La prossima ondata nei dispositivi indossabili: Assistenza sanitaria diagnostica più intelligente con patch a ultrasuoni

La tecnologia indossabile, o “wearables”, ha guadagnato molta attenzione, sia in termini di sviluppo che di utilizzo. 

Questi dispositivi elettronici sono progettati per essere indossati come accessori sul corpo dell’utente. Possono anche essere impiantati o incorporati nei vestiti. Infatti, come abbiamo condiviso, i ricercatori recentemente hanno raggiunto una svolta nella tecnologia indossabile, consentendo la creazione di tessuti che rispondono al movimento e alla temperatura. Che emozione!

Ma come fanno i wearables a ottenere ciò? Bene, sono dotati di sensori per raccogliere dati relativi alla salute dell’utente, al fitness e alle condizioni ambientali. I processori, nel frattempo, consentono loro di gestire i calcoli e svolgere le funzioni previste. 

Questi dispositivi sono inoltre progettati per comunicare con altri dispositivi tramite tecnologie wireless, permettendo loro di sincronizzare i dati e accedere a funzionalità aggiuntive tramite un’app.

La tecnologia indossabile ha diversi casi d’uso, come la navigazione, i giochi interattivi, il miglioramento dell’efficienza e l’abilitazione di pagamenti contactless, tra gli altri, per migliorare l’esperienza complessiva dell’utente. 

Un’applicazione reale cruciale dei wearables su cui ci concentreremo oggi è la medicina e l’assistenza sanitaria. I dispositivi sanitari indossabili rientrano in realtà in due ampie categorie: wearables di consumo e wearables di grado medico. 

I wearables di consumo, come orologi, abbigliamento e anelli, consentono agli utenti di monitorare la propria salute e forma fisica tenendo traccia di metriche come passi compiuti, calorie bruciate, frequenza cardiaca, livelli di ossigeno e schemi di sonno. L’accesso in tempo reale a dati preziosi permette agli utenti di prendersi cura di sé stessi in modo migliore. 

I wearables di grado medico, invece, includono monitor della pressione sanguigna, monitor ECG, biosensori e monitor del glucosio, sempre più popolari per fornire dati utili alla gestione di malattie croniche. Consentendo ai pazienti di raccogliere e accedere ai propri dati sanitari e poi di riportarli, questa tecnologia elimina la necessità di appuntamenti in presenza. 

Questi dispositivi offrono anche ai professionisti sanitari approfondimenti azionabili in tempo reale, disponibili anche da remoto, e li aiutano a fornire trattamenti più personalizzati. Curiosamente, potremmo presto anche usare i nostri semplici smartphone come glucometri.

Considerati i vasti benefici della tecnologia indossabile, la domanda di dispositivi sanitari indossabili intelligenti è in forte crescita, e si prevede che valerà 70 miliardi di dollari nei prossimi quattro anni. 

I wearables di consumo rappresentano la quota più ampia del mercato grazie alla loro maggiore disponibilità e accessibilità e, naturalmente, alla diffusa presenza di smartphone che consentono una facile gestione dei dati. I wearables di grado medico, invece, devono attraversare ricerche cliniche e ottenere l’approvazione delle autorità governative competenti per raccogliere dati a supporto delle decisioni cliniche. 

Innovazione degli ultrasuoni indossabili che rivoluziona l’assistenza sanitaria

Nel mezzo di tutto questo entusiasmo e sviluppo intorno ai wearables, i ricercatori hanno ideato un dispositivo a ultrasuoni indossabile che esegue il monitoraggio wireless dell’attività muscolare. Questa nuova tecnologia ha potenziali applicazioni nella sanità e nelle interfacce uomo-macchina. 

I dispositivi di elettromiografia (EMG) indossabili sono già in grado di identificare l’attività muscolare per monitorare la salute e tracciare il movimento del corpo. Tuttavia, questo approccio è piuttosto limitato a causa della bassa risoluzione spaziale, stabilità e rapporto segnale-rumore dei segnali EMG. 

I segnali EMG provenienti da più fibre muscolari tendono anche a mescolarsi, rendendo difficile isolare i contributi della fibra muscolare specifica. 

Per non parlare del fatto che sono intrinsecamente deboli durante l’attività muscolare normale. Per compensare ciò, è necessario applicare grandi elettrodi sulla pelle per registrare l’attività elettrica del muscolo, il che riduce la risoluzione spaziale.

Un’alternativa promettente a questo standard clinico è l’ecomiografia (EcMG), che può rilevare il movimento muscolare usando onde ultrasoniche. Gli ultrasuoni, dopotutto, penetrano nei tessuti profondi fornendo immagini ad alta risoluzione, offrendo approfondimenti dettagliati sulla funzione muscolare. 

Pur essendo sicura, versatile e accessibile, il problema dell’EcMG è che si basa su array di trasduttori ingombranti e complessi. Questi non solo limitano la mobilità dell’utente, ma hanno anche un elevato consumo energetico.

Così, gli ingegneri dell’Università della California San Diego, con il supporto del National Institutes of Health, hanno sviluppato un sistema di ecomiografia indossabile completamente integrato. 

Sheng Xu, professore e Jacobs Faculty Scholar nel Dipartimento di Chimica e Nanoingegneria Aiiso Yufeng Li della UC San Diego, che ha guidato questo studio, ha precedentemente riportato tali patch a ultrasuoni.

L’anno scorso, il team ha riportato di aver raggiunto la capacità wireless in questa patch. L’elemento chiave di quello studio era il design del circuito a ultrasuoni. 

In questo dispositivo precedente, il team ha sostituito il cavo flessibile collegato alla sonda a ultrasuoni e lo ha utilizzato per la trasmissione dei dati e l’alimentazione.

“(Questo circuito) può pre-elaborare e trasmettere wireless i dati a ultrasuoni a una stazione di back-end per ulteriori analisi.”

– Xu ha detto al momento

Il focus dello studio precedente era sulla salute cardiovascolare, e l’algoritmo di machine learning ha elaborato automaticamente i segnali e tracciato continuamente l’arteria carotide, permettendo al team di ottenere informazioni a ultrasuoni anche quando il soggetto si muoveva. 

“Questo algoritmo di tracciamento automatico offre opportunità senza precedenti per l’ultrasonografia medica e la fisiologia dell’esercizio.”

– Muyang Lin, autore principale e dottorando nel Laboratorio Xu

Il team ha cross-validato il proprio modello AI su dieci soggetti sani appartenenti a tre diversi gruppi razziali, e il passo successivo prevedeva la validazione della patch su una popolazione più ampia. Secondo Lin:

“Con questo tipo di dispositivo, speriamo di sfumare il confine tra assistenza a domicilio e diagnosi ospedaliera. Prevediamo un futuro in cui le diagnosi possano avvenire in qualsiasi momento e luogo, grazie a dispositivi wireless come questi.”

Mentre la patch è stata valutata per il monitoraggio delle funzioni cardiovascolari, potrebbe anche essere applicata all’addome e agli arti per il monitoraggio del diaframma e delle arterie periferiche, rispettivamente, che sono state mirate nello studio più recente. Alcuni mesi fa, Xinyi Yang del laboratorio di Xu ha dimostrato che la patch a ultrasuoni indossabile può essere indossata comodamente sulla tempia per fornire dati 3D sul flusso sanguigno cerebrale.

Sbloccare il potenziale dell’interazione uomo-macchina

Ora, l’innovazione principale della ricerca più recente è stata l’uso del singolo trasduttore a ultrasuoni per rilevare problemi profondi in modo più efficace.

La morbida patch a ultrasuoni qui è racchiusa in una custodia flessibile in silicone elastomerico e comprende tre elementi principali—un singolo trasduttore per inviare e ricevere onde ultrasoniche, un circuito wireless personalizzato per l’elaborazione dei dati e il controllo del trasduttore, e una batteria al litio-polimero a bordo per alimentare il sistema per almeno tre ore.

Il singolo trasduttore a ultrasuoni, che è l’innovazione principale, emette onde ultrasoniche a intensità controllata e cattura segnali a radiofrequenza che trasportano informazioni. Questo consente applicazioni cliniche come la misurazione dello spessore del diaframma. 

Il dispositivo utilizza questi segnali per ottenere un’alta risoluzione spaziale, importante per isolare movimenti muscolari specifici. Un algoritmo di deep learning personalizzato, nel frattempo, ha aiutato i ricercatori a estrarre ulteriori approfondimenti da questi segnali.

L’algoritmo AI mappa i segnali alle corrispondenti distribuzioni muscolari, consentendo così una rilevazione precisa di movimenti particolari dai segnali raccolti.

Il dispositivo alimentato a batteria può essere fissato alla pelle con uno strato adesivo per un monitoraggio wireless a lungo termine accurato dei muscoli.

“Questa tecnologia potrebbe potenzialmente essere indossata dagli individui durante le loro routine quotidiane per un monitoraggio continuo e a lungo termine.”

– Co-autore Xiangjun Chen, dottorando nel programma di Scienza dei Materiali e Ingegneria presso UC San Diego

Per dimostrare ciò che può realizzare, il team ha usato il dispositivo per rilevare l’attività del diaframma, consentendo il riconoscimento di diversi modi di respirazione. Hanno scoperto che il loro sistema di ecomiografia a singolo trasduttore indossabile può effettivamente tracciare e rilevare diversi pattern respiratori monitorando l’attività del diaframma con risoluzione sub-millimetrica.

Durante i test del dispositivo, è stato indossato sopra la gabbia toracica per monitorare lo spessore e il movimento del diaframma, aiutando a valutare la salute respiratoria.

Lo spessore è usato per valutare la disfunzione del diaframma e prevedere gli esiti nei pazienti ventilati. Analizzando il movimento muscolare, è possibile rilevare diversi pattern respiratori, utili per diagnosticare condizioni legate a irregolarità respiratorie, come polmonite, asma e broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO).  

In una piccola sperimentazione, il dispositivo ha distinto con successo i pattern respiratori di individui sani da quelli con BPCO, dimostrando il potenziale del dispositivo nella cura respiratoria.

“Tracciando l’attività del diaframma, la tecnologia potrebbe potenzialmente supportare pazienti con condizioni respiratorie e quelli dipendenti dalla ventilazione meccanica.”

– Co-autore dello studio Joseph Wang, professore nel Dipartimento di Chimica e Nanoingegneria Aiiso Yufeng Li

Il dispositivo è stato poi utilizzato sull’avambraccio per rilevare l’attività muscolare di mano e polso. È stato riscontrato che riconosce con successo i gesti della mano dai segnali a radiofrequenza a ultrasuoni a canale singolo rilevati dai muscoli dell’avambraccio. 

L’algoritmo di deep learning personalizzato ha permesso al team di rilevare vari gesti della mano con maggiore precisione solo dai segnali a ultrasuoni. Un totale di 13 articolazioni della mano sono state riportate come riconosciute con un errore medio di soli 7,9°.

Questa rilevazione del movimento ha coinvolto dieci articolazioni delle dita e tre angoli di rotazione del polso, dimostrando che il sistema può catturare anche i più lievi movimenti di dita e polso con alta sensibilità. Questo test dimostra il potenziale dell’uso del dispositivo come interfaccia uomo-macchina per giocare a un gioco virtuale o controllare un braccio robotico.

Secondo il co-autore dello studio Wentong Yue, dottorando nello stesso dipartimento della UC San Diego:

“Queste dimostrazioni sottolineano il potenziale della tecnologia per protesi, giochi e altre applicazioni di interfaccia uomo-macchina.”

Ora, nei prossimi passi, i ricercatori mireranno a migliorare ulteriormente l’efficienza energetica, la portabilità, la precisione e le capacità computazionali della tecnologia.

L’ascesa degli ultrasuoni indossabili che sbloccano il futuro della medicina

Gli ultrasuoni indossabili sono una svolta medica che può rivoluzionare l’assistenza sanitaria. Tuttavia, questo progresso è in corso da tempo. Nel corso degli anni, gli scienziati hanno affrontato varie sfide e sviluppato diversi ultrasuoni indossabili per migliorare il monitoraggio remoto delle funzioni fisiologiche critiche di un paziente.

Fonte: Wiley Online Library

All’inizio di quest’anno, i ricercatori hanno scoperto un metallo liquido per superare il problema dell’impedenza acustica nei sistemi a ultrasuoni che si basano su trasduttori. Di solito, questo problema viene affrontato con l’ausilio di strati di adattamento, ma la maggior parte dei materiali usati per questo sono risultati troppo rigidi per i dispositivi indossabili.

Per progettare uno strato di adattamento più conforme ma funzionale, i ricercatori hanno utilizzato varie dimensioni e volumi di goccioline a base di gallio in silicone morbido. Saturando il silicone con circa il 70% delle goccioline, la densità risultante dello strato di adattamento ha migliorato la sua impedenza acustica di oltre il 400%. Quando sottoposto a tensione, similmente a quanto lo strato potrebbe subire come parte di un dispositivo indossabile, l’impedenza è diminuita solo del 13%.

Il team ha poi integrato il suo strato di adattamento allungabile in un prototipo di ultrasuoni indossabile, che ha registrato con successo il movimento simulato, dimostrando il suo potenziale come dispositivo diagnostico.

Un paio di anni fa, un team di ricerca finanziato dal NIH guidato dal dott. Xuanhe Zhao al MIT ha anche sviluppato una patch a ultrasuoni indossabile, delle dimensioni di un francobollo spesso, che aderisce alla pelle sia in ambienti asciutti che umidi. 

Durante i test, è stato riscontrato che la patch poteva essere indossata comodamente per almeno 48 ore e forniva immagini continue di muscoli, vasi sanguigni, cuore, diaframma, polmone o stomaco. Tuttavia, la patch doveva essere collegata a sistemi informatici per l’elaborazione intensiva dei dati. Tuttavia, come abbiamo visto, l’ultimo avanzamento si è concentrato sulla rimozione di queste limitazioni rendendo il sistema più efficace.

“Immaginiamo alcune patch aderenti a diverse posizioni sul corpo, e le patch comunicherebbero con il tuo cellulare, dove gli algoritmi AI analizzerebbero le immagini su richiesta.”

– Zhao ha detto al momento

Questo sta iniziando a diventare una realtà, con la società scozzese di tecnologia sanitaria Novosound che ha ottenuto un brevetto per il suo ultrasuono indossabile all’inizio di quest’anno. Il dispositivo, che monitora costantemente il flusso sanguigno e la pressione del paziente, è fissato al corpo per produrre immagini su dispositivi mobili.

“Questo ci permette di integrare e concedere in licenza la tecnologia con partner di smartwatch, guardando più in profondità nel corpo e migliorando le misurazioni fornite dai loro sensori ottici ed elettrici, aprendo il santo graal del monitoraggio della pressione sanguigna 24/7 al polso.”

– CEO e co-fondatore di Novosound, dott. Dave Hughes

Il brevetto non solo conferisce all’azienda diritti esclusivi per vendere la tecnologia e avviare progetti pilota con grandi istituzioni, ma anche per contratti di R&D per applicazioni di salute digitale consumer. Novosound ha già collaborato con il Texas Medical Center per sviluppare casi d’uso per i suoi ultrasuoni indossabili.

Aziende rilevanti nei dispositivi indossabili per la sanità

La tecnologia indossabile è un settore in crescita che ha catturato l’interesse di giganti tecnologici come Apple (AAPL ), che ha esplorato applicazioni legate alla salute attraverso il suo smartwatch di consumo Apple Watch.

Ci concentreremo, tuttavia, su aziende attivamente coinvolte nel campo medico, quindi ecco due nomi di spicco che potrebbero beneficiare di innovazioni come gli ultrasuoni indossabili.

1. Medtronic

Leader globale nei dispositivi medici, Medtronic Public Limited Company, fornisce soluzioni tecnologiche sanitarie di ampio respiro e sta esplorando i wearables per diagnosi e monitoraggio della salute, incluse soluzioni remote.

Nel 2022, Medtronic ha collaborato con BioIntelliSense per il suo BioButton wearable che misura fino a 1.440 misurazioni dei segni vitali al giorno, inclusi frequenza cardiaca a riposo, temperatura della pelle e frequenza respiratoria a riposo. Quest’anno, l’azienda è concentrata sull’AI, chiedendo a ogni dipartimento di proporre idee per utilizzare la tecnologia al fine di aumentare la produttività.

Con una capitalizzazione di mercato di 115,56 miliardi di dollari, le azioni Medtronic sono attualmente quotate a 90,11 $, in rialzo del 9,38 % quest’anno. Con ciò, l’azienda ha un EPS (TTM) di 2,97 e un P/E (TTM) di 30,31, pagando un rendimento da dividendo del 3,11 %.

Per il primo trimestre dell’anno fiscale 2025, conclusosi il 26 luglio 2024, Medtronic ha riportato un fatturato di 7,9 miliardi di dollari, un aumento del 2,8 %. “I nostri mercati di base sono sani, stiamo guidando la rigorosità operativa e l’innovazione di nuovi prodotti sta alimentando una crescita diversificata nei mercati chiave della tecnologia sanitaria,” ha dichiarato il CEO Geoff Martha.

Durante questo trimestre, i ricavi del Portfolio Cardiovascolare sono aumentati del 5,5 % a 3 miliardi di dollari, i ricavi del Portfolio Neuroscienze sono cresciuti del 4,4 % a 2,3 miliardi di dollari, e il segmento diabete è salito dell’11,8 % a 647 milioni di dollari, mentre i ricavi del Portfolio Medico Chirurgico sono diminuiti dello 0,4 % a 1,996 miliardi di dollari.

2. GE HealthCare Technologies

Si tratta di un’azienda di tecnologia medica che offre soluzioni innovative a ultrasuoni oltre a imaging, Diagnostic Pharma (PDx) e Soluzioni per la Cura del Paziente (PCS). Data la sua focalizzazione sulle soluzioni a ultrasuoni, GE Healthcare può potenzialmente integrare i progressi indossabili per l’imaging diagnostico.

Quest’anno, l’azienda sta collaborando con Biofourmis per estendere la portata della tecnologia di monitoraggio dei pazienti alle loro case. Biofourmis è una piattaforma di assistenza specialistica virtuale che combina algoritmi AI per offrire strumenti che aiutano a monitorare pazienti acuti e post-acuti da remoto.

Un paio di anni fa, GE Healthcare ha anche lanciato sensori wireless e portatili per i pazienti da indossare durante il loro soggiorno ospedaliero, consentendo ai clinici di tenere traccia dei segni vitali senza dover effettuare controlli regolari.

Con una capitalizzazione di mercato di 39,64 miliardi di dollari, le azioni GE HealthCare sono attualmente quotate a 86,78.11 $, in rialzo del 12,23 % quest’anno. Con ciò, l’azienda ha un EPS (TTM) di 3,65 e un P/E (TTM) di 23,77, pagando un rendimento da dividendo dello 0,14 %.

Per il Q3 2024, GE HealthCare ha riportato un fatturato di 4,9 miliardi di dollari, un aumento dell’1 % su base annua, notando che la crescita positiva dei ricavi negli Stati Uniti è stata compensata da una continuità di debolezza di mercato in Cina. L’utile netto è stato di 470 milioni di dollari, il flusso di cassa operativo è stato di 742 milioni di dollari, mentre il flusso di cassa libero è stato di 651 milioni di dollari.

“Le iniziative di efficienza in corso in tutta l’organizzazione stanno offrendo un valore migliore a pazienti e clienti e hanno portato a una robusta espansione dei margini.”

– CEO Peter Arduini

Conclusione 

Nell’assistenza sanitaria, gli ultrasuoni svolgono un ruolo chiave, permettendo ai clinici di vedere all’interno del nostro corpo per diagnosticare malattie e monitorare la salute. Pertanto, i ricercatori sono interessati a incorporare questa tecnica non invasiva nei dispositivi indossabili.

Come abbiamo visto con la ricerca più recente, la versatile patch a ultrasuoni indossabile può fornire immagini ad alta risoluzione dei tessuti interni in movimento per diverse applicazioni cliniche e diagnostiche, aprendo una nuova era di assistenza sanitaria personalizzata. 

Nel complesso, i wearables rappresentano il futuro dell’assistenza sanitaria, sebbene le preoccupazioni riguardo all’accuratezza e all’affidabilità dei sensori e alla durata della batteria debbano essere affrontate, e un migliore accesso agli strumenti di analisi dovrebbe essere fornito per sfruttare appieno i benefici della tecnologia!

Clicca qui per un elenco delle principali aziende di monitoraggio sanitario indossabile.