Assessment of accelerometer-based mobile technology to derive cardiac activity and respiratory parameters

Negli ultimi anni si e evidenziata l’importanza di monitorare la frequenza cardiaca quotidianamente con dispositivi indossabili di costo ridotto e semplicita d’uso perche tale informazione fornisce indicazioni utili per definire lo stato di benessere psico-fisico dell’individuo e per identificare situazioni di rischio (e.g. aritmie o frequenza cardiaca a riposo elevata). A tal proposito, in letteratura, vi sono studi che utilizzando dispositivi basati su sistemi inerziali (e.g. accelerometri) prodotti con tecnologia MEM (lavorazione micro-electro-meccanica) su silicio per acquisire segnali vibrazionali relativi all’attivita cardiaca e respiratoria da cui derivare parametri fisiologici di interesse. Cio ha permesso di riportare in vita due tecniche per il monitoraggio non invasivo dell’attivita cardiaca note con il nome di seismo- e ballisto-cardiogramma (SCG, BCG), cadute in disuso negli anni 80 per problematicita tecnologiche, ma ora riscoperte grazie alla miniaturizzazione dell’elettronica. Tali tecniche permettono di rilevare l’attivita meccanica del cuore mediante l’acquisizione delle vibrazioni della gabbia toracica o dei movimenti del corpo a riposo dovuti allo spostamento di fluidi ad ogni battito cardiaco. In letteratura, e stato dimostrato che la morfologia dei segnali SCG e BCG e caratterizzata da certi picchi fiduciari che rappresentano eventi meccanici cardiaci quali: per l’SCG, il momento di contrazione isovolumetrica (IVC) e l’apertura della valvola aortica (AO), mentre per BCG, il momento di eiezione di sangue da ventricoli in aorta (J). Per questo risulta interessante valutare se i sistemi inerziali inseriti all’interno dei comuni smartphone possono acquisire segnali vibrazionali relativi all’attivita meccanica del cuore e della respirazione. Si vuole valutare se il dispositivo posizionato sul corpo permette di ottenere parametri fisiologici con misurazioni di breve durata (30 secondi circa) senza l’utilizzo di periferiche aggiuntive o interfacce. Si punta a valutare la fattibilita di tale metodo e l’accuratezza di stima dei parametri simulando scenari reali. Lo stato dell'arte mostra la mancanza di una standardizzazione nel protocollo sperimentale, nella metodologia di elaborazione dei segnali e nelle procedure di convalida, insieme alla vasta gamma di smartphone disponibili sul mercato. La mancanza di uno standard condiviso nel protocollo di acquisizione e nella procedura di analisi, influenza cosi l'affidabilita dei dati raccolti e potrebbe limitare l'accettabilita clinica ed ostacolare il raccomandare questo approccio come strumento per l’auto-tracciamento di parametri fisiologici. La mancanza di una standardizzazione tra gli studi incide sulla comparabilita dei risultati e sulla loro validita generale. Tuttavia, considerando le limitazioni e possibile procedere con la definizione di procedure standard che verranno proposte nel corso di questa tesi per dimostrare che lo smartphone puo essere utilizzato come un potente dispositivo in grado di misurare accuratamente la frequenza cardiaca a riposo e l'attivita respiratoria da cui si possono inoltre derivare ulteriori indici che possono essere anche clinicamente utili. Per valutare la capacita dell'accelerometro del telefono di acquisire segnali vibrazionali (m-ACC) utili per stimare la frequenza cardiaca battito per battito e le informazioni relative all’attivita respiratoria (ad es. frequenza respiratoria media e durata intervalli respiratori), sono state acquisite le vibrazioni del torace e i movimenti del corpo con brevi registrazioni, valutando altresi la localizzazione del telefono sul corpo e postura del soggetto (supino e in piedi). La durata degli intervalli cardiaci e dei respiri sono stati confrontati con quelli derivati da tecniche definite “gold standard”, come ad esempio le serie RR ottenuta da elettrocardiogramma (ECG) e i cicli respiratori stimati da una fascia resistiva posizionata sul torace, mediante correlazione lineare e test di Bland-Altman. Sono state prese in considerazione diverse procedure con lo scopo di definire protocolli sperimentali e metodi 16 di elaborazione del segnale come possibili standard, progettati per simulare scenari quasi reali per dimostrare il potenziale dello smartphone come strumento di automonitoraggio. In questo senso, si e proceduto con due obiettivi: 1) dimostrare la capacita dello smartphone di rilevare situazioni di stress mentale o psico-fisico; 2) i parametri stimati sono sensibili ad una riduzione della performance cardiaca a seguito di una prolungata inattivita fisica. Per questi due obiettivi sono stati cosi progettati opportuni protocolli sperimentali. Inoltre, sono state considerate diverse durate temporali per l’acquisizione di m-ACC simulando uno scenario reale ipotetico laddove l’utente effettua la piu breve misura possibile che restituisce parametri accurati. Oltre alla stima di parametri relativi all’attivita cardiaca, l'accelerometro e stato testato per la fattibilita e l'accuratezza dell'estrazione delle informazioni sulla frequenza respiratoria derivato dai movimenti del torace durante un protocollo di respirazione controllata. Sulla base dei risultati ottenuti in questo progetto e possibile concludere che gli accelerometri integrati nei comuni smartphone sono in grado di rilevare segnali relativi alla attivita cardiaca e respiratoria di un soggetto. In particolare, e possibile ricavarne parametri fisiologici quali frequenza cardiaca e respiratoria e parametri relativi alla performance cardiaca con ottima accuratezza da brevi acquisizioni di circa 30 secondi. Le misure possono essere effettuate in posizione supina, idealmente posizionando il dispositivo sull’addome che si configura il punto di misura ottimale. Si e dimostrato che lo smartphone puo essere considerato cosi un potente dispositivo per l’automonitoraggio quotidiano senza necessita di uso di ulteriori gadget esterni. Questo apre nuove opportunita per stimolare l'empowerment dell'utente attraverso auto-misurazioni quotidiane usando i propri dispositivi, che potrebbero essere sfruttati sia in scenari di benessere che clinici.