Un paio di auricolari possono essere trasformati in uno strumento per registrare l’attività elettrica del cervello e i livelli di lattato nel corpo con l’aggiunta di due sensori flessibili serigrafato su una superficie flessibile simile a un timbro.
I sensori flessibili serigrafati sono fissati agli auricolari su una superficie flessibile simile a un timbro.
I sensori possono comunicare con gli auricolari, che poi trasmettono in modalità wireless i dati raccolti per la visualizzazione e l’ulteriore analisi su uno smartphone o un laptop. I dati possono essere utilizzati per il monitoraggio sanitario a lungo termine e per rilevare condizioni neurodegenerative a lungo termine.
I sensori, sviluppati da un gruppo di ricerca multidisciplinare di ingegneri dell’Università della California a San Diego, sono molto meno ingombranti dei dispositivi all’avanguardia attualmente utilizzati per rilevare l’attività elettrica del cervello e le secrezioni di sudore del corpo. I ricercatori hanno dimostrato che possono essere utilizzati nel mondo reale durante l’esercizio.
Sebbene il rilevamento intraauricolare di diversi parametri fisiologici non sia una novità, lo è l’integrazione del rilevamento dei segnali cerebrali e corporei in un’unica piattaforma. La svolta è stata resa possibile dall’esperienza combinata di ingegneri biomedici, chimici, elettrici e nanoingegneri.
I dati di un elettroencefalogramma (EEG), che misura l’attività elettrica nel cervello, e il lattato del sudore, un acido organico prodotto dal corpo durante l’esercizio e la normale attività metabolica, possono essere combinati per vari scopi. Ad esempio, possono essere utilizzati per diagnosticare diversi tipi di crisi, comprese le crisi epilettiche. Possono essere utilizzati anche per monitorare lo sforzo durante l’esercizio fisico e monitorare i livelli di stress e concentrazione.
I ricercatori hanno convalidato i dati raccolti durante questo studio di prova rispetto ai dati ottenuti da cuffie EEG a contatto secco disponibili in commercio e campioni di sangue contenenti lattato. I dati raccolti dai sensori flessibili sono stati altrettanto efficaci.
Il team descrive il proprio lavoro in un articolo nel numero di Nature Biomedical Engineering.
I ricercatori prevedono un futuro in cui i sistemi di neuroimaging e di monitoraggio della salute funzioneranno con sensori indossabili e dispositivi mobili, come telefoni, auricolari, orologi e altro per monitorare l’attività cerebrale e i livelli di molti metaboliti legati alla salute durante il giorno. Ciò consentirebbe agli utenti di migliorare le capacità del cervello e del corpo. Il team prevede inoltre un futuro in cui le capacità dei dispositivi audio indossabili esistenti, come gli auricolari, potranno essere notevolmente ampliate per raccogliere una gamma molto più ampia di dati.
“Essere in grado di misurare le dinamiche sia dell’attività cognitiva del cervello che dello stato metabolico del corpo in un dispositivo integrato nell’orecchio che non interferisce con il comfort e la mobilità dell’utente apre enormi opportunità per migliorare la salute e il benessere delle persone di tutte le età , sempre e ovunque”, ha affermato Gert Cauwenberghs, professore presso il Dipartimento di Bioingegneria Shu Chien Gene Lay presso l’UC di San Diego.
Perché gli auricolari?
Il team ha ritenuto che l’uso onnipresente degli auricolari si traducesse in un potenziale non sfruttato per raccogliere comodamente segnali del cervello e del corpo per il benessere e la salute.
Gli auricolari sono fissati con un gancio in silicone per essere più stabili nell’orecchio.
“Gli auricolari esistono da decenni e per molti versi sono stati uno dei primi dispositivi indossabili sul mercato”, ha affermato Patrick Mercier, professore del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell’UC di San Diego. “Questa ricerca compie i primi passi importanti per dimostrare che è possibile misurare dati di grande impatto dal corpo umano semplicemente aumentando le capacità degli auricolari che le persone già utilizzano quotidianamente. Poiché non ci sono grossi attriti nell’utilizzo di questa tecnologia, prevediamo un’eventuale adozione su larga scala”.
L’orecchio ha ghiandole sudoripare ed è vicino al cervello, ha detto Yuchen Xu, co-primo autore dell’articolo e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Cauwenberghs. “È un punto di ingresso naturale: le persone sono abituate a indossare gli auricolari”, ha affermato.
Costruire i sensori
Un sistema del genere richiede competenze multi-dominio, ed è così che è nato questo progetto presso il Center for Wearable Sensors dell’UC San Diego, dove il professore di bioingegneria Cauwenberghs ha collaborato con i professori di nanoingegneria Joseph Wang e Sheng Xu, che hanno una vasta esperienza nella progettazione e costruzione di sensori elastici. sensori chimici flessibili e ad alte prestazioni. Anche Patrick Mercier, professore presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica della Jacobs School, ha prestato al progetto la sua vasta esperienza nell’elettronica biomedica a bassa potenza e nei sistemi wireless.
Gli auricolari sono fissati con un gancio in silicone per essere più stabili nell’orecchio.
“Uno dei motivi per cui siamo riusciti a raggiungere questo traguardo è che abbiamo davvero pensato all’integrazione”, ha affermato Ernesto De La Paz, Ph.D. alunno del gruppo di ricerca del professor Joseph Wang di nanoingegneria e co-primo autore dell’articolo. “Volevamo rendere i sensori più piccoli possibile per raccogliere minuscoli campioni di sudore. Abbiamo anche tenuto conto della forma irregolare dell’orecchio integrando componenti che possono piegarsi”.
Il primo passo nella costruzione dei sensori intrauricolari è stato la conferma che i dati sull’EEG e sul lattato potessero essere raccolti nell’orecchio. I ricercatori hanno dovuto progettare strumenti più piccoli e compatti per raccogliere segnali elettrofisiologici, come i dati EEG, che potessero essere inseriti in un auricolare. Dovevano anche trovare un materiale adatto per raccogliere il sudore e percepire il lattato. Dopo esperimenti preliminari su soggetti umani, i ricercatori hanno stabilito che il posto migliore per raccogliere e registrare i dati sul lattato era il trago, dove il sudore si accumula all’ingresso dell’orecchio. Il team sapeva anche per esperienza precedente che per raccogliere dati EEG erano necessari elettrodi fisiologici ad alte prestazioni puntati verso il lobo temporale.
“La sfida tecnica principale non era solo quella di inserire due sensori nell’orecchio, che è un piccolo spazio che varia da individuo a individuo, ma anche di acquisire in modo affidabile segnali sia dall’EEG che dal lattato”, ha affermato Yuchen Xu. “Dovevamo anche prevedere l’integrazione degli auricolari e ridurre la diafonia. È stato allora che siamo arrivati all’idea di un sensore estensibile simile a un timbro, che è una semplice aggiunta all’auricolare stesso, ma ha tutte le funzioni necessarie di cui avevamo bisogno e ci ha dato abbastanza libertà per i nostri progetti.”
Per assicurarsi che i sensori elettrofisiologici avessero un contatto stabile con l’orecchio, i ricercatori hanno progettato sensori 3D caricati a molla che mantengono il contatto ma possono adattarsi mentre gli auricolari si muovono. D’altra parte, per migliorare la raccolta del sudore, i ricercatori hanno coperto i sensori elettrochimici con una pellicola di idrogel trasparente. “È spugnoso e idrofilo”, ha detto Yuchen Xu. “Funge come un cuscino meccanico tra la pelle e i sensori e aiuta anche a raccogliere il sudore.”
È difficile evitare la diafonia tra i due sensori dato lo spazio limitato all’interno dell’orecchio. I ricercatori hanno analizzato varie selezioni di materiali e progetti strutturali e hanno convalidato la fattibilità della registrazione simultanea di segnali EEG e lattato con due sensori separati da due millimetri.
“Questa nuova e potente piattaforma bioelettronica indossabile multimodale intraauricolare offre una ricca fonte di informazioni in tempo reale sulla salute degli utenti, registrando simultaneamente e dinamicamente informazioni fisiche e biochimiche”, ha affermato Joseph Wang, professore presso il Dipartimento di Nanoingegneria. e direttore del Center for Wearable Sensors presso la Jacobs School.
Opportunità future
Uno dei limiti dei dispositivi è che, per raccogliere abbastanza lattato per analizzare i dati in modo significativo, i soggetti devono eseguire esercizi o altre attività fisiche che facciano sudare le persone. Nel lavoro futuro, i ricercatori mireranno a eliminare questo requisito.
Un primo piano dei sensori installati sull’auricolare.
“Il prossimo passo sarà anche l’integrazione dell’elettronica nel sensore”, ha detto Yuchen Xu.
Il team sta anche lavorando all’elaborazione dei dati sul dispositivo stesso. L’obiettivo finale è trasmettere i dati elaborati in modalità wireless a un computer o a uno smartphone. I sensori intrauricolari potrebbero anche raccogliere dati aggiuntivi, come i livelli di saturazione di ossigeno e i livelli di glucosio.
I ricercatori prevedono che questo lavoro porterà a nuove terapie.
“Il neurofeedback uditivo che accoppia i segnali cerebrali misurati con il suono riprodotto dal dispositivo nell’orecchio può consentire nuovi progressi terapeutici potenzialmente di vasta portata per la riparazione attiva di disturbi neurologici debilitanti, come l’acufene, per i quali attualmente non è disponibile alcun trattamento efficace”, ha detto Cauwenberghs.
Caratterizzazione dei sensori
Nel corso dello studio, i ricercatori hanno condotto esperimenti approfonditi per convalidare l’efficacia dei sensori.
Hanno caratterizzato le prestazioni degli elettrodi nonché diversi importanti modelli di segnali cerebrali, tra cui la modulazione alfa e le risposte uditive stazionarie, oltre all’elettrooculografia (EOG) per i sensori elettrofisiologici.
Hanno caratterizzato la sensibilità, la selettività e la stabilità a lungo termine dei sensori del lattato.
Hanno inoltre caratterizzato la diafonia tra sensori, la stabilità meccanica e la stabilità ambientale per i sensori integrati.
“Il condotto uditivo è stato relativamente sottoesplorato all’interno della comunità della tecnologia indossabile”, ha affermato Sheng Xu, membro della facoltà del Dipartimento di Nanoingegneria della Jacobs School. “Questo lavoro dimostra il potenziale del rilevamento continuo nel catturare preziosi segnali fisici e chimici dal condotto uditivo, aprendo così la strada a numerose interessanti opportunità nel campo dei dispositivi indossabili”.
Fonte: UCSD
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
