Da semplici "contapassi intelligenti" basati su accelerometro, i braccialetti per il fitness e gli smartwatch si stanno evolvendo integrando funzioni di rilevamento biometrico quali il monitoraggio del battito cardiaco. Tale tendenza è promossa dai produttori nel tentativo di differenziarsi nel mercato in espansione dei dispositivi indossabili e da consumatori informati che desiderano ottimizzare le prestazioni fitness con allenamenti più efficaci.
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Accuratezza della misurazione del battito cardiaco
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Accuratezza della misurazione durante l'allenamento
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Convalida delle prestazioni tra diversi individui
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Riduzione delle dimensioni e dello spessore dei dispositivi indossabili
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Prolungamento della durata della batteria
I progettisti di sistemi indossabili possono scegliere di implementare tecniche ottiche non invasive o elettriche. In genere, le tecniche elettriche si avvalgono di fasce per il petto con due contatti sulla pelle volti a misurare il battito cardiaco. Pur essendo solitamente accurato, questo metodo costringe gli utenti a indossare sul petto una fascia ingombrante con batteria e comunicazione wireless e può pertanto risultare scomodo e poco pratico. Le tecniche ottiche sono privilegiate poiché eliminano la scomoda fascia per il petto grazie a un emettitore ottico e a un sensore integrati nel braccialetto.
Principio del monitoraggio ottico del battito cardiaco nei dispositivi da polso
Come mostrato nella Figura 1, la luce a infrarossi (IR) proveniente da un LED brilla sulla pelle del polso dell'utente. La luce che entra nella pelle viene assorbita, diffusa e riflessa da tessuti, ossa, vene e arterie e questi deboli riflessi vengono poi rilevati da un sensore. La luce riflessa da tessuti e ossa è indipendente dal fattore temporale e dà origine a un unico livello di corrente diretta CC. Quando il cuore batte, la luce riflessa dal sangue arterioso cambia e si trasforma in un segnale di corrente alternata (CA). L'elaborazione avanzata del segnale digitale elimina il segnale CC e calcola il battito cardiaco in base al debole segnale CA. Questa tecnica di elaborazione genera un segnale noto come fotopletismografia (PPG).
I fattori che contribuiscono all'accuratezza dei segnali PPG in un progetto ottico sono diversi e comprendono: la lunghezza d'onda degli emettitori ottici, la sensibilità del sistema a tali lunghezze d'onda, lo spazio tra l'emettitore e il sensore, la quantità di luce generata dal LED, il numero di emettitori e il rumore nel sistema. Il sistema di monitoraggio del battito cardiaco ideale per un utente potrebbe non essere altrettanto efficace per un altro a causa delle differenze di pigmentazione della pelle e altre caratteristiche fisiologiche del singolo polso. I progettisti devono pertanto effettuare scelte attente e, laddove possibile, utilizzare tecniche adattive al fine di coprire un'ampia popolazione di consumatori. Una mancata attenzione in questo senso potrebbe difatti provocare l'insoddisfazione da parte dei clienti e un elevato tasso di restituzione dei prodotti indossabili. Passiamo ora ad analizzare alcuni degli aspetti critici nella progettazione dei sistemi per il monitoraggio del battito cardiaco.
Lunghezza d'onda dell'emettitore
I tipici sistemi di monitoraggio del battito cardiaco basati su dita e orecchie usano emettitori a raggi infrarossi (IR) nella banda da 850 a 940 nm. Tali emettitori non sono invece indicati per le soluzioni da polso poiché il polso non dispone degli stessi capillari ricchi di sangue vicini alla pelle che si trovano nelle dita o nelle orecchie. Gli studi hanno dimostrato che la lunghezza d'onda del verde (525 nm) offre prestazioni superiori nelle applicazioni da polso utilizzate da persone di carnagione chiara. Sfortunatamente, questa lunghezze d'onda viene assorbita dalle pelli più scure. Al contrario, la lunghezza d'onda del giallo (590 nm) funziona meglio con le pelli più scure. Pertanto, al fine di garantire prestazioni ottimali con il maggior numero di utenti, è possibile utilizzare LED sia verdi sia gialli, con un lieve aumento in termini di costo e di consumo energetico. Per selezionare il miglior segnale con cui calcolare la frequenza cardiaca di ogni singolo individuo viene utilizzata una tecnica adattativa.
Optoaccoppiatori per la pelle
E' necessario avere un buon accoppiamento dei segnali ottici tra il polso e il dispositivo indossabile, dato che gli spazi d'aria riducono l'accuratezza dei risultati. Un braccialetto flessibile offre una tenuta forte ma comoda. Pur migliorando l'accoppiamento, una fascia troppo stretta può ridurre il flusso sanguigno e, di conseguenza, l'accuratezza della misura. Al contrario, una fascia troppo lenta si muoverebbe liberamente. Un problema comune nei sistemi a LED singolo è che il braccialetto potrebbe dover essere spostato ulteriormente verso il braccio o ruotato leggermente per garantire prestazioni ottimali. Collocando due LED ai lati opposti del sensore ottico è possibile minimizzare i problemi derivanti dal posizionamento del braccialetto e dall'inclinazione. I problemi di inclinazione possono verificarsi durante gli allenamenti quando un lato del braccialetto ha un buon accoppiamento con la pelle mentre l'altro presenta uno spazio d'aria. Al fine di garantire la massima accuratezza per un'ampia varietà di utenti finali, è tuttavia consigliabile la progettazione di dispositivi indossabili a tre LED. I braccialetti per il fitness ad alte prestazione Scosche Rhythm Plus utilizzano ad esempio due LED verdi e uno giallo in una configurazione triangolare.
Energia luminosa dell'emettitore
L'energia luminosa dell'emettitore è determinata principalmente dalla corrente di azionamento, dalla tensione, dal tempo di impulso, dal semi angolo e dall'intensità luminosa. Un sistema di sensori ottici che permette di controllare diversi di tali parametri consente al software di configurarsi in modo ottimale per ogni singolo individuo. I LED verdi dispongono ad esempio di un'elevata tensione diretta, la quale potrebbe richiedere un compromesso in termini di tensione del LED e consumo di potenza. Dal momento che ottenere una tensione maggiore del LED non è sempre possibile, per aumentare l'energia luminosa dell'emettitore si può utilizzare un tempo di impulso più lungo rimanendo entro i normali parametri operativi del LED. Una funzione di autorilevamento può regolare la corrente del driver LED e/o il tempo di accensione del LED per ottimizzare il segnale riflesso per un individuo specifico. Questa funzione di autorilevamento CC contribuisce a minimizzare i requisiti di gamma dinamica del convertitore analogico digitale (ADC) del sistema e lo colloca nella gamma ottimale per il rilevamento del debole segnale CA del battito cardiaco.
Accuratezza della misurazione durante l'allenamento
Il principale punto debole della maggior parte dei dispositivi da polso in commercio è l'incapacità di rilevare accuratamente il battito cardiaco quando l'utente si allena. Durante l'allenamento è, infatti, particolarmente difficile compensare le alterazioni dovute al movimento e ai fattori fisiologici. I dispositivi indossabili si avvalgono in genere di accelerometri i quali, se combinati con sistemi di elaborazione del segnale avanzati, possono risultare efficaci nella riduzione delle alterazioni dovute al movimento. Questi algoritmi possono utilizzare i dati dell'accelerometro per rifiutare i campioni di battito cardiaco alterati dal rumore o eliminare attivamente tale rumore. Nonostante gli algoritmi, il segnale del battito cardiaco può tuttavia essere perso temporaneamente. Un algoritmo adattativo, il quale riconosce quando i dati del sensore non sono validi grazie a sistemi di valutazione della qualità, consente di adottare tecniche volte a fornire un rilevamento costantemente accurato anche quando l'utente si allena. Questi algoritmi devono inoltre essere convalidati rispetto a un ampio campione di utenti con diversi valori di toni di carnagione, etnia, età e peso corporeo.
Riduzione delle dimensioni e dello spessore del prodotto finale
In un progetto per dispositivi indossabili, l'aggiunta di sensori del battito cardiaco richiede più spazio. Diversi progetti utilizzano grandi fotodiodi discreti combinati con un'estremità frontale analogica (AFE) ed MCU. L'estremità frontale analogica comprende driver LED, ADC, filtraggio analogico e controllo. Un piccolo fotodiodo ad alta sensibilità integrato con ADC, filtraggio analogico e driver LED può fornire un rumore di fondo notevolmente inferiore, utilizzare meno bit dell'ADC e offrire un ingombro ridotto. Il sensore ottico Si114x di Silicon Labs, ad esempio, integra fotodiodi ad alta sensibilità, un ADC a 17 bit, la funzione di filtraggio analogico del rumore, fino a tre driver LED configurabili dinamicamente e un'interfaccia I2C in un involucro QFN compatto di 2 mm x 2 mm. Un AFE tradizionale in involucro di 3 mm x 3 mm e un fotodiodo discreto in involucro di 2 mm x 2 mm hanno in genere un ingombro tre volte superiore.
Prolungamento della durata della batteria
I fattori che influiscono maggiormente sul consumo energetico di un monitor del battito cardiaco sono in genere la potenza di campionamento del LED e l'elaborazione del segnale per la riduzione delle alterazioni derivanti dal movimento. Un fattore chiave in termini di consumo energetico è la frequenza di campionamento utilizzata. Il monitoraggio accurato del battito cardiaco può richiedere frequenze di campionamento più rapide durante gli allenamenti che implicano un maggior numero di battiti al minuto. Utilizzando un algoritmo dinamico in grado di variare la frequenza di campionamento in base al BPM, è possibile mantenere l'accuratezza riducendo al limite il consumo energetico. L'interpolazione dei risultati del campionamento può inoltre favorire un minore consumo rispetto all'aumento della frequenza di campionamento. I sensori in grado di variare in modo dinamico le rispettive correnti di azionamento del LED possono rilevare automaticamente il livello CC per ridurre il consumo e migliorare le prestazioni. Utilizzando dinamicamente uno, due o tre LED nel progetto del sistema, è inoltre possibile mantenere prestazioni elevate minimizzando il consumo energetico.
Conclusione
La progettazione di una soluzione ottica di monitoraggio del battito cardiaco per un prodotto indossabile presenta diverse sfide di natura tecnica. I sensori ottici integrati ad alte prestazioni, come quelli della famiglia Si114x di Silicon Labs, uniti ad algoritmi per il battito cardiaco convalidati nell'ambito di studi clinici, consentono agli sviluppatori di progettare sistemi indossabili efficienti, in grado di massimizzare la durata della batteria e di ridurre al minimo le dimensioni dei dispositivi di rilevamento del battito cardiaco da polso. Silicon Labs ha compiuto enormi progressi al fine di rendere il monitoraggio ottico del battito cardiaco una funzionalità integrata per il mercato, in espansione, dei dispositivi indossabili.