Dispositivi medicali indossabili: il problema è l'alimentazione

9th July 2019
Posted By : Alex Lynn
Dispositivi medicali indossabili: il problema è l'alimentazione

La tecnologia indossabile è sicuramente destinata a rappresentare la base della prossima rivoluzione che riguarderà la ‘salute digitale’ (digital health).

Di Mark Patrick, Mouser Electronics

Le operazioni di monitoraggio e di controllo "intelligenti", automatiche e in tempo reale diventeranno il nuovo paradigma per il settore medico, in quanto consentiranno di offrire cure di alto livello e garante una qualità della vita nettamente migliore a tutti coloro che soffrono di malattie a lungo termine. A questo punto è utile tener presente il fatto che l'alimentazione di questi dispositivi può rappresentare un ostacolo non semplice da superare.

Ciascuna nuova generazione di bracciali per il monitoraggio del benessere fisico (fitness band) e di smartwatch è caratterizzata dalla presenza di un numero sempre maggiore di funzionalità. L'integrazione di più funzioni in un dispositivo indossabile è nella maggior parte dei casi associata a un aumento dei consumi di potenza. Una considerazione perfettamente analoga è valida ovviamente anche per i dispositivi medicali. I vincoli di spazio cui devono sottostare i dispositivi indossabili, sia che si tratti di prodotti per il rilevamento dell'attività fisica oppure per il monitoraggio dei pazienti, impediscono l'uso di batterie di grandi dimensioni per cui è necessario individuare tecniche più avanzate per la gestione della potenza per mantenere sotto controllo il consumo di energia (power budget).

Un dispositivo indossabile è efficace se può essere portato senza problemi da un paziente per lunghi periodi di tempo (in molti casi deve essere indossato costantemente per consentire l'acquisizione dei dati necessari). Esso non deve essere troppo pesante, per non affaticare il paziente, soprattutto se si tratta di una persona anziana o neonati.

Criteri base per la progettazione

I componenti essenziali di un qualsiasi dispositivo medicale indossabile sono i seguenti: 

  • Un microcontrollore (MCU - Micro Controller Unit) per l'elaborazione e la gestione dei dati.
  • Una batteria o comunque un meccanismo per immagazzinare l'energia necessaria al suo funzionamento.
  • Sensori, come ad esempio un accelerometro, un giroscopio, un cardiofrequenzimetro (HRM - Heart Rate Monitor), ecc.
  • Un'interfaccia di comunicazione che supporta protocolli come BLE (Bluetooth Low Energy) o NFC (Near Field Communication).
  • Meccanismi di crittografia per garantire la protezione dei dati (assicurando che non sia possibile accedere a informazioni mediche sensibili e private).

La scelta della MCU e dei sensori definisce caratteristiche e funzionalità di un dispositivo e, di conseguenza, la tipologia di applicazioni del dispositivo stesso. I dispositivi medicali usati in ambito clinico devono essere estremamente accurati e affidabili, semplici da gestire e garantire una protezione dei dati efficiente. I tempi di registrazione possono essere anche superiori a un anno, quindi anche la durata è un parametro da tenere in considerazione. In fase di progetto di questi dispositivi è possibile adottare un approccio alla gestione della potenza a livello di sistema che prevede la suddivisione in un certo numero di blocchi funzionali, ognuno dei quali con esigenze simili in termini di potenza (domini). In questo modo è possibile ottenere il miglior layout per ciascun dominio al fine ottimizzare l'efficienza energetica (Fig. 1).

Alcuni domini possono essere completamente disabilitati (ovvero non alimentati) quando non vengono utilizzati, come ad esempio il dispositivo RF, oppure le funzioni caratterizzate da un elevato duty-cycle per le quali il fattore tempo non è determinante. La MCU, che rappresenta l'elemento centrale del progetto, deve essere in grado di gestire in modo efficiente la potenza che deve essere erogata a un numero elevato di periferiche integrate.

Figura 1: Configurazione circuitale interna tipica di in dispositivo indossabile con i differenti domini di potenza.

La tecnologia delle batterie

Le batterie più comunemente utilizzate nei dispositivi indossabili sono quelle a ioni di litio (Li-Ion) e a polimeri di litio (LiPo). Le prime sono composte da elettroliti organici e sono caratterizzate da tensioni nominali comprese tra 3,2 e 4 V (sia primarie sia secondarie). Le due formulazioni chimiche differiscono l'una dall'altra in termini di capacità di immagazzinamento dell'energia, più elevata nel caso delle batterie a ioni di litio.

Le batterie a ioni di litio hanno un impatto relativamente modesto sull'ambiente, sono caratterizzate da dimensioni contenute e peso ridotto. La loro capacità è però direttamente correlata alle dimensioni, ragion per cui risultano fortemente penalizzate nel caso di progetti con vincoli severi in termini di spazio.

I progressi compiuti nel campo della tecnologia dei materiali, che hanno portato all'utilizzo del grafene, dovrebbero garantire in futuro livelli di immagazzinamento dell'energia di gran lunga superiori rispetto a quelli delle attuali batterie a ioni di litio e sono già numerosi i progetti di ricerca in corso finalizzati a conseguire tale obiettivo. Senza per questo dimenticare le evoluzioni nel campo delle nanotecnologie, che dovrebbero consentire in futuro l'impiego dei supercondensatori come mezzo per immagazzinare l'energia elettrica destinata ai dispositivi indossabili.

MCU a bassissimo consumo

Nell'ambito dei dispositivi indossabili per applicazioni medicali, una MCU dovrebbe consumare correnti dell'ordine dei nA quando si trova in modalità di "standby", raggiungendo valori dell'ordine di poche centinaia di µA in modalità attiva. Questa MCU non deve occuparsi solamente dell'elaborazione dei dati provenienti dai sensori, ma anche gestire in modo opportuna l'alimentazione, erogando corrente solamente nel momento in cui è richiesta da una determinata sezione (o dominio) del sistema, evitando in tal modo di sprecare energia preziosa.

Destinata all'uso nei dispositivi indossabili, la MCU MAX32660 di Maxim Integrated (il cui schema a blocchi è riportato in figura 2) abbina efficienza energica con elevati livelli di prestazioni. Essa integra un core ARM Cortex-M4 a 32 bit con un processore FPU (Floating Point Unit) e dispone di risorse di memoria sufficienti per far girare algoritmi avanzati, oltre a gestire qualsiasi tipo di sensore con cui si interfaccia. Caratterizzata da un eccellente rapporto tra consumi e prestazioni (fino a 50μW/MHz), MAX32660 è disponibile in un package di tipo WLP compatto le cui dimensioni sono pari a soli 1,6mm x 1,6mm.

Figura 2 - Schema a blocchi della MCU MAX32660 di Maxim.

Microchip mette a disposizione un'ampia gamma di MCU a 32 bit ULP (Ultra-Low Power) in grado di soddisfare "in toto" le esigenze del mercato dei dispositivi medicali indossabili. L'offerta spazia dalle MCU della serie SAM D di fascia bassa, basate sull'architettura ARM Cortex-M0+, a quelle della serie SAM L a bassissimo consumo fino ad arrivare ai dispositivi della linea PIC32MX XLP ad alte prestazioni.

Queste MCU possono garantire consumi di potenza per ciclo inferiori a 35µA/MHz (in modalità attiva) e assorbono una corrente di soli 200 nA (in sleep mode). Esse integrano un gran numero di funzionalità come ad esempio porte per LCD, amplificatori operazionali, RTC (Real Time Clock) e rilevamento capacitivo mTouch, oltre a interfacce DMA e USB. Le periferiche a basso consumo sono collegate in modo tale da garantire una latenza quasi nulla nella condivisione dei dati in quanto non viene richiesto l'intervento della CPU (Fig. 3)

Figura 3: Schema a blocchi della MCU PIC32MX di Microchip

Tra le altre MCU a 32 bit utilizzate nel settore dei dispositivi indossabili di possono segnalare i dispositivi Giant Gecko della famiglia EFM32 di Silicon Labs basate su core ARM Cortex-M3. Queste MCU, corredate da numerose periferiche autonome a basso consumo, includono funzionalità di cifratura AES per garantire un maggior livello di sicurezza, UART, interfaccia per sensori a basso consumo e amplificatori operazionali (maggiori dettagli sono riportati in figura 4).

Figura 4: Schema a blocchi della serie EFM32 di Silicon Labs.

Energy harvesting: un'alternativa interessante

Come già discusso in precedenza, una delle ragioni per cui i dispositivi indossabili non sono ancora così diffusi in campo medicale è la necessità di ricaricare la batteria su base regolare. Il paziente potrebbe dimenticarsi di effettuare tale operazione, oppure un operatore sanitario dovrebbe assumersi la responsabilità di espletare tale compito. Nonostante i miglioramenti in atto nel settore delle chimiche delle batterie, un approccio alternativo potrebbe prevedere l'uso di tecniche di accumulo e riutilizzo dell'energia (energy harvesting).

Grazie a tali tecniche è possibile immagazzinare energia da sorgenti esterne (che possono essere la luce solare, le differenze di temperatura o i movimenti) per caricare i dispositivi medicali che potrebbero quindi funzionare su base continuativa senza richiedere la ricarica delle batterie.

Le tecniche di energy harvesting basate sui movimenti dell'essere umano o il calore sfruttano l'energia dissipata dalla persona che indossa il dispositivo. In media si può affermare che una persona dissipa circa 107/ J al giorno, equivalente a una batteria di 20 kg di capacità pari a 2.500 mA/h: in teoria la riserva di energia sarebbe sicuramente sufficiente a patto di poterla immagazzinare in maniera efficiente, ovvero senza una dissipazione eccessiva. L'energia termoelettrica trasforma il calore in elettricità sfruttando l'effetto Seebeck, ovvero la generazione di una differenza di potenziale proporzionale al gradiente di temperatura tra un lato caldo e uno freddo.

Una coppia di semiconduttori che costituiscono una cella di Peltier forniscono gli elementi necessari. Per i dispositivi indossabili il corpo umano, che produce calore in continuazione, potrebbe essere usato come lato caldo mentre l'ambiente circostante rappresenta il lato più freddo, necessario per la generazione del fenomeno termoelettrico. Uno dei principali vantaggi di questa configurazione è la disponibilità su base continuativa dell'energia (giorno e notte), a differenza dell'energia solare immagazzinata dalle celle fotovoltaiche (che può essere accumulata solamente durante le ore diurne).

Un'altra modalità che è possibile utilizzare per l'accumulo dell'energia è quella basata sulla meccanica, che sfrutta le vibrazioni e i movimenti degli arti dei pazienti. In questo caso elementi piezoelettrici genereranno una corrente elettrica ogni volta che viene fatto funzionare un apparato meccanico.

Per l'accumulo di energia nei dispositivi indossabili, gli elementi piezoelettrici sono spesso progettati in modo da produrre energia elettrica sfruttando le vibrazioni che si generano quando un paziente cammina, respira o muove gambe e braccia. Il kit di sviluppo Energy Harvesting Solution to Go di Wurth Electronics consente di accedere in modo semplice alle tecnologie di energy harvesting, semplificando il lavoro dei progettisti impegnati nello sviluppo di circuiti per la gestione della potenza di dispositivi indossabili.

Il ruolo dei convertitori DC/DC

Un convertitore DC/DC ha il compito di mantenere una tensione costante per tutti i dispositivi periferici. Sotto la supervisione della MCU, questo dispositivo gestisce l'energia immagazzinate nelle batterie a ioni di litio che deve essere erogata a ogni dominio. I convertitori DC/DC devono soddisfare specifiche alquanto severe e consumare la minore quantità di energia possibile.

LTC3107 di Linear Technology (ora Analog Devices) è un convertitore DC/DC a elevato grado di integrazione espressamente ideato per aumentare la durata della batteria principale che prevede anche la presenza di meccanismi di energy harvesting (lo schema blocchi è riportato in figura 5). Abbinato a una sorgente di energia termica, questo convertitore permette di aumentare in modo significativo la durata della batteria, riducendo i costi di manutenzione imputabili alla sostituzione della batteria stessa.

Figura 5: Tipico circuito applicativo del convertitore DC/DC LTC3107 di Analog Devices

A causa della continua corsa alla miniaturizzazione che contraddistingue il settore dei dispositivi medicali indossabili, ospitati in package sempre più piccoli e integrati, è necessario adottare sistemi avanzati per la gestione della potenza e, in molti casi, ricorrere a tecniche di energy harvesting. Per sviluppare i progetti a bassissimo consumo richiesti in questo tipo di applicazioni è indispensabile una scelta oculata dei dispositivi digitali (come la MCU), della batteria nonchè dei convertitori DC/DC.


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