Negli anni ’40, un medico olandese di nome John Poel inventò un dispositivo che cambiò la natura del monitoraggio cardiaco. Il suo dispositivo si basa sull’idea che il colore della pelle cambia in base alla quantità di sangue che contiene. È facile vedere come le persone diventano rapidamente rosse in viso quando si sforzano, ma si scopre che cambiamenti di colore più sottili si verificano a riposo mentre il cuore pompa sangue in tutto il corpo. Il flusso e riflusso del sangue attraverso i vasi capillari cambia la quantità di luce riflessa dalla pelle. Il dispositivo di Poel emetteva luce sulla pelle e monitorava i cambiamenti nella quantità riflessa per determinare la frequenza cardiaca di una persona. Chiamò questa tecnica fotopletismografia e da allora è diventata uno standard nelle impostazioni mediche di tutto il mondo, con economici ossimetri del sangue che si agganciano a un dito ora ampiamente disponibili senza prescrizione.
Negli ultimi anni, i medici hanno iniziato a sviluppare tecniche remote per misurare la frequenza cardiaca, analizzando le registrazioni video della pelle di una persona per rilevare i piccoli cambiamenti di colore mentre il cuore batte. In questo modo, hanno imparato a misurare la frequenza cardiaca in una vasta gamma di condizioni di illuminazione utilizzando telecamere relativamente economiche con immagini scattate da una distanza. Ma una domanda importante è fino a che punto questa tecnica remota può arrivare per fornire un monitoraggio ubiquo della frequenza cardiaca.
Ora abbiamo una risposta grazie al lavoro di Ming-Zher Poh di Google Research e colleghi che hanno sviluppato un sistema di deep learning che monitora a distanza la frequenza cardiaca utilizzando la fotocamera frontale di uno smartphone. Il loro metodo è una versione aggiornata di quella di Poel chiamata fotopletismografia remota, che misura i cambiamenti nel volume del sangue analizzando le variazioni sottili nel colore della pelle del viso catturate attraverso il video. La loro innovazione potrebbe democratizzare il monitoraggio della salute cardiaca rendendolo disponibile a miliardi di persone in tutto il mondo senza richiedere hardware aggiuntivo o sforzi manuali. “Per quanto ne sappiamo, questa è la prima dimostrazione che gli smartphone possono essere utilizzati per monitorare passivamente sia la frequenza cardiaca (HR) che la frequenza cardiaca a riposo (RHR) durante l’uso normale del telefono nel mondo reale”, affermano Poh e i suoi colleghi.
La frequenza cardiaca a riposo è un biomarcatore chiave della salute cardiovascolare e del benessere generale. Una frequenza più alta è stata a lungo collegata a rischi aumentati di malattie cardiache e ictus. Vari studi hanno dimostrato che frequenze persistentemente elevate possono indicare un declino della forma cardiovascolare o l’insorgenza di condizioni di salute sottostanti. Tradizionalmente, misurare la frequenza cardiaca a riposo ha richiesto che gli individui rimanessero immobili in un ambiente controllato, come sdraiati o seduti tranquillamente. Sebbene i dispositivi indossabili abbiano reso il monitoraggio continuo della frequenza cardiaca più accessibile, l’adozione rimane limitata, in particolare tra le popolazioni a maggior rischio di malattie cardiache.
È qui che l’ubiquità degli smartphone presenta un’opportunità senza precedenti. Il sistema di monitoraggio passivo della frequenza cardiaca di Poh e co cattura video del viso durante l’uso regolare dello smartphone, come lo sblocco dello schermo. Il sistema elabora brevi clip video di 8 secondi per stimare la frequenza cardiaca in tempo reale. Per migliorare la sua accuratezza, il sistema aggrega più misurazioni raccolte durante il giorno. Il risultato è una misurazione della frequenza cardiaca a riposo che è comparabile in accuratezza ai dispositivi indossabili dedicati.
Una delle principali innovazioni di questo studio è il suo processo di validazione completo. A differenza degli studi precedenti sulla fotopletismografia remota, che erano limitati a ambienti controllati e piccoli set di dati, i ricercatori hanno testato il loro sistema su una scala senza precedenti, utilizzando 225.773 video di 495 partecipanti e validandolo su 185.970 video di 205 partecipanti. I test in condizioni reali hanno coinvolto 101 partecipanti che utilizzavano i propri smartphone in una vasta gamma di condizioni di illuminazione, tonalità della pelle e scenari di movimento.
Una sfida critica è garantire la sua accuratezza su diverse tonalità della pelle. La melanina assorbe più luce, il che può ridurre la qualità del segnale per le persone con pelle più scura. Studi precedenti hanno mostrato significativi cali di accuratezza per coloro con carnagioni più scure. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno intenzionalmente sovrarappresentato i partecipanti con tonalità della pelle più scura e hanno assicurato che il loro modello fosse addestrato su un set di dati bilanciato. Questo rappresenta un grande passo avanti per garantire che le tecnologie sanitarie basate su smartphone siano inclusive ed efficaci per tutti gli utenti.
Il team ha confrontato il sistema basato su smartphone con le misurazioni di dispositivi tradizionali come elettrocardiografi e dispositivi indossabili su misura. I risultati erano comparabili e le letture più alte della frequenza cardiaca a riposo erano anche correlate con un indice di massa corporea più alto e una minore forma cardiovascolare. Ciò rafforza il potenziale del sistema come strumento significativo di monitoraggio della salute.
Poh e colleghi sottolineano anche le implicazioni più ampie per la salute del loro sistema, notando che “questo apre la possibilità di raccogliere automaticamente dati sulla frequenza cardiaca a riposo per settimane, mesi, stagioni e anni che potrebbero fornire preziose informazioni sulla salute.” Sebbene questa tecnologia sia molto promettente, non è priva di limitazioni. Ad esempio, i tassi di successo delle misurazioni erano inferiori in condizioni reali rispetto agli ambienti di laboratorio controllati, poiché il movimento del corpo e le condizioni di illuminazione estreme a volte portavano a letture inaffidabili.
Per migliorare le prestazioni, i ricercatori suggeriscono di implementare algoritmi di compensazione del movimento, ottimizzare le impostazioni di esposizione della fotocamera per migliorare la qualità del segnale, in particolare sotto illuminazione a incandescenza, e aumentare il numero di tentativi di misurazione quando il segnale è scarso. Anche le considerazioni sul consumo della batteria saranno cruciali per l’implementazione nel mondo reale. Le future iterazioni potrebbero concentrarsi sull’ottimizzazione della frequenza delle misurazioni per bilanciare la raccolta dei dati con l’efficienza energetica.
Data la natura sensibile dei dati sanitari e della cattura video del viso, la privacy rimane una preoccupazione importante. I ricercatori sottolineano che il loro sistema è stato progettato tenendo conto della privacy. L’elaborazione video viene eseguita sul dispositivo, garantendo che i dati biometrici sensibili non lascino lo smartphone dell’utente. Le misurazioni della frequenza cardiaca vengono avviate solo quando l’utente sblocca lo schermo, evitando registrazioni non autorizzate.
Le future implementazioni potrebbero integrare enclavi sicure per proteggere i dati all’interno di un ambiente di esecuzione sicuro dello smartphone. Gli utenti dovrebbero anche fornire un consenso esplicito prima di abilitare il monitoraggio passivo della frequenza cardiaca, garantendo trasparenza e controllo sui propri dati sanitari personali. Questo lavoro interessante ha potenziali applicazioni che si estendono oltre il monitoraggio della salute individuale. L’adozione diffusa potrebbe consentire studi sulla salute cardiaca su larga scala e il monitoraggio a livello di popolazione, supportando iniziative di salute pubblica e programmi di monitoraggio remoto. I dati longitudinali sulla frequenza cardiaca potrebbero aiutare a identificare i primi segni di problemi cardiovascolari, consentendo interventi proattivi e la rilevazione precoce delle malattie.
Da una prospettiva di stile di vita e benessere, il monitoraggio passivo potrebbe aiutare gli utenti a monitorare i cambiamenti nella forma cardiovascolare nel tempo senza la necessità di dispositivi indossabili, offrendo preziose informazioni sui progressi del fitness e sui modelli di recupero. “Questi risultati evidenziano il potenziale degli smartphone per consentire un monitoraggio passivo ed equo della salute cardiaca”, afferma il team. L’avvento del monitoraggio passivo della frequenza cardiaca basato su smartphone potrebbe avviare un cambiamento importante nel modo in cui monitoriamo la salute del cuore. Quanto tempo passerà prima che la fotopletismografia remota arrivi su un telefono vicino a te? John Poel ne sarebbe sicuramente stupito.