Le patologie cardiache rappresentano una delle principali cause di decesso. I sensori di monitoraggio cardiaco indossabili potrebbero diventare uno strumento importante per i pazienti cardiaci, che assicura il monitoraggio continuo nel corso della vita quotidiana. Questo è essenziale per una diagnosi accurata dei problemi cardiaci e per gli interventi salvavita. In virtù di questo grande potenziale di mercato, le aziende e gli istituti di ricerca stanno sviluppando prodotti e dei prototipi di ricerca di sensori indossabili per il monitoraggio del cuore. Lo scopo è quello di sviluppare sistemi di sensori indossabili, facili all'uso e a consumi ultra ridotti con un tempo di vita lungo delle batterie.
Imec e il Centro Holst stanno sviluppando tecnologie per i sistemi di sensori indossabili. Recentemente, è stato rilasciato un prototipo di ricerca di una benda Ecg, il quale combina un System-on-Chip Ulp (Ultra low power) Ecg con una radio Bluetooth Low Energy. L'integrazione di una radio Btle (Bluetooth Low Energy) è importante per ottenere un successo commerciale dei sistemi di sensori. Gli smartphone rilasciati di recente possiederanno una radio Btle che consente di comunicare con i dispositivi sensori con funzionalità Btle. Il progetto innovativo dei nuovi prototipi assicura un consumo ridotto. La benda Ecg è in grado di calcolare la misura del battito nell'arco di un mese su una batteria Li-Po da 400 mAh.
Elementi di base del sistema
I componenti principali di una benda Ecg sono un SoC dedicato a segnale misto di Imec e un SoC Btle commerciale di Texas Instruments. Il SoC Ecg ha tre elementi di base principali. In primo luogo, l'interfaccia analogica supporta il monitoraggio simultaneo dell'elettrocardiogramma su 3 canali, con la misura dell'impedenza su un canale e l'estrazione banda-potenza. Il secondo componente è il convertitore analogico-digitale a 12 bit. Questo Adc è in grado di comprimere i dati dell'Ecg di un fattore 5. Questo riduce il consumo di potenza relativo all'elaborazione e alla trasmissione dei dati. Il terzo componente è un processore di segnali digitali dedicato a consumi ultra bassi, il quale è usato per l'elaborazione dei segnali su scheda. Esso usa un'architettura di processore Simd, un'unità di accelerazione cablata, un ciclo di lavoro efficace, una memoria temporanea per le istruzioni e uno schema di controllo del clock. Questo Dsp effettua l'elaborazione multicanale dell'Ecg con un filtraggio aggiuntivo del segnale, con l'estrazione delle caratteristiche dell'Ecg e con l'analisi e la rimozione degli artefatti del movimento. Accanto al SoC Ecg, è stato aggiunto al sistema anche un accelerometro triassiale. L'accelerometro fornisce ulteriori informazioni che possono essere usate per ricavare il tipo o il livello di attività dell'utente. Lo scopo finale è di giungere ad una benda Ecg che combina misure diverse di rilievo dei sensori, e fornisce una visione complessiva dello stato di salute di una persona. Il SoC Btle di Texas Instruments recupera i dati dall'Ecg e dai sensori dell'accelerometro e li invia a un dispositivo che integra il SoC Btle come gli smartphone di ultima generazione. In più, è possibile usare una scheda MicroSD per l'acquisizione dati all'interno del sistema. Una batteria ai polimeri di litio da 3,7 V/400 mAh è usata per alimentare il sistema. I sottosistemi sono connessi attraverso interfacce Spi.
Un chip Ecg riconfigurabile per diverse applicazioni
Il SoC Ecg può essere configurato per diverse modalità operative e per diverse necessità di elaborazione, e fornisce una piattaforma versatile che può essere usata in più campi di applicazione. Attualmente, il SoC esegue diverse modalità operative fra le quali la raccolta dei dati e la rilevazione dei battiti. Per la modalità di raccolta dei dati funziona solo l'interfaccia analogica. Nella modalità di rilevazione dei battiti, il complesso QRS è rilevato usando un algoritmo basato sulla derivata o sull'estrazione banda-consumo. Nel dimostratore della benda Ecg menzionato in questo articolo sono state messe a punto due diverse modalità operative. Nella prima modalità, la rilevazione del battito è effettuata sul SoC dell'Ecg e il battito cardiaco è trasmesso attraverso il SoC Btle. IN questa modalità, il consumo medio di corrente è di 280 µA a 3,7V. Su una batteria ai polimeri di litio da 400 mAh si raggiunge un tempo di vita di 400 mAh. Nella seconda modalità, l'Ecg è campionato a 256 Hz e un accelerometro 3D a 100 Hz (ciascun asse dell'accelerometro) e i dati sono trasmessi in tempo reale in modalità wireless usando il Btle. In questa modalità, il consumo di potenza è di 5,9 mA a 3,7 V e si ottiene un'autonomia di 2,5 giorni. L'elettronica dell'Ecg è stata integrata con la piattaforma ePatch di Delta. La tecnologia ePatch offre un alloggiamento meccanico biocompatibile, modulare e robusto per integrare l'elettronica dei sensori. Il dimostratore della benda Ecg così ottenuto consiste in una benda usa e getta, con elettrodi Ecg e una capsula che contiene l'elettronica e due batterie.
Verso I sensori indossabili del futuro
I ricercatori di imec e del Centro Holst hanno scelto di integrare Bluetooth Low Energy all'interno del dimostratore della benda Ecg perché questo protocollo standardizzato fornisce la connessione agli smartphone di ultima generazione. Si tratta di una risorsa importante sia per l'utente, sia per il medico, quello di avere i dati a propria disposizione, in qualsiasi momento, ovunque. Nel futuro, sarà possibile sviluppare applicazioni su misura dei bisogni dell'utente, sia per il benessere, sia per la salute. La combinazione della radio Btle e del SoC Ecg personalizzato con consumi ultra bassi assicura un consumo di potenza molto ridotto e quindi un monitoraggio sul lungo termine senza dover sostituire le batterie. Un ulteriore lavoro sulla benda Ecg si concentra su circuiti ed algoritmi per la riduzione degli artefatti in tempo reale, sulla rilevazione dell'aritmia e sul monitoraggio dello stato di salute. Inoltre, saranno aggiunte nuove funzionalità alla benda per renderla una “benda della salute” completa. In questo contesto saranno esplorati la temperatura dell'epidermide, la bio-impedenza e il monitoraggio della concentrazione degli ioni. Inoltre, saranno sviluppate radio con consumi ultra bassi compatibili con gli standard per ridurre ulteriormente il consumo di potenza, consentendo di ottenere un tempo di vita della batteria ancora più lungo e dimensioni inferiori per il sistema. Infine, nuove tecnologie di integrazione elettronica porteranno alla realizzazione di sistemi conformabili, che miglioreranno significativamente la comodità d'uso e l'accettazione sul mercato dei sensori indossabili. La collaborazione fra le aziende e gli istituti di ricerca è essenziale per la realizzazione di soluzioni rivoluzionarie per le applicazioni dei sensori indossabili, e per assicurare il loro impiego con successo all'interno dei futuri prodotti per il monitoraggio dello stato di salute. Per questo motivo, imec e il Centro Holst collaborano con numerosi partner industriali nell'ambito della propria ricerca sui sensori indossabili Ulp.
