelee antureilta luettua tietoa. Tiedon perusteella sovellus analysoi ja kertoo käyttäjälle, jos esimerkiksi hengityksessä tapahtuu muutoksia, jotka voivat viitata sairauteen. Joitakin mahdollisia mitattavia oireita ovat esimerkiksi lämpötila, yskä ja hengitysvaikeudet Shi, W., Cao, J., Zhang, Q., Li, Y. & Xu, L. 2016. Edge Computing: Vision and Challenges. IEEE Internet of Things Journal 3 (5), 637–646. Hakupäivä 4.12.2020. https://doi.org/10.1109/JIOT.2016.2579198. Jos mittaukset osoittavat tällaisia oireita, sovellus voisi esimerkiksi lähettää viestin käyttäjälle hakeutua virustestaukseen. Mittaukset tallennetaan IoT-alustalle, jossa käyttäjät voivat seurata omia terveystietojaan mobiilisovelluksella sekä hallita tietojen jakamista eri viranomaisten kesken edistyneen analyysin mahdollistamiseksi.

Kun mittaukset tallennetaan IoT-alustalle, tiedot voidaan jakaa, integroida ulkoisiin tietolähteisiin ja analysoida tehokkaasti Big Data -menetelmillä. Se luo henkilökohtaisen terveystietojen tallennustilan sekä tarjoaa perustan käyttäjä- ja sijaintikohtaisille palveluille, kuten suosituksille tai hälytyksille. Terveystietojen kerääminen tarjoaa mahdollisuuden pitkän aikavälin data-analyyseihin, jotka perustuvat tiedon louhintaan ja koneoppimiseen. Tällainen "Health AI"-taustakokonaisuus tarjoaa keinot sensorin ja ulkoisten tietojen analysoimiseksi eri lähteistä, kuten yksittäiset terveystiedot sekä ympäristötiedot, kuten epäpuhtaudet, pölyhiukkaset, sisäilmanlaatu, UV ja niin edelleen. Tällainen laajamittainen data-analyysi katalysoi monialaista tutkimusta, uusia ekosysteemejä ja palveluja sekä tulomalleja ja liiketoimintaa. Shi, W., Cao, J., Zhang, Q., Li, Y. & Xu, L. 2016. Edge Computing: Vision and Challenges. IEEE Internet of Things Journal 3 (5), 637–646. Hakupäivä 4.12.2020. https://doi.org/10.1109/JIOT.2016.2579198 Wang, S., Zhang, X., Zhang, Y., Wang, L., Yang, J. & Wang, W, 2017. A Survey on Mobile Edge Networks: Convergence of Computing, Caching and Communications. IEEE Access 5, 6757–6779. Hakupäivä 4.12.2020.  https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2685434

Älymaskit ovat jatkuvan kehityksen alla maailmalla

Maailmalla on jo valmistettu ja valmistetaan useita erilaisia toinen toistaan futuristisempia hengityssuojaimia, joilla voidaan suojautua mikrobien lisäksi myös pölyä tai ilmansaasteita vastaan. Älykkyyden voidaan käsittää olevan tällaisten maskien sisältämiä toiminnallisuuksia, joiden avulla saadaan tehostettua maskien toimivuutta, parannettua suodatusta ja helpotettua niiden tuomia haasteita normaaliin elämiseen ja kanssakäymiseen. Seuraavassa muutamia esimerkkejä jo markkinoilla olevista tai kehitteillä olevista älymaskeista, jotka sisältävät Smart Mask -hankkeessa kehitettävästä älykkyydestä poikkeavia toiminnallisuuksia.

LG Puricare (kuva 3) puhdistaa ilmaa tehokkailla vaihdettavilla H13 HEPA-suodattimilla ja auttaa hengittämistä sisäänrakennettujen tuulettimien avulla. Maskissa oleva anturi seuraa hengityksen voimakkuutta ja säätää tuulettimien tehoa sopivaksi. Käyttökertojen välillä maskin voi steriloida UV-valolla mukana tulevassa kotelossa. Maski lähettää ilmoituksen puhelimeen, kun suodattimet on syytä vaihtaa. LG. 2020. LG Revolutionizes personal clean air with puricare™ wearable air purifier. Hakupäivä 13.10.2020. https://www.lgnewsroom.com/2020/08/lg-revolutionizes-personal-clean-air-with-puricare-wearable-air-purifier/

Tehokas suodatin ja tuuletin on myös Philips-Blaise FRESH AIR:ssa (kuva 4) helpottamassa hengitystä. Tässä maskissa on vaihdettava suodatin ja päällä olevan kangasosan voi pestä. Maski suojaa tehokkaasti myös UV-säteilyltä. Prolabs. 2020. Philips-Blaise Fresh Air Breathable Mask. Hakupäivä 13.10.2020. https://prolabsph.com/products/philips-blaise-fresh-air-n95-breathable-mask

Valokuvissa LG Puricare ja Philips-Blaise Fresh Air -maskit.

KUVAT 3 ja 4. Vasemmalla LG Puricare ja oikealla Philips-Blaise Fresh Air -maski KUVAT 3 ja 4. Vasemmalla LG Puricare ja oikealla Philips-Blaise Fresh Air -maski. www-sivuilla LG. 2020. LG Revolutionizes personal clean air with puricare™ wearable air purifier. Hakupäivä 13.10.2020. https://www.lgnewsroom.com/2020/08/lg-revolutionizes-personal-clean-air-with-puricare-wearable-air-purifier/ ja Prolabs. 2020. Philips-Blaise Fresh Air Breathable Mask. Hakupäivä 13.10.2020. https://prolabsph.com/products/philips-blaise-fresh-air-n95-breathable-mask

Hieman erilaista älyä on kickstarter-kampanjassa kehitetyssä UM UVmaskissa (kuva 5). Maskissa on kaksivaiheinen suodatus sisään- ja uloshengitysilmalle. Maskin tehokas suodatin suodattaa tehokkaasti ilmasaasteet ja pölyn, mutta lisäksi steriloi ilman tappaen mikrobit käyttäen UV-C-valoa patentoidussa pyörrerakenteessa. Kickstarter. 2020. UVMask: Complete Protection for the New Normal. Hakupäivä 13.10.2020. https://www.kickstarter.com/projects/umsystems/uvmask-inactivate-9999-of-all-pathogens-and-air-pollutants

Japanissa kehitteillä oleva C-mask (kuva 6) tuo helpotusta kommunikoitiin maskien kanssa ja auttaa siten varmistamaan sopivien turvavälien säilyttämisen ihmisten kohtaamisissa. Maski on yhteydessä älypuhelimeen ja pystyy sen avulla voimistamaan käyttäjän ääntä tai kääntämään puheen kielen. Tässä maskissa äly ei liity suoraan suojaamiseen, vaan maski asetetaan kertakäyttöisen maskin päälle. DonutRobotics. 2020. C-Face -smart mask. Hakupäivä 11.11.2020. https://en.donutrobotics.com/c-mask

Valokuvissa 5 ja 6 UM UVMask ja C-mask.

KUVAT 5 ja 6. Vasemmalla UM UVMask ja oikealla C-mask KUVAT 5 ja 6. Vasemmalla UM UVMask ja oikealla C-mask. www-sivuilla Kickstarter. 2020. UVMask: Complete Protection for the New Normal. Hakupäivä 13.10.2020. https://www.kickstarter.com/projects/umsystems/uvmask-inactivate-9999-of-all-pathogens-and-air-pollutants DonutRobotics. 2020. C-Face -smart mask. Hakupäivä 11.11.2020. https://en.donutrobotics.com/c-mask

Lähteet

    Kuvalähteet

      Kommentit

      blog comments powered by Disqus