Ultrasottile e

Le malattie cardiovascolari rappresentano la principale causa di morte nel mondo. Il monitoraggio cardiaco continuo potrebbe consentire il rilevamento precoce delle malattie cardiache, consentendo un intervento tempestivo per prevenire gravi complicazioni cardiache. I dispositivi di monitoraggio tradizionali, tuttavia, sono progettati per ambienti clinici e sono troppo pesanti e assetati di energia per misurazioni a lungo termine di persone in movimento.

Un team guidato dall’Università del Texas ad Austin mira a risolvere questo problema con la creazione di un dispositivo ultrasottile (200 µm) e leggero (2,5 g) che fornisce un monitoraggio cardiaco continuo al di fuori della clinica. Il tatuaggio elettronico elastico, o e-tattoo, si attacca al petto tramite una medicazione. Vanta un consumo energetico estremamente basso (meno di 3 mW), funziona con una piccola batteria con una durata di oltre 40 ore e trasmette in modalità wireless dati in tempo reale a un dispositivo host come un telefono cellulare.

"La maggior parte delle patologie cardiache non sono molto evidenti. Il danno viene fatto in background e non lo sappiamo nemmeno", spiega l'autore principale Nanshu Lu in un comunicato stampa. "Se potessimo avere un monitoraggio continuo e mobile a casa, allora potremmo effettuare diagnosi e trattamenti precoci e, se ciò fosse possibile, l'80% delle malattie cardiache potrebbe essere prevenuto".

L'e-tattoo funziona misurando due segnali cardiaci chiave: l'attività elettrica del cuore tramite elettrocardiografia (ECG); e ritmo cardiaco meccanico (sottili vibrazioni causate dalla contrazione del cuore e dal movimento del sangue) tramite sismocardiografia (SCG). Il sensore ECG si interfaccia con il corpo utilizzando elettrodi a pellicola di grafite biocompatibile, mentre l'SCG viene registrato da un accelerometro ad alta risoluzione e a basso rumore.

La sincronizzazione tra i segnali ECG e SCG consente la misurazione degli intervalli di tempo cardiaci chiave – il periodo di pre-eiezione (PEP) e il tempo di eiezione del ventricolo sinistro (LVET) – con elevata precisione. Tali intervalli di tempo sono indicatori importanti di molte malattie cardiovascolari, ma attualmente possono essere misurati solo con mezzi invasivi.

"Queste due misurazioni, elettrica e meccanica, insieme possono fornire un quadro molto più completo e completo di ciò che sta accadendo al cuore", afferma Lu. "Ci sono molte altre caratteristiche cardiache che potrebbero essere estratte dai due segnali misurati in modo sincrono in modo non invasivo."

Un tatuaggio elettronico progettato per essere indossato a lungo termine deve essere comodo, adattarsi ai contorni del torace ed allungarsi con la pelle mentre l'utente si muove. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha utilizzato interconnessioni a serpentina tra i sensori e i circuiti elettronici. Hanno scoperto che l’e-tattoo potrebbe allungarsi fino al 20% senza alcun danno o calo della qualità del segnale.

Per convalidare la qualità dei segnali acquisiti, i ricercatori hanno confrontato i dati dei sensori dell'e-tattoo con dispositivi clinici standard di riferimento, osservando che entrambi i dispositivi hanno catturato segnali e dati equivalenti. Successivamente, hanno testato l’e-tattoo su cinque volontari sani, che hanno indossato l’e-tattoo mantenendo pose statiche e pedalando sotto carico incrementale con pause. Per confronto, i partecipanti indossavano anche un monitor della gittata cardiaca non invasivo (NICOM).

Durante le pose statiche, le frequenze cardiache misurate dall'e-tattoo e dal NICOM concordavano bene per tutti i partecipanti, con una differenza di 0,07±1,21 battiti al minuto (bpm). Quando i partecipanti sono passati dalla posizione sdraiata alla posizione seduta e poi in piedi, l’e-tattoo ha registrato un aumento del PEP e una diminuzione del LVET, come previsto. Ciò dimostra la capacità del dispositivo di misurare piccoli cambiamenti negli intervalli di tempo cardiaci causati da variazioni di postura.

Il tatuaggio al grafene fornisce il monitoraggio della pressione sanguigna senza bracciale

Nell’esperimento ciclistico, le misurazioni della frequenza cardiaca dell’e-tattoo e del NICOM erano ancora una volta altamente correlate, con una differenza di 0,02±1,24 bpm. Il segnale ECG è rimasto intatto durante il ciclismo, ma il segnale SCG è stato danneggiato da artefatti da movimento. Pertanto i ricercatori hanno esaminato i periodi di riposo tra ciascun segmento ciclistico, durante i quali la differenza media in LVET tra l’e-tattoo e il NICOM era di -0,44 ± 8,74 ms. Questa relazione lineare mostra che l’e-tattoo può fornire una valida alternativa ai monitor clinici ingombranti e costosi.