L’impatto delle tecnologie indossabili sulla moderna assistenza sanitaria

Con l'invecchiamento della popolazione globale e la crescente preoccupazione per le risorse disponibili, il modo in cui i medici svolgono il loro lavoro necessita di passare attraverso radicali cambiamenti. I dispositivi sensoriali compatti (spesso basati sui MEMS), i processori sempre più efficienti dal punto di vista dei consumi (usando gli ultimi ARM core) e le tecnologie wireless economicamente convenienti sono tutti destinati a dare il loro contributo in questo settore.

Introduzione

Lo sviluppo delle tecnologie hanno già portato l'introduzione sul mercato di vari elementi hardware inimmaginabili fino ad un decennio fa. Inoltre dal punto di vista clinico, esiste un aspetto legato al consumatore che deve anch'esso essere evidenziato (figura 1).

Figura 1: rappresentazione schematica di come la tecnologia indossabile faciliterà il monitoraggio remoto della salute umana.

Grazie a dispositivi per il controllo della glicemia, cerotti intelligenti e meccanismi per la somministrazione dei farmaci, il modo in cui la salute umana viene monitorata sta iniziando gradualmente a uscire fuori dagli ambienti clinici in cui era confinata per guadagnarsi una considerevole percentuale negli ambienti domestici. I pazienti sono quindi in grado di trascorrere meno tempo in ospedale e più a casa. Come risultato di questo monitoraggio continuo, i problemi possono essere scoperti in uno stadio precoce, per poter essere affrontati prima di un eventuale aggravio. Parallelamente, l'emergere di una crescente varietà di dispositivi elettronici indossabili commerciali (smartwatch, fitness bands, etc) ha significato una maggiore presa di coscienza dei singoli individui rispetto al proprio stato di salute.

BLE come fondamento dei dispositivi indossabili medici

Da ciò che può essere descritto solo come un considerevole margine, Bluetooth Low Energy (BLE) ha dimostrato di essere, ad oggi, la più popolare opzione di connettività al'interno di un contesto di tecnologia indossabile - offrendo la convenienza del wireless, con operazioni energeticamente efficienti ed anche una relativamente facile integrazione di sistema. La sua applicabilità nell'ambito degli indossabili medici non è meno comprovata. BLE si appoggia sulla stessa banda radio intorno ai 2,4 GHz come la convenzionale tecnologia Bluetooth, comunque il suo protocollo stack ha alcune differenze fondamentali. Il suo meccanismo di segnalazione non è progettato per flussi stabili di dati (come sarebbe da aspettarsi per applicazioni commerciali ordinarie), ma brevi picchi ad intervalli irregolari. Tale operazione si rivela fondamentale per ridurre il budget di potenza associato a questa tecnologia, infatti il picco nel consumo di potenza di BLE avviene mentre sta trasmettendo/ricevendo e risulta essere inferiore del tradizionale Bluetooth.

Contrariamente ad altre opzioni di connettività wireless, che possono richiedere l'uso di moduli ricevitori specifici e protocolli proprietari, BLE è in grado di interagire con gli smartphone degli utenti e consentire così al dispositivo indossabile di condividere dati con applicazioni dedicate o di trasferire questi dati a un professionista medico attraverso la rete mobile. La sua incomparabile pervasività, significa che può lavorare fondamentalmente con qualsiasi modello di smartphone attualmente sul mercato (ovvero tutti i modelli lo supportano).

All'interno di una casa o di un ambiente ospedaliero, la presenza di WiFi, Bluetooth e altre apparecchiature wireless, tutte operanti nella altamente congestionata banda dei 2,4 GHz, potrebbero potenzialmente produrre problemi di interferenza. Per evitare ciò BLE si avvale della tecnica adaptative frequency hopping (AFH), in modo da selezionare il canale con minore interferenza. Le sue opzioni di sicurezza includono una crittografia a 128 bit di tipo AES-CCM, nonché una curva ellittica Diffie-Hellman per la generazione e lo scambio della chiave.

Grazie alla diffusa popolarità di BLE, gli ingegneri sono in grado di trarre vantaggio da una vasta gamma di moduli wireless poco costosi, insieme a librerie royalty-free e ad una serie di kit di sviluppo. Grazie ad un elevato grado di integrazione, una percentuale crescente dei moduli BLE di oggi viene fornita in un formato system-on-chip (SoC), dotato di un elemento microcontrollore integrato che consente di elaborare direttamente i dati acquisiti. Questa soluzione, è di certo, ben adatta per applicazioni mediche indossabili - aiutando gli OEM nel portare sul mercato prodotti con fattori di forma eleganti e leggeri e con batterie dalla vita prolungata grazie alla migliore efficienza energetica dell'elettronica di supporto.

Nei casi in cui sia presente un elevato overhead software, è possibile che le risorse di elaborazione o la capacità di memoria coinvolte siano con molta probabilità sostanziose, allora i moduli BLE possono essere interfacciati attraverso l'interfaccia host controller interface (HCI) usando USB o UART. Il modulo BLE agirà allora solo come elemento di comunicazione wireless del sistema, con un'unità microcontrollore separata responsabile per l'applicazione (più i livelli superiori dello stack Bluetooth).

I dispositivi indossabili basati su BLE presentano anche il notevole vantaggio operazionale che il loro firmware può essere aggiornato utilizzando la comoda metodologia over-the-air (OTA). Per mezzo di essa nuove funzionalità possono essere introdotte (o errori precedentemente scoperti possono essere risolti successivamente). Gli utenti devono semplicemente scaricare l'aggiornamento firmware senza dover impiegare una connessione cablata. I moduli BLE di molti produttori leader (tra cui Texas Instruments, Silicon Labs, Nordic Semiconductor) supportano questa soluzione.

Il crescente potenziale di NFC

L'enorme prevalenza della tecnologia smartphone nella nostra vita quotidiana, e il suo utilizzo massiccio della connettività Bluetooth, è (e continuerà ad essere) un fatto positivo per i dispositivi indossabili per l'assistenza sanitaria. Comunque, questo non è il solo aspetto che dovrebbe essere discusso. Fortemente sostenuta dai produttori di chip come NXP e Texas Instruments, la tecnologia Near Field Communication (NFC) ha anch'essa una parte da protagonista in quesa storia. Laddove BLE può supportare distanze nell'ordine di decine di metri, NFC può operare solo in prossimità (pochi centimentri di distanza dal dispositivo cui si sta connettendo). Il suo data rate è inferiore alla metà di quello di BLE (424 kbit/s per NFC, 1 Mbit/s per BLE).

Sebbene, in un primo momento, sia evidente che NFC non rappresenti una valida alternativa nei confronti di BLE, i due in realtà sono complementari l'uno con l'altro (piuttosto che competere direttamente). La semplicità del trasferimento dati tap-and-go con cui NFC è stata progettata, offre un valore indiscutibile alle applicazioni sanitarie di nuova generazione. Invece di scegliere da una lista di dispositivi nelle vicinanze ed immettere codici d'accesso, gli utenti semplicemente toccano i relativi dispositivi insieme e una sequenza di comunicazione NFC si attiva automaticamente.

Un altro punto a favore di NFC è che esso necessita di uno spazio minore di BLE. Ciò permette ai dispositivi indossabili di essere alloggiati in maniera più compatta (risulta quindi di un maggiore comfort per l'utente) e possono effettivamente operare senza la necessità di alimentazione a bordo (in tal modo salvaguardando la batteria dei dispositivi indossabili). Per un circuito integrato NFC passivo incorporato in un oggetto di tecnologia wearable ed indossato dal paziente, l'alimentazione viene prelevata dal campo RF generato dal circuito NFC attivo presente nell'apparecchio portatile in possesso dell'operatore sanitario. Senza il considerevole assorbimento che le comunicazioni wireless usualmente comportano, progetti di dispositivi indossabili senza batteria basati solo sulla raccolta di potenza RF saranno possibili.

Questi attributi rendono NFC un modo altamente ottimizzato per condividere i dati medici in modo diretto (richiedendo solo poca formazione). Non essendo necessario intraprendere una procedura di accoppiamento complesso, i dati possono essere rapidamente recuperati da più dispositivi uno alla volta, semplicemente posizionando l'apparecchio di lettura su ciascun dispositivo (togliendo meno tempo al personale già oberato da carichi pesanti). L'integrazione della tecnologia passiva NFC in adesivi collegati alla pelle del paziente permetterà al personale medico di aggiornare la documentazione relativa a quali trattamenti sono stati somministrati. La tecnologia può anche essere utilizzata per creare cerotti mono-sensoriali utilizzati a fini di monitoraggio (temperatura, glicemia, pressione sanguigna, ecc.). La forma inconsistente e flessibile che questi dispositivi presentano permette a chi gli indossa di non provare alcun fastidio.

Poiché il dispositivo indossabile e il lettore necessitano di essere adiacenti l'uno con l'altro, la tecnologia NFC risulta vantaggiosa dal punto di vista della protezione dei dati, un fatto, che deve essere preso in considerazione - vista la crescente preoccupazione dell'intero sistema sanitario per questo aspetto. Con la trasmissione che si svolge su distanze estremamente brevi, la minaccia di violazioni della sicurezza, anche involontarie, viene completamente evitata. Eppure questo è un problema che può colpire i collegamenti Bluetooth. Nonostante ciò, NFC (come BLE) presenta comunque uno schema di protezione a curva ellittica Diffie-Hellman nonchè la crittografia AES.

Nonostante stia sempre più crescendo la sua presenza sui modelli di smartphone, la tecnologia NFC è ancora lontana dal raggiungere l'obiettivo (che BLE ha raggiunto da tempo) di poter essere considerata completamente pervasiva. Comunque sia una grande quantità di indizi attesta che, nel corso del tempo, NFC diventerà sempre più comune nell'elettronica portatile. Supposto che questo accada, il potenziale per la tecnologia  NFC di essere utilizzata da parte dell'industria medica, accanto a BLE, è fuori da ogni dubbio.

Conclusioni

In conclusione, la proliferazione dell'elettronica indossabile pensata per l'assistenza sanitaria è dimostrato poter avere notevoli benefici per la società moderna. Essa darà alle persone una maggiore consapevolezza sulla propria condizione fisica - permettendo loro di monitorare i propri livelli di salute e di adottare misure preventive per evitare lo sviluppo di patologie croniche dovute all'invecchiamento. Inoltre, ha enormi possibilità di migliorare la qualità della vita per i pazienti con gravi lesioni fisiologiche a lungo termine e consentire agli anziani di mantenere la propria indipendenza per un periodo prolungato. Avendo supportato questa area applicativa sin dai primi stadi, Mouser Electronics dispone di una vasta conoscenza rispetto alla tecnologia medica indossabile . Potete trovare numerosi esempi di progetti dettagliati e varie altre risorse visitando: http://www.mouser.it/applications/medical/

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics


 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 10 giugno 2017

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