La richiesta di un'assistenza sanitaria sempre migliore è in continuo aumento a causa di numerosi fattori, tra cui il progressivo invecchiamento della popolazione, l'incremento dei costi della sanità e la difficoltà di raggiungere comunità rurali situate difficilmente raggiungibili. Grazie all'avvento delle tecnologie mobili e dei tablet è possibile rispondere almeno in parte a questa esigenza grazie alla telemedicina. I dispositivi medicali in grado di acquisire i parametri vitali e dotati di molteplici funzioni di connessione assicurano un flusso continuo di informazioni tra pazienti e il personale di assistenza. L'architettura per dispositivi diagnostici portatili a basso costo analizzata in questo articolo è in grado di interfacciarsi con tablet e smartphone grazie ai quali è possibile fornire consulenze mediche qualificate a chiunque su base regolare oppure nei casi di emergenza. Dispositivi medicali portatili di questo tipo possono essere impiegati in una pluralità di applicazioni tra cui check-up preventivi condotti su base regolare, assistenza post-operatoria e fitness.
Portabilità e basso costo
Il dispositivo diagnostico per i parametri vitali del paziente o Pvs (Patient Vital Sign) esaminato in questo articolo misura, come dice il nome stesso, i parametri vitali quali elettro-cardiogramma, pressione sanguigna e frequenza cardiaca. L'architettura di questo sistema medicale per l'assistenza sanitaria sfrutta il concetto della telemedicina e utilizzare un approccio end-to-end che abbina portabilità e basso costo. L'utilizzo di un tablet o uno smart phone previsto da questa architettura assicura la massima semplicità d'uso nelle località remote e non compromette aspetti critici del dispositivo medicale come sicurezza e affidabilità. Consideriamo l'esempio dello schema di architettura dove si evidenzia un bridge di comunicazione tra il terminale per l'assistenza sanitaria posto in una locazione remota e l'ospedale. Per realizzare questo "ponte" è stata adottata la tecnologia wireless basata su cloud. Il terminale per l'assistenza sanitaria è provvisto del dispositivo medico diagnostico e del tablet utilizzato per la comunicazione. Il dispositivo diagnostico medicale è utilizzato per registrare il segnale Ecg e misurare la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca del paziente. I dati diagnostici sono trasferiti dal SoC al tablet con sistema operativo Android attraverso un collegamento Usb. Il tablet memorizza i dati locali oltre a informazioni personali del paziente da inserire insieme ai dati diagnostici registrati del paziente e trasferire all'ospedale utilizzando la tecnologia cloud. Nella struttura ospedaliera il dottore accederà alle informazioni memorizzate relative al paziente allo scopo di formulare una diagnosi. Esso potrà anche visualizzare le osservazioni e le prescrizioni precedenti (in pratica lo storico) del paziente in oggetto. Al fine di effettuare una valutazione dettagliata della situazione del paziente - lesioni fisiche, infezioni - è possibile utilizzare la chiamata audio video disponibile sul dispositivo. La configurazione completa non prevede la presenza di un alimentatore da rete Ac in quando l'alimentazione del dispositivo diagnostico medicale è fornita dal tablet. Questa modalità, oltre a garantire un maggior livello di sicurezza per il dispositivo medicale, permette di realizzare una soluzione compatta e portatile.
Misurare un segnale Ecg
Il cuore umano può essere assimilato a una pompa elettrica. I segnali elettrici generati dal nodo senoatriale del cuore sono responsabili delle contrazioni e del rilascio del muscolo cardiaco che a sua volta pompa il sangue attraverso il corpo. L'attività elettrica del cuore fornisce importanti indicazioni per la diagnosi di anomalie del cuore stesso. La rappresentazione elettrica dell'attività elettrica del cuore è definita elettrocardiogramma. I segnali elettrici originali sono caratterizzati da un'ampiezza inferiore al millivolt, quindi saranno presenti offset in Dc di notevole entità e varie altre sorgenti di rumore. Un Ecg è un segnale con una frequenza compresa tra 0,05 e 150 Hz. La registrazione di un segnale Ecg è dunque un compito particolarmente impegnativo. Un segnale Ecg può essere registrato utilizzando un sistema a 3, 5 o 12 fili. Un sistema Ecg a 3 fili rappresenta la soluzione migliore per elettrocardiografi portatili a causa dei vincoli dimensionali imposti dal fattore di forma. Quando si misura un segnale Ecg è necessario prendere in considerazione molti fattori e ogni circuito sviluppato dovrebbe essere in grado di filtrare il rumore e soddisfare i vincoli tipici di un dispositivo portatile, come ad esempio bassi consumi e ridotti requisiti di memoria. La pressione sanguigna è uno dei parametri vitali che fornisce indicazioni circa lo stato di salute di una persona. Un valore elevato della pressione sanguigna (o ipertensione) è una delle malattie croniche più diffuse a livello mondiale. La pressione sanguigna può essere definita come la pressione esercitata sulle pareti dei vasi sanguigni dal sangue in circolazione: questa pressione varia tra un valore minimo (pressione sistolica) e massimo (pressione diastolica). La pressione sanguigna è rilevata mediante misure della pressione sistolica/diastolica e la sua unità di misura è mmHg. La pressione sanguigna può essere misurata in modo invasivo o non invasivo. Negli ultimi anni le misure basate sui valori Ptt (Pulse Transit Time) e Pwv (Pulse Wave Velocity) si sono dimostrati precisi e permettono di effettuare misure su base continua senza ricorrere a metodi invasivi. La frequenza cardiaca è il parametro più comunemente utilizzato per eseguire la diagnosi su un paziente. La frequenza è misurata contando il numero di impulsi in un vaso sanguigno. Nel corso degli anni sono stati scoperti diversi metodi per il conteggio di questi impulsi, come quelli basati su sensori di pressione o la fotopletismografia. Quest'ultimo metodo è impiegato per misurare la frequenza cardiaca del paziente in quando richiede un numero limitato di sensori, a tutto vantaggio della compattezza dimensionale del dispositivo. Durante la misura della frequenza cardiaca del paziente, le variazioni associate allo stato del paziente (che può essere a riposo oppure sta correndo) possono far sorgere dei problemi. I dispositivi medici portatili utilizzati per monitorare i parametri vitali di solito misurano i segnali di uscita provenienti da vari sensori che tendono ad essere abbastanza rumorosi a causa delle interferenze ambientali. I circuiti presenti all'interno del dispositivo devono quindi essere in grado di filtrare il rumore ed eseguire l'elaborazione del segnale per consentire letture accurate. La scelta di componenti standard adeguati ha effetti favorevoli sul time to market. In applicazioni di questo tipo un'architettura System on Chip permette di effettuare l'elaborazione di segnali analogici e digitali su un unico chip che integra anche funzioni di connettività, favorendo la realizzazione di sistemi compatti per applicazioni portatili. Il dispositivo medicale sviluppato è in grado di misurare segnale Ecg, pressione sanguigna e frequenza cardiaca in modo continuo e in tempo reale. I segnali in uscita dagli elettrodi dell'Ecg e dal sensore Ppg (fotopletismografico) collegati al corpo del paziente sono inizialmente amplificati e filtrati dal front-end analogico del sistema. L'amplificatore per strumentazione, l'amplificatore a transimpedenza e i filtri utilizzati nell'Afe sono progettati in modo da soddisfare i requisiti in termini di guadagno e frequenze di taglio richiesti per l'elaborazione dei segnali Ecg e Ppg. L'Afe inoltre assicura che i segnali Ecg e Ppg in uscita dai filtri passa alto e passa basso sia caratterizzati da un'ampiezza sufficiente e bassi livelli di rumore. L'uscita dei filtri è quindi trasferita all'unità di elaborazione del sistema. Il nucleo centrale dell'unità di elaborazione di questa architettura è un dispositivo PSoC (Programmable System on Chip), un elemento di elaborazione programmabile a segnali misti basato sul microprocessore 8051. Questo dispositivo programmabile della linea PSoC3 di Cypress Semiconductor integra un'ampia gamma di sottosistemi analogici come ad esempio amplificatori a guadagno programmabile, comparatori e convertitori A/D, oltre a sottosistemi digitali quali timer, modulatori Pwm (Pulse Width Modulator) e numerosi protocolli di comunicazione tra cui Usb, I2C e Spi. In questo progetto sono stati integrati i differenti blocchi analogici e digitali necessari per elaborare e calcolare i parametri indicativi dello stato di salute del paziente. L'elaborazione ha inizio nel buffer di ingresso, che esegue l'adattamento di impedenza e prosegue con il campionamento del segnale da parte del convertitore A/D delta sigma. Anche se la velocità di campionamento e la risoluzione richieste per i segnali Ecg e Ppg sono differenti, uno dei vantaggi intrinseci di questo progetto è la possibilità di riconfigurare un singolo convertitore A/D per adattarlo alle velocità di campionamento e ai livelli di risoluzione richiesti. Un'implementazione di questo tipo permette di sfruttare in modo ottimale le risorse disponibili e di ridurre i consumi di potenza. Il segnale campionato è utilizzato per calcolare la pressione del sangue e la frequenza cardiaca del paziente.
Misurare la pressione sanguigna in modo non tradizionale
Per calcolare la pressione sanguigna del paziente è stato adottato un metodo di misura non tradizionale. La pressione è stata misurata utilizzando il tempo di transito dell’impulso, definito come il tempo necessario perché un impulso di pressione attraversi un albero arterioso. Il Ptt è l’intervallo temporale che intercorre tra il picco R del segnale Ecg e il picco dell'impulso di pressione sul dito. La fotopletismografia (PPG) fornisce una misura volumetrica di un organo da utilizzate per il calcolo del Ptt. Sebbene alcuni studi mettano in discussione l'affidabilità della misura della pressione sanguigna desunta mediante il calcolo del Ptt, esso può essere utilizzato per valutare la variazione della pressione sanguigna su un periodo di tempo continuo. Il segnale Ecg è un bio-potenziale caratterizzato da un'ampiezza di pochi mV con un offset in Dc di circa 300 mV. Per misurare il segnale Ecg del paziente di utilizza un sistema a 3 fili. Le tre derivazioni rappresentano gli elettrodi RA (Right Arm, sotto la clavicola destra), LA (Left Arm, sotto la clavicola sinistra) e LL (Left Leg, posto sulla gabbia toracica inferiore destra). Il segnale Ecg originale acquisito dagli elettrodi è inviato all'amplificatore per strumentazione INA114. L'offset in Dc e altri rumori come il rumore muscolare che si presentano sotto forma di rumore di modo comune all'ingresso dell'amplificatore sono eliminati dall'amplificatore stesso grazie al suo elevato valore di Cmrr (Common Mode Rejection Ratio). L'amplificatore per strumentazione agisce come front end del registratore Ecg. L'uscita dell'amplificatore per strumentazione è inviata a un filtro passa alto passivo caratterizzato da una frequenza di taglio di 0,05 Hz al fine di rimuovere lo scostamento dalla linea di base. Tale scostamento è imputabile ai movimento del paziente, ai movimeni dei fili di connessione, all'uso di elettrodi non adatti e a molte altre ragioni. Questo segnale filtrato è bufferizzato attraverso un amplificatore a guadagno programmabile presente sul dispositivo PSoC3, la cui uscita è trasferita a un multiplexer analogico. Le uscite del multiplexer sono collegate all'ingresso del convertitore A/D delta sigma ospitato a bordo del dispositivo PSoC3. Questo convertitore è configurato in modo da campionare il segnale a una velocità di 300 campioni al secondo con un'ampiezza di dati di 19 bit. I campioni digitalizzati del segnale Ecg sono trasmessi al tablet dove sono utilizzati per ricostruire il segnale Ecg. Quando si calcolano la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca, il segnale Ppg è acquisito utilizzando un Led IR e un fotodiodo integrato in una clip da infilare al dito. L'indice del paziente è usato per acquisire il segnale Ppg. L'uscita del fotodiodo è trasferito attraverso l'amplificatore a transimpedenza e il segnale di tensione amplificato è inviato a un filtro passa basso passivo con una frequenza di taglio di 25Hz. Il segnale filtrato è quindi inviato al Pga (Programmable Gain Amplifier) dove viene ulteriormente amplificato. L'uscita del Pga è digitalizzata mediante un convertitore A/D a una velocità di campionamento di 100 campioni/secondo. Per digitalizzare il segnale Ppg è stata scelta una risoluzione di 12 bit. I campioni digitalizzati sono impiegati per calcolare il valore del Ptt richiesto per la misura della pressione sanguigna. Nel calcolo della frequenza cardiaca, il segnale Ppg analogico filtrato è inviato all'ingresso di un comparatore analogico. L'uscita di quest'ultimo pilota l'interrupt di acquisizione del blocco timer di PSoC3, utilizzato per il calcolo del periodo del segnale Ppg. Questo periodo è impiegato per calcolare la frequenza cardiaca del paziente. I valori dei campioni del segnale Ecg, della pressione sanguigna e della frequenza cardiaca sono comunicati al tablet mediante una connessione Usb. Per comunicare i dati tra l'host (ovvero il tablet) e il dispositivo PSoC3 è impiegata la modalità di trasferimento "bulk" (ovvero alla massima velocità possibile) di Usb. Il tablet avvia il trasferimento inviando un pacchetto di richiesta (request packet) per ogni parametro, ovvero segnale Ecg o pressione sanguigna o frequenza cardiaca. La Mcu risponde inviando i dati richiesti. Una volta completato con successo il ricevimento dei dati, il tablet invia un segnale di acknowledge (conferma ricezione). La modalità bulk supporta una trasmissione dati di 64 byte per singolo burst, ragion per cui i campioni del segnale Ecg dovrebbero essere trasmessi utilizzando più burst.
