Recentemente è stato sviluppato un tatuaggio hi-tech per monitorare il cuore in modo continuo e non invasivo anche fuori dall’ospedale. Un gruppo di ingegneri dell’Università del Texas ad Austin ha infatti ideato un innovativo “tatuaggio elettronico” (e-tattoo) multimodale, ultrasottile e flessibile. Integrando sensori miniaturizzati e tecnologie avanzate, l’e-tattoo registra segnali cardiaci elettrici e meccanici, così come il volume sanguigno. Grazie alla correlazione di questi segnali, il dispositivo può calcolare parametri complessi come il volume di eiezione e il cardiac output. Inoltre, monitorando l’attività cardiaca durante l’esercizio fisico, l’e-tattoo permette un monitoraggio continuo anche sotto stress, aprendo nuove opportunità per la prevenzione cardiovascolare e il monitoraggio remoto e confortevole della salute del cuore.
Malattie cardiovascolari: un’emergenza globale silenziosa
Le malattie cardiovascolari rappresentano, a livello globale, la principale causa di mortalità, con circa 17 milioni di decessi ogni anno. Con il termine “malattie cardiovascolari” si fa riferimento a un ampio spettro di patologie che interessano il cuore, come l’ipertensione arteriosa, le malattie valvolari e l’insufficienza cardiaca. Secondo i dati della World Heart Federation, circa l’80% dei casi di malattia cardiovascolare potrebbe essere prevenuto.
Il problema principale risiede nel fatto che molte delle condizioni cliniche sono asintomatiche fino a quando non si manifesta un evento acuto, come un infarto. Per questo motivo è fondamentale riuscire a individuare precocemente eventuali segnali di compromissione della funzionalità cardiaca. Solo così è possibile intervenire con misure di prevenzione mirate, che comprendono non solo la modifica dei comportamenti a rischio (e.g., dieta non equilibrata, eccessiva sedentarietà), ma anche l’utilizzo di terapie farmacologiche.
In questo scenario, diventa sempre più urgente lo sviluppo di dispositivi per il monitoraggio cardiaco che consentano una sorveglianza preventiva continua, anche al di fuori dell’ambiente ospedaliero. L’obiettivo è quello di:
- tenere sotto controllo eventuali anomalie della funzionalità cardiaca;
- monitorare l’attività del cuore su archi temporali estesi, ben oltre la breve finestra di osservazione di una visita medica;
- raccogliere dati anche durante attività fisica, momento in cui lo stress fisiologico può far emergere segnali di un cuore che fatica ad adattarsi o a compensare adeguatamente.
Il limite delle tecnologie attuali e il bisogno di innovazione
Un monitoraggio remoto, prolungato e continuo è quindi essenziale per intervenire tempestivamente e prevenire la compromissione della funzionalità cardiaca. Attualmente uno degli strumenti più diffusi per il monitoraggio cardiaco ambulatoriale è l’holter, che consente di registrare l’elettrocardiogramma (ECG) per un periodo continuativo di 24-48 ore. L’ECG rileva l’attività elettrica del cuore, che sia a riposo o sotto sforzo, dalla quale si possono ottenere numerose informazioni, come frequenza cardiaca ed eventuali aritmie. Tuttavia, l’holter presenta alcuni limiti: si limita alla rilevazione dell’ECG ed è un dispositivo relativamente ingombrante, che può risultare poco tollerato se utilizzato per lunghi periodi o durante l’attività fisica.
Per offrire un quadro clinico più accurato, è importante affiancare altri segnali fisiologici all’ECG. Ad esempio, si può affiancare il sismocardiogramma (SCG), che è uno strumento in grado di registrare le micro-vibrazioni meccaniche prodotte dal battito cardiaco sul torace, fornendo informazioni sull’efficacia del pompaggio; oppure il fotopletismogramma (PPG), che misura le variazioni del flusso sanguigno periferico e consente di valutare parametri come la saturazione di ossigeno.
Parallelamente, è altrettanto importante investire nel miglioramento del comfort dei dispositivi: rendere i device più leggeri, discreti e adatti all’uso quotidiano aumenta significativamente l’accettazione da parte dei pazienti e l’efficacia del monitoraggio prolungato.
Il tatuaggio elettronico: una nuova frontiera per il monitoraggio del cuore
Dalle esigenze descritte in precedenza, un gruppo di ingegneri dell’Università del Texas ad Austin appartenente al Lu Research Group, e guidato dalla professoressa Nanshu Lu, ha sviluppato un dispositivo multi-modale, ultrasottile e flessibile, soprannominato tatuaggio elettronico (e-tattoo) proprio per le sue caratteristiche uniche di leggerezza e aderenza alla pelle. Applicato direttamente sul torace, l’e-tattoo registra ECG, SCG e PPG ed è in grado di monitorare l’attività cardiaca anche durante l’esercizio fisico. Grazie all’integrazione di tecnologie avanzate e sensori miniaturizzati, questa soluzione potrà rivoluzionare la prevenzione cardiovascolare, offrendo nuove prospettive per il monitoraggio remoto del cuore.
Un design flessibile e ottimizzato per il monitoraggio continuo multimodale
L’ e-tattoo è composto da due strati principali: 1) un circuito stampato flessibile che ospita le componenti elettroniche e 2) uno strato dedicato agli elettrodi necessari per la registrazione dell’ECG. Le componenti elettroniche sono disposte su piccole isole collegate tra loro da sottili serpentine conduttive. Si tratta di una soluzione progettuale che consente al dispositivo di adattarsi dinamicamente alle deformazioni della pelle, mantenendo al contempo un’elevata aderenza (Figura 1).
Panoramica sui componenti del tatuaggio elettronico
Gli elettrodi ECG, di tipo secco, sono realizzati in film di grafite e personalizzati nel design tramite taglio laser. Gli elettrodi secchi offrono diversi vantaggi rispetto ai tradizionali elettrodi gel, tra cui una maggiore resistenza al degrado del segnale dovuto alla disidratazione dell’elettrodo e un formato sottile e compatto. Questi vengono applicati su un film adesivo di Tegaderm™, un materiale medicale trasparente. Il lato non adesivo del Tegaderm ospita il circuito flessibile, che viene connesso elettricamente agli elettrodi mediante un film conduttivo anisotropo. La parte adesiva del Tegaderm, invece, viene applicata direttamente sul torace del paziente. In questo modo, nessuna parte elettronica entra in contatto con la pelle, a vantaggio della sicurezza dell’utilizzatore. L’alimentazione del sistema è assicurata da una batteria ricaricabile al litio-polimero (LiPo), facilmente collegabile ad un apposito connettore del circuito flessibile.
L’approccio ingegneristico avanzato consente di ottenere un monitoraggio cardiaco continuo, mantenendo al contempo un’estrema discrezione e indossabilità, requisiti fondamentali per l’uso prolungato anche al di fuori del contesto clinico.
L’elettronica dell’e-tattoo
Il cuore elettronico dell’e-tattoo è costituito da una unità di elaborazione centrale a cui sono collegati diversi sensori (temperatura corporea, PPG, SCG ed ECG). Il sistema è dotato di connettività wireless tramite tecnologia Bluetooth Low Energy (BLE), che consente di trasmettere i dati a un dispositivo esterno, come uno smartphone. Su questo dispositivo viene eseguita un’app personalizzata, che permette la visualizzazione in tempo reale dei segnali fisiologici rilevati.
Per garantire la precisione e la sincronizzazione tra i segnali è stato implementato un sistema di sincronizzazione hardware: il sensore ECG emette un impulso ad ogni campionamento, che viene utilizzato come segnale di innesco dal sensore SCG. Questo meccanismo assicura che i due sensori effettuino le misurazioni in modo perfettamente sincronizzato, con un ritardo minimo e costante. I sensori sono dotati di una memoria interna First-In First-Out che consente loro di memorizzare dati in modo autonomo, senza dover attivare continuamente la central processing unit (CPU). Solo quando le memorie si riempiono, viene “risvegliata” la CPU – che si comprime e invia i dati al dispositivo esterno. Questo approccio consente di ridurre drasticamente il consumo energetico.
Parametri cardiaci rilevabili: il potenziale dell’e-tattoo
Grazie alla capacità di registrare simultaneamente il segnale elettrico e meccanico, l’e-tattoo consente di misurare diversi intervalli cardiaci di interesse clinico (Figura 2).
Tra questi, due parametri particolarmente significativi sono:
- Il periodo di pre-eiezione (pre-ejection period – PEP), ossia l’intervallo tra il picco R dell’ECG e l’apertura della valvola aortica. Questo tempo rappresenta la fase in cui i ventricoli si contraggono, ma non hanno ancora espulso sangue, ed è quindi legato alla forza contrattile del cuore;
- Il tempo di eiezione ventricolare sinistro (left ventricular ejection time – LVET), che rappresenta l’intervallo tra l’apertura e la chiusura della valvola aortica. Esso indica il tempo effettivo durante il quale il ventricolo sinistro espelle il sangue nell’aorta.
Il team dell’Università del Texas ha dimostrato che il tatuaggio elettronico è in grado di stimare con precisione i due parametri tramite test su 9 soggetti sani.
Questi intervalli derivano direttamente dai segnali raccolti. Tuttavia, l’applicazione di tecniche di intelligenza artificiale (AI) apre la possibilità di stimare anche parametri fisiologici che non sono direttamente misurabili dai segnali, ma che possono essere stimati attraverso modelli addestrati a riconoscere schemi complessi.
Ad esempio, un successivo studio del Lu Research Group ha utilizzato il machine learning per stimare il volume sistolico (i.e., volume di sangue espulso dal cuore a ogni battito) partendo da caratteristiche estratte dai segnali registrati dall’e-tattoo. In prospettiva, l’intelligenza artificiale (AI) potrà essere impiegata per predire altri parametri cardiaci come la portata cardiaca, contribuendo a una valutazione sempre più completa dello stato di salute cardiovascolare.
Ulteriori studi sperimentali sono attualmente in corso. Ad oggi, è stato sottomesso un brevetto che è in attesa di approvazione da parte dell’USPTO (United States Patent and Trademark Office) ed il team sta negoziando accordi per la commercializzazione del dispositivo, segnando un passo importante verso il suo utilizzo e la diffusione sul mercato. Il futuro dei dispositivi indossabili risiede nell’integrazione di diversi e-tattoo specializzati, capaci di raccogliere dati fisiologici da tutto il corpo. Questi dati potranno essere combinati e analizzati per stimare parametri complessi e predire condizioni di rischio, offrendo così una visione a 360° dello stato di salute dell’individuo (Figura 3).
Conclusioni
Il tatuaggio elettronico monitora l’attività cardiaca registrando i segnali ECG, SCG e PPG anche durante l’esercizio fisico. Oltre a permettere l’estrazione di intervalli cardiaci di base come PEP e LVET, grazie all’AI, è in grado di stimare parametri complessi e predire rischi cardiovascolari, offrendo un monitoraggio completo e discreto.
Il gruppo di ricerca sta sviluppando dispositivi simili per registrare altri segnali fisiologici come l’elettroencefalogramma (EEG) per monitorare l’attività cerebrale, rendendo i dispositivi medici tradizionali più confortevoli e flessibili grazie alle ultime innovazioni in scienza dei materiali. Ciò amplia le possibilità di un monitoraggio completo della salute, in modo remoto, continuo e confortevole.
Fonti e approfondimenti
- World Heart Federation – Prevention of cardiovascular diseases
- World Health Organization – Cardiovascular Diseases
- IEEE Transactions on Biomedical Engineering – Cardiac Time Intervals under Motion Using Bimodal Chest E-Tattoos and Multistage Processing
- Physics World – Ultrathin e-tattoo provides continuous heart monitoring
- Chemical Reviews – E‑Tattoos: Toward Functional but Imperceptible Interfacing with Human Skin
