Le sfide del monitoraggio elettromedicale

MEDICALE –

I sistemi medicali richiedono un’ampia scelta di amplificatori, multiplexer, convertitori, riferimenti di tensione, interfacce e alimentatori. Per scegliere il dispositivo più adeguato è necessario trovare un equilibrio tra parametri come consumo di potenza, risoluzione, portabilità e rumore.

Dispositivi come i misuratori di pressione sanguigna, gli elettrocardiografi e i sensori d'ossigeno sono entrati ormai a far parte del mercato consumer ma, a fronte di queste applicazioni già consolidate, l'interesse suscitato dal monitoraggio del paziente è in costante crescita. L'industria elettromedicale è fondamentalmente suddivisa in tre ambiti: il domiciliare, l'ospedaliero e il diagnostico per elaborazione di immagini. Mentre il primo è prevalentemente caratterizzato da prodotti portatili, con limitati requisiti di prestazioni e costi ridotti, il secondo comprende apparecchiature con prestazioni ben più elevate e molto più costose. L'ultimo, infine, è generalmente costituito da grandi sistemi centralizzati, cui fanno eccezione le apparecchiature a ultrasuoni , che stanno rapidamente invadendo il campo dei sistemi portatili e a carrello. La maggior parte di questi sistemi si basa sull'impiego di sensori analogici, nati per misurare grandezze fisiche quali temperatura, pressione, luce e portata, per la rilevazione di funzioni biometriche come la pressione sanguigna, la temperatura corporea e il battito cardiaco. Dopo aver effettuato le misure, il sistema le converte in corrispondenti valori di tensione o di corrente: quindi il segnale viene condizionato e digitalizzato per successive elaborazioni e analisi. Sul versante del controllo, il segnale viene riconvertito in valori di corrente e tensione e applicato a un attuatore per controllare variabili come il flusso d'aria, l'ossigeno o la temperatura. Un tipico sistema di fascia alta per il monitoraggio del paziente è costituito da 5 sottosistemi: Ecg, pulsiossimetria, pressione sanguigna, temperatura corporea e respirazione. In tutti questi sistemi, le parti più critiche sono i circuiti relativi ai sensori. Ogni modulo si avvale di un proprio sensore e di un circuito di condizionamento del segnale. Ad esempio, l'Ecg usa elettrodi per rilevare le pulsazioni cardiache, quello per la pulsiossimetria (SpO2) un diodo che emette luce e un sensore per misurare il contenuto di ossigeno, mentre la pressione sanguigna viene solitamente rilevata tramite un trasduttore di pressione piezoresistivo. Per semplicità d'impiego, alcuni di questi moduli biometrici possono condividere sottosistemi digitali, di potenza e di I/O.

Misurare la pressione sanguigna
Nei moduli biometrici per la misura della pressione sanguigna la funzione più critica è quella del circuito relativo al sensore di pressione. In questo contesto un ruolo fondamentale è ricoperto dagli amplificatori di precisione, che hanno il compito di prelevare i segnali estremamente bassi prodotti dal trasduttore per amplificarli fino ai livelli adatti per la procedura di conversione in digitale; segue poi una sezione di filtraggio per la riduzione dei rumori alle frequenze più alte. Per ridurre al minimo gli errori di misura e assicurare in tal modo una lettura quanto più precisa possibile, sono necessari amplificatori con bassi livelli di rumore, bassi valori di deriva e alto guadagno. Il sensore di pressione piezoresistivo al silicio più utilizzato nelle apparecchiature mediche è il ponte di Wheatstone, in cui l'elemento sensibile è costituito dall'abbinamento dell'elemento resistivo con un diaframma al fine di fornire un segnale elettrico variabile in funzione della pressione. A seguito delle sollecitazioni del diaframma trasmesse ad aree specifiche dell' elemento di silicio, si produce una piccola tensione che varia in maniera proporzionale alla pressione applicata sul diaframma stesso. Il segnale in uscita dal ponte viene quindi amplificato tramite amplificatori operazionali di precisione e poi convertito. Nella scelta di un amplificatore occorre in primo luogo definire il livello di accuratezza richiesto e i valori di tensione che devono essere trattati: le apparecchiature ospedaliere presentano requisiti completamente diversi da quelle domiciliari e i sensori di pressione devono soddisfare esigenze differenti in termini di sensibilità e tensione. Gli amplificatori dovranno quindi, in linea generale, essere scelti tenendo conto proprio dei parametri caratteristici del sensore. L'ISL28127 e l'ISL28217 di Intersil sono amplificatori operazionali eccellenti per circuiti d'ingresso collegati a sensori di pressione con alimentazione duale +/-5V, per via del loro basso livello di rumore, il basso offset in continua e la bassa deriva.

Le apparecchiature per elettrocardiogramma
Le apparecchiature per elettrocardiografia rappresentano un vasto palcoscenico per amplificatori di precisione e instrumentation amplifier. In un Ecg diagnostico provvisto di 12 ingressi i blocchi essenziali dei circuiti d'ingresso sono l'amplificatore, il filtro passa alto (solitamente a 0,5 Hz), il filtro passa basso (attorno ai 150 Hz) e il circuito di comando della gamba destra. Va ricordato che per l'elettrocardiografia ogni elettrodo necessita di un amplificatore di precisione per acquisire segnali molto bassi sovrapposti a tensioni in modo comune di 300mV-700mV. Solitamente questo tipo di amplificatore dovrà essere alimentato da una tensione più alta per consentire un guadagno elevato senza incorrere in fenomeni di saturazione conseguenti all'alto valore di tensione in modo comune del corpo del paziente. Questo tipo di amplificatore può essere un instrumentation amplifier sia discreto che integrato. Un secondo e terzo stadio di amplificatori con funzione di filtri attivi sono necessari per definire la corretta larghezza di banda (0,5 Hz - 150 Hz) per l'acquisizione di particolari onde Ecg quali la Qrs. Questa funzione è svolta solitamente da amplificatori a basso rumore con alimentazione a 5V. Analoghi amplificatori a basso rumore e bassa potenza sono utilizzati per la funzione di feedback del comando di gamba destra. Nei sistemi multicanale come i monitor Ecg a 12 ingressi è molto frequente il multiplexing dei segnali verso un Adc comune. I requisiti essenziali per il multiplexer sono: bassi valori della resistenza di conduzione e bassa iniezione di cariche. Il criterio di scelta del multiplexer è il corretto abbinamento con i valori di tensione caratteristici del filtro e dall'Adc. Altra funzione molto ricorrente nei sistemi Ecg multicanale è la possibilità di rilevazione automatica del canale attivo in modo da consentire operatività a configurazioni multiple. Generalmente in questi circuiti vengono utilizzati interruttori allo stato solido a bassa resistenza. I multiplexer ISL43681 e ISL43640 sono le scelte più adatte per le apparecchiature mediche, dal momento che possono operare da 2 a 12 V; presentano inoltre una bassa resistenza di conduzione da 39 ohm a 60 ohm, che riduce la distorsione e i transienti di ritorno dall'Adc. Il loro basso valore di charge injection (da 0.3 a 2 pC) riduce poi il contributo di errore sugli Adc a ridistribuzione di carica, mentre i consumi estremamente bassi e le dimensioni ridotte del package Qfn li rendono particolarmente vantaggiosi. Gli instrumentation amp a bassa potenza sono invece una scelta più adatta per tutte le applicazioni Ecg portatili a 3 fili. Dal momento che i circuiti Cmos forniscono ingressi intrinsecamente ad alta impedenza, non sono necessari buffer esterni, cosa che si traduce in un notevole risparmio in termini di costi. Una scelta adeguata dell'amplificatore di ingresso può dare un feedback attivo con una precisa compensazione del base line, rumore 1/F ridotto, offset estremamente basso e deriva di temperatura contenuta.

La pulsiossimetria
L'ossigeno viene veicolato nel sangue tramite l'emoglobina, ed è uno dei fattori vitali che necessitano di monitoraggio. La pulsiossimetria sfrutta la capacità del sangue di assorbire luce a diversa lunghezza d'onda a seconda della maggiore o minore concentrazione di ossigeno. La lunghezza d'onda alla quale si manifesta la differenza in assorbimento che quantifica la concentrazione di ossigeno e che viene sfruttata in questa metodica è di circa 805 nm per l'emoglobina adulta. Quindi, al fine di calcolare la precentuale di globuli rossi ossigenati si useranno altre due lunghezze d'onda, una sopra e l'altra sotto questo valore: solitamente 660 e 940 nm. Al fine di processare le uscite dei fotodiodi che rivelano queste lunghezze d'onda sono necessari amplificatori operazionali a bassa corrente di bias e ad alta impedenza e l'Adc deve avere le prestazioni di un 16 bit veloce. Il rumore Dc e quello di background vengono sottratti e i segnali vengono poi scalati. I processi di sovracampionamento, di filtraggio e di signal processing ripuliscono poi i segnali di basso livello dagli artefatti dovuti al movimento, per consentire la misura della frequenza di pulsazione.

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