Nuovo stetoscopio digitale indossabile per l’auscultazione a distanza

Premessa
Il nuovo stetoscopio digitale per registrare e visualizzare l’auscultazione, fornisce risultati migliori rispetto ai metodi convenzionali. Gli stetoscopi attuali sono ingombranti, non conformi e non adatti all’uso remoto, mentre quelli da movimento possono portare a diagnosi imprecise.
Sung Hoon Lee e un team di ricerca in ingegneria, nanotecnologia e medicina della Georgia Institute of Technology, negli Stati Uniti, e del Chungnam National University Hospital nella Repubblica di Corea, nel nuovo studio pubblicato nella rivista Science Advances, hanno descritto una classe di metodi per offrire un’auscultazione continua, wi-fi, in tempo reale. I dispositivi fanno parte di un sistema morbido indossabile per la diagnosi quantitativa di varie patologie.
Sung Hoon Lee e il suo team utilizzando il morbido dispositivo, hanno rilevato continui suoni cardiopolmonari con un rumore minimo per caratterizzare le anomalie del segnale in tempo reale. Il team ha condotto uno studio clinico con più pazienti e soggetti di controllo per comprendere il vantaggio unico del metodo di auscultazione indossabile, con l’apprendimento automatico integrato, per automatizzare la diagnosi con una precisione del 95%, di quattro tipi di malattie polmonari: crepitii bibasilari, respiro sibilante, stridore (è un cigolio acuto o un fischio, solitamente dovuto a un’ostruzione delle vie aeree) e ronchi (si verificano quando ci sono secrezioni o ostruzioni nelle vie aeree più grandi). Il sistema soft è applicabile allo studio del sonno per rilevare i disturbi respiratori e l’apnea notturna.

L’auscultazione nel campo della medicina
La broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e le malattie cardiovascolari (CVD) a livello mondiale sono fattori predominanti di mortalità. Le due patologie costituiscono elementi del cosiddetto “Protocollo ombrello” (mira a convalidare nuovi fattori prognostici) per le malattie del cuore e dei polmoni, che portano al malfunzionamento e alla restrizione del flusso sanguigno durante la respirazione. Sebbene circa l’80% della mortalità per broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) si verifichi nei Paesi a basso e medio reddito a causa dell’inaccessibilità all’assistenza sanitaria, un’auscultazione accurata può essere utile per diagnosticare la malattia in una fase iniziale e valutare la risposta al trattamento; allo stesso modo, anche i suoni cardiaci facilitano la diagnosi e l’identificazione delle malattie vascolari del cuore.
L’auscultazione è il metodo diagnostico più basilare e vitale in medicina, grazie al suo utilizzo non invasivo, rapido, informativo e poco costoso. Poiché la maggior parte degli stetoscopi non è in grado di registrare i suoni rilevati, il processo può essere limitato attraverso gli stetoscopi convenzionali, rendendo difficile condividere i risultati per registrare le anomalie, di conseguenza, alcune malattie respiratorie e cardiache critiche possono essere diagnosticate in modo errato o insufficiente.
Gli stetoscopi digitali che assistono l’auscultazione in tempo reale possono convertire i suoni acustici in segnali elettrici per amplificare i suoni non udibili attraverso gli stetoscopi acustici. Sung Hoon Lee e il suo team hanno introdotto un sistema di stetoscopio indossabile morbido per l’auscultazione ambulatoriale delle cardiomiopatie attraverso una classe di metodi basati sull’elettronica avanzata, sulla meccanica flessibile e rivestimento morbido per il monitoraggio delle malattie cardiovascolari e respiratorie.

Progettazione del dispositivo di uno stetoscopio morbido indossabile (SWS)
Il team di ricercatori ha raccolto accuratamente i dati cardiorespiratori durante le attività quotidiane per diagnosticare le anomalie polmonari. Hanno poi migliorato il rapporto segnale/rumore per ridurre il rumore il più possibile senza distorcere il segnale (wavelet-denoised), riducendo al minimo l’insieme dei collegamenti elettrici e rendere il dispositivo più compatto per addestrare un modello di apprendimento automatico per identificare con precisione le sopracitate 4 malattie polmonari: crepitii bipasilari, respiro sibilante, stridore e ronchi.
I ricercatori hanno anche sviluppato un’applicazione per dispositivi mobili di facile utilizzo per registrare i suoni cardiaci e polmonari e caricare le informazioni in modo remoto e sicuro. Hanno creato un sistema indossabile miniaturizzato e morbido per l’auscultazione cardiopolmonare a distanza dei pazienti con dispositivi eccezionalmente piccoli e meccanicamente flessibili, per un’integrazione flessibile della pelle e un’auscultazione autoassistita per facilitare il monitoraggio continuo a distanza senza interazioni fisiche tra paziente e medico.
L’involucro elastomerico ha mantenuto un gel di silicone interno per favorire il contatto con la pelle e ha incluso un sottile strato conduttivo accoppiato a idrogel per auscultare le attività cardiache e respiratorie. Il sistema comprendeva diversi strati di materiali morbidi e componenti elettronici, tra cui un sensore microfonico, una batteria ricaricabile e circuiti a pellicola sottile con un’unità Bluetooth a bassa energia per la trasmissione wireless dei dati. Il sistema manteneva un microfono con sistema meccanico microelettronico per la registrazione del suono, consentendo al team di convertire il suono raccolto dal microfono in segnali digitali tramite un convertitore analogico-digitale ottimizzato attraverso il chip wireless per l’elaborazione dei dati. Lo stetoscopio completamente portatile ha offerto un’opportunità unica di monitorare a distanza la salute digitale.

Stetoscopio convenzionale e stetoscopio digitale
Il team di ricercatori ha cercato di mantenere un contatto adeguato del sistema microfonico indossabile con la pelle. Rispetto allo stetoscopio commerciale, lo stetoscopio digitale sottile e flessibile formava un contatto conforme per una registrazione sonora di alta qualità.
Sung Hoon Lee e il suo team hanno condotto esperimenti per confrontare le prestazioni di registrazione del suono tra stetoscopi tradizionali e digitali, in cui soggetti sani camminavano o stavano in piedi con il dispositivo montato sul petto e registravano i suoni ogni cinque minuti. Il dispositivo ha inoltre dimostrato capacità di impermeabilità e traspirabilità, per un utilizzo a lungo termine.

Rilevamento dei suoni cardiaci nella vita quotidiana e introduzione di un algoritmo denoising (riduzione del rumore video audio ), per la diagnosi automatica delle malattie

I medici poiché le attività quotidiane hanno diverse fonti di rumore e possono influenzare negativamente la registrazione dei suoni con uno stetoscopio convenzionale, eseguono le auscultazioni nei pazienti in stato di riposo. Sung Hoon Lee e il suo team hanno dimostrato le prestazioni di uno stetoscopio digitale per regolare gli effetti del movimento rispetto alla qualità del contatto con la pelle, esplorando una serie di scenari in cui i soggetti imitavano una varietà di situazioni reali per mostrare l’influenza della qualità del suono misurato.
Il dispositivo morbido mentre permetteva una registrazione efficiente del suono, i dispositivi convenzionali simili a stetoscopi causavano registrazioni di bassa qualità dei suoni cardiaci e polmonari. Il team di ricercatori ha utilizzato un filtraggio aggiuntivo delle frequenze di taglio di primo livello per rimuovere il rumore indesiderato ad alta frequenza.
I ricercatori hanno studiato la trasformazione ondulatoria dei segnali sonori di cuore e polmoni e il filtraggio del rumore per catturare i suoni del corpo e dell’ambiente circostante. Hanno ottenuto questo risultato con un algoritmo a soglia per sopprimere il rumore nei segnali digitali. Il lavoro ha mostrato prestazioni superiori del sistema indossabile morbido, rilevando i suoni polmonari e le anomalie di varie malattie.
Il nuovo stetoscopio ha fornito un vantaggio cruciale per la registrazione continua in tempo reale di suoni di alta qualità e di dati quantitativi attraverso l’apprendimento automatico basato su reti neurali convoluzionali (CNN), per la classificazione automatica delle malattie. Il team di ricercatori ha fatto convergere l’applicazione per smartphone con l’apprendimento automatico per classificare in tempo reale i fenotipi delle malattie.

Prospettive
Sung Hoon Lee e colleghi in questo modo hanno sviluppato un meccanismo di riduzione del rumore flessibile e in materiale morbido e un algoritmo associato per realizzare un metodo di auscultazione portatile, continuo e in tempo reale con uno stetoscopio indossabile. Il team di ricercatori ha mostrato il monitoraggio cardiopolmonare su più persone impegnate in varie attività quotidiane. Il sistema indossabile morbido è biocompatibile e rispettoso della pelle, con apprendimento profondo integrato, applicabile per studi clinici di successo e analisi di malattie a distanza, adatto per i sistemi di sicurezza biometrici personalizzati di prossima generazione.

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About Pino Silvestri

Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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