I dispositivi di rilevamento real time indossabili possono fornire informazioni importanti sulla salute di un soggetto umano. Chem-Phys è un cerotto per monitorare contemporaneamente il battito cardiaco e lo sforzo fisico. Le due modalità di rilevamento sono fabbricate su un substrato flessibile e montate sulla pelle. Il nuovo cerotto è stato sviluppato dai ricercatori dell’Università della California di San Diego (articolo pubblicato su Nature Communications), ed è il primo dispositivo indossabile in grado di monitorare simultaneamente più informazioni biochimiche contenute nel sudore della pelle umana.
Introduzione
Lo smartphone attuale ha decisamente più potenza di elaborazione rispetto ai supercomputer degli anni passati. Non è una sorpresa, quindi, che c'è stato un aumento crescente negli ultimi anni di start-up specificamente per progettare sistemi (medici) indossabili di monitoring della propria condizione fisica, da impiegarli attraverso l'utilizzo del proprio smartphone.
I vantaggi dei dispositivi medici indossabili sono sotto gli occhi di tutti: rendono i dati dei pazienti facilmente accessibili e possono ridurre la frequenza delle visite/analisi mediche.
Oltre a questo, sta diventando più conveniente produrre dispositivi medici indossabili che assolvono le funzioni tradizionalmente limitate a grandi e costosi dispositivi presenti negli ospedali. Nonostante i significativi progressi nella fabbricazione di biosensori per la misura di parametri fisici ed elettrofisiologici, la maggior parte dei sistemi sono mirati verso una sola singola misura. I recenti progressi nelle tecniche di fabbricazione hanno permesso la progettazione di dispositivi di rilevamento indossabili in fattori di forma sottili e conformi alla geometria curvilinea della pelle umana, consentendo in tal modo il contatto intimo necessario per effettuare la misura. Gli aspetti principali di Chem-Phys sono essenzialmente due, il primo è la comodità del sensore facilmente indossabile come un cerotto; il secondo è la possibilità non solo di misurare la frequenza cardiaca (classico parametro di misura dei principali dispositivi indossabili), ma anche altri parametri vitali come il livello di lattato o acido lattico.
Caratteristiche
L'ibrido indossabile comprende tre elettrodi amperometrici che permettono la misura in tempo reale di lattati (primo sensore) e due elettrodi (secondo sensore) per il battito cardiaco (Figura 1). Le misure dell’elettrocardiogramma possono aiutare a valutare la salute del cuore, mentre i livelli del lattato possono essere utilizzati per monitorare il livello delle prestazioni e lo sforzo di un individuo, ed è anche un biomarker importante per l'ossigenazione dei tessuti. I sensori elettrodi sono stati collegati ad un piccolo circuito stampato, dotato di un microcontrollore e un chip Bluetooth Low Energy (BLE) per poter trasmettere in modalità wireless informazioni raccolte dal patch per un dispositivo mobile o computer. Il cerotto è alimentato con una batteria agli ioni di litio, ed è stato fabbricato sfruttando la serigrafia su un sottile foglio di poliestere altamente flessibile che si adatta bene alla morfologia della pelle umana per fornire un segnale a basso rumore. Il biosensore relativamente alla misura del lattato è stato rivestito con uno strato di materiale biocompatibile. I tre elettrodi amperometrici sono stati separati da quelli dell’elettrocardiogramma Ag / AgCl al fine di massimizzare la stabilità del sensore e il rapporto segnale-rumore.
Figura 1: Chem-Phys: il cerotto per monitorare i parametri vitali
Le dimensioni e le distanze tra gli elettrodi sono state ottimizzate in base ai test al fine di acquisire un segnale elettrocardiografico con un buon SNR e la risposta al lattato senza interferenze. I due sensori sono stati implementati su un circuito PCB personalizzato, con un circuito front-end analogico (AFE) per l'acquisizione e gestione del segnale. Il sistema di rilevamento ibrido è stato testato su tre soggetti umani durante l'esercizio su una cyclette, dimostrando che i due parametri possono essere misurati simultaneamente con trascurabile interferenza (Figura 2). I risultati molto promettenti ottenuti da questo nuovo sensore ci forniscono una nuova possibilità di sviluppare sensori indossabili ibridi avanzati per il settore della medicina, che coinvolgono più sensori fisici e chimici integrati sulla stessa piattaforma per il monitoraggio di molti parametri.
Figura 2: Schema a blocchi del cerotto sensore high tech
Conclusioni e considerazioni
Il sensore Chem-Phys rappresenta un primo passo importante nella ricerca e sviluppo di sensori indossabili multimodali che fondono la chimica e la fisica per il monitoraggio più completo della fisiologia umana.
Nel prossimo futuro, i sensori di questo tipo avranno un mercato sempre più crescente, con la possibilità di essere impiegati per il controllo dei pazienti con malattie cardiovascolari.
Il sensore rappresenta un sistema ibrido che fonde il monitoraggio dei parametri vitali con il rilevamento chimico sul corpo, il tutto in un'unica piattaforma portabile completamente stampabile. La patch è naturalmente di interesse per gli atleti di tutto il mondo: la possibilità di monitorare la loro fatica e il cuore durante l'attività fisica potrebbe aprire molte strade verso una nuova medicina dello sport. Una soluzione tecnologica da tenere bene in mente è la batteria che dovrà necessariamente disporre di una buona efficienza e un elevato numero di cicli di ricarica. I dispositivi medici tendono ad utilizzare batterie facilmente rimovibili affidandosi talvolta a tecniche di energy harvesting. I passi successivi del sensore Chem-Phys includono la misura di marcatori chimici, come magnesio e potassio, nonchè miglioramenti nel design e nella disposizione del cerotto sulla pelle umana.
Il prossimo passo credo sia quello dei PCB indossabili. La tecnologia dei circuiti flessibili è a buon punto, i passivi si possono integrare nel PCB, mentre i semiconduttori dovranno essere miniaturizzati al massimo per non aver problemi all flessione del circuito…. insomma ci siamo quasi!
La tecnologia indossabile avra’ un grosso impatto sul settore medicale: la possibilita’ di poter eseguire diagnosi velocemente e a portata di mano, con una elettronica sempre piu piccola. L’integrazione con il cloud permettera’ di avere dei database per ogni paziente consultabili (e aggiornabili) in ogni momento.