Il monitoraggio dei segni vitali

ELETTROMEDICALE –

Il concetto di monitoraggio dei segni vitali sta assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ogni giorno, sia legato alla cura della salute, al raggiungimento di una buona forma fisica o al lavoro quotidiano.

I progressi in campo sanitario stanno cambiando il modo in cui la gente riceve le cure mediche. Un tempo appannaggio di ospedali, cliniche e studi medici, oggi sempre più si sta migrando verso una gestione domestica della degenza e delle cure. Le motivazioni sono molteplici. L'aumento dell'età media della popolazione comporta la necessità di somministrare cure mediche continue a un numero sempre più elevato di pazienti anziani; l'adozione di stili di vita non corretti porta a scompensi e malattie croniche come diabete, ipertensione, malattie polmonari, obesità. Tutto ciò pone pressione sul servizio sanitario nazionale che ha necessità di ridurre la spesa ottimizzando le cure dispensate, per cui si rende necessario valutare metodi alternativi per aiutare i pazienti. La degenza in ospedale è sicuramente una voce di spesa significativa e pertanto lo sforzo è nella direzione di ridurla al minimo indispensabile ricorrendo a forme di assistenza domiciliare. Grazie all'innovazione tecnologica il paziente può continuare i trattamenti e il monitoraggio in sicurezza in un ambiente più confortevole come le mura di casa. È da qui che nasce il concetto di “Home Health Monitoring”, sviluppato dapprincipio tra le mura domestiche, ma, con il progredire delle tecnologie cosiddette wearable, di fatto segue l'individuo ovunque si trovi nell'arco della giornata. Un modello di questo tipo è sostenibile grazie all'innovazione tecnologica, che concorre con diversi fattori. Il primo passo è la disponibilità di dispositivi in grado di monitorare i segni vitali con sicurezza e in accordo agli standard sanitari. È poi importante poter condividere i dati raccolti in modo rapido ed efficace, e questo è possibile grazie alle tecnologie wireless e a una infrastruttura di telecomunicazioni a cui si può essere connessi continuamente, indipendentemente dal luogo in cui ci si trova. Il monitoraggio dei segni vitali, di fondamentale importanza nella pratica medica, assume in realtà interesse anche per altri mercati, che ne stanno valutando le potenzialità e l'adozione. Il “Fitness” ad esempio, ovvero uno stile di vita sano legato allo svolgimento di attività fisica. Le nuove tecnologie consentono di verificare il livello di attività svolto e la qualità. Salendo di un grado troviamo lo sport agonistico. L'automotive è un altro mercato che può trarre beneficio, monitorando lo stato del guidatore al fine di prevenire situazioni di rischio che potrebbero insorgere a causa di una condizione fisica non perfetta, dovuta a stress, stanchezza, livello alcolico, malessere. Anche in ambito militare è facile immaginare una moltitudine di situazioni in cui il monitoraggio dei segni vitali può essere fondamentale. Il posto di lavoro offre pure delle opportunità, non solo per quanto riguarda il monitoraggio in ambienti ostili, ma anche ad esempio nell'ambito di programmi di assistenza sanitaria a livello corporate. Merita anche una citazione la veterinaria, che ben si presta all'adozione di alcune di queste tecnologie per il monitoraggio degli allevamenti.

Tecnologie al servizio
della sorveglianza sanitaria domestica


Il monitoraggio dei segni vitali all'interno delle mura domestiche ha in verità una lunga storia, anche se limitato a pochi strumenti essenziali. Il termometro innanzitutto, per misurare la temperatura corporea, come anche la bilancia per il controllo del peso. Presente in molte case è anche uno strumento per la misura della pressione del sangue. Infine, con il diffondersi di malattie croniche come il diabete, sono molto diffusi anche apparecchi per la misura della concentrazione di glucosio nel sangue. Ovviamente la misura di questi parametri vitali importanti è sufficiente a garantire un monitoraggio minimo, che consente il trattamento a distanza di un numero limitato di patologie. Poiché vi è la necessità di allargare il ventaglio dei trattamenti domestici è necessario aggiungere altri parametri, ovvero le misurazioni cardiache, la respirazione, il livello di saturazione dell'ossigeno nel sangue (SpO2), il movimento e l'attività fisica in generale, giusto per citarne alcune. Lo sviluppo di queste apparecchiature, specialmente quelle che forniscono un monitoraggio continuo, pone diverse sfide. Innanzitutto devono essere in grado di soddisfare gli standard medicali, cosa che richiede una elevata capacità di elaborazione del segnale. È necessario poi che siano recepiti correttamente dall'utente, ovvero che non siano intrusivi e si integrino al meglio col suo stile di vita. Ciò vuol dire che deve essere possibile indossarli pur conservando libertà di movimento. Da qui la necessità di disporre di componentistica compatta, a basso consumo, alimentabile a batteria, e connessa in tecnologia wireless a un nodo di comunicazione che consenta il trasferimento dei dati in remoto. Realizzare simili strumenti richiede uno spettro di conoscenze vasto, e il successo può essere garantito solo tramite una stretta collaborazione tra il produttore e il fornitore di tecnologia. Analog Devices ha una storia pluriennale in ambito medicale; annovera prodotti e tecnologie in grado di affrontare e risolvere le sfide poste dal monitoraggio dei segni vitali, e si propone come partner tecnologico ai principali player del mercato Healthcare. Vedremo di seguito alcuni esempi di dispositivi di recente introduzione, rivolti al mercato del monitoraggio dei segni vitali, mettendone in rilievo le caratteristiche principali.

Un chip per le misure
impedenziometriche


Parlando di misure impedenziometriche la mente salta subito alle bilance di nuova generazione, in grado di dare una stima della massa grassa e della massa magra. In verità la misura di molti parametri vitali può essere ricondotta alla misura di impedenza. L'ADuCM350 è un meter on chip ottimizzato per applicazioni medicali. È stato concepito come una piattaforma scalabile, per poter coprire una vasta gamma di prodotti, a partire dall'apparecchio a basso costo a singolo chip, fino ad arrivare a coprire le necessità di uno strumento da laboratorio. A grandi linee è composto da un front end analogico di precisione, in grado di interfacciare diversi tipi di sensori analogici, un microcontrollore Cortex M3, ed una serie di periferiche che consentono la massima flessibilità del sistema. Il livello di integrazione elevato consente la realizzazione di sistemi compatti e minimamente invasivi. Particolare attenzione è stata posta alla gestione della potenza, in modo da poter implementare sistemi alimentati da una batteria singola a bottone.
I sensori a variazione di impedenza sono del genere passivo e richiedono una qualche forma di eccitazione. Generalmente si fornisce una tensione, di ampiezza e frequenza nota, e se ne misura la risposta in corrente. Ampiezza e fase variano sulla base della grandezza che si vuole osservare e pertanto devono essere acquisiti con la massima accuratezza possibile affinché se ne possa ricavare una misura attendibile. La linea di acquisizione è dotata di una catena di elaborazione analogica del segnale che provvede all'amplificazione del segnale e agli opportuni filtraggi. Il segnale amplificato e filtrato viene quindi inviato ad un convertitore analogico-digitale a elevata risoluzione, pari a 16 bit. Parte dell'elaborazione digitale del segnale viene effettuata da blocchi di acceleratori hardware, in grado di effettuare operazioni di filtraggio digitale e di conversione tramite trasformata di Fourier. Gli acceleratori HW consentono di risparmiare risorse computazionali al microcontrollore di sistema che avrà più tempo da dedicare alla gestione delle periferiche e al trasferimento dei dati, con benefici in termini di velocità di esecuzione e riduzione dei consumi di potenza. Il frontend analogico è dotato di un generatore di forme d'onda programmabile per creare il segnale di eccitazione adeguato al sensore utilizzato e di una matrice di commutazione per la realizzazione di sistemi multisensore. L'estrema flessibilità della rete di eccitazione consente di ottimizzare l'impiego del sensore in questione. Completano la sezione analogica un generatore di tensione di riferimento ad elevata stabilità e precisione e un sensore di temperatura, che può essere utilizzato per effettuare delle compensazioni. Il sistema è dotato di un vasto numero di periferiche che conferiscono massima flessibilità. È possibile interfacciare sensori attivi, o cosiddetti smart, ovvero che integrano al loro interno dell'intelligenza e sono quindi in grado di comunicare digitalmente. A livello di interfaccia utente è possibile gestire direttamente tastiere di tipo capacitivo, comandi audio, e comandare un display per inviare messaggi visivi. Il dispositivo supporta anche la connessione Usb. Molteplici sono le applicazioni che si possono realizzare con questo dispositivo, riconducibili a misure di grandezze fisiologiche, biologiche e reazioni chimiche.

Le misurazioni cardiache

Le misurazioni cardiache, ovvero frequenza del battito ed elettrocardiogramma, possono essere richieste per gestire al meglio una malattia, in relazione a programmi di riabilitazione o semplicemente nella verifica dell'esecuzione corretta di attività fisica. Quando le motivazioni sono strettamente mediche, l'apparecchio deve essere dotato di certificazione e ciò richiede un certo livello di prestazioni. Analog Devices ha nel proprio portafoglio prodotti come l'ADAS1000-3, un frontend analogico per Ecg a 3 sonde, con prestazioni tali da poter ottenere una certificazione e nel contempo soddisfare i requisiti di compattezza, basso consumo e portabilità dei sistemi domestici. Il monitoraggio cardiaco nell'attività sportiva o di fitness ha peculiarità differenti, e generalmente si limita alla misura della frequenza del battito cardiaco. L'AD8232 è un altro front end analogico con la funzione di heart rate monitor, in grado di acquisire segnali elettrici di origine biologica mantenendo un basso consumo di potenza. Pensato per chi effettua sport presenta una serie di caratteristiche che lo rendono adatto per l'applicazione. Il dispositivo è in grado di riconoscere la disconnessione di un elettrodo, è dotato di fast restore, utile per minimizzare i tempi morti, e una architetture flessibile che consente la configurazione di filtri esterni per ridurre l'effetto degli artifatti dovuti al movimenti.

Sensori Mems e movimento

I dispositivi che misurano il movimento stanno assumendo sempre maggiore importanza. Possono essere impiegati per misurare la respirazione oppure monitorare i movimenti di malati con ridotta capacità di deambulazione. Un impiego tipico è nel rilevamento delle cadute. Benché non abbiano utilità nella prevenzione, sapere che un ammalato è caduto consente di intervenire tempestivamente, evitando le conseguenze di un intervento tardivo.
Anche nella pratica sportiva i sensori di movimento hanno importanza, ad esempio mettendo in rilievo posture e atteggiamenti non corretti; negli sport estremi infine è possibile che si subiscano dei traumi, e gli stessi sensori sono in grado di fornire una misura dell'entità del colpo. L'ADXL362 è un accelerometro 3-assi con uscita digitale ideale per rilevare le cadute. Caratterizzato da un livello di consumo significativamente più basso tra i dispositivi disponibili in commercio, integra funzionalità aggiuntive che consentono di ridurre il consumo anche a livello di sistema. È possibile quindi realizzare dei sensori di caduta alimentati a batteria, operanti in continuo e con un tempo di vita significativamente lungo, cosa che evita la sostituzione frequente del sensore. L'ADXL377 è un accelerometro tre assi con 200 g di fondoscala ed è utilizzato come sensore di urto. Un impiego tipico è all'interno del casco di protezione degli sportivi e fornisce una prima misura della gravità di un eventuale trauma cranico. Anche in questo caso non ha valore preventivo; tuttavia un sensore di questo genere consentirebbe di realizzare una struttura all'interno del casco simile a quella dell'airbag di un'automobile aggiungendo un ulteriore livello di protezione alla testa dell'atleta. Come abbiamo visto il concetto di monitoraggio dei segni vitali sta assumendo un ruolo sempre più importante nella vita di ogni giorno, sia esso legato alla cura della nostra salute, al raggiungimento di una buona forma fisica o al lavoro quotidiano. Analog Devices, leader tecnologico nell'industria dei semiconduttori, è al servizio di questo mercato avendo già introdotto un certo numero di dispositivi elettronici che servono diverse applicazioni. La ricerca tecnologica continua, forte di cospicui investimenti, in modo da portare sul mercato prodotti tecnologicamente avanzati al servizio dei progettisti di dispositivi per la cura del nostro benessere.

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