Nell’ultimo decennio il mercato dei dispositivi indossabili (wearable), applicato principalmente al settore fitness e wellness e secondariamente ai settori della salute ed elettromedicale, ha spinto la ricerca e l’innovazione nella progettazione di sensori e trasduttori per la misura dei parametri biometrici, affinché diventassero sempre più accurati e performanti. Infatti, in questi mercati l’utilizzo dei dispositivi indossabili è sempre più massivo e le richieste da parte dei clienti ed utilizzatori sono sempre più esigenti soprattutto in termini di accuratezza e risparmio energetico. Tra le tecnologie che si sono affermate per questa sensistica troviamo sicuramente quelle ottiche/luminose che consentono di realizzare delle misure accurate di parametri vitali sfruttando le proprietà della luce emessa dai LED e il comportamento con il corpo umano.
Introduzione
Con l'avvento della rivoluzione dell’Internet delle Cose (IoT) e il diffondersi di un mondo sempre più connesso, anche gli accessori per il fitness e il benessere in generale sono diventati sempre più connessi e funzionali. Attraverso un'integrazione sempre più spinta delle tecnologie, la progettazione di nuovi sensori e la tecnologia sempre più accessibile e costi contenuti, il settore wearable è stimolato a realizzare un numero sempre maggiore di prodotti e gadget utili alla raccolta delle più svariate informazioni biomediche per realizzare statistiche e programmi di monitoraggio e miglioramento di atleti e/o pazienti. Tra questi ritroviamo i dispositivi indossabili da polso (braccialetti, fitness tracker e smartwatch) che ognuno di noi inizia ad utilizzare per monitorare i propri parametri sia durante l'attività sportiva che durante la routine quotidiana e notturna (misura della qualità del sonno).
La spinta della sociologia nell’evoluzione tecnologica
Ormai nel mondo è largamente diffuso il concetto di Quantified Self, ossia la volontà di avere una conoscenza di se stessi dalle informazioni ottenute con la tecnologia. Prima dell’ultimo decennio, quando ancora le tecnologie indossabili non erano diffuse (ed in alcuni casi neanche concepite), si ricorreva continuamente a medici e dottori per cercare di capire e comprendere il proprio stato di salute. La nascita ed evoluzione dei dispositivi indossabili, e il loro costo contenuto, ha portato allo sviluppo del Quantified Self, ossia alla conoscenza di se stessi attraverso il tracciamento dei dati relativi alla salute: contapassi, controllo del peso corporeo, qualità del sonno, battito cardiaco, livello di insulina e via dicendo. La volontà sempre maggiore dell’uomo di ottenere dei tracking del proprio stato di salute ha posto l’asticella sempre più avanti per l’evoluzione tecnologica che fornisce oggigiorno soluzioni indossabili efficienti ed a costo contenuto. Questo risultato raggiunto è molto importante perché, oltre a sostenere il settore del fitness, sostiene anche il settore elettromedicale e scientifico potendo monitorare e tracciare la salute dei pazienti.
La tecnologia LED
Una delle tecnologie che maggiormente abbraccia questo sviluppo innovativo è quella LED (Light Emitting Diode - diodo ad emissione luminosa). Infatti, con questi non è solo possibile realizzare l’illuminazione a basso consumo energetico (detto anche mercato dei White LED per lo smart lighting, la domotica o l’illuminazione automotive) ma è possibile realizzare svariate tipologie di sensori e trasduttori che sempre di più trovano applicazione nei dispositivi indossabili. La caratteristica fondamentale è la non invasività dei sensori ottici per il rilievo dei parametri biomedici.
Principio di funzionamento di un sensore per la frequenza cardiaca
Andiamo ora ad osservare con quale principio di funzionamento la tecnologia LED può facilitare l’acquisizione dei parametri biometrici. Esistono innumerevoli parametri biometrici, ma i più importanti e largamente diffusi, soprattutto per chi pratica attività sportiva, sono la frequenza cardiaca e livello di saturazione dell’ossigeno nel sangue.
In quale modo i sensori ottici basati su LED nei dispositivi indossabili misurano i valori biometrici?
Il principio di funzionamento del metodo tradizionale per la misura della frequenza cardiaca è la misurazione sul torace dei segnali elettrici generati dal cuore attraverso l’elettrocardiogramma (ECG). Questo metodo, anche se molto accurato in ambito medicale e per il monitoraggio dell’esercizio fisico specifico, risulta di scomodo utilizzo soprattutto per periodi continuativi. Allora, si è deciso di sfruttare il principio della fotopletismografia (PPG) ossia lo studio della diffusione dei raggi infrarossi nei tessuti, per studiarne l’irrorazione. Una tecnica medica concepita per poter individuare disturbi nella circolazione periferica. Nel contesto dei dispositivi indossabili la tecnica è stata ripresa con la realizzazione di sensori dotati di una sorgente luminosa formata da un diodo LED che emette una luce ad una determinata frequenza d'onda e ne osserva il comportamento all'interno del tessuto.
In genere, esistono due tipologie di dispositivi basati su PPG:
- il primo è capace di osservare il comportamento della luce attraverso il tessuto. I dispositivi di questo tipo in genere sono applicati al dito, dove è possibile posizionare un anello o una clip con sensore e rilevatore sui lati opposti;
- il secondo è capace di osservare il comportamento della luce riflessa dal tessuto (mostrato in Figura 1). Sono in genere i sensori integrati disponibili su smartphone, smartwatch e fitness tracking, che non possono posizionare sorgente e rilevatore su lati opposti del tessuto e dunque, anziché basarsi sulla luce trasmessa, si basano sulla luce riflessa.
Figura 1: Schema a blocchi sensore per PPG
Nella misurazione della frequenza del polso si sfruttano dunque le proprietà di assorbimento della luce da parte dell’emoglobina. In particolar modo, il volume del sangue (dunque dell’emoglobina) nei vasi sanguigni varia in funzione del battito e replica fedelmente e ciclicamente le espansioni e contrazioni del cuore.
Principio di funzionamento della saturazione di ossigeno
Lo stesso principio si applica alla misurazione della saturazione di ossigeno nel sangue, con la luce rossa e IR che sono ancora le lunghezze d'onda standard utilizzate dai sensori ottici. Il metodo tradizionale per monitorare i cambiamenti nel livello di ossigeno dei vasi sanguigni richiede il prelievo di campioni di sangue. I sensori ottici a LED, al contrario, offrono un metodo di rilevamento non invasivo e quindi molto più conveniente.
PPG per luce trasmessa o riflessa
La tecnica di misura PPG è molto robusta ed affidabile per quanto concerne la luce trasmessa mentre richiede particolari accorgimenti tecnici per garantire elevati livelli di affidabilità in caso di luce riflessa, in particolar modo quando questa tecnica è utilizzata in wearable dedicati allo sport dove il corpo umano è in continuo movimento e ci sono ulteriori fattori che complicano la misura come sudorazioni, umidità, calore. Inoltre, la luce riflessa è formata da due componenti: una continuativa che risulta essere la luce riflessa dal tessuto, e l'altra variabile nel tempo che dipende dalla riflessione all'interno dei vasi sanguigni e quindi strettamente legata alle misure biometriche. La sfida per i progettisti è stata di riuscire ad acquisire questa componente variabile che risulta di gran lunga più piccola della componente fissa data dalla riflessione del tessuto. [...]
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