Il monitoraggio della salute diventa indossabile

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Da quando i primi contapassi sono apparsi sul mercato dieci anni fa molto è cambiato; inizialmente l’attenzione era solo per misurare la distanza percorsa ma l’avvento di nuove tecnologie ha introdotto nuove funzioni ai dispositivi indossabili come la misura del battito cardiaco, la temperatura corporea e la conduttività della pelle. I dispositivi wearable inizialmente pensati e disegnati per mercati come sport & wellness stanno ora svoltando verso il mercato medicale, con questa transizione l’accuratezza delle misure e la durata della batteria migliorano l’usabilità del dispositivo per l’utente finale.


L’elettrocardiogramma

Senza battito cardiaco saremmo in difficoltà, infatti è il parametro più importante da tenere sotto controllo, non solo i battiti per minuto ma tutta la funzionalità cardiaca deve essere controllata come il ritmo e le variazioni che sono sintomo di disfunzione del cuore. L’osservazione dell’attività cardiaca è tipicamente realizzata utilizzando tecniche di misura biopotenziale con un elettrocardiogramma. Gli elettrodi connessi al corpo misurano i segnali elettrici trasmessi dal tessuto cardiaco. Questo principio è usato in sistemi di diagnostica professionale dove più di 10 elettrodi possono essere connessi al torace e agli arti, l’elettrocardiogramma fornisce informazioni dettagliate di tutte le diverse componenti del battito cardiaco. Elettrocardiogrammi a singola sonda sono più comuni in ambito sportivo con cardiofrequenzimetri a doppio elettrodo che misurano il battito cardiaco, questi sistemi sono capaci di misurare le onde ma generalmente si limitano alla misura del battito. Le fasce cardio sono tendenzialmente scomode e invasive e l’industria del wellness sta investigando nuove tecnologie integrando gli elettrodi nelle magliette. L’AD8233 di Analog Devices è un sottosistema integrato per Ecg e misure biopotenziali, è disegnato per misurare, amplificare e filtrare segnali bio in presenza di rumore come quelli creati dal movimento di un atleta. L’AD8233 permette l’acquisizione del segnale attraverso un A/D ultra low power e sistemi embedded in soluzioni wearable o portatili. L’AD8233 può implementare un filtro passa alto a due poli per eliminare gli artefatti dovuti al movimento e dal potenziale half cell dell’elettrodo. Questo filtro è strettamente accoppiato con l’architettura dell’amplificatore per consentire sia grande guadagno che il filtraggio passa-alto in un unico stadio, risparmiando spazio e costi. Un ulteriore amplificatore operazionale permette all’AD8233 di creare un filtro passa basso a tre poli per filtrare e rimuovere ulteriormente il rumore sulla misura. L’utente può selezionare la frequenza di taglio di tutti i filtri in funzione dell’applicazione. Per aumentare la reiezione di modo comune nel sistema l’AD8233 include anche un amplificatore per applicazione RLD right leg drive che riduce attivamente il rumore che interferisce con la misura biometrica. L’AD8233 comprende anche una funzione di ripristino veloce che riduce i tempi di risposta del filtro passa alto, dopo una variazione del segnale significativa (rilascio degli elettrodi) l’AD8233 automaticamente aggiorna la frequenza di taglio del filtro ad una più alta, questa funzione permette all’AD8233 di recuperare velocemente la condizione e acquisire misure valide appena gli elettrodi sono di nuovo connessi al paziente.

La fotopletismografia riflessiva

Il cuore è l’organo più importante nel nostro corpo e può essere visto come il motore del corpo umano, senza un cuore in salute e pulsante la qualità della nostra vita ne risentirebbe. Ci sono molti metodi per misurare il battito cardiaco che vanno oltre la semplice misura delle pulsazioni. La tendenza oltre a misurare il battito usando tecniche bio-potenziali Ecg è di utilizzare principi e tecnologie ottiche. Questa tecnologia esiste da anni ed è conosciuta come Ppg fotopletismografia, utilizzata per misurare la saturazione d’ossigeno nel sangue SPO2, oggi questa metodologia è usata in sistemi indossabili come braccialetti fitness da polso, dove invece di utilizzare misure bio potenziali è possibile osservare il battito cardiaco utilizzando un singolo punto di misura. L’ADPD174 di Analog Devices è un sottosistema ottico disegnato per questo tipo di applicazioni. La classica misura della saturazione di ossigeno SPO2 utilizza generalmente una sonda posta sul dito o sul lobo dell’orecchio del paziente, con la tecnica transmission la luce è trasmessa attraverso una parte del corpo e la parte ricevuta e non assorbita è misurata da un foto sensore dalla parte opposta, questo principio è il migliore in termini di efficienza e qualità del segnale. Per sistemi indossabili dove la vestibilità e il confort sono requisiti fondamentali l’integrazione diventa una scelta obbligata e la tecnica reflective è quella maggiormente utilizzata. In un sistema ottico reflective la luce è inviata attraverso la superficie della pelle dove una parte è assorbita dalle cellule rosse del sangue e una parte è riflessa dalla pelle e misurata da un foto sensore. In un sistema reflective il segnale ricevuto è anche 60 dB più debole comparato alla transmission, quindi molta attenzione deve essere posta su entrambe le signal chain per gli aspetti elettrici, ottici e meccanici. Durante il battito cardiaco il flusso e il volume del sangue cambia generando uno scattering della luce riflessa, la lunghezza d’onda della luce usata per misurare il segnale Ppg può variare in funzione di diversi fattori compreso il tipo di misura. In questo articolo ci concentriamo sulla misura del battito cardiaco e della sua variazione. Per queste misure la lunghezza d’onda dipende non solo dalla posizione sul corpo dove viene effettuata la misura ma anche dal livello di perfusione, dalla temperatura e dal colore della pelle. In generale per dispositivi al polso dove le arterie non sono posizionate sulla parte esterna dello stesso è necessario misurare le componenti pulsate da vene e capillari appena sotto la superficie della pelle. Per questo tipo di misure la luce verde funziona meglio in quanto non penetra in profondità nei tessuti, per misure dove invece c’è sufficiente flusso sanguino come le tempie o il canale uditivo il rosso o l’infrarosso sono più efficaci. Per un’applicazione indossabile dove il funzionamento in batteria e le dimensioni sono sempre una criticità il rosso o l’infrarosso portano un vantaggio addizionale in quanto richiedono una tensione più bassa contrariamente dalla luce verde che richiede un boost controller. Dopo le scelta della posizione del sensore e della luce il prossimo passo è scegliere la soluzione ottica più appropriata: per ridurre gli sforzi e il tempo di rilascio sul mercato, Analog Devices ha realizzato un sottosistema ottico completamente integrato per misure reflective. L’ADPD174 contiene tutto quello che serve per effettuare misure ottiche. La dimensione del modulo di 6,5 x 2,8 mm lo rende particolarmente adatto per applicazioni indossabili. Il modulo è realizzato con un Photo Diode, due Led verdi e un Led infrarosso. L’Asic a bordo comprende un blocco di condizionamento del segnale analogico, un Adc Sar, un blocco di processamento digitale, un’interfaccia di comunicazione I2C e tre diverse correnti per Led programmabili. Il sistema di controllo dei Led misura anche il corrispondente segnale ottico di ritorno con il suo photo diodo di 1,2 mm2. La sfida maggiore per soluzioni Ppg indossabili è la gestione degli interferenti come la luce ambientale e la gestione dei movimenti dell’atleta. La luce ambientale può decisamente condizionare i risultati della misura, mentre la luce solare può essere filtrata la luce artificiale (neon, lampade) che comprende una componente Ac è più difficile da eliminare. L’ADPD174 ha due stadi per la reiezione della luce ambiente, dopo il photo sensore e lo stadio di amplificazione c’è un filtro passa banda integrato e il demodulatore sincrono in cascata elimina gli interferenti da Dc a 100 KHz. Il convertitore Adc con risoluzione a 14 bit può portare a una risoluzione della misura a 20 bit sfruttando l’accumulatore a burst ed estendendo ulteriormente a 27 bit accumulando campioni multipli. L’ADPD171 opera in due intervalli di tempo indipendenti per misurare due lunghezze d’onda separate o per misure sequenziali; durante ogni intervallo di tempo la sequenza completa di misura viene effettuata iniziando dalla stimolazione del Led  seguita dalla misura del segnale ottico e dal processamento del dato. Ogni generatore di corrente è in grado di pilotare il corrispondente Led con correnti fino a 250 mA. Un controllo innovativo degli impulsi sul Led permette di mantenere bassa la potenza dissipata contribuendo significativamente alla durata del funzionamento in batteria. Il vantaggio competitivo di questo pilotaggio del Led è la sua scalabilità durante il funzionamento. In caso di scelte d’uso di altre lunghezze d’onda Led esterni possono essere connessi all’ADPD174, la sincronizzazione e le tempistiche sono gestite dal front end analogico così da non aggiungere processamento al controllore nel sistema. L’ADPD174 permette di effettuare misure del battito cardiaco attendibili in condizioni standard con un consumo inferiore al milliwatt. Per trovare il punto di lavoro ottimale viene ottimizzato il guadagno del Tia (Trans-impedance amplifier) in combinazione con la massima corrente di picco del Led. Dopo aver ottimizzato la corrente del Led e il guadagno del Tia, viene aumentato il numero di impulsi per avere più segnale, infatti aumentando la corrente di picco del Led si aumenta anche il rapporto segnale-rumore proporzionalmente mentre aumentando il numero di impulsi di un fattore n si aumenta il rapporto segnale-rumore di un fattore root(n) solamente. Per una buona misura al polso è richiesta una corrente di picco nel Led di circa 125 mA, usando due impulsi da 1µs ciascuno. Considerando una frequenza di campionamento di 100 Hz la media per il Led è di 25 µA, sommando una media di 250 µA per il front end analogico il sottosistema ottico consuma 275 µA.

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