Capitolo 1
Smart Wearable Systems
1.1 I vantaggi di una tecnologia indossabile
Negli ultimi anni si ` e assistito, su scala mondiale, ad un notevole incremento nella ricerca e nello sviluppo di sistemi indossabili intelligenti ( smart wearable systems ) atti a rendere il pi` u possibile fruibile e meno invasiva la tecnologia al servizio dell’utente. In poche parole, come spesso si dice, pi` u “user-friendly”.
Tutto ci` o ` e stato reso possibile dagli enormi avanzamenti compiuti nei campi delle scienze dei materiali, dello sviluppo di nuovi polimeri, delle telecomunica- zioni e, in ambito elettronico, della miniaturizzazione e delle nanotecnologie [1].
In particolare l’attenzione della comunit` a scientifica internazionale si ` e rivolta con decisione alle innumerevoli applicazioni in campo biomedico che tali siste- mi offrono, tanto da far s`ı che la IEEE EMB Society istituisse una commissione tecnica sui sistemi e i sensori biomedici indossabili (TC on WBS) e, a livello Europeo, il programma di ricerca e sviluppo della Information Society Techno- logies (IST) favorisse l’instaurarsi di una vera e propria comunit` a dedicata allo sviluppo di soluzioni innovative nell’ambito dei sistemi biomedici indossabili.
I motivi di tanto interesse sono facilmente intuibili. Innanzitutto, lo svilup-
po di sistemi di monitoraggio indossabili (wearable health systems) potrebbe
1.1 I vantaggi di una tecnologia indossabile
fruibile il servizio in ogni luogo e da ogni cittadino, abbattendo i costi di ospe- dalizzazione e di mantenimento delle infrastrutture almeno per quadri clinici non preoccupanti. Inoltre la possibilit` a di monitorare il paziente per periodi di tempo pi` u lunghi e durante lo svolgimento delle normali attivit` a, costitui- sce un nodo cruciale per quanto riguarda il trattamento di malattie croniche e per l’individuazione di malattie che derivano da anomalie silenti, i cui even- ti sintomatici si presentano con cadenza molto lunga rispetto alla durata di una visita ospedaliera. Si pensi soprattutto alle malattie cardiovascolari, che rappresentano il principale fattore di mortalit` a in Europa tra i maschi sopra i 45 anni e le femmine sopra i 65 [2], per le quali la tempestivit` a nell’indivi- duazione di certe patologie ` e determinante ai fini dell’evoluzione delle stesse.
Per queste malattie esistono soluzioni di monitoraggio, quali l’ECG Holter, che hanno fino ad ora svolto la propria funzione nei limiti di un ingombro e di un invasivit` a che non permettono al paziente sotto indagine di svolgere le normali attivit` a quotidiane. La possibilit` a, in questo caso, di ottenere un insieme pi` u consistente di parametri vitali (oltre al tracciato elettrocardiografico) da un set di sensori integrati nel tessuto fornisce al medico uno strumento pi` u efficace, almeno in termini di un primo screening, per la diagnosi di patologie a carico del sistema cardiovascolare.
Dunque, oltre alla maggior sensibilit` a del test, il monitoraggio dei para-
metri clinici attraverso sistemi indossabili consente di spostare il target della
spesa sanitaria dal trattamento alla prevenzione vera e propria della malattia,
o quantomeno dell’insorgere della fase acuta della stessa, con un evidente be-
neficio in salute per il paziente ed in termini economici per il servizio sanitario
nazionale. Infine l’integrazione di sensori e circuiti elettronici nelle fibre tessili
rappresenta evidentemente un enorme vantaggio se si tiene conto del fatto che
circa il 90% della nostra pelle ` e a contatto con i tessuti che dunque possono,
a pieno diritto, assurgere al ruolo di interfaccia per eccellenza con il nostro
corpo, anche per la loro comodit` a e capacit` a di conformarvisi.
1.2 Stato dell’arte
1.2 Stato dell’arte
Molti laboratori di ricerca e aziende hanno sviluppato sistemi wearable. Di seguito vengono descritti, a titolo di esempio, alcuni di questi sistemi, per dare un quadro generale dell’ambito in cui il presente lavori di tesi si v` a ad inserire.
1.2.1 Mamagoose pajama
La belga Verhaert ha proposto il Mamagoose pajama, un pigiama per bam- bini dotato di una coppia di sensori di elongazione di tipo capacitivo per la rilevazione degli atti respiratori e di 3 elettrodi per la misura dei potenziali elettrici cardiaci. L’indumento, costituito da materiali tessili anallergici e lava- bili, ` e appositamente studiato mantenere i sensori nella corretta posizione una volta indossato. Esternamente ` e corredato da un box elettronico contenete un microprocessore,un’unit` a di memoria ed un vano batterie [4].
Il dispositivo ha come obbiettivo quello di prevenire la sindrome della morte in culla (Sudden Infant Death Syndrome), ossia la morte improvvisa e inaspet- tata di un lattante, apparentemente sano, che resta inspiegata anche dopo l’effettuazione di esami post-mortem. Il processore si occupa di monitorare la respirazione e il battito cardiaco e di intervenire, in caso di riconoscimento di potenziale SIDS in corso, con un allarme acustico e con l’immagazzinamento dei dati immediatamente prima e dopo l’evento, consentendo ai medici di avere dati clinici da poter utilizzare per tentare di comprendere a fondo quali sia- no i meccanismi, ed eventualmente i fattori, che caratterizzano questo tipo di sindrome.
1.2.2 LifeShirt System
Vivometrics, invece, ha sviluppato un sistema chiamato LifeShirt System [5],
che consiste in una maglietta che integra nel tessuto un insieme di fili condutto-
1.2 Stato dell’arte
Figura 1.1: Mamagoose pajama
Figura 1.2: Il LifeShirt System
induttivo mobile. Una corrente continua a basso voltaggio viene fatta passare attraverso le spire per monitorare il pattern respiratorio. Il paziente, infatti, espandendo e contraendo la cassa toracica durante la respirazione, modifica l’autoinduttanza delle spire ed ` e dunque possibile misurare un segnale oscil- lante strettamente legato a queste variazioni volumetriche e da esse ricostruire l’atto respiratorio.
Oltre a questo il LifeShirt consente di acquisire il ritmo cardiaco attraverso
un ECG a singolo canale e di ricostruire la postura e il tipo di attivit` a fisica
mediante l’uso di accelerometri triassiali. I dati raccolti sono convogliati ad
un’ unit` a centrale simile ad un PDA, che li immagazzina in una memoria flash,
e che consente anche all’utente di annotare eventuali sintomi manifestati in
un particolare momento e di creare, perci` o, un vero e proprio diario personale,
che permette al medico di correlare le sensazioni soggettive riferite dal paziente
con dati e parametri effettivamente rilevati, attraverso l’uso di appositi software
sviluppati dalla vivometrics.
1.3 Sviluppi futuri
1.3 Sviluppi futuri
1.3.1 I Polimeri Elettroattivi
La maggior parte delle soluzioni sviluppate in questi anni, alcune delle quali presentate in questo scritto, sono comunque volte all’inserimento di dispositivi elettronici convenzionali all’interno dei tessuti. Ultimamente si st` a concretiz- zando la possibilit` a di rivoluzionare completamente il mondo del wearable, e pi` u in generale dell’elettronica, tramite l’uso di materiale organico e, in particolar modo, di quelli che vengono chiamati Polimeri Elettroattivi (EAPs) [3].
In termini stringenti sono definiti EAPs quei materiali organici capaci di rispondere a stimoli elettrici con una variazione di forma e/o dimensione. Que- sta caratteristica ne ha reso possibile l’utilizzo come attuatori per lo sviluppo di muscoli artificiali. Si ` e visto, per` o, che questi materiali possono anche es- sere utilizzati come sensori, come componenti elettronici o come sorgenti di alimentazione per la loro buona capacit` a di immagazzinare/fornire energia.
Insomma, presentano tutte le caratteristiche necessarie per poter implemen-
tare nuovi dispositivi basati su di essi. Allo stesso tempo, ed ` e questo che li
rende particolarmente interessanti, hanno caratteristiche passive, come la loro
flessibilit` a meccanica e la loro facilit` a di lavorazione, che confrontate con quelle
dei comuni materiali inorganici usati fino ad oggi, aprono una nuova frontiera
allo sviluppo e alla progettazione di sistemi indossabili di monitoraggio della
salute. Tali materiali infatti possono essere facilmente lavorati in forma di fi-
bra, rendendoli particolarmente confortevoli rispetto ai sensori, agli attuatori
ed ai dispositivi elettronici a semiconduttore. Anche da un punto di vista del
cablaggio e della trasmissione dell’informazione sono allo studio diversi mate-
riali polimerici che in conseguenza di drogaggi chimici possono incrementare
notevolmente la loro conduttivit` a, rendendoli fruibili come materiali conduttori
per realizzare le interconnessioni tra i componenti di un sistema wearable. Tra
questi vale la pena citare i polimeri PAni e PPy.
1.3 Sviluppi futuri
Figura 1.3: Micrografia del silk organza
prodotto tessuti arricchiti, per scopi ornamentali, da filamenti di argento, oro ed altri metalli. Una particolare matrice di tessuto di questo tipo ` e mostrata in figura 1.3 dove si vede come, ad un insieme di pure fibre di seta, ne sia alternato un altro nella direzione ortogonale, composto da fibre di seta intrec- ciate a un foglio di rame. Una simile struttura, successivamente rivestita di materiale isolante, per evitare che le fibre si cortocircuitino in conseguenza di una pressione esercitata sul tessuto, pu` o costituire di fatto un bus indossabile, nel quale ogni singola fibra pu` o essere indirizzabile. Non solo, si possono an- che realizzare tessuti risultanti dalla mescola di fibre conduttive e non, in cui, variando la percentuale di composizione, si possono facilmente ottenere resisti- vit` a differenti e comportamenti capacitivi e, in virt` u dello spazio che intercorre tra di esse, si possono saldare componenti elettronici e sensori per integrare nell’abito il sistema elettronico nel suo insieme [6].
1.3.2 Il progetto WEALTHY
Nell’ottica di un’integrazione vera e propria dei sensori nelle fibre che compon-
gono i tessuti, ` e stato sviluppato dal Centro Interdipartimentale E.Piaggio, in
collaborazione con Smartex, e con l’Istituto Scientifico Universitario San Raf-
faele di Milano, il dispositivo WEALTHY che consiste di un indumento in cui
sono distinguibili zone a diversa capacit` a sensoriale per il monitoraggio con-
tinuo di molti parametri vitali [7]. Il target applicativo ` e quello dei pazienti
con problemi cardiaci di media complessit` a, che non necessitano di monitorag-
gio intensivo in apposite strutture ospedaliere, oppure soggetti che lavorano in
1.3 Sviluppi futuri
Figura 1.4: Il dispositivo indossabile WEALTHY
condizioni di forte stress ambientale.
Il sistema si compone di differenti moduli funzionali: l’interfaccia sensoriale e la Portable Patient Unit (PPU), a sua volta comprendente i blocchi di condi- zionamento del segnale, di signal processing e di trasmissione GPRS secondo il protocollo TCP/IP. L’interfaccia sensoriale si compone di: elettrodi in tessuto per la misura dei biopotenziali (ECG), ottenuti intrecciando 2 filamenti di ac- ciaio inossidabile attorno ad una fibra tessile viscosa (Elit` e by Lineapi` u Spa, Italy); zone di tessuto piezoresistivo, realizzato con lycra avvolta da una gomma in carbonio e fibre elettroconduttive, che, agendo da strain-gauge, diventano sensori pletismografici; Altri 4 elettrodi in posizione toracica, per la misura dell’attivit` a respiratoria attraverso la Pletismografia impedenziometrica
1. La PPU, invece, si occupa del processamento del segnale. In particolare essa cam- piona a 250 Hz il segnale ECG e, attraverso algoritmi interni, ricostruisce il ritmo cardiaco (heart rate) e la durata del complesso QRS; successivamente es- sa trasmette via GPRS il segnale campionato ottenuto dopo una decimazione a 100 Hz . I segnali ottenuti dal monitoraggio e dal movimento,invece, vengono campionati a 16 Hz e trasmessi senza alcun processamento locale.
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In questo tipo di misura viene iniettata una corrente di 3 mA picco-picco ad alta fre-
quenza (50 KHZ) tramite i due elettrodi esterni e, con gli altri due elettrodi, viene misurata
la variazione di tensione che ` e strettamente correlata con il volume di aria spostata
1.4 Limiti dei sistemi esistenti
1.4 Limiti dei sistemi esistenti
Come visto, molti sono i sistemi che sono stati sviluppati sino ad oggi in ambito wearable e portable, volti ad offrire un costante strumento di monitoraggio per il personale medico. E’ indubbio che avere a disposizione sistemi di acquisizio- ne multimodale consente di arricchire enormemente il contenuto informativo a disposizione del personale qualificato. In generale, ogni tipo di indagine diagno- stica porta inevitabilmente con s` e delle problematiche, legate ad una specificit` a e sensibilit` a
2mai del 100%. L’utilizzo di pi` u indagini diagnostiche contempo- raneamente, permette una correlazione di dati che riduce molto le possibilit` a di errore legate ad una sbagliata classificazione del soggetto in esame. Il limite, per` o, di tutti i dispositivi sin qui presentati, ` e quello di affidarsi a pi` u sensori di natura diversa per la rilevazione dello stato dell’apparato cardiocircolato- rio del paziente in esame. Questo porta ad evidenti svantaggi, sia in termini di ingombro, che di costo. Appare evidente, infatti, come sia pi` u semplice, a livello produttivo, prevedere una tipologia unica di sensore da integrare nei tessuti e come questo approccio ridurrebbe molto anche l’impatto che un simile dispositivo pu` o avere sul paziente, rendendolo di fatto minimamente invasivo.
Per rispondere a questa esigenza ` e stato sviluppato dal Centro Interdiparti- mentale E.Piaggio un sistema che, attraverso l’utilizzo di un unico sensore che lavora in modo multimodale, monitorizzi alcuni parametri vitali, acquisendo segnali su un ampia banda di frequenze. In particolare, come sar` a chiarito meglio in seguito, sono previsti due range di utilizzo. Nelle basse frequenze vengono acquisiti il pattern respiratorio e i rumori della cavit` a cardiaca. I primi sono rilevabili attraverso la compressione prodotta, sul sensore, dal mo- vimento della cassa toracica durante la respirazione ; i secondi, invece, vengono acquisiti sfruttando il materiale come sensore acustico. Nelle alte frequenze il sensore viene utilizzato per inviare e ricevere echi ultrasonici alla frequenza di ' 2.5 MHz per l’indagine della parete cardiaca [8]. In quest’ottica il dispositivo nel suo insieme dovrebbe necessariamente avere la capacit` a di far lavorare il
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