Los wearables se están convirtiendo en una parte integral de nuestras vidas. Estos dispositivos en constante evolución solo prometen ayudar a las personas a llevar un estilo de vida más saludable, pero proporcionan un flujo continuo de datos médicos para realizar un seguimiento activo del estado metabólico, el diagnóstico e incluso el tratamiento. Sin embargo, las tecnologías portátiles aún están en desarrollo a pesar de los esfuerzos para resolver la limitación de los dispositivos portátiles de circuito cerrado.
Uno de los varios desafíos que enfrenta la tecnología en la atención médica es el diseño de tecnologías portátiles teranósticas energéticamente eficientes. Los requisitos de energía promedio tienden a ser más altos que sus contrapartes portátiles de diagnóstico o terapéuticas. Del mismo modo, el uso de sistemas automatizados de circuito cerrado para la liberación de fármacos en el cuerpo en función de las condiciones físicas y las necesidades orgánicas aún debe someterse a pruebas exhaustivas en humanos. La mayoría de los dispositivos actuales presentan un comportamiento inflexible, difícil de adaptarse a diversas circunstancias y responden de forma personalizada.
En general, las expectativas generales y los requisitos de arquitectura de cualquier futuro dispositivo portátil en la atención médica son:
- batería de larga duración y bajo consumo de energía
- capacidad para recargar o recibir energía de forma inalámbrica
- sincronización continua dentro de redes locales o IoT
- sensores robustos con una baja relación señal-ruido
- alto rendimiento en el procesamiento de datos
- transferencia de datos cifrada y segura
- conformabilidad, comodidad, geometría delgada
- susceptibles de fabricación en masa a bajo costo.
Las tendencias clave para el desarrollo de dispositivos portátiles de próxima generación son sensores multiplexados, conectividad continua, mayor almacenamiento y carga de energía, bajo consumo de energía, integraciones de materiales novedosos y mejores pantallas.
1. Adquisición de señales, procesamiento y algoritmos de IA
Los dispositivos portátiles integran una gran cantidad de sensores y redes de sensores para parámetros de diseño cruciales, como la adquisición y el procesamiento de señales de sensores. Por lo tanto, se necesitan datos sin procesar de alta calidad para garantizar una información de diagnóstico confiable. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos portátiles se enfrentan a la adquisición de datos sin procesar de baja calidad, lo que lleva a una evaluación y un diagnóstico de salud erróneos.
Los algoritmos de procesamiento de datos tienen una gran importancia en la obtención de datos de alta calidad en sensores portátiles multiplexados, donde pueden monitorear el gasto de energía, la variabilidad de la frecuencia cardíaca, la tasa de respuesta electrodérmica, la fibrilación arterial, las convulsiones y los niveles de estrés simultáneamente. Por lo tanto, es muy probable que los algoritmos de análisis de señales y procesamiento de datos basados en IA sean una parte integral del procesamiento de señales en futuros dispositivos médicos portátiles. Estos algoritmos precargados, totalmente integrados en la arquitectura de chip estándar, son capaces de medir datos de ECG, respiración por bioimpedancia y acelerómetro 3D.
2. Almacenamiento y carga de energía
Las baterías flexibles y los sistemas de administración de energía son componentes clave del diseño en todos los dispositivos portátiles. Las baterías de alta densidad de energía en los dispositivos portátiles deben resistir la flexión, el plegado y el estiramiento, al mismo tiempo que se pueden miniaturizar y se integran fácilmente. La flexibilidad de los dispositivos portátiles depende principalmente de las propiedades mecánicas de los electrodos.
La tecnología de polímero de litio es el punto de referencia actual para todos los productos comerciales, pero las baterías de Zn-aire y Li-aire pueden ofrecer un almacenamiento de energía más prolongado. Las baterías de Zn-aire requieren la difusión de oxígeno atmosférico en un electrodo de carbono poroso. Consisten en zinc metálico como ánodo y electrodo de aire como cátodo, que se separa en una capa de actividad catalítica, una capa de difusión de gas y un separador. Las baterías recargables de Li-aire también son candidatas prometedoras ya que sus energías específicas teóricas y prácticas pueden alcanzar hasta 12 000 y 4000 Wh kg−1.
3. Pantallas
La creación de diodos emisores de luz inorgánicos sobre sustratos poliméricos flexibles puede reducir las limitaciones físicas y geométricas del diseño optoelectrónico en las obleas de semiconductores. Un enfoque consiste en utilizar un sustrato de sacrificio para construir un circuito electrónico. Además, los dispositivos portátiles deben incorporar pantallas deformables a todo color para una integración conformada en superficies curvas.
Recientemente, se fabricó una matriz de LED basada en puntos cuánticos mediante impresión por transferencia en huecograbado sobre superficies flexibles y curvas. Estos LED mostraron un rendimiento de electroluminiscencia de 14 000 cd m−2 con 7 V y operaron en más de 1000 pruebas de deformación. Afortunadamente, los dispositivos portátiles en la atención médica no se centran en la pantalla. Por lo tanto, la mayoría de las veces, los expertos médicos recomiendan interfaces de usuario altamente sólidas que se basen en la conectividad en lugar de la visualización inmediata de información.
4. Confort y Conformidad
La experiencia del usuario con dispositivos portátiles ha sido deficiente en la atención médica debido al diseño ad hoc de las interfaces de usuario, que requieren control manual. Los componentes electrónicos deben poder doblarse y adaptarse a las actividades del usuario. La única solución es la integración de chips de alto nivel que garantiza una organización compacta de los componentes en dispositivos médicos portátiles. Esto requiere el ensamblaje de dispositivos y la construcción de chips novedosos, como troqueles apilados (circuitos integrados 3D), paquetes de chips múltiples o sistemas completos en paquete. Los wearables también requieren una huella pequeña para integrarse perfectamente con el cuerpo o la ropa del usuario, ya que la funcionalidad afecta la comodidad de uso. Finalmente, se requieren materiales más innovadores, no solo para mejorar la conformidad, sino también para garantizar la interacción cuerpo-dispositivo y lograr una adquisición de señal de alta calidad.
Las interfaces de dispositivos de sensores analógicos son esenciales para una evaluación óptima de la salud y la calidad de la transmisión de la señal. A medida que evolucionan los dispositivos portátiles, surge la necesidad de nuevos materiales para sensores individuales (impedancia, conductivos, ópticos) para reducir los artefactos de movimiento, el contacto con electrodos secos, identificar diferencias fisiológicas y medir posiciones no óptimas. Los sensores de galgas extensométricas, que cuentan con nanofibras de poliuretano recubiertas de Pt de alta relación de aspecto, están disponibles actualmente con capacidades para imitar las propiedades mecánicas de la piel humana. También se proponen cristales piezoeléctricos, componentes ópticos e interconexiones híbridas para arquitecturas microelectrónicas.