Pulsossimetri indossabili per medicale e fitness

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I cambiamenti in corso nei settori medicali e fitness, oltre che nei relativi dispositivi elettronici, possono realmente definirsi rivoluzionari. Le richieste di dispositivi sanitari sono tante, varie e sempre una sfida. Dispositivi che prima si potevano trovare solo in ospedali sono oggi utilizzati in applicazioni domestiche medicali, oltre che fitness. Per esempio, la capacità di misurare il battito cardiaco e livello di ossigeno sanguigno si vede sempre più spesso tra i prodotti consumer. Queste misurazioni possono essere prese effettuate utilizzando pulsossimetri, ora disponibili sia come dispositivi domestici che medici, o anche come parte di tracker integrati da polso per attività sportiva. Questo articolo coprirà le basi dei pulsossimetri per uso medicale e applicazioni fitness. Verrà esaminato anche un progetto esempio di pulsossimetro che mostra la misurazione di frequenza cardiaca e livello di ossigeno nel sangue.


Ossimetro e saturazione di ossigeno nel sangue
Ossimetria è la misurazione della saturazione di ossigeno nel sangue, e solitamente viene espressa come percentuale. Un pulsossimetro è un dispositivo non invasivo che misura la saturazione di ossigeno nel sangue di una persona, oltre alla frequenza cardiaca. I pulsossimetri sono facilmente riconoscibili per la sonda a clip abbinata, solitamente applicato al dito del paziente. Un pulsossimetro può essere un dispositivo stand-alone, o parte di un sistema di monitoring del paziente, o ancora integrato in un tracker fitness indossabile. Di conseguenza, i pulsossimetri sono utilizzati da infermieri in ospedali, pazienti esterni a casa, appassionati di fitness nelle palestre e persino piloti di velivoli non pressurizzati. La saturazione di ossigeno nel sangue viene misurata esaminando l’emoglobina, che è il pigmento che trasporta l'ossigeno dei globuli rossi e che dà loro il tipico colore rosso e serve a trasmettere ossigeno ai tessuti. L'emoglobina si incontra in due forme. La prima è chiamata emoglobina ossidata, che è indicato come HbO2 (vale a dire, ossigeno-saturata). La seconda è chiamata emoglobina ossigeno-ridotta, che è indicata come Hb (ovvero, ossigeno-privata).
Quindi, la saturazione di ossigeno nel sangue (SpO2) è il rapporto tra ossiemoglobina e deossiemoglobina. Ciò può anche essere espresso come: SpO2=HbO2/ (Hb + HbO2). Il valore della saturazione di ossigeno nel sangue è espresso come percentuale. Una misurazione normale va solitamente dal 97% in su.

La misurazione della saturazione dell’ossigeno
Una delle cose più interessanti riguardo l’emoglobina è come essa assorbe e riflette la luce. Per esempio, Hb assorbe maggiormente (e riflette in maniera inferiore) la luce rossa visibile. HbO2 assorbe maggiormente (e riflette quindi meno) la luce infrarossa. Dato che la saturazione di ossigeno nel sangue può essere determinata per comparazione tra il valore della Hb e HbO2, un metodo per fare questo consiste nell’utilizzo sia di una luce rossa Led che di una a infrarossi Led fatte passare attraverso una parte del corpo (come ad esempio un dito o polso), e quindi confrontando le relative intensità. Ci sono due metodi diffusi per fare questo: La misurazione della luce trasmessa attraverso i tessuti detta ossimetria trasmissiva, e la misurazione della luce riflessa dai tessuti che è detta ossimetria a riflessione. Esempi di pulsossimetria trasmissiva si possono osservare negli ospedali. Di solito, la maggior parte dei sistemi di monitoraggio dei pazienti integrano un pulsossimetro trasmissivo. D’altro canto, molti dei più recenti dispositivi alti di gamma indossabili per fitness utilizzano il metodo pulsissimetrico a riflessione.

La misurazione della frequenza cardiaca
Quando il cuore batte, pompa il sangue attraverso il corpo. Durante ogni battito cardiaco, il sangue viene strizzato nei capillari, il cui volume aumenta molto lievemente. Tra i battiti cardiaci, il volume diminuisce. Questa variazione del volume ha effetto sulla quantità di luce, vale a dire della luce rossa o infrarosso, che verrà trasmessa attraverso i tessuti. Dato che questa variazione è molto piccola, può essere misurata da un pulsossimetro utilizzando lo stesso tipo di installazione utilizzato per misurare la saturazione di ossigeno nel sangue.

Dettagli sulla teoria di funzionamento
I tipici pulsossimetri monitorano la saturazione di ossigeno (SpO2) nel sangue umano, in base alle caratteristiche di assorbimento della luce rossa (della lunghezza d’onda di 600-750nm) e infrarossa (della lunghezza d’onda di 850-1000nm) da parte dell’ossiemoglobina (HbO2) e deossiemoglobina (Hb). Questo tipo di pulsossimetro fa lampeggiare le luci rossa e infrarosso alternativamente attraverso una parte del corpo, per esempio un dito, verso un sensore a fotodiodo.
Il fotodiodo è normalmente utilizzato per ricevere dal Led la luce non-assorbita. Questo segnale viene quindi invertito utilizzando un amplificatore operazionale invertente, o op amp. Il segnale risultante rappresenta la luce che è stata assorbita dal dito. L’ampiezza delle pulsazioni (Vpp) dei segnali rosso e infrarosso sono misurati e convertiti in Vrms, al fine di produrre un valore di frequenza, secondo l’equazione riportata di seguito: Freq= (Red_AC_Vrms/Red_DC) / (IR_AC_Vrms/IR_DC)
La SpO2 può essere determinata utilizzando il valore della frequenza e un look-up table realizzato sulla base di formule empiriche. La frequenza delle pulsazioni può essere calcolata sulla base del numero di campionamenti e frequenza di campionamento del convertitore Adc del pulsossimetro. Un look-up table è una importante parte del pulsossimetro. Sono infatti specifici per un particolare schema di ossimetro e sono solitamente basati su curve di calibrazione derivate da, tra l’altro, da un numero elevato di misurazioni da soggetti con svariati livelli di SpO2.

Descrizione della struttura dei circuiti
L’esempio seguente dettaglierà le differenti sezioni di uno schema di pulsossimetro trasmissivo. Questo schema dimostra la misurazione sia della frequenza dei battiti che i livelli della saturazione di ossigeno nel sangue. La sonda SpO2 utilizzata in questo esempio è una clip da dito commerciale, off-the-shelf, che integra un Led rosso e un Led IR, oltre a un fotodiodo. I Led sono controllati da un circuito di pilotaggio. La luce rossa e la luce IR che passa attraverso il dito viene rilevata dal circuito di condizionamento del segnale, e sono quindi inviati al modulo Adc 12 bit che è integrato nel Dsc (Digital Signal Controller) dove viene calcolata la percentuale di SpO2. Un doppio switch single-pole, double-throw, pilotato da due segnali Pwm dal Dsc, commuta alternativamente i Led rosso e infrarosso su on e off. Al fine di acquisire un adeguato numero di campionature Adc, e disporre ancora di sufficiente tempo per elaborare i dati prima della successiva commutazione del Led su on, i Led sono commutati su on e off in base allo schema temporale. La corrente/intensità Led sono controllati da un Dac a 12 bit, che è pilotato dal Dsc.
Ci sono due stadi nel circuito di condizionamento segnali. Il primo stadio è l’amplificatore a transimpedenza, mentre il secondo stadio è l’amplificatore di guadagno. Un filtro passa alto è posto tra i due stadi. L’amplificatore a transimpedenza converte i pochi microampere di corrente, che vengono generati dal fotodiodo, in pochi millivolt. I segnali ricevuti dal primo stadio amplificatore passano quindi attraverso un filtro passa alto, che è progettato per ridurre le interferenze della luce di fondo. L’uscita del filtro passa alto viene inviata ad un secondo stadio amplificatore con un fattore guadagno di 22 ed una tensione offset Dc di 220mV. I valori del guadagno dell’amplificatore e offset Dc sono impostati per offrire l’adeguato livello di segnale in uscita dall’amplificatore di guadagno nel range Adc del microcontrollore. L’uscita del circuito di condizionamento del segnale analogico è connessa al modulo Adc a 12 bit integrato del Dsc. Per esempio, qui è stato utilizzato un Dsc dsPIC di Microchip. Il dsPIC33FJ128GP802 utilizzato in questo schema consente di trarre vantaggio non solo dalle capacità del Dsc integrato, ma anche del Digital Filter Design Tool di Microchip. Un campionamento Adc viene effettuato durante il periodo di accensione di ognuno dei Led, e uno Adc durante i periodi di spegnimento di entrambi i Led. A causa della difficoltà dell’effettuare le misurazioni attraverso i tessuti organici, il filter design tool è stato usato per implementare un filtro passabanda digital-FIR, 513th-order, che ha consentito di filtrare i dati Adc. Questi dati, filtrati, sono stati quindi usati per calcolare l’ampiezza delle pulsazioni.

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