Il battito del cuore trasmette informazioni preziose sullo stato di salute. Le variazioni della frequenza cardiaca riflettono l’attività fisica, i livelli di stress e persino lo stato di idratazione dell’organismo.
Tradizionalmente, il monitoraggio della frequenza cardiaca dipendeva da strumenti dedicati: monitor ospedalieri, smartwatch o altri dispositivi specifici. Un team dell’Università della California a Santa Cruz ha sviluppato un approccio innovativo che permette di misurare battito cardiaco con Wi-Fi, utilizzando i segnali wireless già presenti nell’ambiente domestico.
Il sistema Pulse-Fi trasforma le comuni reti Wi-Fi in strumenti di monitoraggio sanitario. L’obiettivo è eliminare la necessità di dispositivi indossabili o apparecchiature costose, sfruttando l’infrastruttura wireless già disponibile nelle abitazioni.
Indice
Misurare battito cardiaco con Wi-Fi in un minuto
1. Un nuovo sistema chiamato Pulse-Fi usa il segnale Wi-Fi di casa per misurare il battito cardiaco senza dispositivi da indossare. Sviluppato dai ricercatori dell’Università della California a Santa Cruz, sfrutta onde radio comuni e algoritmi di intelligenza artificiale per rilevare i minimi movimenti del corpo legati al cuore. In pochi secondi, con un’accuratezza vicina a quella medica, riesce a registrare la frequenza cardiaca anche a distanza, in diverse posizioni e senza bisogno di strumenti costosi.
2. Il sistema è stato testato su 118 persone e funziona bene sia a riposo che in movimento, grazie a hardware economico come gli ESP32 o i Raspberry Pi. Nonostante ostacoli come muri o distanze fino a tre metri, mantiene un’alta precisione.
3. I ricercatori stanno ora lavorando per estendere Pulse-Fi al monitoraggio della respirazione, aprendo la strada a diagnosi di disturbi come l’apnea notturna. L’obiettivo è trasformare il Wi-Fi domestico in una sentinella silenziosa della salute, rendendo il monitoraggio continuo più accessibile e discreto.
Principi del Wi-Fi e trasmissione wireless
Il Wi-Fi utilizza onde radio per la trasmissione di dati, operando su frequenze più elevate rispetto alla radio tradizionale e permettendo il trasporto di maggiori quantità di informazioni. Il router converte i dati digitali in onde radio attraverso un trasmettitore interno, mentre dispositivi come smartphone e computer captano questi segnali tramite antenne e ricevitori integrati.
Le onde radio Wi-Fi non si propagano illimitatamente: barriere fisiche come pareti, pavimenti e il corpo umano possono assorbirle o deviarle. Pulse-Fi sfrutta proprio queste interazioni tra segnali wireless e corpo umano per il rilevamento della frequenza cardiaca.
Sviluppo del sistema Pulse-Fi
Il team di ricerca, guidato dalla professoressa Katia Obraczka e composto dallo studente dottorando Nayan Bhatia e dal ricercatore Pranay Kocheta, ha combinato trasmettitori e ricevitori Wi-Fi standard con algoritmi di apprendimento automatico.
Le onde Wi-Fi si propagano nello spazio rimbalzando sugli oggetti e subendo lievi deviazioni quando incontrano il corpo umano. Gli algoritmi di Pulse-Fi analizzano queste minime variazioni del segnale per identificare il ritmo cardiaco, filtrando simultaneamente movimenti casuali e interferenze ambientali.
Secondo Bhatia, “il segnale è estremamente sensibile all’ambiente circostante, pertanto è necessario applicare filtri specifici per eliminare il rumore non rilevante”.
Velocità di rilevamento e accuratezza
Lo studio ha coinvolto 118 partecipanti, producendo risultati notevoli in termini di precisione. Pulse-Fi ha dimostrato di poter rilevare la frequenza cardiaca dopo soli cinque secondi di analisi, con un errore medio di mezzo battito per minuto. L’accuratezza migliora progressivamente prolungando il tempo di monitoraggio.
I test hanno verificato il funzionamento del sistema con persone in diverse posizioni: sedute, in piedi, sdraiate e durante la camminata. La posizione degli apparecchi Wi-Fi nella stanza non ha influenzato significativamente le prestazioni, dimostrando la versatilità del sistema.
Il team ha utilizzato componenti economici per i test. I chip ESP32, dal costo inferiore a dieci euro, hanno fornito prestazioni soddisfacenti, mentre i dispositivi Raspberry Pi, più costosi, hanno ottenuto risultati superiori. L’impiego di hardware Wi-Fi professionale potrebbe incrementare ulteriormente l’efficienza del sistema.
Monitoraggio a distanza
Pulse-Fi mantiene l’accuratezza nel monitoraggio della frequenza cardiaca fino a una distanza di tre metri, con test preliminari che indicano un potenziale funzionamento anche oltre questa soglia.
Kocheta ha sottolineato che “grazie al modello di machine learning, la distanza non compromette le prestazioni del sistema. Questa limitazione aveva penalizzato i modelli precedenti“. Il ricercatore ha aggiunto: “Abbiamo progettato il sistema per adattarsi alle diverse posizioni e situazioni della vita quotidiana, considerando che le persone si muovono e vivono in modi differenti“.
Costruzione del dataset di addestramento
Per sviluppare Pulse-Fi, il team ha dovuto creare un dataset specifico, poiché non esistevano raccolte di dati che documentassero gli effetti del battito cardiaco sui segnali Wi-Fi degli ESP32. Nella biblioteca di Scienze e Ingegneria dell’UC Santa Cruz, i ricercatori hanno posizionato strategicamente unità ESP32 accanto a ossimetri clinici, raccogliendo dati paralleli per l’addestramento del sistema.
Questa metodologia ha fornito un riferimento clinico affidabile: ogni battito rilevato tramite Wi-Fi poteva essere confrontato con misurazioni mediche validate. Il team ha successivamente addestrato una rete neurale per riconoscere le variazioni minime del segnale wireless corrispondenti ai battiti cardiaci.
Per la validazione, i ricercatori hanno utilizzato un ampio dataset brasiliano raccolto con dispositivi Raspberry Pi, uno dei più completi disponibili per il monitoraggio sanitario basato su Wi-Fi. Questo test incrociato ha confermato l’affidabilità di Pulse-Fi in contesti diversi, dimostrando l’adattabilità del sistema a differenti tipologie di dispositivi, ambienti e popolazioni.
Prospettive per il monitoraggio respiratorio
Il team sta estendendo le applicazioni di Pulse-Fi al rilevamento della frequenza respiratoria. I primi risultati mostrano particolare promessa per l’identificazione di disturbi come l’apnea notturna, dove l’analisi dettagliata dei ritmi respiratori riveste importanza diagnostica.
Questa funzionalità potrebbe fornire ai medici nuovi strumenti per valutare la qualità del sonno e i disturbi respiratori, eliminando la necessità di monitoraggi invasivi durante le ore notturne. Il sistema potrebbe identificare pattern respiratori anomali e fornire dati continui sui parametri cardio-respiratori.
Integrazione nelle abitazioni intelligenti
Il basso costo, l’accuratezza elevata e la natura completamente non invasiva posizionano Pulse-Fi come tecnologia promettente per l’integrazione domestica. Le abitazioni intelligenti potrebbero incorporare il sistema per il monitoraggio continuo della funzione cardiaca e respiratoria.
Questa evoluzione renderebbe la prevenzione sanitaria più accessibile, permettendo la rilevazione precoce di anomalie e la condivisione di dati clinicamente rilevanti con i professionisti sanitari. Funzioni precedentemente limitate a strumentazioni specializzate potrebbero essere gestite attraverso i segnali wireless già presenti nell’ambiente domestico.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista IEEE Xplore, confermando la validazione scientifica della ricerca.
Fonte:
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