poligrafo indossabile rileva lo stress nascosto attraverso cinque segnali corporei in tempo reale.

Gli ingegneri della Northwestern University hanno sviluppato un piccolo sistema poligrafico wireless indossabile. A differenza dei poligrafi utilizzati nelle serie televisive poliziesche, questa versione indossabile non è ottimizzata per rilevare le bugie. Piuttosto, ingegneri e medici l’hanno progettata per percepire lo stress latente nascosto in profondità nel corpo, senza bisogno di una sala interrogatori.

Questo dispositivo leggero, simile a una benda, aderisce delicatamente al torace, dove misura simultaneamente l’attività cardiaca, i ritmi respiratori, la sudorazione, il flusso sanguigno e la temperatura. Insieme, questi segnali forniscono un quadro completo e in tempo reale dello stato di stress di tutto il corpo.

Monitorando continuamente molteplici segnali fisiologici contemporaneamente, il dispositivo potrebbe aiutare i medici a rilevare stress e potenziali disagi nei pazienti, compresi neonati o anziani, che potrebbero non essere in grado di comunicare, diagnosticare disturbi del sonno senza ingombranti apparecchiature di laboratorio, monitorare la salute mentale nel tempo e persino individuare i primi segnali di allarme di complicazioni mediche.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science Advances .

“A volte, il corpo manifesta segni di stress prima che una persona ne sia consapevole”, ha affermato John A. Rogers della Northwestern University, che ha guidato lo sviluppo del dispositivo.

“Anche se le persone non si rendono conto della pressione a cui sono sottoposte, lo stress influisce silenziosamente sulla loro salute. Uno stress prolungato può avere conseguenze negative, soprattutto per le donne in gravidanza, i bambini e i pazienti in condizioni critiche. La possibilità di monitorare lo stress sulla base di misurazioni quantitative potrebbe consentire alle persone di adottare misure per alleviarlo, con benefici diretti per la loro salute. In particolare, il nostro obiettivo era progettare un dispositivo, concettualmente simile a un sistema poligrafico, che funzionasse sulla base delle risposte biofisiche dell’organismo, senza richiedere l’accesso a biomarcatori chimici presenti nei fluidi corporei.”

Rogers è coautore corrispondente dello studio insieme alla dottoressa Debra E. Weese-Mayer, professoressa titolare della cattedra Beatrice Cummings Mayer di medicina autonomica pediatrica e professoressa di pediatria (neurologia) presso la Feinberg School of Medicine, e a Jae-Young Yoo dell’Università di Sungkyunkwan in Corea.

Una voce per i più vulnerabili

Il progetto è nato da una richiesta dei pediatri dell’Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital di Chicago. Nel corso degli anni, il team di Rogers ha sviluppato una serie di dispositivi elettronici wireless indossabili per neonati e bambini, per monitorare i parametri vitali , tenere sotto controllo le malattie , trattare le malformazioni congenite e diagnosticare patologie . Ora, i pediatri hanno chiesto a Rogers di creare un dispositivo morbido e non invasivo per rilevare e monitorare costantemente i livelli di stress nei neonati durante i ricoveri ospedalieri, senza misurare le tracce biochimiche dello stress nella saliva e nel sangue.

Attualmente, individuare lo stress nei neonati spesso dipende da ciò che chi si prende cura di loro può vedere e sentire – pianto, espressioni facciali e movimenti – oltre ai parametri vitali di base. Ma questi segnali possono essere lievi, incoerenti o addirittura del tutto assenti.

“Lo stress viene spesso valutato tramite questionari e valutazioni infermieristiche”, ha affermato Rogers. “Le voci includono elementi come il tono e il volume del pianto. I neonati, ovviamente, non sono in grado di descrivere il proprio livello di dolore. Quindi, a differenza degli adulti, determinare lo stress nei neonati può essere incredibilmente difficile. Volevamo eliminare la soggettività da queste valutazioni.”

“Questo nuovo dispositivo monitora i segnali di stress del corpo 24 ore su 24, aiutando a quantificare per quanto tempo una persona è stressata ogni giorno e quanto intenso sia tale stress”, ha affermato Weese-Mayer, collaboratore di lunga data di Rogers. “Il bello del dispositivo è che sia i singoli individui che gli operatori sanitari possono ora identificare lo stress e monitorare oggettivamente l’efficacia degli interventi per ridurlo e ripristinare un sano equilibrio, in modo completamente non invasivo.”

Rilevamento dello stress tutto in uno

Per raggiungere questo obiettivo, Rogers e il suo team hanno trovato ispirazione in un luogo inaspettato: i poligrafi. Sebbene siano comunemente chiamati “macchine della verità”, i poligrafi in realtà non rilevano le bugie. Misurano la risposta del corpo allo stress, che può essere innescata da molti fattori oltre all’inganno. Rogers ha intravisto l’opportunità di sviluppare ulteriormente quest’idea di base. Tuttavia, mentre i poligrafi tradizionali si basano su un insieme eterogeneo di sensori ingombranti e cablati, Rogers si è prefissato l’obiettivo di catturare gli stessi segnali fisiologici – e anche altri – in una forma più completa, integrata, accurata e indossabile.

La tecnologia risultante combina diversi minuscoli sensori in un unico dispositivo flessibile. Insieme, questi sensori monitorano continuamente molteplici segnali fisiologici, ognuno dei quali reagisce quando il corpo percepisce stress. Un sensore di movimento integrato e un microfono miniaturizzato catturano i sottili segnali meccanici e acustici provenienti dal cuore e dai polmoni. Altri sensori rilevano la temperatura cutanea e il flusso di calore associato alla circolazione sanguigna superficiale. Un altro sensore ancora misura le variazioni della conduttività elettrica della pelle causate dall’attività delle ghiandole sudoripare, un noto indicatore di stress.

“Misurare lo stress è un compito complesso perché è multidimensionale”, ha affermato Rogers. “Non è possibile determinare lo stress in modo affidabile misurando solo uno o due, o persino tre o quattro, parametri. È necessaria un’ampia gamma di fattori. Pertanto, abbiamo integrato il maggior numero possibile di sensori di processi fisiologici in questa piattaforma, mantenendo dimensioni compatte e una struttura leggera ed evitando la necessità di accedere ai fluidi biologici.”

Il sistema trasmette in modalità wireless questi flussi di dati sincronizzati a uno smartphone, uno smartwatch o un tablet, dove algoritmi di apprendimento automatico analizzano in tempo reale i modelli associati allo stress. Con un peso inferiore a 8 grammi (equivalente a otto graffette) e progettato per adattarsi naturalmente alla pelle, il dispositivo può funzionare ininterrottamente per oltre 24 ore.

Dimostrato in scenari realistici

Dopo aver sviluppato il sistema, il team di Rogers lo ha validato in una vasta gamma di scenari, inclusi esperimenti controllati e ambienti reali. Durante simulazioni di test del poligrafo, il dispositivo indossabile ha rilevato con precisione le risposte allo stress innescate da domande delicate e ha fornito misurazioni molto simili a quelle ottenute con i sistemi poligrafici commerciali.

Nei test cognitivi, come la comprensione del parlato in ambienti rumorosi, il dispositivo ha rilevato un netto aumento dei segnali legati allo stress all’aumentare della difficoltà dei compiti. I risultati sono in linea con le misurazioni simultanee e indipendenti della dilatazione pupillare , un metodo comune per determinare lo stress.

In un altro esperimento, i partecipanti allo studio hanno immerso le mani in acqua ghiacciata e il sistema ha registrato le variazioni coordinate dell’attività cardiaca, dei ritmi respiratori, della sudorazione e dei segnali di temperatura. Negli studi sul sonno pediatrico, il dispositivo indossabile ha identificato eventi clinici chiave, tra cui irregolarità respiratorie e risvegli notturni, con un’accuratezza paragonabile ai test del sonno di livello ospedaliero, ma con molte meno interruzioni.

Infine, durante le sessioni di formazione in pronto soccorso con studenti di medicina, il dispositivo ha rivelato uno schema sorprendente. I partecipanti con risposte allo stress più intense tendevano a ottenere risultati peggiori, suggerendo che lo stress può compromettere il processo decisionale in situazioni di forte pressione.

“In definitiva, il dispositivo potrebbe inviare un avviso all’utente o a chi se ne prende cura quando i livelli di stress raggiungono una determinata soglia”, ha affermato Rogers. “Molte persone potrebbero non rendersi pienamente conto del livello di stress a cui sono sottoposte e potrebbero non capire che sta influenzando le loro prestazioni.”

Cosa succederà dopo?

Successivamente, il team punta a estendere l’utilizzo clinico della propria tecnologia oltre gli studi di validazione. I prossimi passi includeranno la sperimentazione del dispositivo su gruppi di pazienti più ampi, il perfezionamento della sua capacità di personalizzare il rilevamento dello stress e la sua integrazione nei sistemi di monitoraggio ospedalieri e domiciliari per fornire informazioni continue e in tempo reale sullo stato di salute del paziente.

Rogers sta inoltre esplorando le opportunità per integrare nel dispositivo un numero ancora maggiore di sensori, tra cui la capacità di misurare l’attività cerebrale. L’aggiunta di funzionalità di elettroencefalogramma (EEG) consentirebbe al dispositivo di andare oltre la semplice misurazione della risposta allo stress del corpo, arrivando a rilevare come il cervello percepisce tale stress. Ciò potrebbe avvicinare gli scienziati alla distinzione tra stress e dolore, anche in ambito domestico, e alla comprensione di come quest’ultimo venga percepito nel contesto dei biomarcatori dello stress registrati simultaneamente.

“Viviamo in tempi stressanti, senza disporre di strumenti sufficienti per individuare lo stress in modo proattivo”, ha affermato Weese-Mayer. “Identificando lo stress, sia esso di origine ambientale o patologica, in fase precoce, possiamo intervenire prima che i suoi effetti diventino irreversibili.”

Astratto

Il monitoraggio continuo e accurato degli stati psicofisiologici è fondamentale per comprendere lo stress e la disfunzione autonomica in diversi contesti medici. Gli approcci attuali, come la poligrafia e la polisonnografia, si basano su sensori cablati e ingombranti che ne limitano l’utilità nel mondo reale e gravano sui pazienti, in particolare sulle popolazioni vulnerabili come i neonati. In questo studio, presentiamo un sistema di rilevamento multimodale wireless, applicabile sulla pelle, in grado di registrare simultaneamente segnali cardiaci, respiratori, elettrodermici e termici in modo sincronizzato. Grazie a un design compatto e flessibile, la tecnologia consente un monitoraggio discreto in ambienti controllati, clinici e naturalistici. Studi di validazione condotti in parallelo con sistemi di riferimento dimostrano un’elevata affidabilità nella quantificazione delle risposte allo stress durante interviste poligrafiche, compiti di carico cognitivo e test di stimolazione a freddo. Negli studi sul sonno pediatrico, i dati identificano in modo affidabile risvegli, ipopnee e apnee, rivelando al contempo firme autonomiche specifiche della malattia nei neonati con sindrome di Down. L’impiego nel mondo reale durante l’addestramento con simulazioni di emergenza mostra che le firme multimodali dello stress sono inversamente correlate alle prestazioni, sottolineando il valore traslazionale nella formazione medica. Le analisi di apprendimento automatico condotte su tutti gli studi confermano che le caratteristiche multimodali superano gli approcci a segnale singolo nel rilevare stress ed eventi clinici con elevata sensibilità e specificità. Nel complesso, questi risultati consolidano la tecnologia come una piattaforma indossabile di nuova generazione che unisce innovazione ingegneristica e pratica clinica, offrendo approfondimenti sui meccanismi e potenziale diagnostico nella medicina dello stress, nella medicina del sonno e in altri ambiti.

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