Tecnologia dei sensori per applicazioni di fitness e salute

Determinare lo stato della nostra salute è sempre stata questione di trovare un modo per monitorare e misurare le più elementari funzioni corporee. Prima della strumentazione, sono stati utilizzati indicatori visivi che ci hanno permesso di sapere, per esempio, la temperatura ideale, la frequenza cardiaca salutare e la frequenza respirazione accettabile del nostro corpo.

Oggi, con il progressivo aumento della vita media e dunque delle persone di una certa età, si avverte di più l'esigenza di sistemi portatili di monitoraggio della salute, tra cui dispositivi che tra le altre funzioni possano somministrare farmaci a determinati intervalli, stimolare il cuore, misurare la pressione arteriosa o iniettare insulina. In questo articolo approfondiremo gli aspetti della tecnologia alla base dei sensori per il fitness e gli apparecchi medicali, a contatto e senza contatto, appoggiati sulla pelle, subcutanei o interni, che sono o saranno presto a disposizione dei progettisti. Tutti i componenti, gli strumenti e i dati a cui faremo qui riferimento sono reperibili sul sito DigiKey.

Un inizio semplice

La forma più semplice di sensore è un trasduttore che può essere un dispositivo basico, come due sostanze diverse a contatto. L'elemento sensore effettivo può essere realizzato come componente discreto con terminazioni e di piccole dimensioni, o come parte di una sonda o di un assieme di elettrodo. Può essere sottile come un capello e generare esso stesso una tensione.Le termocoppie sono un esempio di sensori in grado di produrre una tensione e sono costituiti da metalli diversi che generano delle tensioni in base alla temperatura. Ad esempio, componenti come E52-CA15AYD32 4M di Omron senza messa a terra, misurano le temperature grazie a un elemento di tipo K con un tubo protettivo di 3,2 mm che può essere attaccato alla pelle o installato in un dispositivo fisso.

È possibile sfruttare l'effetto piezoelettrico per creare energia da un sensore sottile integrabile esposto a urti o vibrazioni. Un piccolo sensore scheletrico non intrusivo potrebbe indicare in tempo reale un trauma fisico eccessivo subito da un giocatore di calcio in modo da evitare conseguenze più serie. La miniaturizzazione dei sensori piezoelettrici significa che ora possono essere "infilati" nei tessuti, nei bendaggi o nell'abbigliamento in genere. I sensori a lamina come 2-1004347-0 di TE Connectivity sono flessibili, piegabili e possono essere tagliati in forme specifiche (Figura 1). Una soletta nelle scarpe, ad esempio, potrebbe determinare se viene esercitata una sollecitazione eccessiva nella discesa di gradini per aiutare a diagnosticare problemi alla schiena o alle articolazioni.

I trasduttori sono utili per acquisire le condizioni del mondo reale, ma richiedono di essere calibrati, linearizzati e compensati per gli effetti di deriva e temperatura. È questa la ragione per cui i sistemi a trasduttore integrati con microelettronica intelligente a livello di sistema, possono rendere questi dispositivi idonei per applicazioni autonome di monitoraggio e reporting.

Siamo ciò che indossiamo

Società di ricerca e produttori stanno oggi puntando il loro interesse su dispositivi di fitness e medicali indossabili per uso di massa. Un luogo dove sono già in corso progetti simili è l'Università dell'Illinois in cui si stanno sviluppando dispositivi di nuova generazione in grado di misurare lo sforzo energetico, la frequenza cardiaca e le variazioni, le cadute, la temperatura della pelle, la frequenza cardiaca e i segnali di un encefalogramma (Figura 2). Indossati come un cerotto monouso, questi sensori adesivi possono comunicare in wireless a un hub o un router che può eseguire le necessarie elaborazioni o trasferire i dati al cloud o a un servizio medico-sanitario. Può essere utilizzato anche uno smartphone sul posto.

Figura 2: Sensori in formato adesivo come sistemi di misurazione autonomi, progettati specificamente per monitorare ed emettere avvisi sia a chi li indossa che a un servizio di monitoraggio medico, in qualsiasi punto del mondo.

Questo è solo un esempio di come i trasduttori integrati con elettronica di sistema possono dar luogo a dispositivi medicali compatti, poco ingombranti e scarsamente intrusivi. L'introduzione dei sensori nei tessuti può essere un modo di monitorare una condizione fisiologica senza intervento chirurgico invasivo o senza necessità di portarsi appresso un contenitore di apparecchi medicali. Una tecnologia simile la troviamo sotto forma di calze intelligenti dove nel tessuto sono "infilati" sensori di sforzo e che possono tener traccia di passi, velocità, calorie e distanza. Ma sanno fare anche di più. Queste calze sono in grado di rilevare l'altitudine, di conseguenza i livelli di ossigeno possono essere regolati in funzione della densità disponibile.

Un altro vantaggio è rappresentato dalla loro capacità di misurare la forza di appoggio del piede. La distribuzione del peso nel camminare e nell'appoggiare il piede a terra può dar luogo a trasferimenti di forze, urti e sollecitazioni alla struttura ossea, alle articolazioni e alle vertebre. Un problema cronico alla schiena può avere radici direttamente nel modo di camminare e i rimedi possono essere semplici e rapidi una volta messa in atto questa tecnologia per rilevare e quantificare la problematica, anche in tempo reale, utilizzando uno smartphone per avvisare una persona se la situazione rischia di aggravarsi (Figura 3).

Figura 3: Le calze intelligenti nel cui tessuto sono inglobati dei sensori possono inviare dati in tempo reale a uno smartphone per aiutare persone con problemi cronici alla schiena o dolori articolari a sapere quando stanno aggravando la situazione e quando è il momento di cambiare il modo di camminare.

Generare byte con un... morso

Un progetto innovativo, a cui in effetti si sta pensando da decenni, è un dispositivo elettronico impiantato all'interno di un dente. Recentemente, i ricercatori dell'Università di Taipei hanno effettivamente realizzato un sensore intelligente impiantabile nei denti che può monitorare, registrare e inviare dati quando viene attivato dalle azioni di fumare, bere, tossire, parlare o dall'interruzione della respirazione. Con una precisione dichiarata del 94%, questo impianto dentale si avvale di Bluetooth per comunicare e può essere nascosto all'interno di un'otturazione (Figura 4).

Figura 4: I sensori impiantati nei denti possono rilevare tanto attività chimiche che fisiche e avvisare il ricevitore locale quando si sta fumando, bevendo o se si è interrotta la respirazione.

I denti sono un caso speciale poiché il nostro apparato dentale è in grado di sviluppare forze notevoli che possono essere sfruttate dalle tecnologie di energy harvesting (ad esempio la tecnologia piezoelettrica di cui abbiamo parlato sopra) per alimentare i sensori. L'energy harvesting per i sensori indossati sul corpo o impiantati nel corpo è al centro dell'attenzione dei ricercatori dell'Università dell'Illinois. Hanno creato una sorta di piastrina per l'energy harvesting in grado di catturare e immagazzinare l'energia dal battito del cuore (Figura 5). Il substrato bioplastico alloggia il sensore e i circuiti di condizionamento dell'energia; inoltre è in grado di misurare l'emissione di energia muscolare e di rilevare quando un atleta ha terminato la fase di riscaldamento o è sovraffaticato. È stato dimostrato che la sola azione di piegatura e ritorno dell'harvester è in grado di caricare una batteria da 3,8 V.

Le ricadute dell'energy harvesting sono enormi per coloro che hanno necessità dell'assistenza di un pacemaker. Invece di dover aprire chirurgicamente il torace a intervalli regolari per la sostituzione della batteria, la protesi di regolazione impiantata potrebbe auto-ricaricarsi in continuazione.

Figura 5: Piastrine di energy harvesting simili a questa possono essere impiantate sul cuore o sui polmoni e l'energia da esse generata grazie al movimento fisico sarà utilizzata per caricare e alimentare altri sensori e dispositivi elettronici all'interno o all'esterno del corpo.

Oggi più che mai, la tecnologia impiantabile è destinata a diventare parte della quotidianità. Un esempio di Digital Health Assistant sviluppato in Inghilterra. Si tratta di un sensore impiantabile usato per individuare lo stato di malessere di una persona rilevando variazioni di movimento, abitudini, dieta, frequenza cardiaca, umore e altri parametri metabolici.

Notevole, in particolare, il rilevamento dell'umore. Questa capacità apre la strada alla possibilità di soluzioni tecnologiche nel nuovo (per i sensori, almeno) territorio della biodepressione. Non passerà molto tempo che vedremo rilevatori che somministrano farmaci antidepressivi al bisogno.

Su questa scia, la tecnologia dei sensori può suffragare il vecchio detto "non c'è nulla di sacro". Con dispositivi come il braccialetto Tactilu¹, in grado di trasmettere il contatto tra utenti, è possibile monitorare addirittura l'intimità interpersonale. Una sorta di cintura di castità digitale per giovani "troppo focosi".

Conclusione

La nostra comprensione della medicina ci sta permettendo di arrivare più in profondità nel sondare e monitorare i processi interni che influiscono sulla nostra salute. Questa tendenza continuerà di pari passo con la capacità dei medici di trovare modi di aggiungere sensori mirati a specifici indicatori metabolici. Con l'avvento di sensori per l'uso su o dentro il corpo, sempre più persone cammineranno, mangeranno, parleranno, dormiranno mentre dietro le quinte dei sensori attivi monitoreranno lo stato di salute. Stiamo diventando nodi dati wireless nel nostro mondo collegato a livello globale. Speriamo che nessun pirata informatico si introduca in noi!

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimenti

1. Tactilu