I progressi della bio-percezione migliorano la salute

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In tutto il mondo la popolazione invecchia, aumentando il fabbisogno di risorse per la cura della salute. Entro il 2025 oltre una persona su cinque (per un totale vicino ai due miliardi) avrà più di 60 anni, secondo le stime delle Nazioni Unite. Molti vivranno nei Paesi in via di sviluppo, dove il miglioramento degli standard di vita farà crescere anche la domanda di servizi sanitari per tutta la popolazione. Negli Stati Uniti le recenti riforme politiche hanno consentito a milioni di persone di accedere al sistema sanitario, mentre in tutto il mondo Internet aiuta sempre più consumatori a fare scelte oculate quando hanno bisogno di assistenza medica. Questi sono solo alcuni degli sviluppi che rendono necessario fornire cure mediche in modo ancor più efficace per raggiungere sempre più persone nei prossimi anni. In parte, per risolvere questa carenza di risorse servono più dottori, infermieri, ospedali, farmaci e tutti gli ingredienti tradizionali delle cure sanitarie. Ma anche in un ospedale tradizionale, l’efficienza delle risorse e delle apparecchiature deve aumentare per far fronte a tutte le esigenze. E, per quanto il personale e le strutture mediche siano indispensabili, ognuno di noi deve imparare ad avere più cura della propria salute. Le persone devono prendersi cura di sé, mantenendosi sane e in forma per ridurre il ricorso ai servizi sanitari. La società, in Nord America come nel resto del mondo, dovrà imparare a condurre una vita più sana mentre si cercano nuove soluzioni alle complesse sfide che ci attendono nella cura della salute. Un contributo importante per affrontare queste sfide in ambito sia ospedaliero sia domestico giunge dall'elettronica, con tecnologie come il monitoraggio dello stato di salute e i sensori biologici o “bio-ispirati”, da utilizzare sia in casa sia in mobilità.


Evoluzione della tecnologia dei circuiti integrati
Senza i progressi della tecnologia dei circuiti integrati, non si assisterebbe alla crescente diffusione della biopercezione (bio-sensing) e del monitoraggio elettronico della salute. In generale sono le applicazioni di fascia più alta a spingere lo sviluppo dei circuiti integrati verso livelli di prestazioni finora mai raggiunti. Le prestazioni sono però solo uno dei tre pilastri dell’innovazione nei semiconduttori, insieme alla dissipazione di potenza e al prezzo. Il progresso lungo queste tre direttrici crea nuove opportunità di mercato. La tecnologia con prestazioni di fascia alta matura velocemente e viene ottimizzata per essere più integrata, più compatta e più efficiente nei consumi. Questi progressi contribuiscono a estendere rapidamente la tecnologia dai sistemi di fascia alta a una gamma più ampia di impieghi e applicazioni. Infine, il ciclo si ripete con lo sviluppo di nuove tecnologie per i sistemi ad alte prestazioni. Oggi stiamo assistendo a questa migrazione in diverse ambiti delle tecnologie per la salute. Il primo elettrocardiogramma sviluppato attorno al 1903 era una macchina ingombrante e inamovibile che obbligava i pazienti a immergere tutti gli arti in contenitori pieni di soluzioni saline, dai quali veniva registrato l’Ecg. I principi fondamentali di quel periodo sono ancora validi oggi, ma la strumentazione elettronica si è evoluta da ingombranti apparecchiature di laboratorio a sistemi elettronici compatti utilizzati in tutti gli ospedali. La tecnologia si è sviluppata anche in un'ampia gamma di applicazioni di biopercezione e bioispirazione al di fuori del tradizionale ambito ospedaliero, come ad esempio orologi per attività sportiva e giochi nei quali il rilevamento della frequenza cardiaca viene utilizzato per conoscere lo stato emotivo del giocatore in tempo reale a seconda del livello di difficoltà.

Nuove modalità per monitorare lo stato di salute
Grazie a questa evoluzione tecnologica, i sistemi elettronici basati su dispositivi di elaborazione analogici ed embedded offrono ora la possibilità di implementare nella nostra vita sistemi di biopercezione e monitoraggio della salute con modalità completamente nuove. I dispositivi elettronici possono essere indossati senza alcun fastidio, addirittura con eleganza, al polso, su una gamba, al petto o in altri punti del corpo, oppure integrati in accessori elettronici portatili che rilevano i dati personali. Spesso questi dispositivi comunicano via wireless con app per smartphone o altri programmi centralizzati, che elaborano, memorizzano e visualizzano le informazioni. Queste forme di elettronica bio-sensibile personale e indossabile sono un fenomeno in forte ascesa nel settore del largo consumo e della sanità domestica. Non è mai stato così facile prendersi cura e responsabilità dei valori fisiologici del proprio corpo mediante elettronica indossabile. Molti di questi dati riguardano parametri apparentemente tradizionali come frequenza cardiaca, livelli di ossigeno, glicemia e altri parametri vitali, che rendono le persone consapevoli del loro stato di salute. Ma oltre a queste applicazioni di bio-percezione tradizionali, l’elettronica indossabile wireless consente nuove tipologie di applicazioni. Ad esempio, in passato, diagnosticare un battito cardiaco irregolare o alcuni tipi di aritmia era difficile. Se l’aritmia non si verificava nel corso dell’Ecg, per il dottore era difficile individuare il problema. Oggi esistono monitor cardiaci che possono essere indossati nella vita quotidiana per rilevare e registrare i sintomi quando si palesano, per un arco di tempo che può arrivare fino a due mesi. Molti monitor trasmettono rapporti sull’attività elettrica del cuore direttamente al medico. In questo modo i medici possono allargare l’analisi oltre gli esami clinici e i pazienti in condizioni sane possono ridurre il numero di visite di controllo. Con la progressiva miniaturizzazione e riduzione dei consumi dei circuiti elettronici utilizzati in questi dispositivi, nasceranno sempre più applicazioni. Si avrà così un monitoraggio dello stato di salute che abbraccia tutti gli ambiti di vita del paziente, consentendo cure preventive più economiche. Al tempo stesso il commercio al dettaglio metterà a disposizione sistemi di monitoraggio comodi e a basso costo per consentire a tutti di provvedere attivamente al proprio stato di forma fisica e buona salute.

Nuovi orizzonti per la tecnologia bio-ispirata
Con l’evoluzione dei semiconduttori, questi sistemi di biopercezione e monitoraggio entreranno in nuovi ambiti della “bio-ispirazione”, contribuendo a mantenere le persone in salute e a migliorare la loro forma fisica. Ad esempio, applicando questo tipo di tecnologia per monitor cardiaci miniaturizzati si potranno commercializzare dispositivi elettronici per elettromiografia in grado di misurare l’attività muscolare attraverso la misurazione dell’attività elettrica nei tessuti molli. L’elettronica che sfrutta la tecnologia Emg per monitorare i movimenti dei muscoli consente un’ampia gamma di applicazioni legate al controllo dei muscoli stessi. Ad esempio, può migliorare la capacità di anziani, malati e disabili di svolgere azioni comuni come accendere la luce e il televisore a distanza, con possibilità pressoché infinite nell’ambito dei videogame con controllo del movimento e della formazione simulata. Unita ad altri dispositivi elettronici cinematici, la tecnologia Emg è persino in grado di distinguere fra la flessione del polpaccio mentre si cammina o mentre si va in bicicletta.
Un’altra nuova applicazione dell'elettronica riguarda l'ossimetria del polso. Questi dispositivi misurano i livelli di ossigeno nel sangue mediante fasci di luce a due lunghezze d’onda che attraversano il dito del paziente e raggiungono un fotodiodo. In questo modo si misura il diverso assorbimento di ossigeno alle due lunghezze d'onda, determinando il livello di assorbimento dovuto al solo sangue arterioso. L’elettronica utilizzata in questo tipo di misurazione ottica può essere confezionata anche sotto forma di monitor cardiaco. Invece di misurare il livello di ossigeno nel sangue, la variazione del volume arterioso indotta da ogni ciclo cardiaco viene rilevata illuminando la pelle con un Led e misurando la quantità di luce trasmessa o riflessa da un fotodiodo. Ogni ciclo cardiaco viene visualizzato come picco, correlato a un battito cardiaco. Anche l’utilizzo di questa tecnologia ottica per la misurazione del battito cardiaco può diffondersi su larga scala. In particolare apre un mercato completamente nuovo per monitor cardiaci e accessori in ambito sportivo capaci di misurare la frequenza al polso o a contatto con la pelle, eliminando le scomode fasce addominali. Altre applicazioni futuristiche potranno beneficiare di questa tecnologia elettronica bio-ispirata. Poiché l'afflusso di sangue alla pelle è regolato da diversi sistemi fisiologici, lo stesso approccio può essere adottato per monitorare la respirazione e altre condizioni circolatorie. Mediante appositi sensori integrati in vari sistemi, ad esempio nel volante di un’auto, si potrà sfruttare il semplice contatto con la mani per raccogliere informazioni sul guidatore, ad esempio livelli di ansia o affaticamento, misurando la frequenza cardiaca o la respirazione. Queste e altre applicazioni dei sensori bio-ispirati favoriranno una maggiore consapevolezza delle condizioni di salute, forma fisica e sicurezza in tutti gli ambiti della nostra vita.

Soddisfare i requisiti con le soluzioni TI
L’elettronica per la salute e la forma fisica deve essere estremamente compatta, leggera e sottile per essere facilmente indossabile o integrabile in accessori portatili. Questi dispositivi elettronici devono anche funzionare per lungo tempo senza ricarica, perché anche una ricarica quotidiana può risultare impraticabile. Per soddisfare questi requisiti, i circuiti elettronici devono spesso combinare misurazione avanzata ed elaborazione del segnale in un front-end analogico completamente integrato per l’ottimizzazione del sistema. Qualora sia richiesta un’ulteriore elaborazione dei dati, un microcontrollore a bassissimo consumo può memorizzare gli algoritmi per effettuare i calcoli necessari. Spesso questi sistemi devono comunicare via wireless per consentire a uno smartphone o un altro dispositivo di accedere o visualizzare informazioni e inoltrarle a un sistema centralizzato dove sono a disposizione del personale medico. Queste funzioni dipendono da dispositivi di gestione della potenza che regolano l’utilizzo e lo stoccaggio della potenza fornita dalla batteria. In alcuni casi si possono utilizzare altri circuiti integrati per gestire l’approvvigionamento di energia (harvesting) dal calore o dal movimento del corpo del paziente. Sulla base di questi requisiti, Texas Instruments sta sviluppando nuove tecnologie per la prossima generazione di applicazioni per la salute e il fitness, fra cui un'ampia gamma di dispositivi Afe altamente integrati per i progettisti di applicazioni bio-ispirate e altri sistemi di rilevamento. Fra le altre tecnologie di TI spicca l’ampia gamma di Mcu MSP430. Le soluzioni di connettività wireless a basso consumo ZigBee e Bluetooth e la gamma di prodotti per la gestione della potenza comprendono opzioni per la raccolta di energia dal calore e dal movimento del corpo. Un altro elemento di differenziazione per le applicazioni di biopercezione è il packaging avanzato di TI, con opzioni Wcsp (Wafer-scale chip packaging) che consentono di montare nei dispositivi indossabili i chip più piccoli e sottili.

Progetti di riferimento per applicazioni di salute e fitness
Gli sviluppatori di nuovi prodotti per la salute e il fitness sono spesso innovatori di piccole aziende con esperienza limitata nella progettazione di sistemi, pertanto i circuiti integrati devono essere adeguatamente supportati, flessibili e facili da usare. TI risponde alle esigenze di questi sviluppatori con la libreria di progetti di riferimento TIDesigns. I progettisti possono usare la libreria per avviare immediatamente la progettazione di sistemi e ridurre il time-to-market grazie alla disponibilità di schemi, diagrammi a blocchi, distinte base, file di progettazione e relazioni di collaudo. I progetti di riferimento, che abbracciano tutto il portafoglio di prodotti analogici, processori embedded e prodotti di connettività di TI, sono realizzati da esperti con una conoscenza approfondita di sistemi e prodotti. Sono disponibili numerosi progetti TIDesigns per applicazioni di salute e fitness che forniscono soluzioni complete con Afe per l’elaborazione di sensori e segnali, oltre a una Mcu a bassissima potenza e connettività Bluetooth a basso consumo. Uno di questi progetti TIDesign riguarda una tipica applicazione di monitor cardiaco ottico da portare al polso. Il progetto mostra in particolare come combinare le tecnologie di TI per realizzare una soluzione completa. Sfruttando un segnale luminoso dal Led al fotodiodo, l’AFE4400 di TI rileva i cambiamenti della superficie cutanea indotti dal battito del soggetto, quindi amplifica e converte il segnale analogico in un segnale digitale che viene trasferito a una Mcu MSP430. Il modulo wireless Bluetooth a basso consumo SimpleLink CC2541 di TI fornisce la connessione wireless a uno smartphone o un altro sistema locale. La memoria Fram (memoria ad accesso casuale ferroelettrica non-volatile) provvede alla registrazione dei dati e fornisce un accelerometro per rilevare i movimenti del corpo. Questo progetto di riferimento comprende anche dispositivi per la gestione della potenza della batteria e diverse funzioni di sistema. Uno sviluppatore che vuole progettare questo tipo di apparecchiatura finale può attingere a tutti gli elementi direttamente da TI per realizzare esattamente il progetto illustrato in tempi rapidi. A quel punto lo sviluppatore deve semplicemente aggiungere la proprietà intellettuale per personalizzare la soluzione.

 

 

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