Braccialetti e frequenza cardiaca

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I braccialetti da polso per il fitness e gli smart watch si stanno trasformando da contapassi "intelligenti" basati su accelerometri a dispositivi che includono funzioni di rilevamento biometrico come il monitoraggio della frequenza cardiaca. Questa evoluzione è supportata sia dai produttori, la cui strategia è finalizzata alla differenziazione in un mercato in rapida crescita come quello dei dispositivi "indossabili" e da tutti quei consumatori che vogliono ottimizzare prestazioni e forma fisica mediante un allenamento più efficace. Il monitoraggio della frequenza cardiaca su base continua in tempo reale rappresenta uno stimolo per i consumatori ad adattare il loro carico di lavoro in base ai riscontri della zona di frequenza cardiaca. I progettisti di questi dispositivi "indossabili" della prossima generazione devono affrontare numerose problematiche per implementare il monitoraggio continuo della frequenza cardiaca nei loro prodotti, tra cui: accuratezza della misura della frequenza cardiaca; accuratezza del rilevamento durante lo svolgimento degli esercizi; validazione delle prestazioni ottenuta prove effettuate su numerose persone; riduzione delle dimensioni e dello spessore dei dispositivi indossabili; aumento della durata della batteria.
I progettisti di sistemi indossabili hanno l'opportunità di scegliere tecniche ottiche o elettriche di tipo non invasivo. Le tecniche elettriche di solito utilizzano fasce toraciche con due punti di contatto sulla pelle per misurare la frequenza cardiaca. Questo metodo è solitamente accurato ma costringe l'utente a indossare una fascia ingombrante attorno al torace con una batteria e un circuito per la comunicazione wireless, che può risultare scomoda e poco pratica. Per questo motivo si preferisce ricorrere a tecniche di tipo ottico, che permettono di eliminare la fascia toracica grazie all'utilizzo di un emettitore ottico e un sensore integrate con il braccialetto.


Monitorare la frequenza cardiaca con un braccialetto
La luce infrarossa emessa da un Led illumina la pelle del polso dell'utilizzator. La luce che penetra nella pelle viene assorbita, diffusa e riflessa da tessuto, ossa, vene e arterie. Per rilevare queste riflessioni di debole intensità viene utilizzato un sensore ottico. La luce riflessa dai tessuti e dalle ossa è tempo-invariante e produce solamente una corrente continua. Quando il cuore pompa sangue, la luce riflessa dal sangue arterioso cambia e produce un segnale in corrente alternata. Grazie a tecniche avanzate di elaborazione digitale del segnale è possibile rimuovere il segnale in Dc e calcolare il battito cardiaco a partire dal debole segnale Ac. Questa tecnica di elaborazione genera ciò che viene definito un segnale fotopletismografico o Ppg.
Sono molti i fattori che concorrono all'accuratezza dei segnali Ppg in un progetto di tipo ottico. Tra questi si possono annoverare la lunghezza d'onda dell'emettitore (o degli emettitori) ottico, la sensibilità del sistema a queste lunghezza d'onda, la spaziatura tra emettitore e sensore, la quantità di luce generata dal Led, il numero di emettitori e il rumore presente nel sistema. Il sistema per il monitoraggio della frequenza cardiaca che risulta ideale per un utente può non esserlo per un altro a causa ad esempio delle differenze nella pigmentazione della pelle e di altre caratteristiche fisiologiche che sono uniche del polso di ciascuna persona. I progettisti devono fare una scelta accurata e utilizzare laddove possibile tecniche di natura adattativa al fine di soddisfare le esigenze del maggior numero di consumatori. Eventuali guasti possono produrre insoddisfazione nei consumatori stessi che si traduce in un elevato numero di restituzioni di prodotti indossabili. A questo punto è utile esaminare alcuni degli aspetti critici del progetto di un sistema per il monitoraggio della frequenza cardiaca.

Lunghezza d'onda dell'emettitore
I sistemi per il monitoraggio della frequenza cardiaca posizionati sul lobo dell'orecchio o sulla punta delle dita utilizzano emettitori a infrarossi operanti nella banda compresa tra 850 e 940 nm. Gli emettitori a infrarossi non rappresentano la soluzione ideale per i dispositivi da indossare sul polso poiché il polso stesso non ha gli stessi capillari ricchi di sangue in prossimità della pelle come accade per le orecchie o la punta delle dita. Le lunghezze d'onda della luce verde (525 nm) ha fornito risultati migliori per i dispositivi da polso nel caso di persone con carnagione chiara. Sfortunatamente, la pelle con pigmenti scuri può assorbire le lunghezze d'onda della luce verde. Nel caso di pelli scure i migliori risultati sono stati ottenuti con le lunghezze d'onda della luce gialla 590 nm). Al fine di garantire le migliori prestazioni per il maggior numero di utilizzatori è possibile utilizzare Led con luce sia verde sia gialla: una soluzione di questi tipo comporta un lieve incremento dei costi e del consumo di potenza. L'utilizzo di una tecnica adattativa permette di selezionare il miglior segnale per calcolare la frequenza cardiaca di ogni singolo individuo.

"Accoppiamento ottico" con la pelle
Un buon accoppiamento dei segnali ottici tra il polso e il dispositivo "indossabile" è importante poiché gli spazi vuoti riducono l'accuratezza. Un braccialetto flessibile assicura un adattamento molto preciso e comodo. Se la fascia è troppo stretta, l'accoppiamento è senz'altro migliore ma il flusso sanguigno può essere "strozzato" a discapito dell'accuratezza. Se la fascia è troppo larga, invece, potrà muoversi liberamente. Un problema comune con i sistemi a Led singolo è che il bracciale deve essere regolato ulteriormente sul braccio o ruotato leggermente per ottimizzare le prestazioni. L’utilizzo di due Led posizionati sui lati opposti del sensore ottico permette di minimizzare le problematiche legate sia al posizionamento della fascia sia all’inclinazione. I problemi legati all’inclinazione possono verificarsi durante lo svolgimento di alcuni esercizi durante i quali un lato del bracciale aderisce perfettamente alla pelle mentre l’altro lato presenta uno spazio vuoto. Per garantire la massima accuratezza su un’ampia sezione trasversale della pelle è consigliabile l’uso di tre Led. Il bracciale per il fitness ad alte prestazioni Scosche Rhythm Plus utilizzata due Led verdi e un Led giallo in configurazione triangolare.

Energia luminosa dell’emettitore
L’energia luminosa dell’emettitore è determinata principalmente dalla corrente di pilotaggio del Led, dalla tensione, dal tempo di on dell’impulso, dal semi-angolo e dall'intensità luminosa. Un sensore ottico che permetta il controllo di un gran numero di questi parametri consentirebbe al software di configurarsi in maniera ottimale in funzione delle caratteristiche di ciascun individuo. I Led verdi, per esempio, sono caratterizzati da un elevato valore di tensione diretta che quindi potrebbe richiedere la ricerca di un compromesso con la tensione del Led e la potenza di uscita. Poiché non è sempre possibile utilizzare una tensione più elevata per il Led, un tempo di on maggiore per l’impulso permette di incrementare l’energia luminosa dell’emettitore pur restando all’interno dei parametri di funzionamento normali del Led. Una funzione di rilevamento automatico può regolare la corrente di pilotaggio del Led o il tempo di on dello stesso al fine di ottimizzare il segnale riflesso per un singolo individuo. Questo rilevamento automatico della corrente continua contribuisce a minimizzare i requisiti in termini di range dinamico del convertitore A/D del sistema e a posizionare il segnale nel range più opportuno per rilevare il debole segnale in Ac della frequenza cardiaca.

Accuratezza del tracciamento durante l'allenamento
Il punto debole di molto braccialetti indossabili al momento disponibili è rappresentato dal fatto che non sono in grado di rilevare in maniera accurate la frequenza cardiaca mentre l’utilizzatore si sta allenando. In questa fase è molto difficile compensare in maniera adeguata il movimento e gli artefatti fisiologici durante un esercizio. Gli accelerometri che vengono solitamente utilizzati nei dispositivi indossabili possono risultare efficaci quando abbinati a tecniche avanzate di elaborazione del segnale per ridurre gli artefatti dovuti al movimento. Questi algoritmi possono utilizzare i dati provenienti dall’accelerometro per scartare i campioni della frequenza cardiaca alterati dal rumore o per eliminare il rumore. Nonostante l’utilizzo di questi algoritmi, il segnale della frequenza cardiaca può andare temporaneamente perduto. Un algoritmo di natura adattativa in grado di riconoscere quando i dati provenienti dal sensore non sono validi utilizzando una classificazione basata su criteri di qualità consente alle tecniche di valutazione di garantire un’accuratezza del rilevamento coerente quando l’utilizzatore sta compiendo esercizi. Inoltre è importante effettuare la validazione degli algoritmi di un vasto campione di individui che si differenziano in termini di tonalità della pelle, etnicità, età e peso.

Ridurre dimensioni e spessore del prodotto finito
L’aggiunta di sensori della frequenza cardiaca richiede molto spazio in un progetto di un dispositivo indossabile. Molti progetti di dispositivi indossabili per il monitoraggio di questo parametro utilizzano fotodiodi discreti abbinati a un front end analogico e a una Mcu. L’Afe integra i circuiti di pilotaggio per i Led, il convertitore A/D e i circuiti di filtraggio analogico e di controllo. Un fotodiodo a elevata intensità di piccole dimensioni integrato con il convertitore A/D unitamente al filtro analogico e ai driver per Led può garantire numerosi vantaggi: minore rumore di fondo, utilizzo di un convertitore A/D con numero inferiore di bit e ingombri più contenuti. Il sensore ottico Si114x di Silicon Labs include fotodiodi ad alta sensibilità, un convertitore A/D a 17 bit, filtri analogici a basso rumore, fino a tre driver per Led configurabili in modo dinamico e un’interfaccia I2C all’interno di un package Qfn compatto di dimensioni pari a 2x2 mm. Un Afe, solitamente ospitato in package da 3x3 mm, e un fotodiodo discreto in un package di dimensioni pari a 2x2 mm danno vita a una soluzione caratterizzata da ingombri tre volte superiori.

Aumentare la durata delle batterie
In un monitor per la frequenza cardiaca, il maggior consumo di potenza è imputabile alla potenza di campionamento del Led e all’elaborazione del segnale per la riduzione degli artefatti dovuti al movimento. Per quanto riguarda i consumi di potenza, un elemento chiave è la velocità di campionamento utilizzata. Un monitoraggio accurato della frequenza cardiaca può richiedere velocità di campionamento maggiori durante un allenamento in cui è previsto un elevato numero di battiti al minuto. L’utilizzo di un algoritmo dinamico che varia la velocità di campionamento in base al numero di Bpm permette di preservare l’accuratezza minimizzando nel contempo i consumi. Rispetto all'aumento della velocità di campionamento, l’interpolazione dei campioni può garantire minori consumi. I sensori in grado di variare dinamicamente le loro correnti di pilotaggio dei Led possono rilevare automaticamente il livello della corrente continua per ridurre i consumi e migliorare le prestazioni. L’utilizzo dinamico di uno, due o tre Led nel progetto di un sistema può garantire alte prestazioni minimizzando nel contempo il consumo di potenza. L’integrazione di una soluzione di monitoraggio della frequenza cardiaca in un prodotto indossabile presenta dunque problematiche di una certa complessità. L’utilizzo di una soluzione per il rilevamento ottico integrata e ad alte prestazioni come i sensori della famiglia Si114x di Silicon Labs abbinato ad algoritmi per la frequenza cardiaca validati da studi clinici consente di ottimizzare la durata della batteria e minimizzare le dimensioni fisiche di un braccialetto per il monitoraggio della frequenza cardiaca.

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