Oggigiorno, la misura della frequenza cardiaca non è più confinata al solo ambito clinico. Grazie all'ampia disponibilità di dispositivi indossabili, come ad esempio gli smartwatch, è possibile per i consumatori monitorare in maniera affidabile la loro frequenza cardiaca senza ricorrere ad apparecchiature mediche specializzate. Nel caso di pazienti già affetti da patologie, la possibilità di controllare su base continuativa la frequenza cardiaca può fornire informazioni molto utili, aiutandoli a monitorare le loro condizioni di salute nel tempo e, in alcuni casi, ad assumere i farmaci nei tempi stabiliti. Nel caso delle applicazioni di fitness, sia che si tratti di atleti professionisti oppure più semplicemente di persone che desiderano migliorare la propria forma fisica, i cardiofrequenzimetri possono fornire riscontri in tempo reale, tenere traccia dei progressi complessivi, favorire un recupero da infortuni e consentire un allenamento mirato per zone di frequenza cardiaca (attività leggera, moderata, aerobica, etc.). L'ampia gamma di possibilità di impiego e l'utilità dei dati acquisiti sono alcuni dei fattori chiave alla base della notevole crescita della tecnologia per il monitoraggio della forma fisica (fitness tracking). A questo punto, sorgono spontanee alcune domande. Qual è la tecnologia alla base di questi dispositivi? Qual è l'influenza delle considerazioni che vengono fatte relativamente alla progettazione dei cardiofrequenzimetri sullo sviluppo di dispositivi indossabili come smartwatch e fitness tracker?
Metodi di rilevamento della frequenza cardiaca: ECG e PPG a confronto
Mentre l'importanza del cuore non necessita di alcuna spiegazione, la complessità del funzionamento di questo organo e le informazioni che è in grado di fornire relativamente allo stato di salute e al benessere di una persona sono spesso sottovalutate.
Il cuore ha il compito principale di pompare il sangue nel corpo. Di conseguenza, la misura in tempo reale della frequenza cardiaca è utile per indicare lo sforzo fisico in corso oltre che il verificarsi di problemi di salute improvvisi. Tuttavia, un monitoraggio continuo e accurato può fornire un quadro più completo dello stato di salute di una persona, consentendo di acquisire informazioni di vitale importanza come la variazione della frequenza cardiaca (HRV - Hearth Rate Variability). La variabilità della frequenza cardiaca si riferisce a un'irregolarità nel normale ritmo cardiaco (il che significa che gli intervalli tra battiti cardiaci consecutivi non sono costanti) e fornisce informazioni utili circa lo stato di salute del sistema nervoso autonomo. I dati ricavati dal monitoraggio della variabilità della frequenza cardiaca sono utili per comprendere il benessere emotivo di una persona, oltre che per evidenziare alcuni problemi di salute latenti.
Per essere efficace, un metodo di rilevamento della frequenza cardiaca deve garantite l'accuratezza non solo istantaneamente e in condizioni specifiche, ma su base continuativa e in situazioni molto diverse fra di loro, al fine di fornire una migliore comprensione circa lo stato di salute di una persona. Per il monitoraggio della salute in ambito consumer esistono due metodi per il rilevamento della frequenza cardiaca: il rilevamento di tipo ottico, noto come fotopletismografia (PPG) e l'elettrocardiografia (ECG), che misura direttamente l'attività elettrica del cuore e viene comunemente utilizzata in ambito clinico (Figura 1). Per poter utilizzare queste due tecnologie su smartwatch e dispositivi indossabili per il fitness, è di fondamentale importanza comprendere vantaggi e limiti di entrambe le metodologie.
Figura 1: Le tracce ECG possono determinare la variabilità della frequenza cardiaca poiché gli intervalli tra un picco e il successivo sono tracciati con una maggiore accuratezza rispetto alle tracce ottenibili mediante la PPG, una metodologia più adatta per eseguire misure della frequenza cardiaca media (Fonte: https://doi.org/10.3390/ijerph17144975. Ridisegnata da Mouser Electronics)
Vantaggi e limiti della fotopletismografia
La tecnologia PPG utilizza una sorgente luminosa a LED di piccole dimensioni e un fotorilevatore per misurare l'attività cardiaca attraverso la variazione del flusso sanguigno. Nel momento in cui un vaso sanguigno si espande e si contrae, la luce riflessa dal LED varia. Le variazioni della luce riflessa possono quindi essere utilizzate per calcolare la frequenza cardiaca e la variazione del volume del flusso sanguigno. L'estrema flessibilità è senza dubbio il principale vantaggio dei sensori PPG: essi, infatti, possono essere applicati in svariate parti del corpo, tra cui la fronte, il polso, il torso, la punta delle dita, l'orecchio e la caviglia.
La tecnologia PPG utilizza misure di tipo ottico e ciò rappresenta un limite in quanto sono parecchi i fattori che possono influenzare l'accuratezza. Nel caso il dispositivo non sia a stretto contatto con la pelle, la luce ambiente può raggiungere il fotorilevatore alterando così la lettura se non viene applicata una compensazione accurata. Anche il numero e la posizione dei vasi sanguigni circostanti possono influenzare l'accuratezza del sistema. Oltre a ciò, la maggior parte dei sensori PPG prevede un periodo di assestamento o di calibrazione, durante il quale essi misurano le condizioni ambientali e calcolano la compensazione. La misura non risulta quindi istantanea, anche se l'utilizzo di dispositivi di rilevamento ad alta frequenza può contribuire a ridurre in maniera significativa il tempo di assestamento. Infine, poiché i LED sono la fonte di emissione utilizzata, il consumo di potenza di un sensore PPG è direttamente collegato alla frequenza dell'impulso e alla durata della misura. Ciò può contribuire a limitare l'accuratezza e la possibilità di effettuare un monitoraggio continuo in alcune applicazioni che prevedono batterie di piccole dimensioni.
Vantaggi e limiti dell'elettrocardiografia
I sensori ECG determinano la frequenza cardiaca di una persona utilizzando elettrodi attaccati direttamente alla pelle per misurare una variazione del potenziale bioelettrico generata dal sistema di conduzione del cuore. Poiché i sensori ECG misurano direttamente l'attività elettrica del cuore, il loro tempo di assestamento è minimo, se non addirittura nullo, il che li rende ideali per l'uso in situazioni di emergenza. Essi possono inoltre tracciare in maniera accurata i picchi del battito cardiaco, consentendo una misura affidabile della variabilità della frequenza cardiaca. I sensori ECG sono immuni dalle interferenze luminose e l'unico requisito tecnico richiesto è la totale aderenza alla pelle. I sensori hanno dimensioni piccolissime ed essendo semplici elettrodi richiedono una potenza estremamente ridotta.
La principale limitazione dei sistemi ECG è la necessità di rilevare l'attività bioelettrica attraverso la pelle, operazione questa possibile solo in determinate parti del corpo (solitamente il petto, le ascelle, la parte superiore delle gambe e la punta delle dita). Questi vincoli di posizionamento degli elettrodi potrebbero quindi non permettere all'ECG di effettuare un monitoraggio continuo al di fuori di un ambiente clinico. I punti di contatto degli elettrodi, inoltre, non sono sempre compatibili con l'attività fisica, per cui il movimento potrebbe scollegare gli elettrodi dalla pelle.
Misura della frequenza cardiaca: considerazioni di progetto
Nel momento in cui si deve scegliere tra PPG ed ECG, è necessario fare valutazioni approfondite prima di decidere quale sia la soluzione più appropriata. Nelle applicazioni cliniche che richiedono una misura istantanea e molto accurata, l'ECG rappresenta la scelta più logica, ma nel caso di fitness tracker e dispositivi indossabili il processo di selezione è più complesso e articolato.
Per numerose applicazioni, l'interazione con l'utente è forse l'aspetto principale da considerare in fase di progetto. Nel caso di dispositivi indossabili come gli smartwatch e molti fitness tracker, il polso rappresenta l'ubicazione ideale in quanto assicura una presa sicura e semplicità di accesso a qualsiasi controllo. Senza dimenticare che il polso viene utilizzato per indossare altri oggetti come i tradizionali orologi oppure gioielli. In queste applicazioni, i sensori PPG possono essere integrati in un orologio o un cinturino, consentendo una connessione fisica diretta con il resto dell'elettronica di controllo e la massima comodità in fase di lettura. L'importanza attribuita al monitoraggio della frequenza cardiaca nella strategia di promozione adottata per un particolare prodotto può anche determinare la scelta della tecnologia da utilizzare. Nel caso si tratti di un sensore ausiliario per il tracciamento dello stato di salute e della forma fisica progettato per essere collegato a uno smartwatch o a uno smartphone e che debba annoverare tra i suoi punti di forza un'elevata accuratezza o il tracciamento dell'HRV, sarebbe preferibile utilizzare la tecnologia ECG. Tuttavia, i cardiofrequenzimetri che operano in modo continuativo basati su ECG devono garantire il comfort della persona che li indossa. Per le applicazioni di fitness, di solito vengono sviluppate fasce elastiche che si adattano all'addome di una persona, mentre i dispositivi utilizzati esclusivamente per il monitoraggio della salute possono prevedere cuscinetti (pad) adesivi per assicurare un contatto stabile con la pelle. Poiché queste soluzioni sono collegate in modalità wireless con smartphone o smartwatch preposti all'elaborazione e al controllo, in fase di progetto è necessario prendere in considerazione l'esigenza di garantire una connessione continua e stabile con il dispositivo host.
Molti produttori di primo piano come Samsung, Apple e FitBit hanno deciso di integrare entrambi i tipi di sensori, PPG ed ECG, nei loro più recenti fitness tracker e monitor indossabili ad alte prestazioni. Mentre il sensore PPG viene utilizzato per effettuare il campionamento continuo necessario per fornire un quadro più completo della frequenza cardiaca di una persona e per tracciare le attività fisiche, il sensore ECG, solitamente integrato nella cornice del display, viene impiegato per eseguire controlli periodici a campione dell'HRV. Per le persone potenzialmente soggette a fibrillazione atriale parossistica (PAF), caratterizzata da battito cardiaco irregolare e spesso accelerato, la possibilità di accedere a misure ECG estremamente accurate può fornire informazioni sicuramente preziose. Quando un individuo avverte i primi sintomi correlati alla PAF, può eseguire immediatamente una misura ECG. I dati così acquisiti possono aiutare i medici nella diagnosi, oltre a fornire una visualizzazione dello stato di salute della persona.
Implementare la misura della frequenza cardiaca per via ottica mediante PPG
La misura della frequenza cardiaca mediante PPG riveste un ruolo cruciale in numerosi fitness tracker e dispositivi indossabili. La possibilità di fornire misure accurate utilizzando una parte del corpo comoda rende questa tecnologia particolarmente interessante per i progettisti. Indipendentemente dall'applicazione e del fatto che la tecnologia PPG venga impiegata autonomamente e in abbinamento con la tecnologia ECG, in un mercato in rapida evoluzione come quello dei fitness tracker e degli smartwatch lo sviluppo in tempi brevi di una soluzione di rilevamento contraddistinta da un'elevata accuratezza è un elemento cruciale per il successo del progetto complessivo.
Il modulo ADPD188GG di Analog Devices
Il modulo ottico ADPD188GG di Analog Devices è una soluzione fotometrica completa in grado di misurare i segnali ottici provenienti sia dalla luce ambiente sia dagli impulsi sincroni riflessi dei LED. Caratterizzato da un'elevata efficienza, il modulo integra due LED e diodi fotorilevatori, tutti alloggiati in un elegante package custom che impedisce alla luce proveniente dal LED di essere rilevata dal fotodiodo senza prima essere penetrata nel soggetto. Durante la misura sincrona, assicura la migliore reiezione alle interferenze prodotte dalla luce ambiente. Una caratteristica, questa, che lo rende ideale per i fitness tracker che, in presenza di movimenti vigorosi, possono consentire alla luce ambiente di penetrare nell'area di rilevamento.
In grado di accelerare il processo di sviluppo, la scheda di valutazione EVAL-ADPD188GGZ (Figura 2) e il software WaveTool danno vita a un ambiente che permette di valutare in modo semplice il sensore ADPD188GG. Il software WaveTool integra un'interfaccia utente (GUI) molto semplice, concepita per agevolare il processo di sviluppo e mette a disposizione numerose opzioni di configurazione, analisi nei domini del tempo e della frequenza in real-time e funzionalità di trasferimento mediante il protocollo UDP (User Datagram Protocol). Ciascuna scheda di valutazione integra un modulo ottico ADPD188GG, l'amplificatore AD8233 per applicazioni ECG e l'accelerometro ADXL362. Il fattore di forma della scheda, infine, è ottimizzato per applicazioni di misure PPG effettuate mediante dispositivi che si indossano sul polso.
Figura 2: La scheda di valutazione EVAL-ADPD188GGZ per applicazioni PPG di Analog Devices (Fonte: Analog Devices)
Sensore combinato MAX30102 di Analog Devices / Maxim Integrated
Il sensore MAX30102 di Analog Devices/Maxim Integrated (Figura 3) è un modulo che abbina un sensore per la misura ottica della frequenza cardiaca e un pulsossimetro. Questo compatto dispositivo a montaggio superficiale (SMD) integra un driver per LED, un diodo LED e un modulo ottico miniaturizzato a 14 pin di dimensioni pari a soli 5,6x3,3x1,55mm. La potenza operativa richiesta inferiore a 1 mW e la bassissima corrente di shutdown (disattivazione) che permette di ridurre quasi a zero (0,7 µA) l'assorbimento in standby consentono di ottimizzare il tempo di funzionamento dei dispositivi alimentati a batteria. Poichè sia il LED sia la velocità di campionamento sono programmabili, è possibile ridurre i consumi in modo intelligente, in base ai requisiti dell'applicazione. Grazie a caratteristiche quali basso rumore, alta velocità di campionamento, elevato rapporto tra segnale e rumore (SNR) ed eccellente reiezione alla luce ambientale, il modulo è ideale per l'utilizzo in un'ampia gamma di tablet PC, smartphone e dispositivi indossabili per il fitness.
Figura 3: Il sensore ottico MAX30102 di Analog Devices/Maxim Integrated (Fonte: Mouser Electronics)
Per garantire la massima semplicità del processo di sviluppo, il progetto di riferimento MAXREFDES117 di Analog Devices (Figura 4) consente di valutare il sensore ottico e il pulsossimetro abbinati nel modulo MAX30102 con le piattaforme Arduino e Mbed. Una volta collegata la scheda di riferimento, i progettisti possono iniziare in tempi brevi il processo di valutazione utilizzando il semplice algoritmo per la valutazione della frequenza cardiaca e della saturazione dell'ossigeno nel sangue (SpO2) incluso nel firmware fornito come esempio.
Figura 4: Il progetto di riferimento MAXREFDES117 per il sensore ottico MAX30102 di Analog Devices/Maxim Integrated (Fonte: Mouser Electronics)
L'ergonomia della tecnologia indossabile
La scelta della parte del corpo da utilizzare per misurare la frequenza cardiaca di una persona dipende da parecchi fattori, tra cui l'attività fisica della persona stessa, il grado di accuratezza della misura richiesto, la possibilità di accedere ai controlli e il comfort. Detto ció, in molti progetti di sviluppo di soluzioni per il monitoraggio della frequenza cardiaca la parte del corpo selezionata è il polso. Poiché i tradizionali orologi e i gioielli indossati al polso esistevano già molto tempo prima dell'avvento di dispositivi per il monitoraggio della frequenza cardiaca, l'utilizzo di questa parte del corpo può garantire il più elevato livello di comfort per l'utente. Dal punto di vista delle prestazioni, i dispositivi da polso garantiscono numerosi vantaggi tra cui la possibilità di accedere senza problemi a qualsiasi controllo, di integrare sensori PPG ed ECG in un dispositivo elegante e di includere funzionalità di cronometraggio, oltre a fornire un rilevamento estremamente preciso in un'ampia gamma di attività.
Per tutte le ragioni sopra esposte, la maggior parte dei fitness tracker e dei dispositivi indossabili è progettata per essere indossata al polso. Anche per le applicazioni sportive, numerosi atleti impegnati in sport non di contatto, come ciclisti, corridori e vogatori, scelgono smartwatch o bracciali da polso per il fitness. Indipendentemente dal posizionamento del dispositivo, il monitoraggio della frequenza cardiaca è una funzionalità destinata ad acquisire una sempre maggiore importanza, fornendo ad atleti e consumatori informazioni quantificabili circa il loro stato di salute e aiutandoli a prendere decisioni consapevoli circa modalità di allenamento e stile di vita.
