Misurare la frequenza cardiaca nei dispositivi indossabili

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La frequenza cardiaca rivela molte cose sulla vostra forma fisica. Quando misurate a riposo, le variazioni della frequenza cardiaca forniscono informazioni preziose sullo stile di vita di una persona, come ad esempio i livelli di stress o la qualità del sonno. L'importanza di questo indicatore fisiologico ha stimolato l'innovazione e la sperimentazione nel mondo dell'elettronica: i costruttori stanno cercando di mettere a punto un mezzo affidabile per implementare la misurazione continua della frequenza cardiaca in un dispositivo che possa essere indossato confortevolmente e sia in grado di comunicare con uno smartphone o un computer, allo scopo di comunicare all'utente informazioni utili per la salute, lo stile di vita e l'attività. Come dimostreremo nel corso di quest'articolo, le tecnologie per la misurazione della frequenza cardiaca e il monitoraggio delle variazioni della frequenza cardiaca sono già disponibili e ben collaudate in numerose applicazioni. Tuttavia, l'implementazione della tecnologia in un fattore di forma molto ridotto come quello dei dispositivi indossabili richiede una combinazione ben definita - e specifica per ogni singola applicazione - di circuiteria analogica di precisione, componenti di filtraggio e software.


Come misurare la frequenza cardiaca con la luce
Il metodo tradizionale per il monitoraggio della frequenza cardiaca è la misurazione dei picchi di elettricità generata nel cuore a ogni pulsazione - il cosiddetto elettrocardiogramma o Ecg. Un dispositivo Ecg portatile è collocato su una fascia toracica che lo tiene centrato in corrispondenza del cuore. Questo può trasmettere i valori acquisiti tramite comunicazione wireless a un computer host. Purtroppo la fascia toracica non può essere indossata per lunghi periodi senza risultare scomoda. È molto usata in campo medico e durante l'esercizio fisico, ma non è una soluzione fattibile per un uso continuato. Per gli utenti che vogliono avere sempre a disposizione le misurazioni del battito cardiaco per monitorare il loro stile di vita e la loro salute, è necessario un fattore di forma indossabile come un braccialetto per sportivi o uno smart watch. Chiaramente l'Ecg non può essere implementato in un braccialetto per sportivi. Difatti esiste un'alternativa, già ampiamente utilizzata dai professionisti del settore medico, per la misurazione della frequenza cardiaca e la pulsossimetria. Un metodo di misurazione ottica, noto come fotopletismografia (Ppg), misura la variazione del volume del sangue attraverso la distensione di arterie ed arteriole nel tessuto sottocutaneo. In ambito medico, di norma questa tecnologia è implementata in una clip da indossare sul dito come un anello. Il dispositivo emette un fascio di luce attraverso la pelle (da un Led posto su una delle due facce) e misura le variazioni nella trasmissione della luce all'interno del dito (tramite un fotodiodo posto sull'altra faccia del dispositivo). La quantità di luce rilevata in prossimità del fotosensore si abbassa bruscamente e brevemente a ogni impulso, dato che l'aumento volumetrico del sangue assorbe una maggiore quantità di luce. Il segnale proveniente dal fotodiodo è un’onda simile a un dente di sega, la cui frequenza fondamentale corrisponde alla frequenza cardiaca. Per uso medico, il Ppg solitamente funziona sfruttando la trasmissione. Ma questa modalità comporta dei vincoli per la struttura meccanica: il dispositivo deve coprire una parte del corpo, in genere un dito o un lobo dell'orecchio. Si tratta di una soluzione che risulta scomoda da indossare già dopo pochi minuti. Fortunatamente, la Ppg funziona anche sfruttando la riflessione: la quantità di luce riflessa in direzione della sorgente luminosa a Led è ridotta dall'effetto di assorbimento a ogni pulsazione. Ciò consente di implementare un misuratore di Hrv, Hrm e pulsossimetria attraverso l'epidermide nei dispositivi indossabili, come ad esempio un braccialetto.

Difficoltà nelle implementazioni su braccialetto
Purtroppo, quando il Ppg funziona sfruttando la riflessione, il progettista deve affrontare diversi problemi per garantire una misurazione della frequenza cardiaca continua e affidabile. Il funzionamento del dispositivo può essere compromesso dai seguenti fattori: movimenti del corpo (ad esempio, i gesti o gli esercizi che comportano l'uso delle braccia) che variano la circolazione nei vasi sanguigni del polso; luce ambientale; interferenze tra il Led e i foto-sensori del dispositivo; movimento del dispositivo indossabile sull'epidermide. La progettazione è particolarmente ostica, in quanto la maggior parte della luce emessa dal Led è riflessa dal tessuto del corpo, anziché dai vasi sanguigni. Queste altre parti del corpo non sono molto soggette a variazioni nel tasso di assorbimento. Ciò significa che la variazione causata dalla pulsazione del cuore è rappresentata da un flebile segnale Ac in cima a un ampio segnale fondamentale Dc. Il rilevamento di questo segnale Ac richiede circuiti analogici con una sensibilità e un'ampia gamma dinamica. Inoltre, la distorsione causata dai movimenti del corpo e dallo spostamento del dispositivo sull'epidermide renderebbe imprecisa la misurazione, a meno che il dispositivo sia in grado di annullarne l'effetto attraverso l'applicazione di un algoritmo di compensazione. Di conseguenza, il sistema deve includere un accelerometro in grado di acquisire dati relativi al movimento su tre assi, da processare attraverso l'algoritmo di compensazione. Naturalmente, il movimento del dispositivo sull'epidermide può essere minimizzato se il bracciale è ben stretto, ma allo stesso tempo il cinturino deve essere sufficientemente sciolto per essere comodo. Stringere il bracciale aiuta anche a bloccare il percorso della luce ambientale verso il fotodiodo, anche se un braccialetto di larghezza ridotta può lasciare penetrare la luce ambientale attraverso l'epidermide, a volte fino al sensore. Pertanto, per ottenere un'affidabilità e una precisione elevate, un dispositivo Ppg montato su braccialetto può implementare alcuni metodi per abbattere la luce ambientale: filtri ottici a banda stretta; modulazione del segnale ottico; controllo automatico del guadagno; filtraggio del segnale elettrico. Una barriera ottica tra i Led e il rilevatore può ridurre il rischio di interferenze e rumori. Questa può essere creata con delle modifiche al package: i distanziatori posti sui rilevatori e sui Led migliorano la penetrazione della luce nel tessuto e la dirigono in modo più efficace attraverso il corpo. Dopo aver trattato gli aspetti più impegnativi della progettazione meccanica, passiamo ai problemi di natura elettronica.

Blocchi funzionali di un dispositivo Ppg su braccialetto
Consideriamo gli elementi fondamentali di un sistema Ppg montato su braccialetto. Il processore gestisce le funzioni di sistema, la comunicazione e il display. Un modem Bluetooth Low Energy assicura il collegamento wireless a corto raggio verso un computer host, ad esempio uno smartphone. Il sistema di misurazione Ppg vero e proprio potrebbe essere implementato con Led discreti, fotodiodi e circuiti di elaborazione del segnale, mentre gli algoritmi dell'applicazione potrebbero essere eseguiti su un processore host. Tuttavia, un'implementazione discreta di questo genere richiederebbe agli sviluppatori di ottimizzare tutti gli elementi del dispositivo, tra cui: il numero di Led e il relativo distanziamento; l'emissione luminosa dei Led (potenza e colore); il numero di fotodiodi e il relativo distanziamento; l'inclusione di barriere e filtri ottici; la temporizzazione dei Led e l'implementazione delle interfacce di controllo tra i Led e i fotodiodi.

I vantaggi delle soluzioni integrate
Un modulo integrato contenente tutti i blocchi funzionali richiesti, ottimizzati per il Ppg e con software dedicato, elimina la necessità di risolvere questi problemi di implementazione. L'AS7000, un system-on-chip di rilevamento prodotto da ams, offre una soluzione integrata per il Ppg su braccialetto in un singolo modulo da 4 x 6 x 1 mm. Include Led, fotorivelatori, circuiti per l'elaborazione ottica e un front end analogico. Inoltre è dotato di un core Arm Cortex-M0 a bassa potenza che elabora gli algoritmi di ams per calcolare e fornire il dato reale della frequenza cardiaca (in battiti/minuto), nonché per misurare gli intervalli tra picchi (in millisecondi) per le applicazioni basate sulla variabilità della frequenza cardiaca. Il front-end analogico estremamente versatile e flessibile dell'AS7000 può anche essere programmato per ottimizzare la qualità del segnale Ppg, in modo da poter calcolare ulteriori parametri vitali come la frequenza respiratoria, l'ossigenazione del sangue e finanche i parametri relativi alla pressione del sangue. Il mercato dei dispositivi indossabili è molto diversificato e i prodotti possono essere dotati o meno di un controller host ad alta potenza (ad esempio, gli smart watch nel primo caso e i bracciali nel secondo). L'AS7000 è stato concepito per eseguire l'algoritmo Hrm sia su scheda, sia sul processore di un sistema esterno. Il circuito integrato offre interfacce appropriate e memoria sufficiente per le funzioni di elaborazione degli algoritmi e di housekeeping: di conseguenza, offre ai progettisti la massima flessibilità per la sua integrazione con le altre componenti di un prodotto.
L'AS7000, insieme a un accelerometro dedicato alla compensazione delle interferenze da movimento, ad ogni modo può anche utilizzare i dati acquisiti da un accelerometro e condivisi dal resto del sistema, a condizione che i dati possano essere comunicati a intervalli esatti. Come abbiamo dimostrato in precedenza, la struttura meccanica del sistema ottico ha un impatto notevole sulle sue prestazioni. Questa è la ragione per cui il chip AS7000 è fornito come parte di una soluzione completa che integra gli algoritmi per la misurazione di Hrm, Hrv e pulsossimetria ottimizzati per le caratteristiche hardware del modulo, nonché l'esclusivo supporto per l'integrazione opto-meccanica offerto da ams. Questa soluzione può essere integrata nel prodotto direttamente in fase di progettazione, senza alcun ulteriore sforzo per l'integrazione o lo sviluppo di un software dedicato. Può anche essere utilizzato solo come un front-end, controllando il processo di misurazione e fornendo dati ottici non ottimizzati al processore host. ams utilizza due metodi per eliminare l'impatto della luce ambientale sulle misurazioni acquisite. Il primo è l'uso di filtri e barriere ottiche. Inoltre il controller modula il funzionamento dei Led ad una frequenza regolabile, in genere pari a 1kHz. Un demodulatore sincrono moltiplica il segnale per +1/0/-1 a temporizzazioni sincronizzate con la frequenza di modulazione dei Led, consentendo di sottrarre la luce ambientale dalla luce totale misurata e lasciando solo il valore della luce a Led riflessa per l'ulteriore elaborazione. Per sincronizzare la corrente del Led, il tempo di integrazione e il tempo di campionamento del convertitore analogico-digitale, può essere utilizzato un sequenziatore integrato. Il sequenziatore genera temporizzazioni a 16 bit basate su un clock con risoluzione da 1μs e sincronizza la modulazione e la demodulazione dei Led con la conversione analogico-digitale. I risultati sono memorizzati automaticamente in un buffer della pipeline o in un registro dati Adc. La circuiteria analogica dell'AS7000 fornisce un flusso di misurazioni filtrate e amplificate della luce riflessa. L'algoritmo proprietario di ams produce una lettura precisa e affidabile della frequenza cardiaca con sole 20 acquisizioni al secondo. I dati ricevuti dall'accelerometro sono processati dall'algoritmo a intervalli regolari, in modo da poter rilevare e compensare le interferenze da movimento. Bisogna far presente che il firmware può essere aggiornato tramite una porta seriale per il debug o interfacce I2C. Questo permette di utilizzare algoritmi specifici per diverse applicazioni, continuando in ogni caso a sfruttare le capacità di rilevazione ottica dell'AS7000. Il vantaggio principale dell'utilizzo del system-on-chip AS7000 è la misurazione affidabile dei parametri vitali partendo dalle misurazioni Ppg della circolazione sanguigna. L'AS7000 impiega metodi collaudati per: inserire la luce sotto la pelle; misurare con precisione le riflessioni, senza le distorsioni causate dalla luce ambientale, dai movimenti del corpo o da interferenze e rumori; convertire queste acquisizioni in misurazioni precise di Hrm, Hrv e ossigeno nel sangue. Questi risultati si possono ottenere anche con l'impiego di Led discreti, fotodiodi e componenti della catena del segnale, ma ciò richiederebbe un tempo di progettazione e dei rischi più elevati rispetto all'adozione di una soluzione system-on-chip compatta, a basso consumo e già collaudata.

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