Fusão de sensores multiespectrais no SmartWatch para monitoramento contínuo in situ da hidratação da pele humana e perda de suor corporal

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13371 (2023) Citar este artigo

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As operações de saúde pós-pandemia tornaram-se uma realidade a curto prazo e as discussões em torno dos wearables estão a aumentar. Como é que as soluções de saúde vestíveis implementam e aproveitam eficazmente esta oportunidade para preencher a lacuna entre o bem-estar e os cuidados de saúde? Neste artigo, falaremos sobre diagnóstico de saúde vestível, com foco particular no monitoramento da hidratação da pele usando fusão de sensores ópticos de múltiplos comprimentos de onda. O monitoramento contínuo da hidratação da pele humana é uma tarefa de suma importância para a manutenção da dinâmica de perda de água dos amantes do fitness, bem como para a beleza, integridade da pele e saúde de todo o corpo. Preservar os níveis adequados de hidratação garante a consistência do peso, afeta positivamente o estado psicológico e comprovadamente resulta na diminuição da pressão arterial, bem como dos níveis de colesterol “ruim”, ao mesmo tempo que retarda o processo de envelhecimento. Os métodos tradicionais para determinar o estado do teor de água na pele não permitem monitoramento contínuo e não invasivo, o que é necessário para diversas aplicações de consumo, clínicas e cosméticas. Apresentamos uma nova tecnologia de detecção e um pipeline para captura, modelagem e análise dos fenômenos de hidratação da pele e alterações associadas. Ao expandir os recursos de detecção integrados ao sensor SmartWatch e combiná-los com modelagem avançada e algoritmos de aprendizado de máquina (ML), identificamos várias características importantes do sinal de fotopletismografia (PPG) e sensibilidade espectral correspondente à dinâmica do conteúdo de água da pele. No aspecto de hardware, propomos recentemente a expansão das capacidades do SmartWatch com fontes de luz infravermelha equipadas com comprimentos de onda de 970 nm e 1450 nm. A avaliação da precisão e das características dos sensores PPG foi realizada com uma estrutura de simulação baseada em óptica biomédica usando simulações de Monte Carlo. Realizamos validação rigorosa da tecnologia desenvolvida por meio de estudos experimentais e clínicos. O pipeline desenvolvido serve como ferramenta nos estudos em andamento da próxima geração de tecnologia de sensoriamento óptico.

Desde 1977, quando o primeiro monitor de frequência cardíaca (FC) sem fio do mundo, composto por um transmissor de cinta torácica com um receptor usado no pulso, foi lançado pela PolarElectroto1 e deu aos atletas “feedback em tempo real durante o exercício”, uma série de conquistas notáveis ​​​​em tecnologia vestível tem foi feito. Durante a última década, a Samsung introduziu um bioprocessador inteligente avançado, um sistema num chip (SoC), que mede a gordura corporal e a massa muscular esquelética, a frequência cardíaca (FC), o ritmo cardíaco, a temperatura da pele e o nível de stress para dispositivos vestíveis2. Hoje em dia, os nossos relógios inteligentes estão equipados com o BioActive Sensor3 da Samsung, que evoluiu para se tornar uma tecnologia muito mais avançada e em miniatura e não só é capaz de “apenas” contar a frequência cardíaca, os passos e as calorias, mas também pode monitorizar o sono, medir a pressão arterial e muito mais4,5 ,6,7,8 A espinha dorsal e o principal impulsionador deste notável sucesso é a tecnologia PPG, que agora é amplamente utilizada no monitoramento contínuo do estado de saúde9 devido à localização conveniente do sensor em um smartwatch/pulseira de fitness no pulso10. A utilização de PPG para monitoramento de saúde e condicionamento físico atraiu considerável interesse do consumidor nos últimos anos. Atualmente, dispositivos vestíveis, incluindo relógios inteligentes e rastreadores de condicionamento físico, monitoram/analisam rotineiramente o sinal PPG e fornecem informações não invasivas dos indicadores de saúde humana mencionados acima, com acréscimos recentes de temperatura, nível de oxigênio no sangue (SpO2), etc. 12. O sinal PPG é utilizado para avaliar estresse e padrões de sono13. Atualmente, a fibrilação atrial (fibrilação atrial) pode ser detectada rotineiramente usando PPG de um relógio inteligente14. Foi demonstrado como um aplicativo de smartphone pode auxiliar na determinação do envelhecimento vascular associado ao aumento da rigidez arterial15. Por outro lado, foram feitos avanços notáveis ​​no planeamento e exercício assistidos pelo SmartWatch de um programa de fitness específico, que muitas vezes requer o conhecimento dos parâmetros fisiológicos básicos de um consumidor. Por exemplo, as informações sobre zonas de pulso permitem avaliar a eficiência do fornecimento de oxigênio através do sistema circulatório aos músculos em exercício. O monitoramento de longo prazo dos treinos do usuário permite que o SmartWatch crie um plano de treinamento pessoal eficaz. O rastreamento contínuo da rotina de exercícios de um usuário permite que os aplicativos SmartWatch criem planos de condicionamento físico eficientes e personalizados. Nesse caso, é importante monitorar continuamente o sinal PPG e receber notificações rapidamente quando os limites especificados da zona de pulso forem violados.