Dispositivi medical Rfid energeticamente efficienti

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La tecnologia Rf permette di sviluppare nuove metodologie di approccio ai pazienti; lo sviluppo di tag intelligenti e l’abilità dei lettori Rfid di recuperare dati, consentono di effettuare analisi sofisticate con il minimo grado di invasività.

La sanità è stato uno dei primi settori di mercato a riconoscere il potenziale della tecnologia di identificazione a radiofrequenza, o Rfid (Radio Frequency IDentification). Oggi questa tecnologia è in grado di offrire alla medicina soluzioni che prima sarebbero state impensabili. I transponder (ricetrasmettitori) Rfid senza batterie possono essere impiantati con sicurezza nel corpo umano senza generare traumi. Un chip sottopelle di pochi mmq conterrà un codice identificativo univoco che può essere collegato alle informazioni contenute in un database esterno contenente ad esempio i dati personali, la cartella clinica, i farmaci somministrati, le allergie, i recapiti ecc. In alternativa, questi transponder possono essere utilizzati per effettuare attività di monitoraggio che registrano in maniera continuativa la condizione fisica del paziente. Uno dei principali impieghi della tecnologia Rfid per monitorare la salute delle persone è la misurazione sottopelle del livello di glucosio. L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha sovvenzionato una ricerca, pubblicata alla fine dell'anno scorso nel prestigioso giornale medico The Lancet, che mostra che il numero di persone che soffrono di diabete nel mondo è più che raddoppiato rispetto ai primi anni ottanta. Il Nord America e l'Europa Occidentale hanno entrambi un tasso elevato di diabetici, mentre il crescente numero di persone dedite a un'alimentazione scorretta non fa che peggiorare la situazione. A causa del crescente livello di zuccheri nel sangue nei paesi occidentali, la richiesta di dispositivi medici in grado di affrontare questo problema sta diventando particolarmente rilevante. Si prevede che nel 2017 il mercato mondiale dei glucometri raggiungerà un fatturato di 21,5 miliardi di dollari (secondo le stime di Global Industry Analysts) ma per entrare in questo mercato, i costruttori dovranno proporre prodotti in grado di vincere la concorrenza nelle aree chiave del globo.

Il monitoraggio del glucosio nel sangue
Utilizzando un sensore, è possibile sfruttare la relazione lineare che lega la concentrazione del glucosio nel sangue e la corrente in uscita dal sensore stesso; in questo modo è possibile effettuare una misura accurata del livello di glucosio in funzione del tempo, registrando tutte le variazioni. Vi sono diverse metodologie che si possono utilizzare per misurare il tasso di glucosio nel sangue. In generale, un sistema consisterà tipicamente di:
1.    Un sensore di glucosio usa e getta. Viene posto appena sotto la superficie della pelle. Di solito lo si tiene per qualche giorno e poi lo si sostituisce.
2.    Un tag (etichetta) Rfid (che può essere passivo o, in alcuni casi, attivo) collegato al sensore. Contiene il blocco di acquisizione dati che preleva informazioni dal tag e le comunica al lettore Rfid.
3.    Una stazione base Rfid. La si indossa come un cercapersone (o un orologio) tenendola alla distanza di circa 2-3 cm dalla superficie della pelle. Contiene il lettore Rfid e visualizza il tasso di glucosio con aggiornamenti quasi continui, oltre a riconoscere qualsiasi tendenza ad aumentare o a diminuire. Dal tasso di glucosio l'operatore sanitario può estrarre le informazioni che poi farà analizzare allo specialista.

Sono in fase di sviluppo forme più avanzate di etichette Rfid che permettono il collegamento del tag a due sensori resistivi esterni. L'uscita del gruppo di conversione del sensore può essere visualizzata tramite un lettore Rfid, ma quest'ultimo deve sapere quando i dati sono validi e disponibili. Vi sono due possibili metodi di temporizzazione che si possono utilizzare a questo scopo:
1.    Tecnica della temporizzazione costante. Può essere utilizzata se l'utente conosce le impostazioni del sensore oppure quando la velocità di rivelazione non è particolarmente importante. Si basa semplicemente su un tempo di attesa fisso: se le impostazioni del sensore (tempo di inizializzazione, tempo di risposta ecc.) sono note, è possibile determinare il tempo di conversione .
2.    Tecnica dell'interrogazione continua. In questo caso vengono inviati dei flag di interrupt (IRQ) al chip Rfid del sistema. I flag vengono controllati per stabilire se il tag Rfid è impegnato oppure no. Quando i flag vengono reimpostati, il buffer Rfid legge l'uscita del convertitore analogico/digitale.

Il tag rileva la variazione nel campo delle radiofrequenze, generando un segnale di interrupt che accende il microcontrollore per applicazioni esterne. Successivamente l'Mcu attiva la comunicazione direttamente con il tag ed effettua la calibrazione del sistema Rfid. Per via dello spessore della pelle umana, non è possibile utilizzare le radiofrequenze più elevate dal momento, che esse non sono in grado di penetrare a sufficienza nella pelle per leggere il tag sensore. Perciò, il lettore e il tag impiantabile devono operare a frequenze più basse. L'impiego di tag passivi è chiaramente vantaggioso poiché non richiede l'uso di batterie, il che rende l'impianto più piccolo e il suo inserimento meno doloroso. La base Rfid portatile, indossata dal paziente, dovrebbe durare a lungo (da 1 a 2 anni) senza la necessità di sostituire la batteria.

Un chip per la misura del glucosio
Grazie alla crescente collaborazione tecnologica con STMicroelectronics, il dispositivo MLX90130 di Melexis è un chip Rfid che funziona a 13,56 MHz ed è adatto alla misura del livello di glucosio e ad altri sensori di monitoraggio impiantabili. Questo compatto circuito integrato (di soli 5 x 5 mm) comprende uno stadio analogico d'ingresso integrato e un formattatore di dati incorporato conforme agli standard ISO15693, ISO14443A/B e ISO18000-3 (modalità 1). Funzionando con una tensione di alimentazione compresa nell'intervallo da 2,5 V a 5,5 V, è progettato per gestire sottoportanti da 106 kHz a 848 kHz, con velocità di trasmissione fino a 848 kbit/s. La parte digitale gestisce i protocolli di livello più basso, dall'interfaccia di programmazione dell'applicazione al livello fisico, utilizzando funzioni avanzate di decodifica di bit e frame. Sono inoltre inclusi un demodulatore digitale basato sulla rivelazione della sottoportante e un codec bit/simbolo programmabile. Inoltre, il chip MLX90130 codifica e decodifica i bit di start/stop, i bit di parità, il tempo di extra-guardia, l'inizio e la fine del frame e il controllo ciclico di ridondanza. Un buffer a 256 byte incorporato permette di memorizzare temporaneamente un intero frame Rfid. Le porte di comunicazione Spi e Uart offrono un'interfaccia valida per la maggior parte delle Mcu presenti sul mercato, soprattutto nella fascia a basso costo. Il circuito integrato MLX90130 è in grado di rilevare sia il tag che il campo. La rilevazione del tag si basa sulla cattura della variazione del campo radio vicino al dispositivo. Se un oggetto si avvicina o si allontana dall'antenna, può influenzare l'ampiezza del campo. Il dispositivo è in grado di rilevare qualsiasi variazione in un periodo molto breve di presenza del campo. Esso attiva l'Mcu e dà inizio alla comunicazione con il tag quando il livello del campo raggiunge il livello corretto.
Oltre allo stato inattivo, il dispositivo ha 4 modalità di alimentazione:
1.    Ibernazione: consumo tipico di circa 1 μA.
2.    Sospensione: consumo tipico di circa 20 μA.
3.    Rilevamento tag: consumo tipico di circa 50 μA (a seconda delle condizioni operative).
4.    Attiva: consumo tipico di circa 100 mA in fase di lettura (quando si utilizza un circuito di adattamento raccomandato e misurato in condizioni applicative), tuttavia prima di questa fase è attivo solo un oscillatore di alta frequenza, mentre il dispositivo attende un comando tramite un'interfaccia seriale (Spi oppure Uart).

Le diverse modalità di alimentazione del circuito integrato MLX90130 permettono di contenere il consumo di potenza del sistema Rfid, prolungando la durata della batteria. “Funzionamento multiprotocollo” significa che una piattaforma è in grado di operare con un'ampia varietà di tag. Ciò, combinato con il basso numero di componenti esterni, semplifica il progetto, contenendo i costi di verifica e abbreviando i tempi di sviluppo. Il poter operare con i protocolli dei livelli più bassi elimina inoltre la necessità di far intervenire la Mcu e di scrivere codice aggiuntivo per queste attività.

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