Fusione di sensori multispettrali in SmartWatch per il monitoraggio continuo in situ dell'idratazione della pelle umana e della perdita di sudore corporeo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13371 (2023) Citare questo articolo

1107 accessi

Dettagli sulle metriche

Le operazioni sanitarie post-pandemia sono diventate una realtà a breve termine e le discussioni sui dispositivi indossabili sono in aumento. In che modo le soluzioni sanitarie indossabili implementano e sfruttano efficacemente questa opportunità per colmare il divario tra benessere e assistenza sanitaria? In questo articolo parleremo della diagnosi sanitaria indossabile, con particolare attenzione al monitoraggio dell’idratazione cutanea mediante la fusione di sensori ottici a più lunghezze d’onda. Il monitoraggio continuo dell'idratazione della pelle umana è un compito di fondamentale importanza per il mantenimento della dinamica della perdita d'acqua per gli amanti del fitness, nonché per la bellezza, l'integrità della pelle e la salute dell'intero corpo. Preservare adeguati livelli di idratazione garantisce la costanza del peso, influisce positivamente sullo stato psicologico ed è dimostrato che determina una diminuzione della pressione sanguigna e dei livelli di colesterolo “cattivo” rallentando i processi di invecchiamento. I metodi tradizionali per determinare lo stato del contenuto di acqua nella pelle non consentono il monitoraggio continuo e non invasivo, richiesto per una varietà di applicazioni di consumo, cliniche e cosmetiche. Presentiamo una nuova tecnologia di rilevamento e una pipeline per l'acquisizione, la modellazione e l'analisi dei fenomeni di idratazione della pelle e dei cambiamenti ad essa associati. Espandendo le capacità di rilevamento integrate nel sensore SmartWatch e combinandole con algoritmi avanzati di modellazione e apprendimento automatico (ML), abbiamo identificato diverse importanti caratteristiche del segnale fotopletismografico (PPG) e della sensibilità spettrale corrispondenti alla dinamica del contenuto di acqua nella pelle. Sotto l'aspetto hardware, proponiamo recentemente l'espansione delle capacità dello SmartWatch con sorgenti luminose a infrarossi dotate di lunghezze d'onda di 970 nm e 1450 nm. La valutazione dell'accuratezza e delle caratteristiche dei sensori PPG è stata eseguita con un quadro di simulazione basato sull'ottica biomedica utilizzando simulazioni Monte Carlo. Abbiamo eseguito una validazione rigorosa della tecnologia sviluppata utilizzando studi sperimentali e clinici. La pipeline sviluppata funge da strumento negli studi in corso sulla prossima generazione di tecnologia di rilevamento ottico.

Dal 1977, quando PolarElectroto1 ha introdotto il primo cardiofrequenzimetro wireless al mondo, costituito da un trasmettitore a fascia toracica con un ricevitore da polso, ha fornito agli atleti un "feedback in tempo reale durante l'esercizio", una serie di notevoli risultati nella tecnologia indossabile ha raggiunto stato fatto. Negli ultimi dieci anni, Samsung ha introdotto un avanzato Smart Bio-Processor, un sistema su chip (SoC), che misura il grasso corporeo e la massa muscolare scheletrica, la frequenza cardiaca (HR), il ritmo cardiaco, la temperatura cutanea e il livello di stress per i dispositivi indossabili2 Al giorno d'oggi, i nostri smartwatch sono dotati del BioActive Sensor3 di Samsung che si è evoluto fino a diventare una tecnologia molto più avanzata e in miniatura e non solo è in grado di contare "solo" la frequenza cardiaca, i passi e le calorie, ma può anche monitorare il sonno, misurare la pressione sanguigna e altro ancora4,5 ,6,7,8 La spina dorsale e il motore principale di questo notevole successo è la tecnologia PPG, ora ampiamente utilizzata nel monitoraggio continuo dello stato di salute9 grazie alla comoda posizione del sensore in uno smartwatch/braccialetto fitness al polso10. Negli ultimi anni l'utilizzo del PPG per il monitoraggio della salute e del fitness ha suscitato un notevole interesse da parte dei consumatori. Attualmente, i dispositivi indossabili, inclusi orologi intelligenti e fitness tracker, monitorano/analizzano regolarmente il segnale PPG e forniscono informazioni non invasive sui suddetti indicatori di salute umana con recenti aggiunte di temperatura, livello di ossigeno nel sangue (SpO2), ecc. capacità di monitoraggio11, 12. Il segnale PPG viene utilizzato per valutare lo stress e i modelli di sonno13. Attualmente, la fibrillazione atriale (A-fib) può essere rilevata di routine utilizzando il PPG da uno smartwatch14. È stato dimostrato come un'applicazione per smartphone possa aiutare a determinare l'invecchiamento vascolare associato ad un aumento della rigidità arteriosa15. D'altro canto, notevoli progressi sono stati fatti con la pianificazione e l'esercizio assistiti da SmartWatch di un particolare programma di fitness che spesso richiede la conoscenza dei parametri fisiologici di base del consumatore. Le informazioni sulle zone di pulsazione consentono ad esempio di valutare l'efficienza dell'apporto di ossigeno ai muscoli sotto sforzo attraverso il sistema circolatorio. Il monitoraggio a lungo termine degli allenamenti dell'utente consente allo SmartWatch di creare un efficace piano di allenamento personale. Il monitoraggio continuo della routine di allenamento di un utente consente alle applicazioni SmartWatch di creare piani di fitness efficienti e personalizzati. In tal caso, è importante monitorare continuamente il segnale PPG e ricevere rapidamente notifiche quando vengono superati i confini specificati della zona di impulso.