A trainare lo sviluppo delle moderne tecnologie dei semiconduttori sono state le applicazioni consumer dedicate all'intrattenimento e alle telecomunicazioni, come videogiochi, macchine fotografiche, telefoni cellulari, computer palmari e via discorrendo. Grazie a queste applicazioni l'elettronica è entrata prepotentemente nella vita delle persone. Spostando l'attenzione su altre applicazioni si è visto che in ambito “medicale consumer” l'elettronica poteva portare notevoli vantaggi per tutta quella parte di dispositivi che consentono l'autodiagnosi a supporto di cure mediche e più in generale per la cura e il benessere della persona. Gran parte dell'esperienza maturata con lo sviluppo di applicazioni consumer può essere riutilizzata nella progettazione di apparecchiature medicali domestiche di nuova generazione. Molti dispositivi a semiconduttore possono essere utilizzati direttamente, o con minimi accorgimenti, per le applicazioni medicali. Un apparato medicale ad uso personale combina queste competenze con sensori di qualità e circuiti di elaborazione del segnale ad alte prestazioni rendendo così possibile il raggiungimento di standard medicali.
La catena del segnale di un tipico strumento medicale si compone generalmente di uno o più sensori di qualità, una catena di elaborazione analogica ad alte prestazioni, un convertitore analogico/digitale e un processore per l'elaborazione digitale del segnale che, per mezzo di sofisticati algoritmi, estrae i dati di interesse dai segnali provenienti dai sensori. Oltre alle già citate funzioni, il processore di sistema deve essere in grado di gestire un'interfaccia utente, un display, una memoria permanente per la memorizzazione dei dati critici, e una linea di comunicazione con una unità centrale, nel caso specifico un'interfaccia wireless Bluetooth. Una parte fondamentale per gli apparecchi alimentati a batteria è rappresentata dai circuiti di gestione dell'alimentazione.
Il ruolo dei semiconduttori
Diamo una panoramica generale dei componenti principali di queste apparecchiature ed in seguito verrà mostrato come sono stati applicati in alcuni prodotti attualmente in commercio.
I sensori - I sistemi diagnostici attuali si basano su soluzioni integrate che effettuano il monitoraggio di campioni di sostanze di rilevanza clinica. La misura comprende un primo livello sensibile che a contatto con la sostanza campione produce una grandezza fisica o chimica misurabile con un trasduttore. Un esempio è costituito dalla misura del livello di glucosio nel sangue. La strip contiene un enzima che a contatto col glucosio dà luogo ad una reazione che libera elettroni. La misura del livello di glucosio, proporzionale al numero di elettroni liberati, viene ricondotta ad una misura di corrente. Altri trasduttori che trovano impiego in ambito medicale sono i sistemi a variazione capacitiva, con conversione diretta capacità - digitale, sistemi fotonici basati su diodi Led e fotodiodi o fototransistor, e sensori Mems, accelerometri e giroscopi, in grado di rilevare movimenti lineari e rotazionali.
La conversione analogico/digitale - I segnali provenienti dai sensori vengono inviati ad una catena di amplificazione che ha lo scopo di effettuare un primo filtraggio del segnale, per massimizzare il rapporto segnale - rumore, e rendere i livelli adeguati per la conversione analogico - digitale. Le architetture che meglio si adattano a questo tipo di applicazioni sono i convertitori ad approssimazioni successive e i convertitori Sigma-Delta. Questi convertitori hanno una banda di segnale adeguata per la quasi totalità dei sensori utilizzati in ambito medicale domestico, basso consumo, alta risoluzione ed elevata precisione. Molti convertitori odierni implementano già la catena di amplificazione e l'elettronica necessaria per l'eccitazione del sensore.
L'elaborazione digitale del segnale - L'elaborazione digitale del segnale consente di effettuare analisi sofisticate sui segnali provenienti dai sensori. Il processore, in grado di effettuare calcoli ad elevata velocità, consente di verificare la qualità dei dati e di convertirli in informazioni di immediato utilizzo da parte del paziente. Altre funzioni svolte dal processore di sistema sono la gestione dell'interfaccia utente, la comunicazione wireless o su cavo per la trasmissione remota dei dati al proprio medico curante, la diagnostica dello strumento per verificarne la corretta funzionalità. Elevate prestazioni, basso consumo e dimensioni ridotte a un costo contenuto sono caratteristiche fondamentali per questi processori. Si pensi ad esempio a un apparecchio delle dimensioni di un orologio da polso che sia in grado di rilevare segnali vitali relativi allo stato di salute e di trasmetterli via radio ad una stazione ricevente collegata con l'ospedale o con un centro di pronto intervento. La famiglia dei Dsp Blackfin risulta particolarmente indicata per queste applicazioni. Fondendo le funzionalità di un Dsp puro e di un microcontrollore risulta molto flessibile; in grado di funzionare fino a 750MHz di frequenza di core, fornisce un'ampia connettività sia wireless che su cavo, tra cui Usb, Ethernet, WiFi, Bluetooth e supporto Lcd. Inoltre la tecnologia Lockbox consente la protezione dell'IP e del codice.
Storie applicative di successo
Karmelsonix è una società israeliana pioniera nello sviluppo di apparecchiature medicali per asmatici. Tra i prodotti di recente introduzione, basati su tecnologie a semiconduttore, segnaliamo il Wholter, un sistema di monitoraggio polmonare da utilizzare durante la notte, e il Wheezometer, un dispositivo ad uso personale per la valutazione dell'asma. Wholter e Wheezometer vengono incontro alle esigenze di oltre 48 milioni di asmatici di effettuare una diagnosi personale e il trattamento farmacologico opportuno, cosa che in passato era possibile solo in ambulatorio o in ospedale. La valutazione efficace dell'asma, ovvero la determinazione basata su più variabili dell'attività del polmone, deve essere immediata e accurata per poter determinare il corretto trattamento farmacologico. In passato solo la tecnologia spirometrica, disponibile presso centri specializzati, consentiva questa valutazione, con evidenti rischi e disagi per i pazienti a casa o in viaggio. Per consentire a questi pazienti di curarsi a casa Karmelsonic ha reso possibile la valutazione accurata e attendibile della frequenza del sibilo, un indicatore significativo dell'attacco d'asma; per far ciò si è affidata all'esperienza di Analog Devices nel campo dell'elaborazione del segnale, sia analogico che digitale.Il Wheezometer usa un array di sensori piezoelettrici il cui segnale viene elaborato dall'AD8608, un amplificatore operazione quadruplo a basso rumore, convertito in digitale tramite l'AD7656, un ADC a 16 bit, 6 canali a conversione simultanea. Il segnale digitale viene poi elaborato da un Blackfin ADSP-BF524. A completare la catena c'è un voltage monitor ADM708, che assicura che tutti i circuiti lavorino con il livello di alimentazione ottimale. Grazie all'esperienza di progettazione hardware e software di Kamelsonix l'apparecchio è in grado di fornire prestazioni mediche accettabili a casa o in viaggio per consentire l'automedicamento o un supporto alla diagnosi.
Molti dispositivi medicali domestici hanno una funzione molto semplice ma determinante nella prevenzione di situazioni critiche e in alcuni casi arrivare a salvare una vita. Ad esempio negli Stati Uniti oltre 320 mila persone muoiono in un anno per arresto cardiaco improvviso, e sembrerebbe che oltre il 70% degli attacchi avviene in presenza di un familiare o conoscente stretto. In questi casi una corretta rianimazione può fare la differenza tra la vita e la morte. PocketCPR prodotta da Zoll Medical viene posta sotto la mano di una persona che pratica la rianimazione a una vittima di un attacco cardiaco. Il dispositivo misura la compressione toracica fornendo un feedback ottico e acustico al soccorritore per calibrare la compressione e la frequenza ottimali. Questo prodotto è in grado di guidare il soccorritore inesperto così come fornire un aiuto agli esperti per applicare la tecnica più opportuna. Il PocketCPR utilizza l'accelerometro ADXL311 di Analog Devices per effettuare misure precise del movimento dello strumento nella mano del soccorritore. Un altro dispositivo concettualmente semplice è il FallSaver usato con pazienti a cui non è consentito muoversi senza l'aiuto di una persona. Gli infermieri non possono controllare costantemente gli ammalati obbligati a letto. Questi possono decidersi di muoversi senza aiuto per inconsapevolezza, o semplicemente per non recare fastidio, correndo il rischio di una caduta, sia che essi siano a casa, in ospedale o in una casa di cura. Il FallSaver, delle dimensioni di un cerotto, viene applicato alla coscia del paziente, con un'autonomia di almeno due settimane, e fornisce un monitoraggio continuo dei movimenti del malato, in particolare rivelando quei movimenti che indicano il tentativo di alzarsi e camminare. In questi casi il FallSaver fa scattare un allarme e invia un segnale radio a un apparecchio ricevente che consente all'infermiere di turno di recarsi presso il letto del paziente e aiutarlo con i movimenti giusti ad alzarsi evitando cadute catastrofiche. Studi clinici hanno evidenziato quanto l'utilizzo di questo dispositivo sia effettivamente efficace nella prevenzione delle cadute. Il FallSaver utilizza gli accelerometri ADXL323, 2 assi a 3g di scala e ADXL335, stessa scala ma con 3 assi.
Oltre a questi accelerometri, la nuova generazione a3 assi, come l'ADXL345 e l'ADXL346, offre l'interfaccia digitale, maggiori funzionalità e consumo di potenza e dimensioni ridotte.
Due aspetti chiave dei dispositivi di cura personali sono la connettività e il consumo di potenza. In molte situazioni la capacità di trasmettere in sicurezza letture cliniche accurate da dispositivi diagnostici verso centri specializzati può essere vitale tanto quanto la capacità del paziente di auto curarsi. Ad esempio il tracciato di un elettrocardiogramma può essere fornito al medico sotto forma di stampa o come segnale trasmesso tramite un canale di comunicazione elettronico. Nel secondo caso l'elettrocardiografo deve essere connesso direttamente al computer, ponendo il paziente a rischio di scarica elettrica. Grazie all'isolatore USB, ADuM4160, recentemente introdotto da Analog Devices, questo rischio può essere evitato, realizzando l'isolamento galvanico tra lo strumento e il computer che acquisisce i dati, senza compromettere le funzionalità dell'intero sistema. Il front end di misura generalmente richiede una potenza di alimentazione relativamente bassa, per pilotare l'amplificatore operazionale e il convertitore A/D per l'acquisizione e la digitalizzazione dei segnali Ecg. In questo caso è possibile utilizzare l'ADuM6000, un Dc/Dc converter isolato che risolve il problema della carica delle batterie o l'eventuale sostituzione. Dispositivi di questo genere consentono la progettazione di apparecchi medicali domestici che richiedono un contatto elettrico diretto col paziente e la possibilità di una connessione Usb con un computer per la memorizzazione dei dati, l'analisi e la trasmissione a distanza dei risultati. Queste tecnologie consentono inoltre al progettista di soddisfare i requisiti fissati dalla normativa IEC60601.
