Dalla realtà virtuale ai Mems

ELETTROMEDICALE –

Lo scenario è caratterizzato dalla ricerca di una gestione del rapporto con il paziente più razionale, e da soluzioni atte a una miglior prevenzione ma anche a spostare in ambito domiciliare riabilitazione e controlli. Realtà virtuale, sensoristica e connettività supportano queste tendenze.

L'attuale scenario delle applicazioni dell'elettronica al settore medicale è contrassegnato da una costante evoluzione verso una più razionale ed efficiente gestione del rapporto con il paziente. All'incremento della vita media della popolazione ha fatto riscontro un importante aumento della spesa sanitaria che, anche per le attuali difficoltà economiche, impone un più efficiente utilizzo delle strutture. Da questo punto di vista, la moderna tecnologia ci offre una serie di soluzioni che, oltre a rendere possibile una migliore prevenzione, permettono di accorciare i tempi di degenza, spostare in ambiente domiciliare gli interventi di riabilitazione e di effettuare un controllo a distanza delle condizioni dei pazienti, senza ricorrere al loro ricovero se non quando ciò è strettamente necessario.

La realtà virtuale
Lo sviluppo e il successivo accreditamento delle tecniche di chirurgia minimamente invasiva hanno aperto la strada verso scenari che solo fino a qualche anno fa erano appena ipotizzabili. Sistemi già in uso consolidato in molti Paesi, tra i quali il nostro occupa una posizione di primo piano, consentono di eseguire interventi chirurgici altamente complessi con il minimo rischio per il paziente e con un drastico abbattimento dei tempi di recupero e riabilitazione. Esempio per tutti è il sistema "Da Vinci", in cui il chirurgo opera non direttamente sul paziente ma per il tramite di un robot, da lui comandato sulla scorta di una rappresentazione del teatro operatorio ottenuta per mezzo di videocamere ad alta definizione, introdotte in situ. E qui siamo ancora nel reale, sia pur aumentato dalle incredibili prestazioni dei mezzi che le attuali tecnologie rendono disponibili. Un ulteriore passo avanti è rappresentato dall'immersione del paziente in uno spazio virtuale, creato mixando percezioni reali ad immagini generate al computer. Anche su questo scenario non siamo gli ultimi arrivati: oltre all'aver ospitato il Congresso "Cyber Terapy and Cyber Psicology Conference" svoltosi a Verbania nel 2009, possiamo vantare Centri e Università molto attivi nella ricerca e nella sperimentazione. Tra questi spiccano Istituto Auxologico, Fondazione Don Gnocchi, Fondazione Santa Lucia e Ospedale San Camillo come pure le Università Cattolica, di Padova e di Pisa: di quest'ultima EndoCAS Research e EndoCAS Education sono il fiore all'occhiello. In questo Centro, in particolare, si lavora allo sviluppo e alla applicazione di tecnologie per il miglioramento della pratica chirurgica, attraverso modelli tridimensionali ottenuti dalla elaborazione software di immagini radiologiche, da usare nella simulazione di interventi. Sul fronte rieducativo, le principali applicazioni sono nella riabilitazione e nel recupero delle capacità motorie a seguito di ictus, morbo di Parkinson o eventi traumatici. In questo caso, il concetto di base è fornire al paziente un feedback immediato delle proprie azioni, in modo che egli possa attuare le correzioni necessarie per avvicinarsi il più possibile a un modello precostituito. Ad esempio, in un sistema per la rieducazione motoria, il paziente viene posizionato di fronte ad uno schermo video provvisto di altoparlanti; un insieme di sensori opportunamente disposti ne segue in tempo reale il movimento e lo scompone in sezioni elementari, realizzando un mix interattivo di immagini e suoni. Il paziente impara a ottimizzare il proprio movimento attraverso la convergenza delle varie immagini sullo schermo come in un puzzle, grazie anche ad una sorta di colonna sonora che lo aiuta nel dare alle diverse sequenze il giusto coordinamento spazio-tempo. Il sistema è governato da algoritmi che lo rendono adattabile alle necessità dei singoli pazienti, come pure ai loro progressi nella riacquisizione delle facoltà motorie e non vuole sostituirsi al fisioterapista, ma piuttosto integrarne l'opera accrescendo l'efficacia dell'intervento praticato nelle strutture sanitarie proseguendo la riabilitazione anche in ambiente domiciliare. L'obiettivo futuro è quello di realizzare una piattaforma portatile e a basso costo che tutti i pazienti possano usare a casa propria. Altra applicazione della realtà virtuale è la Computer Game Therapy, utilizzata come supporto dell'apprendimento nelle patologie mentali e del linguaggio. "Dimensione operativa della VI.RE.DIS (VIrtual REality for DISability), metodo per lo studio della applicazione di tecnologie virtuali con soggetti portatori di disabilità, ha come obiettivo primario la crescita della persona attraverso la scoperta e lo sviluppo delle proprie potenzialità" e "si propone di contribuire a migliorare e mantenere le facoltà residue.....con l'attivazione di percorsi di attività virtuale e con azioni di stimolazione ludica e creativa". Con queste parole è stato introdotto presso la Fondazione Don Carlo Gnocchi un seminario per la preparazione di Educatori e la presentazione di protocolli di lavoro utilizzabili in diversi casi pratici.

A casa è meglio
Grazie allo sviluppo della sensoristica, che ha permesso la realizzazione di una vasta gamma di sensori per la rilevazione di parametri fisiologici, è oggi possibile monitorare le condizioni di salute sia di soggetti portatori di patologie croniche, sia di pazienti in fase di riabilitazione dopo interventi chirurgici di una certa importanza. Le grandezze rilevate dai sensori vengono trasmesse, via telefono cellulare o computer collegato in rete, alla struttura sanitaria di riferimento per le valutazioni del caso o, addirittura, per predisporre un intervento d'urgenza con presa in carico del paziente. Su questo fronte, è da segnalare l'assegnazione del marchio CE a Latitude, il sistema di Boston Scientific Corporation per la gestione a distanza dei pazienti, che permette di tenere sotto controllo i soggetti portatori di dispositivi cardiaci impiantabili. Frutto della collaborazione tra STMicroelectronics e Mayo Clinic, è in via di sperimentazione una piattaforma per il monitoraggio non invasivo delle condizioni cardiache di pazienti con patologie vascolari croniche. Basata sull'impiego congiunto di sensori e microcontrollori low-power, trasmette alla struttura sanitaria in modalità wireless una serie di parametri caratteristici del paziente quali pulsazioni cardiache, frequenza respiratoria e attività fisica.

Connettività
Nella realizzazione di una rete di sorveglianza delle condizioni di salute dei pazienti fuori dalle strutture sanitarie, la connettività gioca un ruolo determinante. Nel momento in cui si è fatta più pressante la necessità di un interscambio di informazioni tra apparecchiature elettromedicali, computer e telefoni cellulari, la connettività è divenuta un argomento cruciale. Nelle applicazioni relative al monitoraggio dei pazienti è infatti essenziale che dispositivi per la rilevazione di parametri vitali possano riversare i loro dati in un personal computer per una successiva elaborazione, oppure in un cellulare per essere inoltrati ad una struttura sanitaria per le opportune valutazioni. A questo scopo sono utili protocolli wireless standard già esistenti quali ZigBee e Bluetooth, come pure interfacce Usb medicali delle cui applicazioni Continua Health Alliance è un esempio. Texas Instruments, ad esempio, offre una piattaforma hardware-software per l'implementazione di dispositivi Phdc (Personal Healthcare Device Class) in ambito IEEE11073. Parte dello standard USB, PHDC è stato espressamente ideato per consentire ad apparecchiature elettromedicali di inviare le misurazioni a dispositivi corredati di porta USB quali computer, telefoni cellulari e simili. Continua Health Alliance ha rilasciato delle linee guida per la interoperabilità tra i vari dispositivi che operano secondo lo standard Usb: la piattaforma offerta da TI, certificata da Continua Health Alliance dopo rigorosissimi test, consente a chiunque di implementare dispositivi medicali conformi basati sulle ultra low power MCU MSP430, riducendo considerevolmente i tempi di sviluppo.

Sempre nell'ottica di ridurre il time to market di prodotti quali elettrocardiografi, stetoscopi digitali e pulsiossimetri, TI mette a disposizione dei costruttori tre tool di sviluppo comprendenti il completo progetto hardware e software dell'intera signal chain. Ciascuno dei tre kit di sviluppo viene fornito all'acquisto di un front-end analogico con la circuiteria ottimizzata per ciascuno dei prodotti sopra elencati, con l'aggiunta di un evaluation module per TMS320C5515, il Dsp a più basso consumo oggi disponibile. Questi MDK rappresentano uno straordinario mezzo a disposizione dei progettisti per consentire una veloce messa a punto dei diversi algoritmi e delle particolarità che caratterizzano le varie apparecchiature. Ad esempio, l'MDK per elettrocardiografo comprende un TMDXMDKEK1258 Electrocardiogram Analog Front End, un C5515 Dsp evaluation module e una serie di software applicativi per l'implementazione di un elettrocardiografo completo basato su C5515. La disponibilità di molti Afe (Analog Front End) espressamente destinati ad applicazioni medicali, dimostra l'interesse che i colossi della produzione di chip pone per questo settore in grande evoluzione. Accanto alla già citata TI, anche Maxim ha in catalogo una cospicua offerta di soluzioni intese a semplificare la vita dei progettisti di apparecchiature elettromedicali: la sua Medical Solution Guide è infatti una raccolta, oltre che di circuiti dedicati, di quei componenti di normale produzione che sono particolarmente adatti a soddisfare le necessità di specifiche applicazioni nel settore medicale, con una abbondante dovizia di application notes.

Vince lo stato solido
Se fino a qualche anno fa il medicale era rimasto il regno incontrastato degli alimentatori lineari, oggi assistiamo ad una vera e propria rivincita della tecnologia switching. Il mercato è letteralmente invaso da alimentatori a commutazione con certificazione medicale, rispondenti cioè alle prescrizioni della norma EN60601 che detta i requisiti in termini di sicurezza elettrica. Questa tendenza è dovuta essenzialmente a due fattori: da una parte gli straordinari traguardi raggiunti dalla componentistica di potenza, e di commutazione in particolare; dall'altra lo sviluppo di sofisticate topologie circuitali che consentono di ridurre drasticamente i disturbi di natura elettromagnetica, tipici di una ormai superata tecnologia switching. I vecchi alimentatori, costituiti da un trasformatore a frequenza di rete seguito da uno o più regolatori serie, sono quindi arrivati al capolinea della loro carriera. Il loro basso rendimento unito alle dimensioni ormai incompatibili con la compattezza delle attuali apparecchiature ne ha decretato la scomparsa anche da quella che, per ragioni di sicurezza, sembrava essere rimasta una nicchia impenetrabile alla modernità. In questo trend segnato da un viraggio sempre più completo verso lo stato solido, giocano un ruolo importante gli isolatori Cmos, come alternativa più performante rispetto a trasformatori e optocoupler. Questi isolatori offrono infatti una protezione che soddisfa pienamente i requisiti della IEC60601-1, norma di riferimento per la sicurezza elettrica delle apparecchiature elettromedicali, in materia di isolamento rinforzato, con importanti vantaggi in termini dimensionali e di possibilità di integrazione. Usati negli stadi di ingresso di elettrocardiografi e come sensori di corrente con isolamento galvanico in alimentatori, presentano un Mttf (Mean Time To Failure) dieci volte più alto di quello degli isolatori ottici.

Il ruolo dei Mems nel medicale
Alla American Diabetes Association 70th Scientific Sessions tenutasi a Orlando dal 25 al 29 giugno, Debiotech ha presentato la versione definitiva della micropompa per la somministrazione di insulina sviluppata in collaborazione con STMicroelectronics ed esempio della più avanzata tecnologia Mems. A due passi dall'approvazione Fda, il dispositivo può essere indossato a fil di pelle come un cerotto e può infondere 4,5 ml di insulina, pari al fabbisogno per un trattamento di 6 giorni. Grazie alla straordinaria flessibilità delle prestazioni fluidiche e alle funzioni di controllo e di protezione, la pompa è in grado di fornire un dosaggio ottimizzato, realizzando un'infusione continua e commisurata alle reali necessità del momento, molto simile a quanto avviene per via naturale. Presentata come un dispositivo usa e getta, la Jewel Pump (così è stata denominata) potrà giovarsi delle economie di scala dei processi produttivi in grandi volumi tipiche dei semiconduttori e quindi offrirsi a pazienti e strutture sanitarie come una soluzione economicamente vantaggiosa rispetto alle attuali.

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