06 Lug 2018
DISPOSITIVI INDOSSABILI - LUCE ROSSA CONTRO LUCE VERDE
Posted by Forrest Group Minerva
Creato: 06 Luglio 2018

Dispositivi indossabili -  Luce rossa contro luce verde

Il futuro del rilevamento ottico nei dispositivi indossabili.

[N.d.r.: questo è il secondo articolo che tratta l’affidabilità dei cardiofrequenzimetri da polso a luce verde e dei dispositivi indossabili. È un testo prevalentemente tecnico che però illustra chiaramente pregi, difetti e limitazioni dei prodotti attuali. È anche indicata la futura possibile evoluzione.]


L'industria dei dispositivi indossabili è all’inizio di un cambiamento radicale nel modo in cui questi misurano la fisiologia umana, consentendo ai nuovi trasduttori di monitorare i segnali biologici, precedentemente invisibili, con un livello di accuratezza senza precedenti.

Lo stato dell'industria dei dispositivi indossabili

Il mercato dei dispositivi indossabili continua a crescere ad un ritmo rapido e non mostra segni di rallentamento. Secondo IDC, "Il mercato mondiale dei dispositivi indossabili raggiungerà un totale di 111,1 milioni di unità prodotte nel 2016, in crescita del 44,4% rispetto alle 80 milioni di unità prodotte nel 2015. Entro il 2019, l'ultimo anno di previsione, le vendite totali raggiungeranno 214,6 milioni di unità, che equivale ad un tasso di crescita annuale composto, quinquennale, del 28%".

Forse, più interessante di queste cifre è il fatto che si sta affermando il rilevamento ottico, una tecnologia che solo pochi anni fa era sconosciuta nei dispositivi indossabili da polso. Questa rivoluzione è iniziata nel 2012 quando due piccole società, Mio Global e Basis, hanno ideato orologi con monitor ottico per la determinazione della frequenza cardiaca (OHRM - Optical Heart Rate Monitor).

Dal 2012 non solo abbiamo assistito ad una proliferazione di dispositivi indossabili, tra cui le offerte dei maggiori costruttori del settore come Apple, Fitbit e Garmin, ma abbiamo anche notato un aumento della dipendenza dalla tecnologia dei sensori, con un aumento del numero di sensori per dispositivo indossabile.

Infatti, secondo IDTechEx, il dispositivo indossabile medio prodotto nel 2019 avrà sino a 4,1 diversi sensori, rispetto agli 1,4 del 2013.

Con la proliferazione dei dispositivi e dei sensori, i consumatori ricercano gli apparati più precisi. Questa esigenza di accuratezza è una recente evoluzione, perché quando i primi OHRM sono comparsi sul mercato, i clienti non avevano a disposizione tante opzioni. La tecnologia era nuova, il numero di prodotti limitato e l'eccitazione di essere in grado di misurare la frequenza cardiaca con un qualcosa di diverso da una fascia toracica era entusiasmante.

Ma come il mercato si è espanso, sono anche aumentate la pretese dei consumatori. Un recente sondaggio condotto dal MEMS e dal Sensor Industry Group, che ha intervistato 706 consumatori statunitensi, ha mostrato che il 63% ritiene che l'accuratezza sia una caratteristica molto importante, ed il 74% prenderebbe in considerazione l'idea di acquistare un nuovo dispositivo indossabile, per gestire al meglio la propria salute, se fosse dimostrata la sua precisione.

Con una moltitudine di opzioni, quali dispositivi sono attualmente i più precisi? Possono soddisfare le aspettative del consumatore moderno di oggi? Ci sono altre tecnologie all'orizzonte che supereranno queste aspettative?

La luce verde

Per misurare la frequenza cardiaca, la maggior parte dei dispositivi indossabili utilizzano sensori ottici a luce verde visibile, mediante un processo chiamato fotopletismografia (PPG). La PPG coinvolge la luce brillante sulla superficie della pelle, che registra la variazione dell'intensità luminosa che viene trasmessa attraverso il tessuto corporeo, mentre il sangue perfonde gli strati superficiali del corpo, e quindi è usata per convertire le variazioni della trasmissione del segnale, nell'elaborazione di una frequenza cardiaca.

monitor HRT 04OHRM Mio Basis a luce verdeSebbene convenienti, questi prodotti OHRM a luce verde non offrono prestazioni ottimali, come ad es. la fascia toracica 'gold standard', che misura i segnali elettrici prodotti dal cuore. Allora perché i produttori continuano ad utilizzare la luce verde e perché questa tecnologia non funziona?

I produttori, in gran parte, continuano ad utilizzare gli OHRM a luce verde perché la scienza è nota, e c'è una vasta conoscenza dei prodotti esistenti da impiegare nella costruzione dei dispositivi. Ciò è particolarmente importante quando un'azienda orientata al profitto, è focalizzata sulla rapidità di commercializzazione e sulla creazione di valore aggiunto per gli azionisti. La PPG è conosciuta da quasi 150 anni ma, nel 21° secolo, sta vivendo una rinascita in nuove applicazioni indossabili, perché il corpo umano è un ottimo assorbitore di luce verde.

Poiché il corpo riduce naturalmente la quantità di luce verde che penetra nella pelle dalle fonti di luce esterne, il rumore [N.d.r.: disturbo] generato dalla luce ambientale è significativamente ridotto, rendendo così più facile misurare la parte d'interesse del segnale. Questa convenienza, però, presenta anche dei limiti. Il corpo umano, assorbendo efficacemente la luce verde da fonti esterne, assorbe anche la luce verde appositamente emessa dai diodi ad emissione luminosa (LED) di questi prodotti indossabili, che fortemente limitano la profondità della luce che può attraversare il corpo. Questo crea significativi problemi vicino al polso, dove la perfusione sanguigna è limitata, e indebolisce l’intensità complessiva del segnale.

Un altro fattore di complicazione per i sensori a luce verde è il colore della pelle. Il nostro colore epidermico è prodotto da un pigmento naturale, che si trova nella maggior parte degli organismi, chiamato melanina. Questo pigmento è prodotto da un gruppo di cellule della pelle note come melanociti. La melanina è un ottimo assorbitore di luce verde; ciò significa che la pelle più scura assorbe più luce verde, creando un evidente problema quando non riesce a far passare il segnale. Questo aspetto si presenta anche quando si misura la frequenza cardiaca attraverso la pelle tatuata (ricordi il tatuaggio-gate? Guarda). [N.d.r.: il blog tecnologico iMore ha testato l'Apple Watch su numerosi tatuaggi e ha concluso che le letture del sensore 'variavano selvaggiamente a seconda dei colori e delle sfumature del tatuaggio' - Altri fattori che incidono sulla lettura del battito cardiaco].

Inoltre, la luce verde è fortemente assorbita dall'emoglobina, che la rende incapace di penetrare più a fondo nel tessuto, precludendo la determinazione dei parametri dei tessuti più profondi, come la saturazione dell'idratazione dei muscoli e l'emoglobina totale.

Tutto ciò limita le prestazioni degli OHRM a luce verde, che ora sta creando 'il mal di testa' ai consumatori e ai produttori.

Come esempio estremo, Fitbit è ora coinvolta in un'azione legale collettiva [N.d.r.: del 5 giu '18] a causa della persistente inesattezza delle misurazioni ottiche della frequenza cardiaca. I querelanti affermano una variazione media di 24 bpm rispetto alle letture più accurate con le fasce cardiache toraciche. In casi estremi questa variazione aumenta fino a 75 bpm. Anche se personalmente non abbiamo riscontrato variazioni così grandi (e abbiamo estensivamente testato tutti gli OHRMS presenti sul mercato), abbiamo constatato una significativa e preoccupante deviazione dalla frequenza cardiaca vera, tipicamente da 7÷18 bpm.

monitor HRT 05Luce verde contro luce rossa contro fascia cardiaca toracica 'gold standard' (tracciato nero).

Poiché la tecnologia con luce verde ha questi limiti di accuratezza nella precisione, quali nuove tecnologie sono sviluppate per dotare i dispositivi indossabili del futuro?

La luce rossa

Per far fronte a questo problema, ci siamo rivolti al mondo dei dispositivi medici in cui accuratezza e precisione sono strettamente controllati ed esistono standard normativi per proteggere la sicurezza dei pazienti. L'ultima volta che sei stato in ospedale, probabilmente ricorderai pazienti con luci rosse sul dito che ricordano il film culto degli anni '80, E.T. Questi sensori impiegano una tecnologia chiamata ossimetria pulsata, che utilizza la luce nel vicino infrarosso (in genere indicata come spettroscopia nel vicino infrarosso o NIRS). [N.d.r. sull'argomento: Principi, tecniche e limiti della spettroscopia del vicino infrarosso].

vasto mediale
(Mouse sulla figura per ingrandirla) 

L'ossimetria pulsata è un metodo non invasivo di monitoraggio dei molteplici aspetti del benessere del paziente, tra cui la frequenza cardiaca e la saturazione dell'ossigeno arterioso. Questa luce rossa è stata utilizzata negli ospedali, per decenni, per monitorare in modo sicuro e continuo i pazienti in diversi contesti, tra i quali il pronto soccorso, le sale operatorie, le maternità e le unità di terapia intensiva.

I vantaggi delle tecnologie a luce rossa sono molteplici.

In primo luogo, il corpo è un cattivo assorbitore di luce rossa. Ciò consente al segnale luminoso di penetrare più profondamente nel corpo (di un fattore x10), fino ai livelli tissutali in cui vi sono più grandi letti vascolari e/o tessuti di interesse. Questi ambienti sono una ricca fonte di segnali fisiologici che il sensore può riconoscere.

monitor HRT 06Penetrazione nel corpo della trasmissione ottica a luce rossa

In secondo luogo, con una maggiore profondità raggiunta, i sensori a luce rossa possono vedere contemporaneamente più letti tissutali. Questo approccio è definito multi-spettroscopico e consente di eseguire la scansione multipla di più strati di tessuti, per apprezzare le differenze nei segnali ai vari livelli, tra cui l'epidermide, l'ipoderma, gli strati sottocutanei e muscolari. La multi-spettroscopia è importante sia per la purificazione del segnale elettrico, sia per la riduzione del rumore [N.d.r.: cioè il miglioramento del rapporto segnale/disturbo], entrambe le quali possono incrementare significativamente la precisione del sensore.

In terzo luogo, la gamma di lunghezze d'onda nello spettro del vicino infrarosso, che si estende da circa 650÷1100 nm. Questo ampio range di lunghezze d'onda [N.d.r.: ≡ frequenze], presenta una ricca finestra di opportunità che consente di registrare contemporaneamente diversi parametri fisiologici, tutti provenienti dal medesimo sensore. Ciò non è dissimile dalla differenza tra i modelli di assorbanza e riflettanza della luce visibile, che fa apparire una maglietta rossa, di colore blu cielo o verde erba. Questo modello unico di passaggio attraverso il corpo crea "un'impronta digitale" unica, che può essere catturata migliaia di volte al minuto per formare "visioni" altamente dettagliate di ciò che accade all'interno del corpo. Queste visioni possono contenere contemporaneamente molti segnali fisiologici, il tutto ottenuto da un'unica sorgente ottica.
In precedenza abbiamo accennato ai dispositivi medici NIRS che misurano la frequenza cardiaca e la saturazione di ossigeno. Se si vogliono catalogare tutti i parametri fisiologici che il NIRS può misurare simultaneamente, la lista è abbastanza sbalorditiva, 10 volte quella della luce verde: idratazione, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria, pulsossimetria, ossigenazione muscolare, emoglobina totale (flusso sanguigno), soglia del lattato e altro.

Inoltre, la luce rossa è trasparente alla melanina e quindi non è influenzata, in modo sensibile, dalle differenze di colore della pelle, tatuaggi, lentiggini o altre normali variazioni fisiologiche che, tradizionalmente, provocano il caos per la luce verde.

Il futuro è rosso

Ci si potrebbe chiedere perché ci sia voluto così tanto tempo prima che la tecnologia a luce rossa venisse considerata. Sebbene ci siano molte risposte ragionevoli, dobbiamo ricordare che è stato solo pochi anni fa che il monitoraggio ottico della frequenza cardiaca ha fatto il suo debutto. A quel tempo non c'erano alternative reali. In questo vuoto, le aziende produttrici di dispositivi indossabili hanno scoperto una grande opportunità.

Queste aziende, in prevalenza società di produzione, hanno iniziato a cercare soluzioni importanti. La tecnologia era ancora nella sua forma nascente e i produttori, con aspettative di redditività rapide e reali, hanno fatto leva su ciò che avrebbe fornito loro la più veloce commercializzazione. Ciò ha seguito la classica metodologia di rapido lancio del prodotto e, subito dopo, iterazione.

Tuttavia, mentre queste società più grandi si concentravano sul profitto, altre videro l'opportunità di concentrarsi sulla scienza. Noi di BSX Technologies siamo una di queste società. BSX è una piccola startup di sensori con sede ad Austin, nel Texas.

Il nostro prodotto principale, BSXinsight, ha sfruttato questa tecnologia a luce rossa inventando il primo sensore indossabile per la soglia del lattato, al mondo. È uno strumento rivoluzionario per gli atleti di resistenza ed è stato un enorme successo. È stato validato in modo indipendente da centri di ricerca di terze parti ed è ora utilizzato dai team olimpici statunitensi e da innumerevoli altri atleti a tutti i livelli.

Abbiamo trascorso gli ultimi 4,5 anni concentrandoci su ricerche e sviluppi estesi, che ci stanno posizionando per risolvere i due problemi più urgenti con gli indossabili di oggi: accuratezza e ampiezza delle capacità di rilevamento, incluso - per la prima volta in assoluto - il monitoraggio dell'idratazione.

Dopo quattro anni di studio dei nostri laboratori, LVL sarà il prossimo prodotto ad utilizzare la nostra tecnologia, misurando l'idratazione come nessun altro dispositivo può fare. Ciò rappresenta un altro cambiamento radicale nel modo in cui le persone si avvicinano alla loro salute e all'allenamento, offrendo intuizioni uniche e misurando ciò che serve.

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Pubblicazione: Principles, techniques, and limitations of near infrared spectroscopy.





Tratto da: https://medium.com/bsxtechnologies/red-light-versus-green-light-74fdd5fe7027


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