Smartwatch, braccialetti fitness e altri dispositivi personali dotati di sensori per monitorare i parametri che determinano lo stato di salute di una persona. Miliardi di sensori effettuano il monitoraggio di pazienti in ospedali e cliniche di tutto il mondo. Negli ultimi anni l'assistenza sanitaria non è più confinata all'interno delle strutture mediche ma si è progressivamente estesa alle abitazioni e ai luoghi di lavoro. Il graduale passaggio al monitoraggio, la cura e il trattamento da remoto ha recentemente subito una brusca accelerazione a causa del diffondersi della pandemia provocata da COVID-19.
Nelle cliniche e negli ospedali di tutto il mondo miliardi di sensori sono preposti al monitoraggio dei pazienti. Anche prima della pandemia provocata dalla diffusione di COVID-19, l'assistenza sanitaria non viene più praticata esclusivamente nelle strutture mediche, ma anche nelle abitazioni private e nei luoghi di lavoro. Il graduale passaggio al monitoraggio, cura e trattamento da remoto ha subito una brusca accelerazione nella primavera del 2020. Dal punto di vista della progettazione e dello sviluppo, le aziende che realizzano applicazioni destinate ai primi soccorritori, agli anziani e al monitoraggio della forma fisica hanno le medesime esigenze e devono affrontare gli stessi problemi. Gli smartwatch e i braccialetti fitness sono sicuramente le due principali categorie di prodotto utilizzati per acquisire dati relativi alla salute e alla forma fisica di una persona. Apple Watch, per esempio, integra un sensore per misurare la frequenza cardiaca che utilizza sia LED a luce visibile e a infrarossi sia fotodiodi. Oltre a ciò, fa ricorso a un accelerometro e a sensori di movimento per rilevare la posizione. Una tecnologia simile viene adottata anche da altri produttori.
Sviluppo di un dispositivo indossabile per il monitoraggio della salute
Il progetto di un circuito di potenza per smartwatch e altri dispositivi indossabili in grado di soddisfare le aspettative dei consumatori, che richiedono più funzionalità, maggior durata della batteria e dimensioni sempre più ridotte, può risultare un compito impegnativo.
Figura 1: Schema a blocchi della soluzione per smartwatch di Toshiba
La soluzione per SmartWatch di Toshiba (Figura 1) mette a disposizione un progetto di riferimento basato sui componenti discreti dell'azienda giapponese, appositamente selezionati per garantire maggiori prestazioni in package di dimensioni inferiori. Toshiba propone una gamma di componenti ampia e diversificata che comprende MOSFET, diodi e transistor, oltre a circuiti integrati più ricchi di funzionalità come ad esempio regolatori LDO, commutatori di carico e i fusibili “intelligenti” eFuse, tutti progettati per aumentare lo spazio disponibile sulla scheda, ridurre il consumo di corrente dei componenti passivi e prolungare la durata della batteria.
In ogni caso, il dispositivo finale non deve essere necessariamente uno smartwatch completo di tutte le funzionalità. Qualunque sia il progetto, il concetto chiave per eseguire il monitoraggio dello stato di salute mediante un dispositivo indossabile è quello di “sensor fusion”, ovvero dell'aggregazione dei dati provenienti da una molteplicità di sensori. Un'ottima base di partenza per la progettazione è rappresentata dalle click board con sensori di MikroE, come ad esempio ECG 6 Click (Figura 2), utilizzata per lo sviluppo di applicazioni che prevedono l'esecuzione di elettrocardiogrammi (ECG) e la misura della frequenza cardiaca. Il nucleo centrale della scheda è il modulo biosensore MAX86150 di Maxim Integrated che integra funzionalità di pulsossimetro di grado medicale e di cardiofrequenzimetro riflessivo. La scheda include un modulo sensore per elettrocardiogramma, pulsossimetria e monitoraggio della frequenza cardiaca. Tra le applicazioni tipiche di ECG 6 Click si possono annoverare dispositivi per la valutazione della forma fisica, dispositivi indossabili, smartphone e tablet.
Figura 2: La scheda ECG Click di MikroE
Il modulo biosensore MAX86150 di Maxim Integrated permette di effettuare misure di fotopletismogrammi (PPG) ed elettrocardiogrammi (ECG) con un unico dispositivo integrato. Esso abbina LED interni, fotorilevatori e un AFE (Analog Front End) per ECG ed è in grado di fornire un'elevata precisione nelle misure PPG ed ECG (certificabili FDA) una volta integrato in dispositivi compatti e a basso consumo. La funzionalità ECG è ottimizzata per l'utilizzo con elettrodi a secco. Il sensore MAX30102 integra due differenti funzionalità: pulsossimetro e cardiofrequenzimetro. Il dispositivo include anche LED interni, fotorilevatori ed elementi ottici, oltre a circuiti elettronici a basso rumore con reiezione della luce ambiente.
Figura 3: Il kit di valutazione MAX30102
Per la valutazione del sensore, Maxim mette a disposizione il kit di valutazione MAX30102 (Figura 3), una combinazione tra la scheda madre USBOSMB e la scheda figlia MAX30102DBEVKIT che comprende il sensore MAX30102 e un accelerometro. Questo kit di valutazione è alimentato tramite una porta USB in modo da generare tensioni di +1,8V (per il sensore), +4,5V (per i LED interni di MAX30102) e +3,3V per l'accelerometro.
Dati medici nel cloud: il problema della sicurezza
L'acquisizione dei dati rappresenta solo la prima fase di un processo più lungo e articolato. Per poter utilizzare tali dati è necessario che vengano trasmessi e interpretati o da un medico o dall'intelligenza artificiale. Come accade per molte altre applicazioni, le soluzioni basate su cloud potrebbero rappresentare una valida opzione. Anche se non scevra da vantaggi, l'adozione del cloud computing nel settore dell'assistenza sanitaria deve superare ancora molti ostacoli di una certa entità. Uno dei più impervi è senza dubbio quello rappresentato dai rischi legati alla sicurezza. I dati dei pazienti sono intrinsecamente sensibili e i dati sanitari residenti sul cloud devono essere assolutamente protetti. La cifratura dei dati, l'utilizzo di chiavi di sicurezza per consentire l'accesso e l'adozione della blockchain per proteggere i dati sono alcune delle metodologie che le organizzazioni sanitarie possono adottare per assicurare la protezione dei dati sensibili dei pazienti. I dati sanitari e le relative applicazioni devono rispettare un gran numero di normative che regolamentano la protezione dei dati come HIPAA, HITECH e GDPR. Gli operatori sanitari, dal canto loro, devono garantire la conformità a tali normative dei dati ospitati sul cloud, compito questo tutt'altro che semplice.
Si ringrazia per la collaborazione Marcel Consée, Mouser Electronics.
