Negli ultimi anni, la tecnologia indossabile ha rivoluzionato il monitoraggio della salute, offrendo dispositivi in grado di rilevare segni vitali come la frequenza cardiaca e l’attività fisica in modo non invasivo. Il nostro team ha sviluppato un innovativo sensore indossabile a bioimpedenza progettato per integrare questi progressi, fornendo misurazioni accurate della frequenza cardiaca e dei livelli di attività fisica.
Questo sensore rappresenta un passo avanti nel monitoraggio della salute, in particolare per le persone affette da condizioni croniche come il diabete, per le quali il controllo della frequenza cardiaca e dell’attività fisica può essere fondamentale anche in assenza di letture dirette della glicemia. Ad esempio, il sensore può supportare l’esecuzione di esercizi fisici monitorando l’intensità dell’attività e la frequenza cardiaca, che dovrebbe rimanere all’interno di una zona adeguata affinché l’attività risulti efficiente ed efficace.
Fornendo informazioni preziose sulle metriche cardiovascolari e sull’attività fisica, il sensore a bioimpedenza mira a offrire agli individui dati sanitari essenziali, promuovendo scelte di vita più consapevoli e un miglior benessere generale.
Progettazione e Funzionalità del Sensore
Il sistema sviluppato comprende un dispositivo indossabile con un sensore di bioimpedenza MAX30001 e un accelerometro ICM-20948, un’applicazione per smartphone per la gestione del dispositivo e una soluzione backend per l’elaborazione dei dati su un server. Il dispositivo indossabile, come mostrato nella figura sottostante, viene indossato al polso e utilizza due elettrodi per misurare la resistenza dei tessuti in quella zona. La resistenza varia con il flusso sanguigno e può quindi essere utilizzata per determinare la frequenza cardiaca. Una delle sfide principali è l’eliminazione del rumore generato dal movimento del braccio, che può essere parzialmente attenuato sia direttamente sul dispositivo sia nella fase di post-elaborazione.
Il dispositivo è dotato di un modulo di elaborazione e trasmissione radio NORA B106 00B, che consente la trasmissione dei dati tramite un canale Bluetooth a un’applicazione per smartphone, la quale a sua volta inoltra i dati al server. Tutte le comunicazioni sono crittografate, garantendo sicurezza e riservatezza.
Figure 1. Wearable Bio-impedance sensor.
Stima della Frequenza Cardiaca dalla Bioimpedenza Misurata al Polso
L’algoritmo elabora i segnali di bioimpedenza per stimare la frequenza cardiaca utilizzando un dispositivo indossabile posizionato sul polso. La bioimpedenza consiste nella misurazione di piccole variazioni della resistenza elettrica del corpo causate dal flusso sanguigno durante ogni battito cardiaco. Il dispositivo da polso utilizza una configurazione bipolare degli elettrodi – due elettrodi posizionati vicini tra loro – per catturare continuamente questi segnali per diversi giorni, anche durante il sonno in alcuni casi. L’obiettivo è fornire un metodo non invasivo per monitorare la frequenza cardiaca su lunghi periodi, utile per il monitoraggio della salute.
Il segnale grezzo di bioimpedenza viene acquisito a una frequenza di campionamento di 64 Hz e suddiviso in segmenti di 4 secondi, ciascuno contenente 256 punti dati. La finestra di 4 secondi è stata scelta perché è abbastanza lunga da includere diversi battiti cardiaci, ma sufficientemente breve da consentire il rilevamento dei cambiamenti nella frequenza cardiaca nel tempo.
L’algoritmo analizza poi ogni segmento in due fasi principali: prima stima la frequenza cardiaca utilizzando la correlazione incrociata (cross-correlation), poi perfeziona questa stima rilevando i picchi nel segnale che corrispondono ai battiti cardiaci. Inoltre, un accelerometro integrato nel dispositivo aiuta a filtrare i dati rumorosi causati dal movimento. La figura seguente illustra ciascuna fase di questo processo.
Figure 2. Segnale grezzo di bioimpedenza (BioZ), magnitudine dell’accelerometro e battiti per minuto (BPM) nel tempo, che forniscono un’istantanea di 60 secondi della stima della frequenza cardiaca.
Riconoscimento dell’attività
Abbiamo sviluppato un‘applicazione mobile che consente una raccolta dati fluida da un dispositivo indossabile. L’app è progettata per dispositivi Android con un livello minimo di SDK pari a 29, garantendo una compatibilità estesa con un’ampia gamma di dispositivi dei partecipanti allo studio. Segue i principi di design Material UI per offrire un’interfaccia intuitiva e una navigazione fluida.
L’applicazione opera in due fasi principali: la fase di configurazione e quella operativa. Durante la configurazione, gli utenti associano il proprio dispositivo indossabile e stabiliscono un canale di comunicazione sicuro con il server backend, utilizzando la connettività Bluetooth e una password monouso per l’autenticazione. La fase operativa consente il monitoraggio in tempo reale dello stato del dispositivo indossabile, lo scambio sicuro di dati con il backend e il tracciamento continuo delle metriche relative allo studio.
Realizzata utilizzando la suite di librerie Android Jetpack, l’app segue l’architettura Model-View-ViewModel (MVVM), garantendo una gestione efficiente dei dati e una separazione chiara della logica dell’interfaccia utente. Integra componenti come Hilt per l’iniezione delle dipendenze, Room per la memorizzazione dei dati locali e Datastore per le preferenze condivise. La comunicazione sicura è garantita tramite MTLS (Mutual Transport Layer Security), che assicura la trasmissione crittografata dei dati tra il dispositivo mobile e il server backend. Un servizio persistente in primo piano consente il trasferimento continuo dei dati anche quando l’app è in background, supportando un’operatività affidabile e ininterrotta dello studio.
I dati grezzi raccolti sono stati elaborati mediante un algoritmo di rilevamento dell’attività, producendo una serie temporale delle attività. Un esempio è visibile nella figura seguente, dove i dati di quattro giorni sono stati elaborati e classificati in quattro livelli di attività: sedentaria, attività leggera, moderata-intensa e sonno. La linea rappresenta i dati grezzi dell’accelerazione.
Figure 3. Activity recognition chart.
Sfide e Prospettive Future
Durante i test del dispositivo sono state identificate diverse sfide che suggeriscono possibili direzioni future per la ricerca in questo ambito. Forse la sfida più importante riguarda il rumore nei dati causato da artefatti di movimento. Gli algoritmi di elaborazione del segnale e di fusione dei sensori dovrebbero essere migliorati per una migliore capacità di rilevare la frequenza cardiaca in presenza di rumore, oppure il segnale dovrebbe essere contrassegnato come troppo rumoroso per fornire dati affidabili.
Un’altra sfida è rappresentata dalla durata della batteria. Attualmente il dispositivo indossabile può essere utilizzato ininterrottamente per quattro giorni, dopodiché è necessario ricaricarlo. Tuttavia, al momento, il segnale viene misurato continuamente, senza alcun ciclo di lavoro (duty cycling). Introdurre il duty cycling e combinarlo con l’analisi della qualità del segnale potrebbe migliorare notevolmente la durata della batteria.
Un ulteriore ambito di miglioramento potrebbe riguardare la selezione di materiali alternativi per i contatti con la pelle, al fine di aumentare la qualità del segnale. Infine, il dispositivo potrebbe essere potenziato eseguendo almeno parte dell’analisi direttamente a bordo e fornendo ulteriori informazioni mediche sul corpo umano.
In Conclusione
Lo sviluppo del sensore indossabile a bioimpedenza rappresenta un importante progresso nella tecnologia per il monitoraggio della salute. Questo dispositivo innovativo offre metodi non invasivi per rilevare la frequenza cardiaca e l’attività fisica, integrandosi con i sensori già esistenti per il monitoraggio della glicemia. La sua duplice utilità lo rende particolarmente prezioso per persone affette da condizioni croniche come il diabete, fornendo informazioni cardiovascolari essenziali a complemento dei dati glicemici.
Oltre alle applicazioni mediche, il sensore consente alla popolazione generale di mantenere uno stato di salute ottimale grazie al monitoraggio costante dell’attività fisica, promuovendo il benessere e uno stile di vita più sano. Per atleti e persone anziane, migliora le prestazioni e la salute fisica permettendo il controllo in tempo reale dell’intensità dell’attività e delle zone di frequenza cardiaca.
Dal punto di vista tecnologico, il sistema integra sensori di bioimpedenza e accelerometri per ottenere misurazioni accurate, supportato da un’app per smartphone per la gestione dell’utente e da un server backend per l’elaborazione sicura dei dati. Affrontando sfide come il rumore generato dai movimenti del braccio e garantendo la sicurezza dei dati tramite crittografia, questo sistema offre una soluzione completa per il monitoraggio personalizzato della salute.
