Revista >> Aprilie 2023 [Nr. 253] >> IT&C

Micro-clinică la purtător

Mircea Badut

12 Aprilie 2023

În urmă cu șase-șapte ani își luau avânt tehnologiile senzorilor bio-metrici integrați în ceasuri și brățări, iar între timp acestea au devenit disponibile pentru comercializare largă. Pe lângă această tot mai ridicată accesibilitate, dispozitivele mobile cu funcții de monitorizare a stării de sănătate au început să fie luate în calcul serios ca instrumente adjuvante la diverse terapii medicale (pentru urmărirea stării pacienților sau a convalescenților). Pe de altă parte, în ultimul timp apar extinderi ale facilităților medico-sanitare, pe care ne așteptăm să le vedem în curând pe piață.

Prima decadă
Deși primele ceasuri de mână capabile să măsoare ritmul inimii au apărut la sfârșitul anilor 1980 (folosind senzori optici), iar în deceniul următor apăreau experimental ceasuri capabile să măsoare presiunea sanguină (folosind semnale electrice), propagarea largă a tehnlogiilor portabile de monitorizare medicală a avut loc odată cu conectarea acestora la smartphone-uri, adică în ultimul deceniu. Pentru dispozitivul wearable al acestei decade (fie el smartwatch sau fitness-tracker), monitorizarea unor funcții fizico-medicale ale purătorului s-a realizat printr-o metodă optică simplă în principiu: o mică sursă de lumină verde (de la un LED montat pe dosul ceasului, respectiv în contact cu mâna omului) emite o rază ce pătrunde sub piele, iar de acolo ea se întoarce pentru a fi citită de un senzor optic aflat în cam același loc, și transmisă mai departe smartwatch-ului. Felul în care lumina captată este influențată de activitatea țesuturilor pe care le străbate (deci având loc un fel de modulare a luminii) poate furniza indicii despre funcționarea organismului, și în primă instanță privind ritmul cardiac. (La dezvoltarea uneia dintre aceste familii de senzori a participat și fizicianul român Cristian Presură, la Philips Research.) Așa cum ne putem imagina, dificultatea a constat inițial în a găsi cele mai bune soluții pentru sursa de emitere a luminii (care lumină trebuie să pătrundă subcutanat). Probabil că sonzorul optic, circuitele de condiționare a semnalului, și consumul electric au fost și ele aspecte dificile. Dar cheia aplicării rezida și în algoritmii de prelucrare și de interpretare a datelor, sens în care a contat atât o minimă inteligență la nivelul ceasului, cât și colaborarea cu o aplicație specifică smartphone-ului (plus eventual angajarea unor resurse existente în cloud-ul furnizorilor). Şi notăm că inițial perechea LED–senzor era proiectată să lucreze într-un domeniu restrâns al spectrului de lumină (lumină verde cu lungimea de undă de 530-570 nanometri). Dar deja în 2017 erau prezentate lumii primele soluţii mobile lucrând într-un domeniu mai larg al spectrului electromagnetic, și care așteptau nerăbdătoare să se miniaturizeze suficient pentru a fi integrate în ceasuri și brățări digitale pentru monitorizarea facilă a anumitor parametrii bio-chimici ai corpului uman (la nivel cutanat și sub-cutanat). O astfel de soluție consta într-un spectrometru cu senzorul optic lucrând în subdomenii de infra-roșu (750-1050 nm; 1150–2500 nm).

Din punctul de vedere al citirii semnalului optic dispersat în gama cromatică respectivă, există două arhitecturi de spectrometre (fiecare abordare având avantaje și dezavantaje):
• lumina dispersată este citită dintr-o dată de un tablou de detectori (senzorul are mai mulți detectori de fotoni, pentru mai multe porţiuni ale spectrului de lumină);
• senzorul are un singur detector (punctual), care va citi pe rând lungimile de undă analizate (adică realizându-se o scannare secvenţială).
În cazul spectrometrelor miniaturale (mobile) cu detector punctual, distribuirea dinamică a luminii dispersate cromatic se poate realiza printr-un pachet de micro-oglinzi digitale integrate într-un MEMS.

Dezvoltări recente
Probabil că primul spectrometru mobil de uz larg a fost cel integrat în iPhone-ul prezentat la Photonics West în ianuarie 2017. Dacă pe atunci compania Apple folosea un cip cu funcţie de spectrometru de la Si-Ware Systems (NeoSpectra Micro), în anul 2021 aflam despre alianța sa cu Rockley Photonics, care a creat un senzor special pentru a fi purtat la încheietura mâinii, un senzor optic miniaturizat, capabil să furnizeze o monitorizare continuă și noninvazivă a unor biomarkeri esențiali pentru sănătatea organismului. Spre deosebire de senzorii clasici, acesta poate genera, dintr-un singur cip de siliciu, mai multe semnale laser discrete acoperind un spectru optic larg. Devine astfel posibilă o analiză noninvazivă a sângelui, a lichidelor interstițiale și ale straturilor de piele, în căutarea componentelor bio-chimice și a fenomenelor fizice de interes din perspectivă medicală, componente care până acum se revelau doar cu echipamente de laborator. Împreună cu aplicația informatică asociată (instalată pe smartphone) și cu datele și algoritmii din servicii/servere cloud (unde eventual are acces și medicul curant), astfel de senzori – aflați în contact cu pielea umană prin poziția lor pe dorsala ceasului de la încheietura mâinii (sau pe interiorul unui inel, precum în cazul lui Oura) – alcătuiesc o unealtă cu care putem monitoriza o mulțime de parametrii organici, precum temperatura corpului, presiunea sanguină, nivelul de hidratare a organismului, concentrația de alcool, concentrația de lactate din sânge, nivelul de glucoză, saturația de oxigen (SpO2) și mulți alții.
Intrând un pic în detaliile (și în provocările) tehnice, aflăm că un aspect esențial în arhitectura cuplului sursă–senzor îl constituie necesitatea de a sigura o putere optică de cel puțin câțiva miliwați pe fiecare canal de frecvență, altfel neputându-se atinge raportul de semnal-zgomot necesar pentru analizarea semnalelor, chestiune ce nu este ușor de rezolvat în contextul miniaturizării impuse pentru un dispozitiv atât de portabil și de discret.

Monitorizarea continuă a parametrilor bio-medicali poate benficia de implicarea unor algoritmi de machine learning, atât pentru identificarea și exploatarea unor modele/comportamente generice (aspecte bio-chimice și profile dinamice caracteristice speciei biologice), cât și pentru identificarea unor aspecte particulare ale individului, ceea ce deschide perspective pentru informatizarea domeniului medical/sanitar.
Integrarea de astfel de tehnologii opto-electronice în dispozitive purtabile cvasi-permanent devine utilă și pentru monitorizarea stării pacienţilor în fazele critice ale tratamentelor de cancer (în chimio-terapie), pentru că se pot astfel urmări în mod continuu nivelul de hemoglobină, metabolismul bio-chimic și chiar răspunsul tumorii, iar rezultatele monitorizării ajută medicii să ajusteze mai eficient tratamentul. (De exemplu, dacă după chimio-terapie scade concetraţia de dezoxihemoglobină, atunci tumoarea răspunde la tratament.)
Utilitatea unor astfel de funcții bio-medicale (integrate la purtător) ne este deja evidentă, astfel că viitorul acestui segment de piaţă – corelat cu perspectivele firești privind performanţa și miniaturizarea componentelor electronice – nu poate fi decât optimist.