Un team di ricercatori dell’Università del Missouri ha recentemente sviluppato un innovativo dispositivo indossabile ispirato alla forma delle stelle marine, progettato per monitorare in tempo reale la salute cardiaca anche durante il movimento. Questo studio, pubblicato su Science Advances, rappresenta un significativo passo avanti nella tecnologia dei dispositivi biomedici wearable e nella diagnosi cardiaca assistita da intelligenza artificiale per la prevenzione delle malattie cardiache.
Il problema del rumore: un ostacolo alla diagnosi delle malattie cardiache
I dispositivi indossabili stanno suscitando un interesse sempre maggiore in ambito biomedico. Progettati per adattarsi alla pelle, garantiscono comfort e raccolta di dati fisiologici in tempo reale. Un ostacolo significativo è rappresentato dalle interferenze meccaniche causate dai movimenti corporei, che riducono la qualità dei segnali registrati, soprattutto quelli come sismocardiogramma (SCG) e girocardiogramma (GCG). Sebbene l’elettrocardiogramma (ECG) sia consolidato per le diagnosi cardiache, l’integrazione con SCG e GCG consente un’analisi cardiaca più approfondita. Tuttavia, i segnali si degradano durante le attività quotidiane, rendendo il monitoraggio continuo meno efficace.
Cosa sono SCG e GCG e che importanza hanno nella diagnosi delle malattie cardiache?
Il girocardiogramma (GCG) e il sismocardiogramma (SCG) sono due tipi di segnali meccanici generati dal cuore che possono essere rilevati tramite dispositivi indossabili avanzati. Entrambi forniscono informazioni preziose e complementari all’elettrocardiogramma (ECG), soprattutto per il monitoraggio della salute cardiovascolare in tempo reale.
Girocardiogramma (GCG)
Il GCG misura le rotazioni del torace causate dai movimenti meccanici del cuore durante il ciclo cardiaco, come il battito e il flusso sanguigno. È registrato tramite giroscopi miniaturizzati (come quelli presenti negli smartphone), che rilevano le variazioni angolari su tre assi spaziali. Quindi, rileva le micro-rotazioni del torace durante la contrazione cardiaca, fornisce informazioni su aspetti dinamici del battito cardiaco (es. efficienza del pompaggio) e può contribuire a rilevare condizioni come aritmie o malfunzionamenti del miocardio.
Sismocardiogramma (SCG)
Il SCG rileva le vibrazioni lineari del torace generate dalla contrazione cardiaca e dal flusso sanguigno. Questo processo avviene tramite l’uso di accelerometri, che registrano le oscillazioni verticali e orizzontali della parete toracica. Rileva il movimento del cuore che si riflette sul torace (es. apertura e chiusura delle valvole cardiache) ed è particolarmente utile per rilevare eventi meccanici specifici, come: contrazione isovolumetrica, eiezione ventricolare, rilassamento isovolumetrico e riempimento passivo e attivo dei ventricoli.
Perché sono importanti per la diagnosi delle malattie cardiache
Entrambi i segnali sono non invasivi e complementari all’ECG. Mentre l’ECG rileva l’attività elettrica del cuore, il GCG e lo SCG forniscono informazioni sulla sua funzionalità meccanica. La loro combinazione permette di ottenere una visione più completa dello stato di salute cardiaca, migliorando la precisione diagnostica per condizioni come l’infarto miocardico (MI), la fibrillazione atriale (A-Fib) e l’insufficienza cardiaca.
Una soluzione ispirata alla biologia: la geometria della stella marinaI
Il gruppo di ricercatori ha tratto ispirazione dalla caratteristica struttura simmetrica a cinque bracci della stella marina. Questa configurazione pentaradiale, ampiamente riconosciuta in natura, eccelle nel bilanciare le forze e garantire stabilità durante il movimento. Adattarla a un dispositivo indossabile consente di distribuire la funzione sensoriale tra cinque “bracci” flessibili, connessi a un nucleo centrale, ognuno in grado di muoversi in modo indipendente.
Miglioramenti apportati ai sensori tradizionali
Questo layout riduce in modo significativo l’interferenza meccanica, consentendo la raccolta simultanea e precisa di ECG, SCG e GCG, anche mentre l’utente è in movimento. Il dispositivo, che pesa solo 1.7 grammi, è dotato di funzionalità wireless, è impermeabile e si ricarica a distanza, il che lo rende perfetto per un uso quotidiano continuo.
Diagnosi cardiaca assistita da intelligenza artificiale
I dati vengono elaborati internamente e trasmessi in modalità wireless a smartphone o tablet, dove algoritmi avanzati di apprendimento automatico li analizzano con una frequenza di aggiornamento di 10 volte al secondo. Gli algoritmi sono stati addestrati utilizzando dati raccolti da 16 volontari sani e 18 pazienti affetti da patologie cardiache. Grazie al machine learning, il sistema è in grado di rilevare condizioni come fibrillazione atriale, infarto e insufficienza cardiaca con un’accuratezza superiore al 91%. L’elemento distintivo di questa tecnologia risiede nell’approccio multimodale: combinando segnali elettrici e meccanici del cuore, si ottiene un set di dati più completo rispetto alle analisi basate esclusivamente sull’ECG. I test clinici dimostrano che l’integrazione di SCG e GCG potenzia sensibilità e specificità diagnostica.
Comfort e utilizzo prolungato
Per un comfort ottimale, il dispositivo utilizza un gel adesivo innovativo che si adatta perfettamente alla pelle. I ricercatori stanno sviluppando versioni avanzate con materiali più traspiranti e delicati, pensati per massimizzare il benessere dell’utente. Il nuovo prototipo, inoltre, integra la tecnologia di ricarica wireless, garantendo un funzionamento continuo senza dover essere rimosso.
Implicazioni future per la salute digitale e per le malattie cardiache
Questo progetto rappresenta un avanzamento significativo nel campo dei dispositivi indossabili e della telemedicina. Il nuovo prototipo ispirato alla biologia marina rappresenta non solo un’innovazione tecnica, ma un nuovo approccio al monitoraggio sanitario. Ora è possibile progettare dispositivi che seguono i movimenti del corpo, raccogliendo dati precisi in ogni momento. Il team evidenzia che i principi di questo dispositivo possono applicarsi anche ad altri ambiti, come il monitoraggio respiratorio o muscolare, e che l’integrazione con l’intelligenza artificiale ne potenzierà ulteriormente le capacità diagnostiche.
Conclusioni
La ricerca evidenzia come l’ingegno umano, ispirandosi alla natura, sia in grado di superare sfide apparentemente impossibili. Il design pentaradiale della stella marina, un capolavoro evolutivo di straordinaria semplicità, ha fornito la base per sviluppare una tecnologia rivoluzionaria nel monitoraggio cardiaco, rendendolo più accurato, continuo e accessibile. In un mondo in cui le malattie cardiache rappresentano ancora la principale causa di mortalità, dispositivi di questo tipo potrebbero salvare milioni di vite.
