Capitolo 1
Smart Wearable Systems
1.1
I vantaggi di una tecnologia indossabile
Negli ultimi anni si è assistito, su scala mondiale, ad un notevole incremento nella ricerca e nello sviluppo di sistemi indossabili intelligenti ( smart wearable systems ) atti a rendere il più possibile fruibile e meno invasiva la tecnologia al servizio dell’utente. In poche parole, come spesso si dice, più “user-friendly”.
Tutto ciò è stato reso possibile dagli enormi avanzamenti compiuti nei campi delle scienze dei materiali, nello sviluppo di nuovi polimeri, nelle telecomunicazioni e, in ambito elettronico, nella miniaturizzazione e nelle nanotecnologie [1]. In particolare l’attenzione della comunità scientifica internazionale si è rivolta con decisione alle innumerevoli applicazioni in campo biomedico che tali sistemi offrono, tanto da far sì 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 Technologies (IST) favorisse l’instaurarsi di una vera e propria comunità dedicata allo sviluppo di soluzioni innovative nell’ambito dei sistemi biomedici indossabili.
I motivi di tanto interesse sono facilmente intuibili. Innanzitutto, lo sviluppo di sistemi di monitoraggio indossabili (wearable health systems) potrebbe portare alla delocalizzazione del sistema sanitario nazionale, con evidenti benefici in termini di estensione capillare dello stesso su tutto il territorio, rendendo fruibile il servizio in ogni luogo e da ogni cittadino, abbattendo i costi di ospedalizzazione e di mantenimento delle infrastrutture almeno per quadri clinici non preoccupanti. Inoltre la possibilità di monitorare il paziente per periodi di tempo più lunghi e durante lo svolgimento delle normali attività, costituisce un nodo cruciale per quanto riguarda il trattamento di malattie croniche e per l’individuazione di malattie che derivano da
anomalie silenti, i cui eventi 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 mortalità in Europa tra i maschi sopra i 45 anni e le femmine sopra i 65 [2]. 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 invasività che non permettono al paziente sotto indagine di svolgere le normali attività quotidiane. La possibilità, in questo caso, di ottenere un insieme più consistente di parametri vitali (oltre al tracciato elettrocardiografico) da un set di sensori integrati nel tessuto fornisce al medico uno strumento più efficace, almeno in termini di un primo screening, per la diagnosi di patologie a carico del sistema cardiovascolare. Dunque, oltre alla maggior sensibilità del test, il monitoraggio dei parametri 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, con un evidente beneficio in salute per il paziente ed in termini economici per il servizio sanitario. 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 è 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 comodità e capacità di conformarvisi.
1.2 Stato dell’arte
Molti laboratori di ricerca e aziende a livello internazionale 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 lavoro di tesi si va ad inserire.
1.2.1 Mamagoose pajama
La belga Verhaert ha proposto il Mamagoose pajama, un pigiama per bambini dotato di una coppia di sensori 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 lavabili, è appositamente studiato mantenere i sensori nella corretta posizione una volta indossato. Esternamente è corredato da un box elettronico contenete un microprocessore, un’unità di memoria ed un vano batterie [3]. Il dispositivo ha come obbiettivo quello di prevenire la sindrome della morte in culla (Sudden Infant Death Syndrome), ossia la morte improvvisa e inaspettata 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 siano i meccanismi, ed eventualmente i fattori, che caratterizzano questo tipo di sindrome.
1.2.2
LifeShirt System
Vivometrics ha sviluppato un sistema chiamato LifeShirt System [4], composto da una maglietta che integra nel tessuto un insieme di fili conduttori, sensori ed elettrodi, da un piccolo palmare che registra i dati e da un software per l’elaborazione dei dati stessi. I fili conduttori sono disposti a serpentina in modo da poter subire allungamenti, avvolgendo il soggetto all’altezza del torace e dell’addome e realizzando così un pletismografo 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’induttanza delle spire ed è dunque possibile misurare un segnale oscillante 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 attività fisica mediante l’uso di accelerometri triassiali. I dati raccolti sono convogliati ad un’ unità 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, perciò, 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. Il tutto tramite 3 elettrodi per la misura della frequenza cardiaca, 2 accelerometri per registrare la postura, dei dispositivi periferici opzionali che misurano la pressione sanguigna e la saturazione di ossigeno nel sangue. Il sistema misura contemporaneamente più di 30 parametri di funzioni cardiopolmonari durante l’attività quotidiana.
Figura 1.1: Mamagoose panama Figura 1.2: Il LifeShirt System
1.2.3 U.S. Company Sensatex Smartshirt
La U.S. Company Sensatex ha sviluppato un altro sistema indossabile chiamato SmartShirt System[5]. In questo sistema delle fibre ottiche sono integrate nella struttura durante lo stesso processo di produzione. E’ stata sviluppata una tecnologia di interconnessione per trasmettere informazioni e creare una struttura di comunicazione flessibile[6].
Figura 1.3a: U.S. Company Sensatex Smartshirt
Figura 1.3b: U.S. Company Sensatex Smartshirt
1.2.4 Il progetto WEALTHY
Nell’ottica di un’integrazione vera e propria dei sensori nelle fibre che compongono i tessuti, è stato sviluppato dal Centro Interdipartimentale E.Piaggio, in collaborazione con Smartex, e con l’Istituto Scientifico Universitario San Raffaele di Milano, il dispositivo WEALTHY che consiste di un indumento in cui sono distinguibili zone a diversa capacità sensoriale per il monitoraggio continuo di molti parametri vitali [7]. Il target applicativo è quello dei pazienti con problemi cardiaci di media complessità, che non necessitano di monitoraggio intensivo in apposite strutture ospedaliere, oppure soggetti che lavorano in 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 condizionamento 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 acciaio inossidabile attorno ad una fibra tessile viscosa (Elitè by Lineapiù 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 di movimento; altri 4 elettrodi in posizione toracica, per la misura dell’attività respiratoria attraverso
la Pletismografia impedenziometrica1. La PPU, invece, si occupa del processamento del segnale. In particolare essa campiona a 250Hz il segnale ECG e, attraverso algoritmi interni, ricostruisce il ritmo cardiaco (heart rate) e la durata del complesso QRS; successivamente essa trasmette via GPRS il segnale campionato ottenuto dopo una decimazione a 100Hz. I segnali ottenuti dal monitoraggio e dal movimento,invece, vengono campionati a 16Hz e trasmessi senza alcun processamento locale.
Figura 1.4: Wealthy System, foto di un prototipo e schema di principio
1.3 Stetoscopi elettronici
Lo stetoscopio resta lo strumento fondamentale per l’auscultazione dell’attività cardiaca da parte del medico; la diagnosi è comunque legata all'esperienza medica. L’innovazione tecnologica nel campo degli stetoscopi consente oggi la rilevazione di una più ampia gamma di suoni ed una maggior qualità d’ascolto, con la possibilità di ottenere registrazioni e riproduzioni di grande fedeltà dei suoni, raccoglierli, elaborarli e utilizzarli sotto forma di tracce audio a scopi diagnostici e didattici. Di seguito verranno riportati alcuni stetoscopi elettronici presenti sul mercato.
1.3.1 Welch Allyn Meditron
Il Welch Allyn Meditron della Miami Medical [8] è uno stetoscopio elettronico (Figura 1.5) che utilizza un nuovo sensore a pressione. Il livello di amplificazione può essere modificato secondo le esigenze dell’operatore per mezzo di un regolatore
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In questo tipo di misura viene iniettata una corrente di 3 mA picco-picco ad alta frequenza (50 KHZ) tramite i due elettrodi esterni e, con gli altri due elettrodi, viene misurata la variazione di tensione che è strettamente correlata con il volume di aria spostata
di volume in continuo. Nel sostegno porta-campana vi sono il pulsante on/off con funzione timer, le batterie al litio monouso di lunga durata (2-4 anni), la regolazione del volume e il selettore della frequenza a tre posizioni. Tra gli accessori opzionali vi sono il distributor e l’analyzer. Il distributor è un piccolo hub che consente ad un massimo di 5 operatori di condividere l’auscultazione dei suoni corporei, mentre l’analyzer è un sistema hardware-software che permette di registrare su PC i suoni rilevati e di evidenziarli su monitor come tracciati fonocardiografici: è possibile così riascoltare i suoni, elaborarli ed utilizzarli in ambienti informatici, telematici e didattici.
1.3.2 Littmann E4000
Una divisione della multinazionale 3M™ è la Littmann® Stethoscopes [9], nata con lo scopo di realizzare e distribuire i propri stetoscopi in tutto il mondo. Il nome Littmann E4000 , figura 1.6, discende dal cardiologo statunitense David Littmann che, nel 1961, disegnò uno stetoscopio divenuto in breve tempo il modello più diffuso e più utilizzato.
Nella parte centrale della campana dell’ E4000 trovano collocazione un monitor di stato che permette la visualizzazione delle modalità di registrazione di suoni e frequenza cardiaca, il pulsante on/off, la regolazione del volume ed il sistema IR di trasmissione dei suoni ad un altro uguale stetoscopio o ad un Pc; è inoltre possibile, sullo stetoscopio stesso, la registrazione, l’archiviazione ed il riascolto di 6 diverse registrazioni, ognuna di lunghezza massima di 8 secondi. Il posizionamento dei comandi e del monitor di stato consentono una semplice ed immediata gestione delle funzioni che possono essere attivate anche a stetoscopio posizionato sul paziente, consentendone la regolazione del volume di amplificazione durante l’auscultazione.
1.3.3 E-Scope II
La Cardionics [10], società americana, a differenza degli altri due stetoscopi elettronici appena visti, ha immesso sul mercato statunitense, uno stetoscopio che permette il collegamento tramite cavo e l’integrazione ad un palmare. Con l’utilizzo di software dedicati si può, anche in questo caso, effettuare la registrazione e la visualizzazione su display di fonocardiogrammi, suoni polmonari, vascolari ecc. (file wav editabile); i dati possono essere condivisi con altri palmari o computer. Il software fornito è inoltre in grado, attraverso una comparazione di suoni, di facilitare la diagnosi di eventuali disfunzioni cardiache.
Figura 1.7: Cardionics E-Scope II
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 acquisizione multimodale consente di arricchire enormemente il contenuto informativo a disposizione del personale qualificato. In generale, ogni tipo di indagine diagnostica porta inevitabilmente con sé delle problematiche, legate ad una specificità e
sensibilità2 mai del 100%.
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Si definisce sensibilità di un test la capacità di individuare correttamente gli individui ammalati, mentre specificità la capacità di individuare correttamente gli individui sani
L’utilizzo di più indagini diagnostiche contemporaneamente, permette una correlazione di dati che riduce molto le possibilità di errore legate ad una sbagliata classificazione del soggetto in esame. Il limite, però, di tutti i dispositivi sin qui presentati, è quello di affidarsi a più sensori di natura diversa per la rilevazione dello stato dell’apparato cardiocircolatorio del paziente in esame o, nel caso particolare degli stetoscopi elettronici che si affidano ad un unico sensore, di essere in grado di elaborare esclusivamente dati relativi all’indagine cardiaca. Inoltre l’utilizzo di più sensori per le varie indagini diagnostiche porta ad evidenti svantaggi, sia in termini di ingombro, che di costo. Appare evidente, infatti, come sia più semplice, a livello produttivo, prevedere una tipologia unica di sensore e come questo approccio ridurrebbe molto anche l’impatto che un simile dispositivo può avere sul paziente, rendendolo di fatto minimamente invasivo.
[1] D. De Rossi and A. Lymberis: New Generation of Smart Wearable Health
Systems Applications. IEEE Transaction on Information technology
in Biomedicine, Sept. 2005, Vol. 9, ISSN 1089-7771.
[2] S. Petersen, V. Peto, M. Rayner, J. Leal, R. Luengo-Fernandez and A. Gray: European cardiovascular disease statistics. European Heart Network, 2005.
[3] Verhaert MASTER IN INNOVATION : Mamagoose pajama brochure. http://www.verhaert.com/cms/
[4] VivoMetrics Inc.: Lifeshirt brochures.
http://www.vivometrics.com/site/system brochures.html
[5] Sensatex http://www.sensatex.com/smartshirt.html
[6] F. Carpi and D. De Rossi: Electroactive Polymer-Based Devices for
E-Textiles in Biomedicine. IEEE Transaction on Information technology in
Biomedicine, Sept. 2005, Vol. 9, ISSN 1089-7771.
[7] R.Paradiso, G. Loriga, N. Taccini: A Wearable Health Care System Based
on Knitted Integrated Sensors. IEEE Transaction on Information
technology in Biomedicine, Sept. 2005, Vol. 9, ISSN 1089-7771. [8] http://www.miami-med.com/
[9] http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_WW/global-littmann/home/
[10] http://www.cardionics.com/
