Internet nel medicale

APPLICAZIONI MEDICALI –

I dispositivi indossabili e l’Internet delle Cose avranno in futuro un significativo impatto sulle terapie mediche, permettendo di tenere il medico lontano dal paziente.

Per i pazienti affetti da patologie croniche sono essenziali un controllo accurato delle terapie e il monitoraggio ininterrotto dei parametri biometrici. I dispositivi medicali portatili che sono connessi agli ospedali tramite i service provider consentiranno ai medici di garantire il monitoraggio dei parametri e il controllo dell'osservanza delle terapie presso i pazienti tramite il rilevamento di cambiamenti nei dati raccolti attraverso la rete di nodi sensori/periferici. Nel caso di un paziente al quale è stata diagnosticata una patologia cronica degenerativa, le probabilità che si verifichi una complicazione acuta dipendono direttamente dalla qualità del controllo della terapia. Una patologia cronica degenerativa è, come indica l'aggettivo cronica, una patologia per la quale non esiste una cura. Il paziente resterà affetto da questa patologia per tutta la vita ed è importante sottolineare che le patologie croniche si trasformano in degenerative in quanto tendono a peggiorare nel tempo. Inoltre, poiché non esistono cure per le patologie croniche, l'organismo umano si adatta a terapie farmacologiche permanenti e possono insorgere fenomeni come la tachifilassi, vale a dire una tolleranza progressiva ai farmaci che provoca all'organismo una graduale assuefazione a un farmaco assunto ripetutamente, per cui si rende necessario aumentare la dose ogni volta finché verrà meno qualsiasi tipo di reazione al farmaco in questione. Talvolta è necessario prescrivere una terapia farmacologica doppia o tripla per ottenere gli stessi risultati positivi garantiti in passato da un unico farmaco. Per questo motivo un monitoraggio affidabile dell'effetto benefico di un farmaco su un paziente riveste la massima importanza. Non è però pensabile che un medico visiti un paziente due o tre volte al giorno solo per registrare i risultati dei test o analizzare i segni vitali. Generalmente viene considerata accettabile una visita medica mensile. Infine, anche l'invecchiamento dell'organismo contribuisce al fenomeno in quanto il normale invecchiamento fa diminuire nel tempo la funzionalità degli organi. Come è facile immaginare, le condizioni del paziente non migliorano col tempo e la mancanza di una stretta osservanza della terapia può rendere più rapido l'insorgere di complicazioni.

IoT nel medicale

L'avvento di una nuova era informatica denominata “Internet degli cose” favorisce l'interazione e la comunicazione di macchine intelligenti con altre macchine, oggetti, ambienti e infrastrutture, con conseguente generazione di grandi volumi di dati che vengono successivamente elaborati e trasformati in interventi mirati, facilitando enormemente la vita agli esseri umani. Internet degli oggetti sarà l'elemento chiave per la messa a punto di soluzioni più avanzate di medicina preventiva e di controllo delle patologie attraverso nodi sensori/periferici costituiti da sensori, microcontrollori, microprocessori, apparati di connettività e fonti energetiche collegati a gateway IoT (connessi a loro volta alla “nuvola” e a data center) tramite service provider. I dispositivi medicali sono in grado di monitorare automaticamente i segni vitali dei pazienti e l'osservanza della terapia. Per esempio, patch medicali e orologi sportivi possono raccogliere dati relativi ai pazienti ma il mancato invio di questi dati a chi di dovere rappresenta un semplice spreco di tempo e di denaro. Se però alcuni parametri superano o scendono al di sotto delle normali soglie, la notifica attraverso gateway intelligenti dovrebbe essere in grado di stabilire se si tratta di dati che è opportuno trasmettere o se è sufficiente memorizzarli e comunicarli in un secondo tempo. Alcuni valori potrebbero mettere il paziente in pericolo di vita, potrebbe essere importante inoltrare immediatamente altri valori alle strutture ospedaliere mentre altri ancora potrebbero indicare il grado di efficacia di un farmaco per un determinato paziente. Il service provider svolge un ruolo importante all'interno di questo quadro. Dati che non rientrano negli intervalli previsti possono essere trasmessi a distanza, unitamente all'anamnesi del paziente, a un medico o a un pronto soccorso ospedaliero. È a questo livello che si inseriscono i reference design e i prodotti Freescale basati su sensori Mems, Arm Cortex-M4, Arm Cortex-M0+, Arm Cortex-A8, Arm Cortex-A9 e architettura di rete multiprocessing che coprono l'intero spettro di Mcu a basso consumo energetico, sensori intelligenti, microprocessori completi e dispositivi Power Architecture che rientrano in questo quadro.

Il nodo sensore/periferico

La maggior parte dei nodi periferici IoT è costituita da sensori ed eventualmente attuatori, un processore embedded (generalmente un microcontrollore), un apparato di connettività e una fonte energetica. La principale interfaccia tra il paziente e le unità elaborative è rappresentata da front end analogici. Per sollevare il paziente dal gravoso compito di capire cosa, quando e come effettuare le misurazioni, i dispositivi indossabili affrontano automaticamente questi problemi. Molti di questi dispositivi hanno la forma di anelli, orologi da polso, patch e simili e non richiedono alcuna configurazione da parte dell'utente. Di conseguenza, la durata delle batterie e il basso consumo energetico sono caratteristiche fondamentali della loro progettazione. Le patologie croniche degenerative più diffuse richiedono la misurazione di diversi parametri.

Nel caso di pazienti che soffrono di ipertensione primaria e secondaria:

1. Pressione sanguigna: pressione sistolica, pressione diastolica, pressione arteriosa media e frequenza cardiaca. I sensori attuali necessitano di un elemento di fissaggio agli indumenti, il che rende poco pratico un monitoraggio in continuo. La misurazione oscillometrica utilizzata è soggetta a errori legati ai movimenti del paziente. Sono allo studio nuove tecnologie per la messa a punto di sensori di piccole dimensioni privi di elementi di fissaggio come il dispositivo di fotopletismografia (PPG) indossabile munito di un sensore di altezza.

Nel caso di pazienti affetti da diabete di tipo 1 e 2 e da diabete gestazionale:

2. Tasso glicemico: potrebbe essere misurato in base all'osservanza della terapia da parte del paziente, al livello qualitativo del controllo della patologia o a esigenze specifiche in termini di terapia farmacologica, valutazione corrente o aggiustamenti continui/periodici alcune volte al giorno. Tecnologie per il monitoraggio continuo della glicemia sono già disponibili sul mercato.

Nel caso di pazienti affetti da patologie cardiovascolari:

3. Elettrocardiografia: effettuata generalmente per mezzo di un elettrocardiografo con un conduttore che richiede la presenza di due elettrodi principali per il differenziale di corrente nel conduttore e di un elettrodo di riferimento. Spesso viene utilizzato anche per il feedback del rumore e per annullare segnali di rumore potenziali. Sono già disponibili sul mercato patch Ecg indossabili, abilitati da Freescale. Questo patch acquisisce il segnale integrando gli elettrodi nel dispositivo e con un'antenna radio wireless. Sono in fase di sviluppo anche altri dispositivi come sensori del battito cardiaco a forma di anello.

Nel caso di pazienti affetti da un qualsiasi tipo di patologia polmonare ostruttiva come la Patologia polmonare ostruttiva cronica, asma, tumore ai polmoni o alcune patologie ematologiche:

4. Ossimetria a impulsi: viene utilizzata una coppia di diodi per calcolare i livelli parziali di saturazione dell'ossigeno attraverso formule logaritmiche che consentono di realizzare anche la Ppg.

Microcontrollori e microprocessori

Per eseguire alcuni algoritmi di base, individuare le soglie ed effettuare analisi semplici dei dati, i dati provenienti dai sensori devono essere gestiti, ovvero è necessario procedere alla misurazione e alla trasmissione dei dati con tempestività e con la massima accuratezza in modo che il manager possa inoltrare le informazioni al relativo service provider sanitario. Il basso consumo energetico è una caratteristica fondamentale poiché tutti questi dispositivi funzionano generalmente a batteria. È necessaria anche la crittografia poiché il dispositivo di origine trasmette dati e i dati del paziente devono poter godere di un minimo di protezione in fase di trasmissione, soprattutto lungo le reti wireless. I microcontrollori della famiglia Kinetis di Freescale sono basati su Arm Cortex-M4 e Arm Cortex-M0+. Architetture tra le più diffuse sul mercato, garantiscono consumi inferiori e integrano maggiore capacità di memoria rispetto alla maggioranza del mercato. Per applicazioni che richiedono una riduzione dei componenti analogici esterni e l'integrazione con Cpu performante, sono raccomandati i microcontrollori della serie Kinetis K. All'interno dell'offerta Kinetis la sottofamiglia K50 integra un motore di misurazione analogico composto da amplificatori operazionali, di transimpedenza, moduli Adc e Dac ad alta risoluzione. La famiglia comprende anche crittografia hardware ed Ethernet Ieee 1588, Usb 2.0 On-The-Go full speed con funzionalità di rilevamento della carica del dispositivo e controller Lcd fino a 320 segmenti operante anche in modalità di basso consumo. I dispositivi K50 sono prodotti ad alta efficienza energetica particolarmente adatti in impieghi a batteria. Se il basso consumo energetico è un requisito essenziale, i microcontrollori della serie Kinetis L sono i più adatto. I dispositivi integrano la Cpu Arm Cortex-M0+ ben nota per efficienza energetica e semplicità d'uso offrono prestazioni e scalabilità delle periferiche fino a qualche anno fa inimmaginabili per dei 32bit. I microcontrollori Kinetis L superano i limiti prestazionali dei microcontrollori 8 e 16bit garantendo consumi in modalità Run e Stop eccellenti con prestazioni in elaborazione decisamente superiori, densità di memoria flash on-chip superiore abbinata a analogiche avanzata e connettività completa. I microcontrollori Kinetis L a livello hardware e software sono compatibili con i superiori Kinetis K Arm Cortex-M4, con i quali realizzano un ideale percorso di scalabilità e migrazione in termini di prestazioni, periferiche e memoria.

Il gateway Iot su microcontrollore

I gateway IoT permetteranno la realizzazione di numerose nuove funzionalità e servizi interattivi a livello locale: non solo prenderanno decisioni del tipo “if-this-then-that” per i nodi sensori/periferici ad essi collegati ma eseguiranno anche l'analisi locale di grandi volumi di dati inviando sul Cloud solo quelli necessari. Potranno contare su una grande capacità di memoria e utilizzeranno Rtos o sistemi operativi standard in base alla necessità di disporre di funzionalità in tempo reale.
I microprocessori Freescale, della serie i.MX6, sono un'ottima soluzione per il gateway che necessita di una elevata capacità di calcolo, che deve gestire un Hmi con display e relativo touchscreen, avere un sistema operativo e protocolli di rete come IPv6, 3G, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee o protocolli proprietari. La serie i.MX6 è la prima piattaforma multicore realmente scalabile anche nel numero delle Cpu, offrendo la scelta su dispositivi single core, dual core e quad core basate sull'architettura Arm Cortex-A9. La compatibilità a livello di pin tra quattro famiglie consente allo sviluppatore di investire in un'unica piattaforma che può essere messa a frutto e riutilizzata su multiple piattaforme, riducendo in conseguenza l'impiego di risorse e accorciando il time-to-market dei prodotti. L'i.MX 6SoloLite presenta un package di dimensioni ridotte e quindi non è compatibile a livello di pin con le altre famiglie pur garantendo la compatibilità software.

La connessione in rete di dispositivi mobili e non

Il quadro non è completo se manca l'ultimo tassello, l'invio dei dati ai provider sanitari per poter prendere le necessarie decisioni o anche evitare una complicazione acuta di una patologia cronica degenerativa grazie al rilevamento tempestivo di eventuali segnali in tal senso. Sono necessari processori in grado di soddisfare i requisiti in termini di throughput grazie ad avanzate funzionalità di comunicazione in tempo reale point-to-point come i processori QorIQ di Freescale.
In determinate situazioni il gateway potrebbe essere di fatto un telefono cellulare che controlla e gestisce numerosi dispositivi sensori/periferici ma pensiamo a una persona anziana che desideri mantenere la sua indipendenza: un gateway di telemedicina facile da usare e da installare in casa propria è il prodotto ideale.
Per applicazioni similari Freescale raccomanda due serie di dispositivi Power Architecture. La QorIQ Amp series basata sul core 64 bit multithreaded e6500 a frequenze che possono raggiungere i 2,5 GHz con unità vettoriale AltiVec, in grado di gestire elaborazione dati a banda larga e calcoli. La QorIQ P series multicore è compatibile a livello di pin e di software tra le famiglie P1 e P2 con opzioni single e dual core. Con costi contenuti e consumi energetici ridotti e intervalli di frequenza compresi tra 533 MHz e un dual core a 1,2 GHz, le famiglie P3 e P4 sono basate sul core e500mc e presentano da quattro a otto core che possono raggiungere 1,5 GHz. Tra i sistemi operativi supportati figurano Embedded Linux, Qnx e Integrity.
L'interoperabilità dei dispositivi medicali dovrebbe essere garantita dalle linee guida di Continua Health Alliance, basate sulla norma Ieee 11073 e utilizzate per USB Personal Healthcare Device Class, Zigbee Health Care, Bluetooth e Bluetooth v4.0 e altri di prossima apparizione come Near Field Communication. L'interoperabilità e l'accesso a Internet di tutti i dispositivi creerà una rete incredibile di dispositivi medicali.

I vantaggi a lungo termine

IoT consentirà ai pazienti di assumere il controllo e di svolgere un ruolo più attivo nella propria terapia e cura. Abbatterà i costi economici e sociali rappresentati dall'eccessivo carico di lavoro di medici e personale infermieristico all'interno degli ospedali e trasferirà a casa dei pazienti attività e ruoli che in passato rientravano esclusivamente nella sfera ospedaliera, evitando l'insorgenza di complicazioni acute e contribuendo a migliorare le terapie applicate ai pazienti
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