Wireless a radiofrequenza per nuovi dispositivi medicali

MEDICALE –

I dispositivi medicali dotati di connettività wireless offrono un maggiore comfort per i pazienti e nuove possibilità di monitoraggio. Imec e l’Holst Centre hanno sviluppato chip che consentono di ottenere consumi di potenza più bassi nei dispositivi medicali.

Il wireless é ovunque. Basta pensare al vostro laptop con connettività internet wireless, al vostro lettore Mp3 e al vostro cellulare. Nello stesso modo in cui questa tendenza ha riplasmato la vita professionale e privata delle persone, impatterà sulla loro vita come pazienti.

Test wireless sul sonno e abiti intelligenti
Un'applicazione affascinante è costituita dal nodo sensore wireless. I sensori sono in grado di misurare una moltitudine di parametri vitali: battito cardiaco, onde cerebrali, temperatura corporea, pressione sanguigna, ecc. Oggi, i sensori corporei sono usati ad esempio nelle unità di cura intensiva per monitorare i pazienti critici e per allertare i dottori in caso di deviazione dei parametri monitorati. In questo caso particolare, i cavi che collegano i sensori al computer non costituiscono realmente un problema. Ma immaginate come i nodi sensore wireless potrebbero cambiare la vita dei pazienti ambulatoriali, dentro e fuori dall'ospedale. Negli attuali test di monitoraggio del sonno, ad esempio, i pazienti indossano i sensori, i quali sono connessi ad un computer con una moltitudine di fili. Questo ostacola considerevolmente il comfort del paziente. L'anno scorso, l'istituto di ricerca Imec e l'Holst Centre hanno sviluppato un sistema di monitoraggio wireless in cui il paziente indossa una benda frontale con cinque sensori integrati, i quali forniscono tutte le informazioni necessarie per condurre efficacemente un test del sonno.

In primo luogo, questo sviluppo migliora il test del sonno all'interno degli ospedali, dato che il paziente lo troverà più comodo e non si presenteranno artefatti legati alla presenza di cavi. I test condotti presso il centro di competenza per i disturbi del sonno di Kempenhaeghe, in Olanda, hanno mostrato che il sistema di monitoraggio wireless è altrettanto valido del sistema di monitoraggio cablato. Nel lontano futuro, si potrebbe pensare di rivolgersi al medico generico per ottenere una cuffia per il test del sonno e di effettuare il test a domicilio. I risultati potranno quindi essere analizzati da remoto da un professionista dei disturbi del sonno, senza che ci sia bisogno di passare la notte in un ospedale. Una volta che i nodi sensori wireless saranno comunemente diffusi, sorgerà una moltitudine di nuove applicazioni. I nodi sensore possono essere integrati all'interno di lenzuola, sedili di autovetture o carrozzine, oppure negli abiti. Immaginate ad esempio un berretto da baseball con sensori Eeg integrati, che misurano continuamente l'attività del cervello di un paziente affetto da epilessia. O una maglietta, che monitora di giorno in giorno i dati relativi all'elettrocardiogramma di un paziente cardiopatico.
Per realizzare la visione illustrata, sono ancora necessari molti sforzi di ricerca e sviluppo. Uno degli ostacoli è dato dal consumo di potenza dei nodi sensore wireless. Dato che non sono collegati alla rete elettrica, è necessaria una batteria. Questa batteria dovrebbe essere il più possibile piccola per sistemi miniaturizzati, come i nodi sensore che devono poter essere integrati negli abiti. Se le piccole dimensioni non costituiscono una priorità, il consumo di potenza ridotto consente di ottenere un'autonomia prolungata o ulteriori funzionalità. L'aspetto relativo alla maggiore autonomia è ad esempio indispensabile per i nodi sensore impiantati.

Un cardiologo all'interno di una cintura
Prendete ad esempio la cintura Ecg che è stata sviluppata da Imec e dall'Holst Centre. È indossata proprio come le cinture per il monitoraggio cardiaco usate dagli atleti. Anziché semplicemente rilevare il battito cardiaco, essa può registrare e trasmettere un elettrocardiogramma completo. Questo può essere molto maneggevole per gli atleti affetti da un disturbo cardiaco o in situazioni all'aperto, come è stato mostrato nei test condotti durante la Maratona Di Bruxelles. La sfida oggi consiste nel miniaturizzare questo sistema e nell'ottenere l'autonomia necessaria, che in relazione alle applicazioni va da giorni a settimane ad un tempo indefinito. La visione in ultima analisi consiste nell'integrare questo cardiologo elettronico in una piccola scatola che può essere agganciata a una cintura o ancora meglio integrata in una maglietta.

Analisi sul consumo di potenza  - Il budget di potenza del nodo sensore Ecg è stato analizzato esaminando individualmente i blocchi costitutivi del sensore: l'unità di misura e di lettura, la radio per le comunicazioni wireless, il processore dei segnali digitali e l'unità di alimentazione. A partire da queste misure era chiaro che il maggiore responsabile dei consumi di potenza era il chip a radiofrequenza, il quale è preposto alla trasmissione wireless dei dati del sensore. Tipicamente, la funzionalità wireless consuma dal 50 all'85% del budget di potenza totale. Che cosa fate quando scoprite che il vostro apparecchio Tv è responsabile dei costi maggiori sulla vostra bolletta energetica? Acquistate una Tv a LED ad alta efficienza energetica o guardate meno Tv. I ricercatori di IMEC e dell'Holst Centre hanno usato una strategia simile per il componente a radiofrequenza del nodo sensore.

Sviluppo di una radio a consumi ultra-bassi - Imec e l'Holst Centre hanno sviluppato numerose radio a consumi ultra bassi, ciascuna adatta per domini applicativi diversi. Qui sotto, sono descritte le tre architetture radio, che spaziano da soluzioni da alta a bassa capacità di trasmissione dati. Il primo sviluppo di una radio Ulp (ultrawideband basata su impulsi) è una combinazione unica di bassi consumi e di velocità di trasmissione dati intermedie (100 kbps - 20 Mbps). Questo è adatto per esempio per applicazioni in cui i dati dei sensori sono combinati con flussi di dati multimediali (ad es. l'audio). Pensate ad una cintura che misura il ritmo dei battiti cardiaci, la quale comunica con un lettore mp3 (nel caso tipico del jogging, in cui un ritmo cardiaco elevato produce una musica meno ritmica); o un apparecchio per l'udito che comunica in modo wireless con un lettore mp3. Se la radio Ulp Uwb è incorporata nella cintura, con l'apparecchio per l'udito e il lettore mp3, il consumo di potenza sarà meno di circa 5 mW con una resistenza all'interferenza eccellente. Questo è inferiore di circa 5 volte rispetto al caso in cui sia usata una radio commerciale a basso consumo per simili velocità intermedie di trasmissione dati. La radio Uwb opera all'interno della banda radio da 6-10 GHz. Essa presenta meno problemi di interferenza rispetto alla tecnologia concorrente Bluetooth, la quale opera nella banda affollata ISM attorno a 2,45 GHz. La radio Uwb offre un altro vantaggio unico sotto forma di localizzazione. Essendo il segnale radio molto ampio, la localizzazione del dispositivo può essere determinata in un modo simile al funzionamento di un radar. La capacità di localizzare il vostro dispositivo senza infrastrutture o triangolazioni (il che significa che avreste bisogno di almeno tre dispositivi per ottenere una posizione accurata) é una caratteristica unica per molti scenari applicativi. Una localizzazione di questo tipo può essere gestita oggi in situazioni al chiuso solo con l'uso di più tecnologie. In secondo luogo, esiste la radio Ban a banda stretta, che è adatta per velocità di trasmissione dati ridotte (64, 128, 256, 512, 1024kbps), ma con un consumo di potenza ancora più basso. Essa è ottimizzata per nodi sensore che sono indossati sul corpo. A 1 Mb/s presenta un consumo di potenza del ricevitore di 1 mW e un consumo di potenza in trasmissione di 0,9 mW senza duty cycle. Si tratta di consumi di potenza da 10 a 100 volte inferiori rispetto a ZigBee ed altre alternative. La soluzione opera nella banda ISM attorno a 2,4 GHz o nella banda UHF a radiofrequenza da 850-950 MHz. In terzo luogo, la radio sveglia è stata sviluppata per velocità di trasmissione dati molto basse e presenta consumi di potenza ultra ridotti (60 µW in funzionamento continuo). Questa radio può essere posta in parallelo alla radio convenzionale, per attivarla quando é necessario ricevere o trasmettere i dati. In questo modo, viene risparmiata molta potenza. Pensate solo al vostro telefono cellulare con funzionalità Bluetooth. La radio Bluetooth é continuamente alla ricerca dell'eventuale presenza di dispositivi Bluetooth nelle vicinanze e consuma molta potenza nel fare questo. Se combinaste la radio Bluetooth con la radio sveglia, quest'ultima risveglierebbe la radio Bluetooth in caso questa si debba connettere ad un altro dispositivo Bluetooth. Per applicazioni medicali, si potrebbe pensare ad un sensore impiantabile, il quale deve poter essere letto una volta ogni tanto da un medico. In questo caso, la radio sveglia risveglia la radio principale, e questa trasmette i dati verso il laptop del dottore.

Riduzione della quantità di dati che è trasmessa in modo wireless - Un'altra strategia per ridurre il consumo di potenza dei nodi sensore wireless consiste nel ridurre la quantità di dati che devono essere trasmessi in modo wireless a un dispositivo centrale posto sul corpo (una sorta di orologio) o verso un laptop. È possibile ottenere ciò effettuando alcune operazioni locali di elaborazione all'interno del nodo stesso. In questo modo, viene inviata una quantità di dati elaborati molto più piccola al posto di una quantità maggiore di dati grezzi del sensore. Un ulteriore vantaggio è che è possibile ottenere un riscontro immediato verso il paziente. Contrariamente da quanto ci si aspettava, il consumo di potenza del nodo sensore aumentava quando veniva eseguita l'elaborazione locale, inizialmente su un microcontrollore di tipo general purpose. In realtà, il consumo di potenza della radio é diminuito (perché si sono dovuti inviare meno dati), ma il consumo di potenza del microcontrollore commerciale ha inciso immensamente, dato che non era ottimizzato per questo tipo di elaborazione. Per questo motivo, Imec e l'Holst Centre hanno sviluppato un Dsp dedicato a consumi ultra-bassi per elaborare i parametri biologici come quelli Eeg, Ecg, Eog, Emg.

Un nuovo futuro con consumi ultra ridotti
In questo articolo, è stato dimostrato che il consumo di potenza dei dispositivi wireless medicali può essere ridotto drasticamente incorporando i blocchi costitutivi Ulp più adatti. Si evidenziano due strategie: l'aggiunta di una radio Ulp (Uwb, Ban o radio sveglia per velocità di trasmissione dati da medio a basse) può ridurre il consumo di potenza di un fattore 10; l'aggiunta di Dsp Ulp riduce il consumo di potenza di un fattore 10, effettuando alcune operazioni di elaborazione locale all'interno del dispositivo o del nodo sensore. Combinando entrambe le strategie (radio Ulp e Dsp Ulp) si ottiene di conseguenza un consumo ridotto di 18 volte nell'esempio di un benda Ecg. Questo ci porta di un passo più vicini a un futuro con sensori autonomi indossati sul corpo.

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