Tecnologie medicali: è l’ora degli “indossabili”

La miniaturizzazione dei sensori biomedicali, la proliferazione degli smartphone e la diffusione di protocolli wireless efficienti dal punto di vista dei consumi hanno favorito lo sviluppo di una generazione di dispositivi medicali che avranno un impatto profondo sul settore dell’assistenza sanitaria. 

Introduzione

I dispositivi medicali indossabili vanno ben oltre i classici braccialetti per il fitness. Essi infatti non servono solo a contare i passi o monitorare la frequenza cardiaca, ma anche a monitorare il livello di glucosio e la pressione sanguigna, a trattare il dolore cronico o persino a somministrare farmaci.  Il Nucleo centrale di questa rivoluzione nel settore sanitario sono le tecnologie wireless sorte con la diffusione degli smartphone. Bluetooth e NFC sono i protocolli wireless di riferimento per questa nuova generazione di dispositivi medicali indossabili.

La rivoluzione indossabile

L'assistenza sanitaria è praticata tradizionalmente negli ospedali e nelle cliniche private, obbligando quindi i pazienti a percorrere distanze notevoli e a ritardare le cure. La tecnologia medicale indossabile promette di capovolgere la situazione grazie alla “telemedicina”, ovvero l’erogazione di prestazioni sanitarie a distanza (a casa del paziente, al lavoro o in viaggio), quindi al di fuori degli ambienti clinici tradizionali.  Grazie alle tecnologie indossabili, la telemedicina dispone di tutte le potenzialità necessarie per migliorare sia la degenza sia le cure ambulatoriali. Gli ospedali, ad esempio, potranno concentrare le risorse sui casi urgenti, mentre per i disturbi meno gravi sarà possibile effettuare le diagnosi, e in alcuni casi anche i relativi trattamenti, in modo remoto con l'ausilio di dispositivi medicali indossabili.

I dispositivi di monitoraggio della salute indossabili possono inoltre consentire di accorciare le degenze in ospedale per i pazienti con disturbi gravi, che possono tornare a casa in tempi brevi pur rimanendo costantemente monitorati, liberando così posti letto e personale per altri pazienti.  I dispositivi medici indossabili possono aiutare chi soffre di malattie croniche a gestire e monitorare la propria condizione, nonché condividere con facilità le informazioni con il proprio medico. I dispositivi medicali indossabili possono anche fornire una modalità di accesso pratico ed economico ai servizi sanitari a una pluralità di soggetti: persone in difficoltà economica, comunità con scarsi servizi, disabili e persone con mobilità ridotta. Oltre a migliorare la vita dei malati, gli indossabili possono essere utilizzati anche per scopi di medicina preventiva. La prossima generazione di braccialetti per il fitness e la salute potrebbero monitorare non solo l'attività fisica, ma anche i primi segni di una malattia per aiutare a prevenire problemi di salute più gravi.

Sanità più “intelligente” con Bluetooth Low Energy

Il più importante protocollo wireless attualmente disponibile per i dispositivi medicali indossabili è senza dubbio Bluetooth Smart, noto anche come Bluetooth Low Energy.   Nonostante il nome, Bluetooth Smart è molto diverso dal classico Bluetooth. Mentre quest’ultimo è stato progettato per trasmettere dati da/verso periferiche come cuffie, microfoni o tastiere, Bluetooth Smart è nato come protocollo a bassissimo consumo per la trasmissione di brevi sequenze (burst) di dati da dispositivi alimentati a batteria utilizzati in applicazioni di conteggio, monitoraggio e rilevamento. Si tratta quindi del protocollo wireless perfetto per i dispositivi medicali indossabili.  Bluetooth Smart utilizza un livello fisico e di collegamento diverso da quello del Bluetooth classico ma, grazie alla conformità con lo standard Bluetooth, tutti gli smartphone compatibili con Bluetooth 4.0 (e successivi) sono anche compatibili con Bluetooth Smart.  Bluetooth Smart consente inoltre ai dispositivi medicali indossabili di sfruttare la connettività cellulare, il rilevamento della posizione tramite GPS e le capacità di elaborazione di uno smartphone per integrare le capacità intrinseche dei dispositivi stessi.

Un dispositivo per il monitoraggio della salute indossabile, ad esempio, può condividere i dati rilevati con uno smartphone attraverso Bluetooth Smart. L’utente può aprire la relativa app del dispositivo e visualizzare i propri valori vitali. I dati originali dell’utente possono essere anche incrociati con quelli di un database online che segnala i valori che indicano rischi di malattie prevenibili. Gli stessi dati possono essere condivisi facilmente con operatori sanitari o altre persone.  Essendo un protocollo wireless, Bluetooth Smart è stato ottimizzato per soddisfare le esigenze tipiche dei dispositivi indossabili e di quelli utilizzati in applicazioni IoT, traamissione di messaggi brevi in modalità bursty (brevi periodi di trasmissione intervallati da lunghi periodi di inattività). Le connessioni possono essere aperte e chiuse in modo estremamente rapido e i tempi di trasmissione dei messaggi sono ridotti. Mentre le connessioni Bluetooth classiche impiegano centinaia di millisecondi o più, i dispositivi Bluetooth Smart possono stabilire una connessione, trasmettere un messaggio e chiudere la connessione nell’arco di decine di millisecondi.

Questa messaggistica veloce non solo garantisce un’elevata rapidità di risposta, ma permette di minimizzare il consumo di energia, prolungando il periodo di tempo in cui la radio è spenta. In combinazione con una potenza di trasmissione di picco di circa 15mA,  Bluetooth Smart garantisce un’elevata efficienza dal punto di vista energetico: basti considerare che alcuni dispositivi Bluetooth Smart possono funzionare per mesi o addirittura anni con semplici batterie a bottone.  Bluetooth Smart è anche in grado di garantire la sicurezza richiesta dalle applicazioni medicali. Esso utilizza una cifratura AES-CCM a 128 bit e la generazione di chiavi Diffie-Hellman basata su curva ellittica per la protezione contro le intercettazioni.

Figura 1: Stack Bluetooth Smart

Per implementare Bluetooth Smart è possibile utilizzare processori di rete, moduli HCI o chip SoC. I processori di rete, noti anche come circuiti integrati di connettività, sono moduli radio Bluetooth con MCU a basso consumo che implementano lo stack Bluetooth (Figura 1), minimizzando il carico sul processore host. Questa caratteristica li rende idonei per dispositivi con MCU a basso consumo. I moduli HCI sono moduli radio Bluetooth di base che implementano il livello fisico e di collegamento, e si basano sul sistema host per implementare i livelli superiori dello stack Bluetooth. I moduli HCI sono adatti per i dispositivi che utilizzano un processore host ad alte prestazioni che dispone delle risorse necessarie per eseguire lo stack Bluetooth oltre alla logica dell'applicazione.

Figura 2: nRF52832 di Nordic integra un processore con core ARM Cortex M4F oltre a 512 kB + 64 kB di RAM per supportare numerose applicazioni indossabili

I chip SoC abbinano radio Bluetooth radio con processori ad alte prestazioni che possono eseguire l'intero stack Bluetooth insieme a tutta la logica dell'applicazione sullo stesso chip. Ci sono differenze rispetto alla capacità di elaborazione. Per esempio, il chip nRF51822 di Nordic utilizza un core ARM Cortex M0 con consumi bassissimi per garantire la massima efficienza energetica, mentre il nRF52832 (figura 2) è basato su un core Cortex M4 per supportare un’ampia varietà di applicazioni. Per la maggior parte delle applicazioni indossabili, un design basato su SoC assicura notevoli vantaggi in termini di costi di sviluppo, efficienza energetica e facilità di integrazione. Essendo disponibili sotto forma di chip singoli, i dispositivi SoC sono particolarmente adatti per la realizzazione di prodotti indossabili sottili, leggeri ed estremamente compatti.  Grazie alle sue caratteristiche di bassissimi consumi, estesa compatibilità e facilità di implementazione mediante moduli SoC, Bluetooth Smart è attualmente il protocollo wireless più utilizzato per i dispositivi indossabili.

Il protocollo NFC

Anche se Bluetooth Smart svolge un ruolo da protagonista nel settore dei dispositivi indossabili, non è l'unica opzione. Anche NFC (Near-Field Comunication) è un protocollo di comunicazione wireless ampiamente utilizzato che spesso svolge un ruolo complementare abbinato a Bluetooth Smart.  A differenza di Bluetooth che consente la connessione tra dispositivi distanti fino a 9 metri, NFC prevede che i dispositivi si trovino in un raggio di 10 cm (o inferiore), ovvero siano praticamente adiacenti. Anche se a prima vista il raggio d'azione limitata dell’NFC possa sembrare uno svantaggio, in realtà è la chiave del suo successo.   Poiché i dispositivi devono essere adiacenti gli uni con gli altri, NFC assicura che i dispositivi collegati sono quelli corretti. Mentre nel caso di Bluetooth il processo di accoppiamento è complesso, in quanto prevede la selezione del dispositivo giusto e l’inserimento dei codici di accesso, le connessioni NFC sono di tipo "tap and go".

E' sufficiente mettere in contatto i dispositivi per stabilire automaticamente la connessione, trasmettere i messaggi e chiudere la connessione stessa. Di uso semplice e intuitivo, NFC è particolarmente adatto all'uso da parte di persone anziane e personale ospedaliero.  I collegamenti rapidi di tipo "tap and go" utilizzati dall’NFC sono anche adatti per ambienti clinici in cui potrebbe essere necessario effettuare la lettura di più dispositivi da uno smartphone centralizzato o da un altro lettore NFC. Con Bluetooth bisognerebbe impostare manualmente il collegamento in sequenza per ogni singolo dispositivo, mentre con NFC ogni dispositivo viene toccato semplicemente quando deve essere letto, senza dover effettuare ricerche tra decine di dispositivi posti nelle vicinanze.  Un altro punto di forza della tecnologia NFC è rappresentato dalle sue prestazioni in termini di consumi. I dispositivi NFC spesso possono essere alimentati in modo passivo tramite il dal campo elettromagnetico generato dal lettore NFC. La quantità di energia generata è minima, di solito 4 mA a 3,3 V, ma è sufficiente per effettuare le semplici letture del sensore.  Poiché non è richiesta una batteria, questa tecnologia permette di realizzare dispositivi estremamente piccoli come ad esempio sensori sotto forma di cerotti, nonché apparati impiantabili o integrati direttamente negli indumenti.

Poiché è necessaria la prossimità tra i dispositivi, la tecnologia NFC garantisce, in forma estremamente semplice, un grado di sicurezza fisica e di autenticazione efficaci, oltre a ridurre notevolmente la possibilità di attacchi "man-in-the-middle". Laddove è richiesto un livello di sicurezza superiore NFC, come Bluetooth Smart, supporta anche la crittografia AES e lo scambio di chiavi Diffie-Hellman.  Anche se NFC è una tecnologia in grado di garantire elevate prestazioni se usata in maniera autonoma, essa funziona bene anche in combinazione con altre tecnologie wireless. I moduli multiradio che supportano Bluetooth e NFC, per esempio, possono utilizzare l'accoppiamento Out of Band previsto da Bluetooth in cui il dispositivo usa il protocollo NFC per stabilire una connessione Bluetooth sicura sfruttando la prossimità fisica. Gli utenti possono in tal modo usufruire delle migliori funzionalità delle due tecnologie: la sicurezza e la semplicità della modalità “tap-to-connect” di NFC con la portata e la connettività continua di Bluetooth.

Medicina sempre più indossabile

Sicuramente, le potenzialità dei dispositivi medicali indossabili sono state sfruttate  solo parzialmente. Grazie a questi l’assistenza sanitaria viene trasferita dall'ospedale alle mura domestiche, con riflessi positivi sulla qualità della vita di anziani, malati cronici e delle persone più svantaggiate, come ad esempio disabili o coloro con scarse risorse economiche. I dispositivi indossabili permettono anche di migliorare l'efficienza degli ospedali nonché aiutare a diagnosticare nella fase iniziale malattie prevenibili, prima che si trasformino in malattie più gravi.  Due sono le tecnologie alla base della rivoluzione promessa dalla diffusione dei dispositivi medicali indossabili: Bluetooth Smart e NFC. Mentre Bluetooth Smart è una tecnologia che si distingue per i consumi estremamente ridotti e la completa compatibilità con gli smartphone, NFC è una tecnologia di uso semplicissimo che permette di creare dispositivi senza batteria incredibilmente sottili e leggeri. L'adozione di queste tecnologie wireless può comportare numerosi vantaggi per numerosi dispositivi indossabili medicali sia attuali sia futuri.

 

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 17 febbraio 2017

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