Una piccola patch potrebbe portare i controlli cardiaci in stile ospedaliero direttamente a casa.

Un dispositivo indossabile leggero, sviluppato dagli ingegneri dell’UNSW, potrebbe un giorno aiutare le persone a monitorare la salute del cuore e della respirazione da casa, riducendo potenzialmente le visite ospedaliere e consentendo ai medici di individuare i problemi in fase precoce. Il cerotto flessibile con sensore, che si applica al torace o sulle arterie periferiche tramite un nastro adesivo medicale, è progettato per catturare continuamente le sottili vibrazioni prodotte dal cuore, dai polmoni, dal flusso sanguigno e dalle onde del polso.

I ricercatori sperano che questa tecnologia possa in futuro aiutare le persone affette da patologie cardiache e respiratorie croniche a monitorare la propria salute a distanza e ad avvisare i medici in caso di problemi, prima che i sintomi si aggravino.

Il lavoro di verifica del concetto, condotto da ricercatori dell’UNSW in collaborazione con medici e ingegneri biomedici, è stato pubblicato su Nature Communications .

Il ricercatore principale e autore corrispondente dell’articolo, il professore associato di Scientia Hoang-Phuong Phan, afferma che l’obiettivo è creare un dispositivo indossabile che i pazienti possano utilizzare autonomamente, come alternativa domiciliare alla tradizionale visita medica.

“Abbiamo sviluppato un minuscolo dispositivo indossabile che si può applicare sul torace e che è in grado di rilevare i suoni cardiaci e la respirazione”, afferma il Prof. Phan. “Tecnicamente, il suo obiettivo è sostituire lo stetoscopio, che viene normalmente utilizzato nelle cliniche per valutare le malattie cardiovascolari o respiratorie.”

Affrontare una sfida crescente nel settore sanitario

Le malattie cardiache e le malattie respiratorie croniche rimangono tra le principali cause di morte nel mondo, ma molti pazienti ricevono solo brevi valutazioni durante le visite mediche occasionali.

Il professor associato Phan afferma che ciò può creare notevoli difficoltà per le persone che vivono in aree regionali e remote, o per i pazienti restii a recarsi ripetutamente in ospedali e cliniche.

“Normalmente, quando i pazienti vengono visitati da un medico, devono recarsi in un centro clinico, e questo non è molto comodo per chi vive in zone remote”, afferma. “A volte le persone esitano ad andare in ospedale, quindi aspettano che i sintomi siano chiaramente evidenti.”

Quando i sintomi diventano abbastanza gravi da richiedere assistenza medica, le malattie potrebbero essere già in fase avanzata.

“A quel punto, la malattia potrebbe essere già peggiorata, con conseguenti esiti peggiori per i pazienti anche se trattati”, afferma il dottor Anthony Sunjaya, medico e responsabile del programma per le malattie respiratorie croniche presso la Scuola di Salute Pubblica dell’UNSW, coautore di questo studio.

“Quando si recano in clinica, i pazienti spesso hanno a disposizione solo 15 minuti per la valutazione. Il pericolo è che le anomalie riscontrate non vengano pienamente riconosciute durante quel breve lasso di tempo.”

Come funziona la patch

Il dispositivo, noto come “AusculPatch”, è più piccolo e leggero di molti sistemi di monitoraggio indossabili esistenti, pesando solo 3,2 grammi e misurando circa 20 x 47 x 3 millimetri.

Al centro del cerotto si trova un elemento sensibile in silicio ultrasottile che rileva le minuscole vibrazioni meccaniche che si propagano attraverso la pelle dal cuore, dai polmoni e dai vasi sanguigni.

“Il suono del cuore si propaga attraverso i fluidi e i tessuti del corpo, generando una pressione acustica che fa vibrare l’elemento sensibile”, spiega Tran Bach Dang, primo autore e dottorando presso la Facoltà di Ingegneria Meccanica e Manifatturiera. “Il cerotto capta proprio quella vibrazione.”

A differenza dei microfoni convenzionali , progettati principalmente per rilevare suoni udibili, il nuovo sensore è in grado di rilevare vibrazioni a frequenza estremamente bassa, difficili da catturare con le attuali tecnologie indossabili.

Il dispositivo è in grado di rilevare una gamma straordinariamente ampia di segnali fisiologici, tra cui ritmi respiratori, onde del polso, suoni cardiaci e vibrazioni del flusso sanguigno. È importante sottolineare che, secondo i ricercatori, il cerotto è stato progettato per ridurre al minimo le interferenze del rumore ambientale circostante, una sfida importante per i sensori acustici indossabili.

“L’elemento sensore è progettato per schermare il suono proveniente da una direzione, in genere dal corpo umano”, spiega Dang. “In questo modo, è meno suscettibile ai suoni ambientali.”

Sebbene testato solo su un piccolo numero di partecipanti sani, lo studio ha dimostrato che il dispositivo è in grado di continuare a registrare suoni cardiaci nitidi anche in ambienti rumorosi, compresi durante una conversazione e in condizioni di rumore di fondo simulato.

Oltre gli smartwatch e i fitness tracker

Sebbene dispositivi di consumo come smartwatch e tracker del sonno siano già in grado di monitorare la frequenza cardiaca e i livelli di ossigeno nel sangue, il team di ricerca afferma che AusculPatch cattura informazioni meccaniche più dirette sul funzionamento del cuore e dei polmoni.

I ricercatori ritengono che questa tecnologia potrebbe in futuro trovare applicazioni che spaziano dalla gestione delle malattie croniche al monitoraggio del sonno e al benessere generale. L’articolo evidenzia inoltre il potenziale utilizzo nel monitoraggio della pressione sanguigna, delle onde di polso e di lievi anomalie delle valvole cardiache, difficili da rilevare in modo continuativo al di fuori degli ambienti ospedalieri.

Nei test di laboratorio e nelle prime sperimentazioni sull’uomo, il dispositivo ha mostrato un’ottima concordanza con gli strumenti clinici, tra cui elettrocardiogrammi (ECG) , ecografie, misuratori di pressione sanguigna e stetoscopi digitali.

I ricercatori sono stati anche in grado di registrare continuamente i dati cardiorespiratori per periodi prolungati mentre i partecipanti camminavano, lavoravano, mangiavano e salivano le scale.

Monitoraggio basato sull’intelligenza artificiale

Uno degli aspetti più promettenti di questa tecnologia è la possibilità di combinare il monitoraggio continuo con l’intelligenza artificiale. Poiché il cerotto raccoglie grandi quantità di dati fisiologici nel tempo, i ricercatori sperano che i sistemi di apprendimento automatico possano in futuro identificare schemi legati al peggioramento della malattia o all’emergere di problemi di salute.

“Possiamo potenzialmente applicare l’apprendimento automatico per identificare segnali anomali e avvisare i pazienti, nonché informare il loro medico”, afferma il dottor Chi Cong Nguyen, docente associato e autore corrispondente dell’articolo. “L’obiettivo è creare un sistema in grado di segnalare automaticamente cambiamenti preoccupanti prima che i pazienti manifestino sintomi gravi.”

Possibili applicazioni future

Oltre al monitoraggio cardiorespiratorio, i ricercatori hanno anche dimostrato che il cerotto è in grado di rilevare le vibrazioni delle corde vocali provenienti dalla gola. In esperimenti di prova, il team ha utilizzato l’apprendimento automatico per riconoscere le parole pronunciate e controllare in modalità wireless un braccio robotico.

Sebbene questi esperimenti siano ancora in una fase iniziale, i ricercatori affermano che la tecnologia potrebbe in futuro essere d’aiuto alle persone con disturbi del linguaggio o disabilità fisiche.

Sebbene la tecnologia sia ancora in fase di ricerca e sperimentazione, sono già in programma studi clinici su larga scala.

Il team, che comprende anche il professore associato Thanh Nho Do, il professore di Scientia Nigel Lovell e la professoressa Tracie Barber, oltre a partner esterni, spera di iniziare a testare il dispositivo su circa 200 pazienti quest’anno. Si prevede che questo gruppo includa persone affette da valvulopatie cardiache o portatrici di dispositivi di assistenza cardiaca impiantati.

I ricercatori sperano quindi di ampliare gli studi a circa 1.000 pazienti nei prossimi anni per sviluppare ulteriormente strumenti diagnostici assistiti dall’intelligenza artificiale. L’approvazione normativa per un dispositivo di grado medico richiederà comunque tempo, con il Prof. Phan che stima un arco temporale di quattro o cinque anni prima di una possibile implementazione clinica.

Tuttavia, le versioni di questa tecnologia destinate al benessere dei consumatori potrebbero essere disponibili prima.

Astratto

I dispositivi flessibili e indossabili che impiegano sensori acustici si sono affermati come alternative promettenti per il monitoraggio continuo dei segnali meccano-acustici fisiologici durante le attività quotidiane, offrendo vantaggi distinti rispetto ai tradizionali stetoscopi rigidi. Tuttavia, la limitata sensibilità alle basse frequenze dei sensori acustici MEMS commerciali ne limita la capacità di acquisire con precisione segnali fisiologici vitali. In questo lavoro, presentiamo un cerotto per auscultazione flessibile e wireless (AusculPatch) che supera queste limitazioni grazie all’impiego di un trasduttore di pressione a cantilever (CPT) ad alta sensibilità. La combinazione di un sottile spazio d’aria nel CPT con la massa estremamente ridotta del cantilever nanometrico consente misurazioni precise su un ampio intervallo di frequenze acustiche (da 0,2 Hz a oltre 10 kHz), permettendo il rilevamento di molteplici segnali meccano-acustici fisiologici, tra cui onde di polso, suoni di Korotkoff, segnali cardiaci, pattern respiratori e vocalizzazioni. L’architettura a chip singolo semplifica i circuiti, consentendo un design leggero (~ 3,2 g), un fattore di forma compatto (20×47×3,5 mm) e un basso consumo energetico (4,5 mW), rendendo AusculPatch una piattaforma ideale per l’uso continuo nel monitoraggio cardiorespiratorio e potenzialmente nella valutazione della qualità del sonno. Queste caratteristiche rappresentano un significativo progresso nello sviluppo di dispositivi indossabili multifunzionali ed economici, in grado di effettuare auscultazioni in più punti per il monitoraggio del benessere a domicilio, nonché per la diagnosi assistita dall’intelligenza artificiale (IA) e per le applicazioni di interazione uomo-macchina (HMI).

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