Sensori acustici flessibili: nuova frontiera nell’acquisizione di biosegnali

Un gruppo di ricerca della University of Illinois ha realizzato un sensore acustico flessibile, indossabile come un adesivo sulla pelle, capace di monitorare parametri fisiologici con l’acquisizione di biosegnali meccano-acustici ed elettrici.

Background

Le onde meccaniche che si propagano attraverso i tessuti e i fluidi del corpo, come risultato di naturali attività fisiologiche, rivelano segni distintivi di specifici eventi, come ad esempio:

• Apertura e chiusura delle valvole cardiache

• Pulsazione cardiaca da variazioni pressorie della carotide

• Contrazioni dei muscoli scheletrici

• Vibrazioni delle corde vocali

• Movimenti del tratto gastrointestinale

rilevati comunemente attraverso Fonocardiografia (PCG), che registra toni e rumori cardiaci, Sismocardiografia (SCG), che registra le accelerazioni nella cassa toracica indotte dai movimenti del miocardio, e Ballistocardiografia (BCG), che registra vibrazioni del corpo in risposta alla contrazione del miocardio per valutare la sua forza di eiezione. Questi esami hanno una particolare rilevanza nel contesto della salute cardiovascolare, poiché forniscono importanti informazioni complementari a quelle dedotte dall’Elettrocardiografia (ECG).

Ad esempio, difetti strutturali nelle valvole cardiache si manifestano come risposte meccano-acustiche e non appaiono direttamente nei tracciati ECG, per cui non potrebbero essere rilevate senza l’utilizzo di PCG/SCG/BCG.

I segnali appena descritti sono caratterizzati da frequenze che variano in un intervallo 10^-1 – 10³  Hz, e da ampiezze ridotte, spesso al di sotto della normale soglia uditiva, per cui l’auscultazione fisiologica tipicamente si ottiene secondo due approcci:

• Utilizzo di stetoscopi analogici o digitali, utilizzati durante esami clinici

• Utilizzo di sistemi (poco) flessibili basati su accelerometri convenzionali in package elettronici rigidi, legati fisicamente al corpo per garantire il necessario accoppiamento meccanico.

Questi strumenti di misura sono adatti a studi clinici e di laboratorio, ma presentano una serie di limitazioni per un uso prolungato, tra cui:

• Fattori di forma che limitano la scelta dei siti di applicazione e vanificano la loro utilità pratica come dispositivi indossabili

• Masse eccessive che sopprimono, attraverso effetti inerziali, piccoli movimenti associati ad importanti eventi fisiologici

• Densità e moduli elastici notevolmente diversi rispetto alla pelle, che introducono un disadattamento di impedenza acustica, riducendo la potenza delle vibrazioni acustiche trasmessa dalla pelle al sensore.

Conferma questo dato anche Howard Yu Hao Liu, autore del lavoro pubblicato nell’edizione del 16 Novembre della rivista Science Advances:

I sistemi per la rilevazione di vibrazioni acustiche attraverso la pelle fino ad ora erano in pratica stetoscopi digitali, tendenzialmente grandi e rigidi, il che rendeva difficile indossarli e soffocava la trasmissione di segnali acustici.

Il nuovo sensore sviluppato dal team di Hao Liu fa uso di accelerometri MEMS low-power miniaturizzati, supportati da elettronica di condizionamento del segnale e rivestiti con una gomma siliconica elastica e adesiva, che consente l’evaporazione del sudore e assicura un’ottima presa anche in zone curve, garantendo la corretta acquisizione delle vibrazioni acustiche.

Il sensore

Il sensore dall’esterno assomiglia ad un piccolo cerotto, ha uno spessore di soli 2 mm ed un peso di appena 231,6 mg.
È composto dal circuito di misura, incapsulato superiormente ed inferiormente con un core siliconico a modulo estremamente ridotto e rivestito da un sottile strato elastomerico a basso modulo che funge da shell protettiva.

Componenti del sensore separati ed assemblati

La struttura core-shell è stata progettata con l’obiettivo di ridurre al minimo i vincoli fisici al movimento delle interconnessioni, per migliorare l’elasticità, e di isolare meccanicamente i componenti che costituiscono il dispositivo, al fine di ridurre gli sforzi all’interfaccia con la pelle.

I sensori progettati hanno moduli di elasticità di 31.8 kPa (direzione longitudinale) e di 31.1 kPa (direzione trasversale), sostanzialmente inferiori a quelli della pelle, che sono dell’ordine di 100-200 kPa, e hanno inoltre rigidità a flessione di 1.02 μN·m (direzione longitudinale) e di 0.94 μN·m (direzione trasversale): tali valori risultano essere di ordini di grandezza inferiori a quelli dei dispositivi indossabili utilizzati finora e garantiscono migliori performance di tutto il sistema.

Il risultato è una piattaforma flessibile, elastica e compatibile con la pelle, indossabile anche su zone del corpo a superfici curve, poiché mantiene un’ottima adesione, riuscendo ad adattarsi a livelli di deformazione significativi, senza alterare le capacità di rilevazione del dispositivo.

Prova di stretch al 25%

Il circuito di misura è costituito da un accelerometro a 3 assi (ADXL335, Analog Devices), da filtri passivi RC passa-basso e passa-alto e da un preamplificatore (TSV991A, STMicroelectronics), collegati tra loro utilizzando tracce in rame a forma di serpentina, che fungono da interconnessioni flessibili.

La banda passante dell’accelerometro MEMS è di 0.5-550 Hz, nella direzione trasversale alla superficie di contatto con la pelle, e si trova all’interno del range che va dalle frequenze associate ai suoni cardiovascolari e a quelle associate alla voce umana, consentendo la registrazione dei principali processi fisiologici.  Infatti il primo e il secondo suono cardiaco (S_1 ,S₂), per adulti in salute, variano nel range di frequenza, rispettivamente, di 10-180 Hz e di 50-250 Hz, mentre le frequenze di vibrazione delle corde vocali umane variano nel range 90-2000 Hz, con una frequenza fondamentale media in conversazione che va dai 116 Hz, per maschi di circa 20 anni, ai 226 Hz, per bambini di età compresa tra 8 e 11 anni .

La banda passante è stata selezionata più finemente con la regolazione della frequenza di taglio superiore del filtro passa-basso a 500 Hz, e della frequenza di taglio inferiore del filtro passa-alto a 15 Hz, per la rimozione degli artefatti da movimento.

Il sensore è dotato inoltre di elettrodi per la registrazione di segnali elettrofisiologici che possono servire a monitorare, ad esempio, le performance del cuore e dei pacemakers.

La struttura infatti è dotata di aperture che consentono l’accesso ai pad di contatto per il collegamento di una coppia di elettrodi per misure elettrofisiologiche e di sottili cavi di connessione per la trasmissione dati ad un sistema di acquisizione esterno.

Caratteristiche chiave distintive di questo sensore rispetto ai precedenti sistemi ad accelerometri indossabili sono:

• Diretto interfacciamento meccanico con la pelle

• Robustezza dell’adesione (grazie alla costruzione a basso modulo)

• Ridotta massa totale

• Multifunzionalità.

Ognuno di questi attributi è critico e di fondamentale importanza per le modalità operative del dispositivo.

Test e risultati

I test di natura clinica sono stati condotti su 8 pazienti anziani del reparto di Cardiologia di Camp Lowell, una clinica privata sita in Tucson, Arizona.

In un primo test il sensore è riuscito rilevare simultaneamente le variazioni di pressione arteriosa sul collo, per il monitoraggio del battito cardiaco, e il segnale ECG, attraverso i due elettrodi preposti.

In un test di auscultazione di quattro siti (aortico, polmonare, tricuspideo e mitralico), il sensore ha mostrato la capacità di rilevare efficacemente la presenza di soffi cardiaci.

Il sensore si è rivelato efficace anche nella registrazione simultanea dei segnali SCG ed ECG, per la valutazione di anomalie nel battito cardiaco.

Ulteriori esperimenti hanno mostrato la capacità del sensore di rilevare le onde acustiche vibrazionali dei dispositivi di assistenza ventricolare (utilizzati per migliorare la risposta del cuore al fallimento miocardico) al fine di rilevare la presenza di trombi potenzialmente letali, che generalmente si formano al loro interno ostacolandone il funzionamento, o di malfunzionamenti nell’azione di pompaggio del sangue.

Potenziali applicazioni

Oltre a quelle già verificate in fase di test, altre possibili applicazioni includono l’analisi HRV, la valutazione  battito-battito del periodo di pre-eiezione  e la misura del tempo di eiezione del ventricolo sinistro. Altrettanto interessante potrebbe essere la rilevazione di suoni del corpo, come l’attività del russare, la respirazione e i movimenti del tratto gastrointestinale.

I ricercatori sostengono, dunque, che il dispositivo possa trovare applicazione nell’ambito della diagnosi di condizioni mediche dei pazienti e del monitoraggio in continua di parametri fisiologici, ma si presta anche ad applicazioni non strettamente legate all’ambito della medicina.

Il sensore può essere infatti utilizzato per applicazioni di speech recognition, in quanto mostra una buona capacità di filtraggio del rumore ambientale e di acquisizione delle informazioni della voce umana, come mostrano gli spettrogrammi relativi alle stesse vibrazioni acustiche, rilevate dal sensore e da un comune microfono per computer: mentre in condizioni non rumorose entrambi riescono a distinguere la voce umana (sebbene il sensore garantisca un’ampiezza rilevata nettamente superiore), in condizioni rumorose il microfono ha notevoli difficoltà a differenziare la voce umana dal rumore ambientale, mentre il sensore garantisce ancora una buona amplificazione selettiva del segnale proveniente dalle vibrazioni della laringe, attenuando il rumore ambientale.

Posto in corrispondenza della gola, il sensore è stato utilizzato per il controllo di videogames, agendo all’interno di una Speech-based Human-Machine Interface per l’invio di comandi alla console, senza la necessità di utilizzo di  joystick o di altri dispositivi palmari.

Un volontario è riuscito, durante un esperimento, a controllare il videogioco Pac-Man, utilizzando i termini “sopra”, “sotto”, “sinistra” e “destra”, acquisiti dal sensore ed inviati come comandi alla console, con un’accuratezza di riconoscimento vocale del 90 %.

Sviluppi futuri

La trasmissione dati dal sensore all’unità esterna di acquisizione dati si basa attualmente su una tecnologia via cavo, rendendolo non esattamente comodo per l’utilizzo in movimento, ed inoltre il range di frequenze di vibrazione rilevabili non consente la completa acquisizione dello spettro di frequenza del parlato, il cui maggior contributo alla densità spettrale di potenza è concentrato nella banda 90 Hz – 2 kHz.

Sviluppi futuri per il sensore saranno:

• Trasmissione dati fully wireless

• Estensione del range di acquisizione fino a 2 kHz

Il sensore consentirà quindi piena libertà di movimento al paziente monitorato o all’utente di una Human-Machine Interface e potrà essere utilizzato anche come microfono, avendo la possibilità di acquisire in maniera completa le informazioni associate alla voce umana.

Fonti e approfondimenti:

• Articolo IEEE Spectrum

• Lavoro pubblicato su Science Advances