Fusion de capteurs multispectraux dans SmartWatch pour une surveillance continue in situ de l'hydratation de la peau humaine et de la perte de sueur corporelle

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13371 (2023) Citer cet article

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Les opérations sanitaires post-pandémiques sont devenues une réalité à court terme et les discussions autour des wearables se multiplient. Comment les solutions de santé portables déploient-elles et utilisent-elles efficacement cette opportunité pour combler le fossé entre le bien-être et les soins de santé ? Dans cet article, nous parlerons du diagnostic de santé portable, avec un accent particulier sur la surveillance de l'hydratation de la peau à l'aide de la fusion de capteurs optiques multi-longueurs d'onde. La surveillance continue de l'hydratation de la peau humaine est une tâche d'une importance primordiale pour maintenir la dynamique de perte d'eau pour les amateurs de fitness ainsi que pour la beauté, l'intégrité et la santé de la peau dans son ensemble. Préserver les niveaux d’hydratation appropriés garantit la cohérence du poids, affecte positivement l’état psychologique et entraîne une diminution de la tension artérielle ainsi que des niveaux de « mauvais » cholestérol tout en ralentissant les processus de vieillissement. Les méthodes traditionnelles de détermination de l’état de la teneur en eau de la peau ne permettent pas une surveillance continue et non invasive, requise pour diverses applications grand public, cliniques et cosmétiques. Nous présentons une nouvelle technologie de détection et un pipeline pour capturer, modéliser et analyser les phénomènes d'hydratation de la peau et les changements qui y sont associés. En élargissant les capacités de détection intégrées au capteur SmartWatch et en les combinant avec des algorithmes avancés de modélisation et d'apprentissage automatique (ML), nous avons identifié plusieurs caractéristiques importantes du signal de photopléthysmographie (PPG) et de la sensibilité spectrale correspondant à la dynamique de la teneur en eau de la peau. D'un point de vue matériel, nous proposons récemment l'extension des capacités de la SmartWatch avec des sources de lumière infrarouge équipées de longueurs d'onde de 970 nm et 1 450 nm. L'évaluation de la précision et des caractéristiques des capteurs PPG a été réalisée à l'aide d'un cadre de simulation basé sur l'optique biomédicale utilisant des simulations de Monte Carlo. Nous avons effectué une validation rigoureuse de la technologie développée à l’aide d’études expérimentales et cliniques. Le pipeline développé sert d’outil dans les études en cours sur la prochaine génération de technologie de détection optique.

Depuis 1977, lorsque le premier moniteur de fréquence cardiaque sans fil au monde composé d'un émetteur de ceinture pectorale et d'un récepteur porté au poignet a été introduit par PolarElectroto1, il a donné aux athlètes un « feedback en temps réel pendant l'exercice », un certain nombre de réalisations notables dans le domaine de la technologie portable ont été réalisées. a été fait. Au cours de la dernière décennie, Samsung a introduit un bioprocesseur intelligent avancé, un système sur puce (SoC), qui mesure la graisse corporelle et la masse musculaire squelettique, la fréquence cardiaque (FC), le rythme cardiaque, la température de la peau et le niveau de stress pour les appareils portables2. De nos jours, nos montres intelligentes sont équipées du capteur BioActive3 de Samsung qui a évolué pour devenir une technologie beaucoup plus avancée et miniature et non seulement capable de « simplement » compter la fréquence cardiaque, les pas et les calories, mais peut également surveiller le sommeil, mesurer la tension artérielle et plus encore4,5. ,6,7,8 L’épine dorsale et le principal moteur de ce succès notable est la technologie PPG qui est désormais largement utilisée dans la surveillance continue de l’état de santé9 en raison de l’emplacement pratique du capteur dans une montre intelligente/un bracelet de fitness au poignet10. L'utilisation du PPG pour la surveillance de la santé et de la forme physique a suscité un intérêt considérable des consommateurs au cours des dernières années. À l'heure actuelle, les appareils portables, notamment les montres intelligentes et les trackers de fitness, surveillent/analysent régulièrement le signal PPG et fournissent des informations non invasives sur les indicateurs de santé humaine susmentionnés avec des ajouts récents de capacités de surveillance de la température, du niveau d'oxygène dans le sang (SpO2), etc.11, 12. Le signal PPG est utilisé pour évaluer le stress et les habitudes de sommeil13. Actuellement, la fibrillation auriculaire (A-fib) peut être régulièrement détectée à l'aide du PPG d'une montre intelligente14. Il a été démontré comment une application pour téléphone intelligent peut aider à déterminer le vieillissement vasculaire associé à une rigidité artérielle accrue15. D'autre part, des progrès notables ont été réalisés grâce à la planification et à l'exercice d'un programme de remise en forme particulier assisté par SmartWatch, qui nécessite souvent la connaissance des paramètres physiologiques de base d'un consommateur. Par exemple, les informations sur les zones de pouls permettent d’évaluer l’efficacité de l’apport d’oxygène aux muscles en exercice via le système circulatoire. La surveillance à long terme des entraînements de l'utilisateur permet à la SmartWatch de créer un plan d'entraînement personnel efficace. Le suivi continu de la routine d'exercice d'un utilisateur permet aux applications SmartWatch de créer des plans de remise en forme efficaces et personnalisés. Dans un tel cas, il est important de surveiller en permanence le signal PPG et de recevoir rapidement des notifications lorsque les limites spécifiées de la zone d'impulsion sont dépassées.