Lumos: un dispositivo open source per la ricerca sulla spettroscopia indossabile

La spettroscopia, lo studio dell'interazione tra radiazione elettromagnetica e materia, è una tecnica vitale in molte discipline. Questa tecnica è limitata ai laboratori e quindi il suo utilizzo è isolato e infrequente. Pertanto, può solo fornire una breve istantanea del parametro monitorato. La tecnologia indossabile può però portare le tecniche di rilevamento e tracciamento nella quotidianità, fornendo informazioni sempre aggiornate sul parametro monitorato. In questo articolo, descriviamo Lumos, un dispositivo indossabile open source per la ricerca spettroscopica. Lumos può facilitare la ricerca spettroscopica sul corpo per il monitoraggio della salute, della forma fisica, della riabilitazione e altro ancora.

Introduzione

La spettroscopia viene oggi utilizzata in molte discipline come la medicina, la biologia, etc. Nella sua attuale forma, però, la sua utilità è limitata poiché fornisce solo una breve istantanea del parametro monitorato. Dati isolati, non in una serie temporale, non forniscono le tendenze su cui i medici fanno affidamento per prendere decisioni informate. La tecnologia indossabile ha portato le tecnologie di rilevamento e tracciamento alle masse. L'integrazione di questa tecnologia nella nostra vita quotidiana ha portato alla raccolta di dati precedentemente non sfruttati. Questi set di dati rappresentano un'opportunità per l'applicazione di tecniche di Machine Learning e di analisi che, combinate con l'Intelligenza Artificiale, possono supportare le decisioni cliniche, aprendo la porta a diagnosi più accurate. Queste qualità rendono la tecnologia indossabile il veicolo perfetto per raccogliere dati continui dai dispositivi di spettroscopia. In questo articolo, presentiamo Lumos, un dispositivo indossabile per la spettroscopia che consente un continuo monitoraggio, non invasivo e in tempo reale, della salute. Per rendere Lumos disponibile alla comunità di ricerca, i progetti hardware e gli algoritmi utilizzati sono stati resi open source. Ciò include i componenti, gli schemi circuitali, i file Gerber per la stampa del PCB e il codice. Anche i file CAD, per stampanti 3D, con i fattori di forma del braccialetto e del morsetto per alloggiare la circuiteria sono disponibili. Lumos utilizza componenti standard che possono essere personalizzati per adattarsi a un'applicazione mirata. Il dispositivo è stato valutato rispetto a uno spettrometro tradizionale in base alla sua accuratezza, al suo consumo energetico e alle sue reazioni a temperatura e fluidi.

Le innovazioni di Lumos nel campo dei dispositivi indossabili si possono riassumere come segue:

un dispositivo open source per eseguire ricerche di spettroscopia ottica indossabile. Questo dispositivo è progettato per essere operativo fin da subito e allo stesso tempo per essere facilmente adattato per applicazioni personalizzate;
un algoritmo per stimare la risposta spettrale di un mezzo e determinare lo spettro ottimale per una data applicazione pur fornendo la massima invarianza ai disturbi ambientali.

Inoltre, uno studio pilota è stato effettuato per dimostrare la fattibilità dell'utilizzo di Lumos per applicazioni mirate.

Teoria operativa

Alla base della spettroscopia vi sono due interazioni principali: l'assorbimento e l'emissione di fotoni. La misurazione dei fotoni offre informazioni sul mezzo indagato. L'assorbimento avviene quando una radiazione elettromagnetica, come la luce, viene assorbita, tramite un cambiamento di energia, nel passaggio attraverso un mezzo. Le lunghezze d'onda che vengono assorbite o parzialmente assorbite presentano un numero inferiore di fotoni al rilevatore. La Figura 1 mostra luce multicolore che interagisce con un mezzo. Il mezzo assorbe una parte dello spettro (le lunghezze d'onda relative al colore giallo). La luce rimanente viene letta dal sensore sul lato opposto del mezzo, che mostra un valore inferiore per le lunghezze d'onda relative al colore giallo.

Figura 1: Teoria della spettroscopia

L'emissione avviene quando la radiazione elettromagnetica applicata ad un mezzo provoca il rilascio di fotoni a causa dell'assorbimento dei fotoni che sono stati applicati. La Figura 1 mostra una luce multicolore che interagisce con un mezzo. Il mezzo, quando illuminato dalla luce, emette fotoni che sono visibili all'occhio umano come luce verde. Questo rilascio, così come qualsiasi luce trasmessa, viene catturato dal rilevatore. L'emissione di fotoni deve obbedire alla conservazione dell'energia. Pertanto, l'emissione non può essere maggiore dell'energia assorbita. Quindi, misurare l'emissione è equivalente a misurare l'assorbimento del mezzo. Tradizionalmente, gli spettrometri ottici misurano i fotoni trasmessi attraverso un mezzo o riflessi da un mezzo. Gli spettrometri basati sulla trasmissione posizionano il mezzo tra la sorgente luminosa e il sensore. Gli spettrometri basati sulla riflessione posizionano il sensore e la sorgente luminosa sullo stesso lato del mezzo. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi. Per discutere le differenze tra i due in una configurazione indossabile, utilizzeremo come esempio la pulsossimetria. La pulsossimetria è un'applicazione spettroscopica non invasiva per monitorare la saturazione di ossigeno. Gli studi hanno mostrato che i dispositivi basati sia sulla trasmissione che sulla riflessione possono fornire misurazioni accurate della saturazione di ossigeno. Dispositivi basati sulla trasmissione, come il morsetto per dito, comunemente usati in medicina, funzionano meglio su aree sottili dove l'intero mezzo può essere perfuso con facilità. Sebbene questo limiti le aree del corpo su cui il sensore può essere posizionato e il movimento di chi lo indossa, questo tipo di sensore è considerato affidabile in ambito medico. La pulsossimetria basata sulla riflessione è generalmente alloggiata in un orologio intelligente. È utile quando la luce non può viaggiare completamente attraverso il mezzo per mostrare una risposta ottica dall'altra parte. La sorgente luminosa e il sensore sono affiancati per misurazioni basate sulla riflessione, offrendo maggiore flessibilità per le posizioni di misurazione sul corpo. Tuttavia, la sorgente luminosa e l'allineamento del sensore sono più complicate con questo metodo. Infatti, un piccolo cambiamento nell'angolo di un LED a montaggio superficiale può cambiare drasticamente una misura. Poiché i metodi hanno sia vantaggi che svantaggi, gli sviluppatori di Lumos hanno cercato di incorporare entrambi nel design del dispositivo. Ciò ha richiesto un'ulteriore elaborazione dei dati così come fattori di forma separati.

Fattori di forma

Durante lo sviluppo di Lumos, sono stati esplorati due fattori di forma:

il braccialetto con un design simile a uno smartwatch
il morsetto da dito con un design simile a un pulsossimetro

Questi modelli sono mostrati nella Figura 2. Il morsetto da dito utilizza la spettroscopia da trasmissione e posiziona la sorgente luminosa sul lato opposto del mezzo rispetto al rilevatore. Il braccialetto sfrutta la spettroscopia da riflettanza posizionando la sorgente luminosa e il fotorilevatore sullo stesso lato.

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