Le Brain Computer interface sono argomento conosciuto nel mondo delle applicazioni neurologiche. Con A.N.D.R.E.A. ci siamo concentrati su una ricostruzione hardware completa che potesse delegare al software operazioni come ad esempio il filtraggio del filtraggio del segnale e la divisione di banda. Questo ci ha consentito di ridurre notevolmente lo spazio dedicato ai componenti riducendo le dimensioni.

Abbiamo ripensato l'approccio tradizionale all'elettroencefalografia, sviluppando una nuova concezione di elettrodo per l'acquisizione dei segnali encefalici. Nella sua prima versione, A.N.D.R.E.A. utilizza elettrodi innovativi, progettati per un inserimento profondo e discreto, che sono impercettibili per l'utente. La peculiarità di questi elettrodi risiede nella loro capacità di rilevare i potenziali cerebrali su tutta la loro lunghezza, e non solo in un singolo punto, come avviene nei tradizionali elettrodi. Questo tipo di elettrodo funziona come un sensore resistivo distribuito: la variazione di resistenza lungo il suo asse consente di mappare l’attività elettrica cerebrale in modo continuo e perimetrale, permettendo una lettura più accurata delle diverse aree del cervello stimolate. L'elettrodo non agisce come un semplice punto di lettura, ma come una superficie che risponde in modo variabile alla stimolazione elettrica, variando la sua resistenza in relazione ai segnali cerebrali. Grazie a questo approccio, possiamo ottenere uno spettro di segnali molto più ampio e dettagliato rispetto ai sistemi tradizionali. L'acquisizione e l'elaborazione dei dati sono ulteriormente ottimizzate attraverso tecniche di ricostruzione e minori compensazione software, che permettono di interpretare i segnali in modo preciso e affidabile, anche in condizioni di elevata variabilità biologica. Questa versione è destinata ai soggetti che presentano patologie gravi, che necessitano di una attenzione costante e precisa la dove il software può talvolta non essere sufficiente. 

Nella seconda versione di A.N.D.R.E.A., abbiamo ridefinito il paradigma di acquisizione dei segnali encefalici, partendo dall'assunto che, oltre alle tradizionali letture dirette delle aree cerebrali, sia possibile acquisire segnali derivanti da attività cerebrale indiretta. Questa attività può essere mediata attraverso l'integrazione di tutti quei processi che influenzano l'asset neurale in aree distanti dalla fonte primaria del segnale. Le correnti elettriche generate nel cervello si propagano lungo il midollo spinale e a livello endotessutale locale raggiungendo anche la regione cervicale, con un'intensità estremamente ridotta motivo per cui la possibilità di rilevarle diminuiscono notevolmente a causa della distanza e della schermatura imposta dai tessuti circostanti. In questa versione, il dispositivo utilizza un elettrodi esterni che si basano su rilevamenti meno precisi rispetto alla versione ad inserimento profondo. L'approccio si concentra principalmente sull'acquisizione di segnali  parlziali delegando maggiormente al software. Si dia per assunto che a questi livelli di osservazione corrispondono alle piccole, minuscole fluttuazioni elettriche derivanti da attività cerebrale e che poiché il rilevamento avviene a distanza dal sito di origine del segnale, il dispositivo sfrutta una maggiore interazione con il software per compensare la perdita di precisione. Questa versione è destinata principalmente a casi meno gravi, dove una rilevazione precisa a livello corticale è sufficiente per il monitoraggio e la gestione dei sintomi e per il monitoraggio clinico del soggetto. Vogliamo A.N.D.R.E.A. offre un approccio più accessibile e versatile, pur mantenendo un'interazione che permetta di ottenere letture efficaci, anche per le situazioni dove la gravità della condizione non preveda ne giustifichi l'uso di tecnologie invasive.

Oltre ai costi, ai permessi e a tutti quei fattori che definiscono la costruzione del percorso di ricerca, gli ostacoli pratici ai quali si cerca di far fronte sono rappresentati dalla natura stessa del sistema nervoso. La complessità e la variabilità individuale del cervello, unita alla sua protezione fisica tramite la barriera ematoencefalica, rendono estremamente difficile l'interazione diretta e il monitoraggio non invasivo. In questa visione, l'innovazione dei sistemi di interazione uomo-macchina implica un continuo sforzo per migliorare la fluidità e l'accuratezza del rilevamento, riducendo al contempo l'invasività dell'installazione.

La sfida principale risiede nell'integrazione dei segnali elettrici provenienti dal cervello con dispositivi non invasivi, senza compromettere la precisione o la qualità dei dati. Le tecnologie attuali, come gli elettrodi cranici o le tecniche di imaging, presentano limitazioni significative legate alla sensibilità e alla profondità dei segnali che possono essere rilevati, così come alla necessità di un'installazione fisica che spesso richiede interventi invasivi o complicati. Inoltre, la difficoltà nell'affrontare la variabilità biologica tra i diversi individui, come la diversa distribuzione dei segnali cerebrali e la diversa anatomia del cranio, è un ulteriore ostacolo nella creazione di dispositivi universali e altamente adattabili.

Per superare questi ostacoli, è necessario un continuo sviluppo di algoritmi avanzati che possano "compensare" la perdita di segnale derivante dall'invasività minima, e ottimizzare l'accuratezza dei dati rilevati. Un altro elemento critico riguarda la miniaturizzazione dei dispositivi, che deve andare di pari passo con l'aumento delle capacità computazionali, permettendo così di ottenere risultati più rapidi e precisi pur mantenendo il comfort e la semplicità d'uso per l'utente finale. 

​

I potenziali da campo, sono generati principalmente dall'attività sinaptica; dal momento che non intendiamo innestare elettrodi a livello sintattico, la misurazione di questi segnali elettrici in maniera non invasiva è legata a diverse sfide teoriche e pratiche, come la migliorata risoluzione spaziale richiesta per raccogliere segnali specifici da regioni cerebrali profonde, e la necessità di compensare gli artefatti provenienti dai movimenti muscolari e dalle strutture ossee. La barriera ematoencefalica (coinvolta ad esempio nella sclerosi multipla), che protegge il cervello da agenti esterni, rappresenta un ostacolo significativo nell'accesso ai segnali cerebrali a meno che non vengano utilizzati dispositivi invasivi o semi-invasivi (come gli elettrodi intrusivi). Tuttavia, le recenti ricerche puntano a tecnologie non invasive come la magnetoencefalografia, che registrano l'attività senza una violazione dei tessuti. Sebbene queste tecniche possiedano il vantaggio di non danneggiare fisicamente il corpo, la profondità di rilevamento è limitata dalle proprietà dielettriche dei tessuti (come il cranio e la pelle) che attenuano i segnali elettrici, riducendo la qualità e la precisione delle misurazioni. Le teorie di propagazione dei segnali cerebrali suggeriscono che i segnali provenienti da aree cerebrali più profonde, come il cervelletto o il tronco encefalico, sono particolarmente difficili da rilevare a causa della loro bassa intensità e della schermatura imposta dalle ossa craniche. Per questo motivo, la ricerca moderna si concentra su approcci ibridi, che combinano tecniche di rilevamento non invasive con l'intelligenza artificiale e algoritmi di machine learning per migliorare la qualità del segnale, identificando e correggendo artefatti. Un altro aspetto teorico importante riguarda la variabilità biologica: ogni individuo ha una configurazione unica nel suo sistema nervoso, con differenze nella posizione delle aree cerebrali, la resistenza dei tessuti e la connettività neuronale. Le tecnologie personalizzate sono quindi fondamentali per ottenere risultati accurati e per ridurre l'invasività nelle applicazioni cliniche e preventive. Concludendo, la sfida teorica sta nel trovare il giusto equilibrio tra la riduzione dell'invasività e l'affidabilità delle misurazioni, ottimizzando le tecnologie esistenti attraverso l'innovazione nelle metodologie di rilevamento e nell'elaborazione del segnale.

A.N.D.R.E.A. non manca di tecnologie complementari più "classiche" a completare il disegno di questo dispositivo. Sono stati aggiunti sensori di vario genere a completare il disegno. Abbiamo strutturato A.N.D.R.E.A. in un ottica full integrate che consenta il dinamismo dei dati raccolti. A seguito proponiamo alcuni esempi di come abbiamo concepito il prototipo, A.N.D.R.E.A. 

A.N.D.R.E.A. è dotato di due microfoni MEMS ad alta sensibilità, orientati verso l’utente per garantire una raccolta ottimale dei suoni organici. Questa caratteristica non solo riveste un’importanza cruciale per la diagnosi e la prevenzione, ma rappresenta anche un elemento chiave per la pulizia dei segnali acquisiti. Particolarmente nella seconda versione di A.N.D.R.E.A., dove il rilevamento avviene dall'esterno, la capacità di convertire i rumori captati dai microfoni in dati significativi potrebbe migliorare sensibilmente l’accuratezza del filtraggio. Inoltre, l’acquisizione di una vasta gamma di parametri fonometrici consente al dispositivo di ottimizzare l’efficienza di altri sistemi integrati. Ad esempio, nel caso del rilevamento del battito cardiaco, l’analisi delle fluttuazioni può essere ulteriormente affinata attraverso l’elaborazione di dati fotometrici, offrendo risultati più precisi e affidabili.

Il nostro dispositivo integra un sensore di ossigenazione sanguigna e un rilevatore del battito cardiaco, consentendo il monitoraggio in tempo reale di parametri vitali fondamentali. Grazie all'integrazione con un software avanzato, è possibile analizzare il tono cardiovascolare, calcolare la frequenza respiratoria e individuare potenziali anomalie nei regimi abituali del soggetto. In particolare, per i pazienti affetti da patologie polmonari, l'affinamento e l'ottimizzazione di queste tecnologie possono svolgere un ruolo cruciale nella prevenzione di aggravamenti, oltre che nel loro controllo. In situazioni di emergenza, il sistema è in grado di gestire automaticamente chiamate ai servizi di emergenza e notifiche al personale dedicato, inclusi i familiari, garantendo un intervento tempestivo. Siamo fermamente convinti che il primo passo per aiutare qualcuno sia la prevenzione, e attraverso questa tecnologia, puntiamo a migliorare la qualità della vita e a garantire maggiore sicurezza per i pazienti.

Il monitoraggio della posizione spaziale e della propriocezione è fondamentale nell'analisi medica, in particolare per la diagnosi precoce e il monitoraggio di diverse patologie. Un esempio evidente si riscontra nelle malattie neurodegenerative, come i parkinsonismi atipici, dove uno dei primi segnali di insorgenza e peggioramento è l'inarcamento del busto in avanti e l'aumento dell'apertura del passo. Questo comportamento, sebbene involontario, rappresenta una risposta del paziente alla perdita di equilibrio.Tuttavia, è spesso difficile da riconoscere come segno patologico, sia per chi osserva sia per il paziente stesso, che fatica ad associare questo cambiamento a una condizione di malattia.Questo dimostra quanto sia cruciale analizzare l’inclinazione del corpo e monitorarne i cambiamenti nel tempo per facilitare una diagnosi precoce. Un ulteriore esempio riguarda le patologie che coinvolgono la degenerazione corticale e le strutture piramidali. In questi casi, si verificano alterazioni del cammino, come il trascinamento del piede, che non si solleva correttamente. Spesso il paziente si rende conto del problema solo tardivamente, descrivendo il sintomo come una sensazione di "essere appiccicato a terra". Analizzare l’asse verticale durante il movimento, insieme alla misurazione della sua sinusoide, potrebbe consentire di identificare questi cambiamenti in fasi precoci, favorendo diagnosi preventive più efficaci. Inoltre, l’utilizzo di sensori avanzati consente di monitorare le cadute, una problematica particolarmente rilevante per anziani e soggetti vulnerabili, che per ragioni naturali o patologiche tendono a perdere l'equilibrio. Sebbene non sia ancora possibile prevenirle completamente, un sistema avanzato può rilevare le cadute in tempo reale. Tale tecnologia potrebbe fungere da “companion” sempre attivo, capace di allertare i soccorsi anche in caso di perdita di coscienza del paziente. Questo sistema sarebbe in grado di fornire informazioni precise sullo stato di salute del soggetto, indicando la direzione e la forza della caduta, oltre a stimare il punto di impatto più probabile. In questo modo, gli operatori sanitari potrebbero intervenire con maggiore tempestività e consapevolezza, anticipando le necessità del paziente. Queste tecnologie, pur non essendo del tutto innovative, rappresentano una transizione significativa verso un uso più avanzato e accessibile dell’innovazione tecnologica. Grazie all’intelligenza artificiale, ciò che un tempo era complesso e riservato a pochi è oggi alla portata di molti. Sistemi come A.N.D.R.E.A. aprono nuove prospettive per il monitoraggio e la prevenzione, rendendo possibili interventi mirati e migliorando la qualità della vita dei pazienti.

Abbiamo deciso di integrare un sensore di temperatura, che ci permette di monitorare non tanto la temperatura attuale del soggetto — un aspetto complesso da gestire, considerata la specificità tecnica dei termometri dedicati — quanto piuttosto le variazioni termiche nel tempo. Questo approccio è particolarmente utile per i soggetti affetti da malattie croniche, nei quali lo sviluppo di infezioni o infiammazioni rappresenta un grave rischio, soprattutto in presenza di patologie autoimmuni caratterizzate da deficit immunologici. Per questi pazienti, la prevenzione e la capacità di rilevare tempestivamente stati infettivi possono fare la differenza tra un aggravamento significativo, che potrebbe richiedere una lunga e complessa degenza, e una diagnosi precoce, che consente interventi mirati e una rapida guarigione. L'osservazione delle variazioni termiche assume un ruolo cruciale anche perché permette di individuare cambiamenti corporei che potrebbero sfuggire a una percezione immediata. Questi segnali possono indicare l’insorgere di patologie, contribuendo a migliorare l’efficacia delle misure preventive e terapeutiche adottate.

Abbiamo deciso di integrare un sensore di temperatura, che ci permette di monitorare non tanto la temperatura attuale del soggetto — un aspetto complesso da gestire, considerata la specificità tecnica dei termometri dedicati — quanto piuttosto le variazioni termiche nel tempo. Questo approccio è particolarmente utile per i soggetti affetti da malattie croniche, nei quali lo sviluppo di infezioni o infiammazioni rappresenta un grave rischio, soprattutto in presenza di patologie autoimmuni caratterizzate da deficit immunologici. Per questi pazienti, la prevenzione e la capacità di rilevare tempestivamente stati infettivi possono fare la differenza tra un aggravamento significativo, che potrebbe richiedere una lunga e complessa degenza, e una diagnosi precoce, che consente interventi mirati e una rapida guarigione. L'osservazione delle variazioni termiche assume un ruolo cruciale anche perché permette di individuare cambiamenti corporei che potrebbero sfuggire a una percezione immediata. Questi segnali possono indicare l’insorgere di patologie, contribuendo a migliorare l’efficacia delle misure preventive e terapeutiche adottate.

A.N.D.R.E.A. è un progetto ambizioso che va oltre il semplice monitoraggio avanzato. Nel prototipo è già integrato un modello di stimolazione neurale, che sarà presto testato, compatibilmente con la strumentazione disponibile, per valutarne efficacia e risultati. Questo sistema innovativo, combinato con le tecnologie che rendono A.N.D.R.E.A. un dispositivo biomedicale all’avanguardia, consente non solo di monitorare la salute di un soggetto, ma anche di intervenire attivamente per trattare e curare le cause alla radice. Come per l'intero ecosistema di A.N.D.R.E.A., abbiamo progettato e prototipato una prima versione estremamente versatile di un sistema di stimolazione neurale. Questo sistema mira a modulare le reazioni elettrochimiche già esistenti, intervenendo in modo non invasivo e rispettoso della struttura biologica. Così, permette di influenzare le combinazioni sinaptiche in maniera mirata e sicura.

La neurostimolazione è una tecnica ben conosciuta, con comprovati benefici. Si tratta di una terapia che utilizza segnali elettrici per bloccare le vie di ricezione del dolore. Sul mercato esistono già dispositivi che impiegano la neurostimolazione locale, come nel caso del nervo vago, i cui effetti sono stati ampiamente convalidati.

Durante la progettazione di A.N.D.R.E.A., ci siamo resi conto che la descrizione delle meccaniche che intendevamo realizzare non era del tutto appropriata all'uso del termine "neurostimolazione". Non è infatti nostro intento stimolare il sistema nervoso nel senso tecnico del termine, ma piuttosto influenzarlo inviando informazioni che possano essere codificate. Preferiamo quindi utilizzare il termine "interferenza", poiché il nostro sistema, basandosi su due punti dipolari, genera segnali in grado di indurre reazioni precise, mirate e desiderate. Questo chiarisce la nostra intenzione di non forzare un risultato, ma di ottenerlo attraverso tecniche mirate e codificate a livello neurologico.

La neurostimolazione rappresenta una base teorica consolidata, comunemente associata alla somministrazione di stimoli elettrici, magnetici o chimici volti a modulare l’attività del sistema nervoso. Questo approccio è ampiamente utilizzato in ambito medico, sia per attivare neuroni specifici superando le loro soglie di eccitazione, sia per modulare intere reti neurali, influenzandone l’interazione. Tuttavia, il concetto di "interferenza" che intendete proporre si differenzia significativamente dalla neurostimolazione tradizionale. L’interferenza, infatti, non si propone di stimolare direttamente i neuroni, bensì di influenzarli mediante segnali progettati per essere codificati dal sistema nervoso. Questo approccio non impone un risultato specifico, ma piuttosto induce una risposta mirata, favorendo una reazione che emerge da un’interazione naturale tra il sistema nervoso e i segnali trasmessi. La nostra presunzione? L'adattamento del sistema tecnologico a quello biologico, affinché quest’ultimo possa apprendere e integrare le meccaniche trasmesse.

La neurostimolazione rappresenta una base teorica consolidata, comunemente associata alla somministrazione di stimoli elettrici, magnetici o chimici volti a modulare l’attività del sistema nervoso. Questo approccio è ampiamente utilizzato in ambito medico, sia per attivare neuroni specifici superando le loro soglie di eccitazione, sia per modulare intere reti neurali, influenzandone l’interazione. Tuttavia, il concetto di "interferenza" che intendete proporre si differenzia significativamente dalla neurostimolazione tradizionale. L’interferenza, infatti, non si propone di stimolare direttamente i neuroni, bensì di influenzarli mediante segnali progettati per essere codificati dal sistema nervoso. Questo approccio non impone un risultato specifico, ma piuttosto induce una risposta mirata, favorendo una reazione che emerge da un’interazione naturale tra il sistema nervoso e i segnali trasmessi. La nostra presunzione? L'adattamento del sistema tecnologico a quello biologico, affinché quest’ultimo possa apprendere e integrare le meccaniche trasmesse.