CAPITOLO I STATO DELL’ ARTE

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CAPITOLO I STATO DELL’ ARTE

Paragrafo 1.1 Introduzione

I sistemi indossabili intelligenti o Smart Wearable System(SWS), rappresentano un settore di ricerca giovane ed innovativo che può avere importanti e positive ricadute in diversi contesti. La diffusione di servizi di teleassistenza e assistenza domiciliare è un fattore in costante divenire. Si tratta di un mercato intrinsecamente in crescita date le caratteristiche sociali di invecchiamento della popolazione . Infatti, in una società in cui il maggiore tenore è accompagnato da un aumento della vita media, tali sistemi, permettendo il monitoraggio a distanza dei parametri vitali, garantendo un maggiore benessere per il paziente, che non è più costretto a recarsi in ospedale e ad interrompere le proprie attività quotidiane. Agli occhi dell’utente, un SWS non è altro che un capo di vestiario che, una volta indossato, mediante appositi collegamenti, consente di inviare i dati necessari alla diagnosi direttamente al medico, che può gestirli a distanza.

In ambito civile, la possibilità di monitorare, da postazioni remote, i parametri vitali di personale sottoposto a forte condizioni di stress consente di tenere sotto controllo il soggetto e di intervenire tempestivamente in caso di necessità. Un esempio d’effetto riguarda gli astronauti, che operano in condizioni decisamente estreme e, durante tutta la durata delle loro missioni, indossano particolari strumenti, che monitorano i loro parametri, controllati da terra da tecnici specializzati, pronti ad intervenire in caso di bisogno.

L’utilizzo di tali sistemi coinvolge tutte quelle professioni caratterizzate da situazioni di forte rischio o di forti stress. Recenti ricerche hanno evidenziato come il rischio di infarto salga dal 25% al 45%, rispetto alla normale popolazione [9], per individui che operano in condizioni di rischio per la propria incolumità: è il caso dei pompieri, dei soccorritori, dei soldati, per i quali poter monitorare i parametri fisiologici assicurerebbe la possibilità di un intervento tempestivo.

In campo sportivo il controllo dei segnali vitali, come il battito cardiaco e la frequenza respiratoria, unite al confort di un sistema indossabile si rivela decisivo ed utile durante le sedute di training. Analizzando i dati così raccolti è possibile personalizzare gli esercizi, regolando opportunamente i carichi, ed ottimizzare i risultati nel minor tempo possibile.

4 Recentemente si stanno affermando nuovi settori in cui gli SWS potranno trovare ulteriori sbocchi, pensiamo all’intrattenimento orientato alla tutela della salute. L’industria videoludica ha recentemente lanciato un prodotto che ha riscontrato un grande successo presso il pubblico (Wii-Fit Nintendo[4]). Contestualmente all’uscita di questo prodotto, altri studi come quelli condotti da Meng-Chien Yu e altri [5], hanno come oggetto migliorare la nostra salute puntando sulle abitudini quotidiane e sulla misura di alcuni semplici parametri biomedici. In questo settore grazie al basso costo degli SWS si potrà assistere nei prossimi anni un vero e proprio “Boom”.

Paragrafo 1.2 Influenza dello sviluppo tecnologico

A livello tecnologico possiamo riassumere in tre punti chiave l’innovazione del settore degli SWS. L’affermarsi di nuove tecnologie tessili, che hanno permesso l’integrazione di sensori, conduttori e componenti elettronici direttamente nel tessuto [10], [11] I vantaggi di questa integrazione sono ovvi: innanzi tutto circa il 90% della superficie epidermica può entrare in contatto con un tessuto che risulta la più “naturale” interfaccia con l’uomo. Inoltre, le fibre tessili sono flessibili, si adattano bene al corpo umano, sono relativamente poco costose ed infine possono costituire materiale “disposable”( anche usa e getta).

Lo sviluppo dell’integrazione elettronica ha consentito la riduzione delle dimensioni a vantaggio della capacità di calcolo e di archiviazione dei dati. La potenza di calcolo compie ogni anno notevoli passi in avanti. Un moderno microcontrollore è in grado di svolgere milioni di operazioni al secondo, è di dimensioni ridotte e consuma quantità di energia modeste: tutte qualità preziose in applicazioni mobili.

L’archiviazione dei dati ha subito un’accelerazione esponenziale negli ultimi tempi, grazie al diffondersi di memorie Flash in dispositivi di consumo di massa, come fotocamere e lettori MP3. L’industria elettronica ha così prodotto memorie Flash a basso costo in cui si possono immagazzinare diversi Gigabyte di dati. Per avere simili capienze qualche hanno fa bisognava ricorrere ad ingombranti registratori su nastro, oggi anacronistici!

Ultima, ma non per importanza, l’esplosione delle reti wireless, dovute alla massiccia penetrazione dei cellulari nella vita quotidiana. Le diverse modalità di trasmissione dati senza fili (wi-fi, bluetooth, GSM, ecc) hanno raggiunto velocità paragonabili alle connessioni cablate, rispondendo alle più svariate esigenze.

5 Tutte queste tecnologie sono la base su cui alcune aziende hanno sviluppato i propri prodotti e su cui molti ricercatori stanno svolgendo i propri studi per realizzare prototipi sempre più raffinati.

Paragrafo 1.3 Prodotti commerciali e prototipi avanzati

Di seguito vengono presi in considerazione i prodotti presenti in commercio e quelli ancora in fase di sviluppo da parte delle varie aziende specializzate nel settore.

Un prodotto attualmente al commercio nel settore dei SWS è la LifeShirt® della Vivometrics [12]. Essa è una sorta di canottiera dotata di alcuni sensori filiformi, la cui induttanza varia a seconda dei movimenti respiratori. I sensori sono collegati ad un apposito hardware, inserito in una tasca del tessuto, che registra i dati su memoria Flash. Sono, disponibili, opzionalmente, degli elettrodi per ECG, dei sensori che rilevano i movimenti e la temperatura, ed un pulsossimetro (da agganciare al dito): il tutto si connette allo stesso hardware di memorizzazione. I dati così raccolti vengono poi acquisiti su personal computer, rappresentati ed analizzati tramite un software proprietario.

Le principali patologie che possono essere studiate tramite questo sistema sono i disturbi respiratori, in particolare la sindrome da apnea notturna, la quale si può facilmente individuare facendo indossare la maglietta ai pazienti prima di andare a letto ed analizzandone i dati raccolti al risveglio. Hanno riscontrato particolare successo nella diagnosi di questi disturbi nei pazienti in età infantile. Il limite più evidente di questo tipo di approccio sta nell’impossibilità di analizzare i dati in tempo reale.

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Figura 1: VivoMetrics, Life shirt [1]

Un altro prodotto disponibile per monitorare i due principali segnali vitali è commercializzato dalla

Novamed [13] ed è denominato LifeSound. Si tratta di una sorta di evoluzione dello stetoscopio.

Infatti, è costituito da vari microfoni a diretto contatto con il paziente, da un sistema di raccolta ed invio dei dati e da un sistema ricevente. I suoni provenienti dai microfoni possono essere direttamente ascoltati dal medico a distanza, oppure possono essere immagazzinati su PC per una successiva analisi. Questo strumento è stato utilizzato con successo in alcuni degli esperimenti condotti dalla NASA (nelle missioni dello Space Shuttle). I punti di forza di questa apparecchiatura sono la trasmissione dei dati via radio e l’ottima qualità dei suoni raccolti. Fra i limiti più evidenti vi è la necessità che i microfoni siano posizionati correttamente ed a contatto con la pelle.

Nel novero dei prodotti commerciali dobbiamo, inoltre, considerare i cardiofrequenzimetri per uso sportivo, per i quali vi sono diverse case produttrici (Polar, Suunto, Nike, Timex), ma tutti simili nella loro struttura. E’ presente un sensore proprietario, che viene fissato tramite una fascia elastica al torace del soggetto, ed un modulo di visualizzazione dei dati, di solito integrato in un orologio da polso. Il sensore è connesso tramite tecnologie wireless al modulo di visualizzazione, e si attiva solo su richiesta, premendo un apposito pulsante, altrimenti resta in stand-by per risparmiare energia. Spesso, vi sono magliette opzionali in cui e possibile fissare la fascia che regge il sensore, ed i modelli più sofisticati sono dotati di memoria, che può immagazzinare i dati relativi alla sessione di allenamento ed analizzarli tramite appositi software. I punti di forza di questi dispositivi sono: il costo relativamente basso e la loro semplicità di utilizzo; ciò li rende molto

7 diffusi anche presso gli sportivi non professionisti. I loro limite è dato dalla poca espandibilità del sistema.

Figura 2: Alcuni esempi di cardiofrequenzimetro per usi sportivi

Tra i prototipi è importante menzionare le ricerche condotte dalla Sensatex, che a maggio del 2007 ha annunciato l’inizio delle prove sul campo del suo prototipo la SmartShirt [16],[17], ultimi passi prima della commercializzazione del prodotto. Esso si presenta come una T-shirt nella quale sono integrati una rete di fibre ottiche, per individuare eventuali ferite da arma da fuoco, ed un completo sistema che potremmo definire “plug ‘n’ play” a cui si possono facilmente collegare, in maniera reversibile, i dispositivi necessari come: ECG, pulsossimetri, termometri ed altro. La maglietta integra in sé tutta la cavetteria necessaria e si collega grazie ad un hardware, contenuto in una tasca, attraverso una connessione bluetooth.

8 La Smartex [18] ha un prodotto denominato “Wealthy”. Questo si presenta come un body, che ha la caratteristica di avere integrati nel tessuto gli elettrodi per l’ECG nonché altri quattro per la misura di impedenza, e due sensori di temperatura; il tutto viene connesso ad un modulo di comunicazione bidirezionale denominato PPU (acronimo per Portable Patient Unit). Tramite il

PPU i dati raccolti vengono trasferiti e memorizzati in un database, il medico ha costantemente la

possibilità di interagire con il paziente in caso di necessità. Al momento l’intero sistema è in attesa di essere certificato come presidio medico chirurgico.

Figura 4: Smartex Wealthy [8]

Presso il politecnico di Milano [19] stanno mettendo a punto il prototipo di una maglietta, in cui sono integrati i sensori necessari ad effettuare la misurazione della gittata cardiaca, tramite la tecnica impedenziometrica, e l’ECG. Il tutto corredato da un sistema di trasmissione dei dati, tramite protocollo bluetooth, da collegare ad un software di analisi su Personal Computer. Questo prototipo è stato concepito per valutare l’affaticamento dei disabili durante l’utilizzo di una protesi, in maniera da sviluppare ausili sempre più efficaci e confortevoli.

Il sistema, per il momento, è ancora oggetto di sviluppo. L’obbiettivo è quello di integrare degli accelerometri, dei sensori di temperatura e di sudorazione, nonché corredarlo di un software da installare sul Personal Computer domestico, che faccia da Gateway per le richieste dei dati da parte degli specialisti del centro di riabilitazione.

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Figura 5: Politecnico di Milano prototipo di smart shirt [3]

Liliana Grajales e Ion V. Nicolaescu per la Motorola [20] hanno realizzato un altro tipo di prototipo. Questo consiste di una sorta di imbracatura per la parte superiore del tronco, nella quale è contenuta tutta l’elettronica. Sono presenti nel dispositivo: due microfoni alla base del collo, due coppie di sensori di pulsazione ottici ai polsi, dei rilevatori della temperatura al torace ed un box contenente un microprocessore. I sensori ottici presentano un gran numero di artefatti in presenza di movimento, i ricercatori hanno cercato di risolvere questo problema con un software. Confrontando ed elaborando, contemporaneamente, i dati di tutti i sensori, si riesce ad ottenere un risultato che non si discosta di meno di dieci battiti al minuto dal dato effettivo, il tutto anche in presenza di una moderata attività fisica, come: camminare o gesticolare con le braccia. Il prototipo, attualmente, ha, fra le sue debolezze, una certa complessità nell’indossarlo: bisogna, infatti, regolare una serie di cinghie per adattarlo alla propria fisionomia.

E’, invece, interessante sottolineare una buona precisione del sistema nel rilevamento dei dati in caso di attività motoria non molto intensa, che, tuttavia, si perde in caso di esercizio fisico più severo.

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