Dai dispositivi indossabili a quelli medicali

Mano a mano che la popolazione invecchia, aumenta il numero di persone che hanno bisogno di assistenza, una voce che ha un notevole impatto sulla spesa complessiva per la sanità. Questa situazione fa sì che le autorità e le compagnie di assicurazione sanitaria diano rilievo a temi quali prevenzione, sensibilizzazione in materia di salute e stile di vita. Ciò che interessa non è solo fare più attività fisica o migliorare le abitudini alimentari, ma anche monitorare determinati parametri vitali. Per questo, negli ultimi anni, le aziende che operano nel settore degli smartwatch e degli health watch hanno registrato un aumento del loro fatturato. Comprare un “orologio della salute” e misurare i parametri vitali non significa condurre una vita più sana. Il segreto per vivere in modo più sano consiste nel monitorare una serie di parametri vitali nell’arco di un lungo periodo in modo da acquisire familiarità con questi valori e utilizzarli per adottare uno stile di vita più sano. Questo processo può aiutare a comprendere meglio come funziona il corpo e come ridurre la spesa sanitaria nel lungo termine.

Cosa, come e dove misuriamo

Un dispositivo indossabile consente di misurare una vasta gamma di parametri vitali. A seconda dell’obiettivo generale, alcuni valori sono più importanti rispetto ad altri. La posizione del dispositivo sul corpo influisce molto su cosa si può o non si può misurare. La posizione più ovvia è il polso. L’abitudine di portare dispositivi al polso ha favorito la diffusione di prodotti come smartwatch e braccialetti. Un’altra buona posizione per i dispositivi indossabili è la testa. Ad esempio, sono disponibili cuffie e auricolari di diverso tipo che contengono sensori in grado di misurare parametri quali la frequenza cardiaca, la saturazione dell’ossigeno e la temperatura. Una terza buona posizione è il torace. I cardiofrequenzimetri di prima generazione erano applicati su una fascia toracica, una tecnica di misura biopotenziale ancora molto precisa. Tuttavia la fascia non è molto comoda da portare, per cui oggi si tende a preferire il patch toracico. Molti produttori si stanno occupando della progettazione di smart patch in grado di monitorare i parametri vitali. La posizione del dispositivo sul corpo non determina solo il tipo di parametri da misurare, ma anche la tecnologia da utilizzare. La misurazione biopotenziale è una delle tecnologie più longeve utilizzate per misurare la frequenza cardiaca. I segnali sono forti e facili da rilevare attraverso due o più elettrodi. In questo caso la soluzione perfetta consiste nell’integrare il circuito in una fascia toracica o negli auricolari. Tuttavia misurare segnali biopotenziali in un solo punto come il polso è praticamente impossibile. Occorre misurare attraverso il cuore, dove questi segnali elettrici vengono generati. La tecnologia più adeguata per le misurazioni in un unico punto è quella ottica. La luce viene trasmessa nel tessuto e il suo riflesso, corrispondente al flusso sanguigno nelle arterie, viene acquisito e misurato. Il segnale ricevuto per via ottica fornisce informazioni sulla frequenza cardiaca beat-to-beat, cioè battito a battito. Questa tecnologia sembra piuttosto semplice, ma presenta diversi problemi e fattori di influenza (ad esempio movimento e illuminazione ambientale) che possono rendere la progettazione molto complessa. La piattaforma di riferimento indossabile GEN II di Analog Devices è dotata della maggior parte delle tecnologie sopra descritte. Il dispositivo è progettato per essere portato al polso ma, rimuovendo il cinturino, è possibile applicarlo al corpo come se fosse uno smart patch. La tecnologia integrata nel dispositivo consente di eseguire diversi tipi di misurazioni, tra cui misurazione biopotenziale, misurazione ottica della frequenza cardiaca, bioimpedenziometria, rilevamento del movimento e misurazione della temperatura, il tutto grazie a un minuscolo dispositivo a batteria.

L’obiettivo generale

Perché Analog Devices ha progettato un sistema come l’orologio GEN II? L’obiettivo di un sistema di questo tipo è misurare diversi parametri vitali in modo semplice. Il dispositivo è in grado di rilevare i parametri e, allo stesso tempo, di memorizzare i risultati su una scheda SD o di trasmetterli a uno smart device attraverso una connessione Bluetooth Low Energy wireless. Dato che le misurazioni vengono eseguite contemporaneamente, può contribuire anche a trovare una correlazione tra le diverse misure. Gli ingegneri biomedici, i fornitori di algoritmi e gli imprenditori sono continuamente alla ricerca di nuove tecnologie, applicazioni e casi d’uso che consentano di eseguire la diagnosi precoce delle malattie e di ridurre al minimo gli effetti negativi o i danni che potrebbe subire il corpo.

Una sola misurazione non è utile

Una combinazione tra sensori embedded, potenza di elaborazione e comunicazione wireless rende unico il nuovo sistema indossabile di Analog Devices. Il sistema ottico si basa sul front-end analogico ottico ADPD107 e utilizza Led verdi per misurare Ppg e frequenza cardiaca, mentre un Led infrarosso rileva quando il dispositivo è indossato. La misurazione Ecg biopotenziale è supportata da due front-end analogici AD8233. Uno si interfaccia con gli elettrodi incorporati nel dispositivo. Un elettrodo situato sul retro del tocca un arto e un secondo elettrodo nella parte superiore tocca l’altro arto (mano) per chiudere l’anello. Si può attivare un secondo front-end analogico per misurare l’Ecg con un elettrodo esterno. In questo modo l’utilizzatore può indossare il dispositivo come se fosse uno smart patch e collegare gli elettrodi esterni direttamente al torace. Gli elettrodi sulla parte posteriore hanno una doppia funzione. Oltre che per l’Ecg, il dispositivo può essere utilizzato anche per l’attività elettrodermica. Questo fenomeno, noto anche come risposta galvanica della pelle, è associato alla conduttività della pelle che può variare in base alle emozioni. L’orologio GEN II è in grado di rilevare questo impercettibile cambiamento della conduttività. Il circuito basato su questo principio di misurazione, include la catena di trasmissione e ricezione del segnale, ed è completamente realizzato con componenti discreti. Garantisce un elevato livello di precisione con una dissipazione di potenza minima. Ultima cosa, ma non meno importante, il dispositivo contiene un sensore per misurare la temperatura della pelle e un sensore Mems a tre assi a bassissimo consumo, l’ADXL362, per rilevare il movimento. Quest’ultimo può essere utilizzato per tracciare il movimento, o per correggere gli artefatti dovuti al moto delle altre misurazioni. Il movimento deve essere misurato perché è un aspetto importante per diversi parametri vitali, tra cui la frequenza cardiaca, l’SPO2 o la frequenza respiratoria che dipendono molto dall’attività fisica. Una frequenza cardiaca di 140 bpm è perfetta se si fa jogging, ma preoccupante se si è sul divano. La combinazione di diversi segnali del sensore consente di sviluppare nuove applicazioni. Il processore ADuCM3029 integrato a bassissimo consumo consente di raccogliere i dati del sensore e di eseguire gli algoritmi. Nella Fig. 1 sono indicati i dispositivi integrati nella scheda sensore.

Monitoraggio continuo della pressione sanguigna

Per la frequenza cardiaca occorre la misurazione Ecg o Ppg, quindi non è necessario combinare le uscite dei sensori, a meno che non si vogliano compensare gli artefatti dovuti al movimento. I casi d’uso che comportano più misurazioni includono la gestione dello stress e il monitoraggio continuo della pressione sanguigna. Lo stato emotivo può essere misurato tenendo sotto controllo le variazioni della conduttanza cutanea. Combinando quest’unico parametro con il monitoraggio di altri parametri, ad esempio la frequenza cardiaca, il valore della misurazione aumenta significativamente. Si potrebbe includere anche la temperatura cutanea come valore aggiuntivo per la misurazione dello stress. Il monitoraggio della pressione sanguigna è un altro caso d’uso di interesse. Questo parametro molto importante è difficile da integrare in un dispositivo indossabile e a misurazione continua. Esistono tuttavia alcune tecniche utilizzabili per misurare la pressione sanguigna senza l’ausilio del bracciale. Una di queste utilizza il Pulse Transit Time. Il segnale Ptt arterioso può essere misurato tra il momento della contrazione cardiaca sull’onda R e il tempo di arrivo dell’impulso nel dito. Tale tempo di trasmissione è direttamente associato alla pressione sanguigna. La Fig. 2 mostra una misurazione Ecg in combinazione con il Ppg. L’orologio può essere utilizzato per questa misurazione perché supporta le misurazioni Ecg e Ppg in un unico dispositivo.

Dal prototipo al prodotto finito

L’orologio GEN II è un piccolo dispositivo indossabile che comprende molti sensori e funzioni con prestazioni elevate. La progettazione elettronica è stata accompagnata dall’analisi di molti aspetti meccanici. La piattaforma permette di misurare diversi parametri contemporaneamente, tuttavia gli algoritmi devono completare l’applicazione e supportare i casi d’uso. Questo dispositivo consente a sviluppatori e produttori di accelerare il processo di sviluppo, evitando la necessità di convalidare gli algoritmi e la costruzione prima del collaudo. L’orologio GEN II è disponibile in quantità limitate e Analog è molto interessata a collaborare con studi di progettazione e fornitori di algoritmi per sviluppare un sistema all’avanguardia per operatori sanitari professionali e compagnie di assicurazione. Alcune caratteristiche sono già conformi agli standard medicali, altre invece devono essere migliorate ma non c’è dubbio che Analog sia sulla strada giusta.

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