Strumenti aperti, e dove serve una mano

Che cosa serve davvero

Non serve un sensore in più. I sensori esistono, molti sono buoni, alcuni sono aperti. Quello che manca, e che rende inutilizzabili molti dati raccolti con strumentazione fatta in casa, è sempre la stessa cosa: nessuno sa di quanto ciascun canale è in ritardo, e di quanto quel ritardo varia.

Se il segnale cardiaco arriva con 40 ms di latenza e quello ottico con 380, e non lo hai misurato, stai calcolando una dinamica di recupero su tempi che non esistono. Il calcolo sembra funzionare. Il risultato è un artefatto.

Chi sa progettare elettronica e scrivere codice può risolvere questo. È un contributo concreto, verificabile e pubblicabile.

L'architettura, in quattro livelli

Nodo. Il sensore e il suo microcontrollore. Campiona, marca il tempo con il proprio orologio, trasmette.

Raccolta. Un hub — telefono o piccolo calcolatore Linux — che riceve da più nodi e allinea gli orologi.

Trasporto. Il messaggio verso il server, con un formato dichiarato e versionato.

Archivio. Grezzo immutabile, derivati versionati, incertezza e provenienza per ogni valore.

Il progetto riguarda i primi due livelli. Il terzo e il quarto sono descritti nella pagina sui dati.

Protocolli: cosa usare per cosa

Una precisazione su Zigbee, perché ricorre spesso e porta fuori strada: è un ottimo protocollo, ma non per ciò che si indossa. Nessuno smartphone ha una radio Zigbee, quindi servirebbe un gateway dedicato addosso alla persona, e il modello telefono-come-hub crolla. Zigbee ha invece perfettamente senso per l'ambiente in cui la persona vive: temperatura, luce, umidità, presenza nelle stanze. Sono dati di contesto che contano — la luce serale influenza il sonno, e il sonno è una delle condizioni misurate — e lì la rete a maglia con batterie pluriennali è la scelta giusta.

Basi aperte da cui partire

Microcontrollori. ESP32 e derivati coprono BLE e WiFi con una sola radio e costano poco; il convertitore interno però non è adatto ai biosegnali, serve uno stadio d'ingresso dedicato.

Elettrofisiologia. I front-end analogici a basso rumore per EEG e ECG sono da anni disponibili come componenti singoli, e sono la base di praticamente tutti i progetti aperti in circolazione. Il circuito è documentato; la parte difficile è la schermatura e il contatto con la pelle.

Cardiaco affidabile a costo minimo. Una fascia toracica commerciale che trasmetta gli intervalli fra battiti via BLE è più affidabile di qualsiasi sensore ottico da polso per la variabilità cardiaca, ed è validata in letteratura. Non tutto va costruito.

Accelerometria. Esistono registratori di ricerca con formato grezzo aperto e documentato. Sono lo standard nelle grandi coorti, quindi i dati restano confrontabili con l'esistente.

Piattaforme con SDK aperto. Alcuni moduli indossabili commerciali espongono il segnale grezzo e permettono di caricare il proprio firmware: sono la via più rapida per prototipare senza progettare l'elettronica da zero.

Software

Linux e Python sono più che sufficienti. La libreria che conta davvero è quella per lo streaming sincronizzato in laboratorio, nata nelle neuroscienze proprio per unire flussi con orologi diversi e stimare gli scarti fra di essi: risolve gran parte del problema, ed è già lo standard nella comunità.

Accanto: una libreria per la presentazione dei compiti con controllo dei tempi, una per l'elaborazione dei segnali fisiologici, una per l'elettrofisiologia. Tutte aperte, tutte mantenute, tutte in Python.

L'orologio di sistema va sincronizzato con un protocollo di rete; su rete locale si può fare molto meglio con il protocollo di precisione. In ogni caso lo scarto va misurato e registrato, non assunto.

Il contributo più utile: il banco di prova

Se un ingegnere volesse dare una cosa sola a questo progetto, chiederei questa.

Un generatore che produce un segnale noto — un impulso, una rampa, una sinusoide a frequenza nota — iniettato nell'intera catena, dal sensore fino alla riga scritta nel database. Poi si misura:

• latenza, dal momento fisico alla marcatura temporale registrata;
• deriva, quanto quella latenza cambia in otto ore;
• perdita, quanti campioni mancano e con quale distribuzione;
• fedeltà, quanto il segnale ricostruito somiglia a quello iniettato.

Il risultato è una tabella con una riga per canale, con un'incertezza dichiarata. Vale più di un sensore nuovo, perché senza di essa nessuna misura dinamica è difendibile.

Per i canali ottici lo stesso si fa con un lampo di durata nota e un fotodiodo; per quelli chimici con un impulso di concentrazione nota su un sistema senza cellule.

Limiti che non si negoziano

Qualunque apparecchio con elettrodi a contatto con una persona, se collegato alla rete elettrica, entra nel campo delle norme sulla sicurezza elettrica in ambito medico. Per la ricerca su persone questo significa: alimentazione a batteria e isolamento, oppure apparecchiature già certificate. Un prototipo alimentato da un caricatore da muro non si avvicina a un partecipante.

Lo stesso vale per la validazione: un sensore fatto in casa entra nel protocollo solo dopo un confronto documentato contro un riferimento riconosciuto. Non è burocrazia, è la differenza fra un dato e un numero.

Come contribuire

Quello che serve, in ordine di utilità:

1. Un banco di prova per la latenza, come descritto sopra.
2. Connettori verso apparecchi commerciali che oggi non hanno un percorso aperto per il dato grezzo.
3. Nodi ambientali su rete a maglia per luce, temperatura e presenza.
4. Rapporti di validazione contro riferimento, anche di apparecchi che non avete costruito voi.

Per ognuno: schema e distinta dei componenti, firmware, licenza aperta, e il rapporto di misura con l'incertezza. Senza quest'ultimo il contributo non è utilizzabile in uno studio.