Dispositivo Medico per la Diagnosi Oggettiva di Patologie Psicosomatiche

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1 La Comunicazione N.R.&N. Agostino Giorgio Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell Informazione Politecnico di Bari Dispositivo Medico per la Diagnosi Oggettiva di Patologie Psicosomatiche A Medical Device For The Instrumental Diagnosis Of Psychosomatic Disorders Sommario:. In questo articolo viene presentato un dispositivo innovativo dedicato alla diagnosi oggettiva delle malattie psicosomatiche, come ad esempio la depressione, tramite il rilevamento a lungo termine di eventuali asimmetrie esistenti fra i segnali provenienti dalla corteccia frontale dei due emisferi dell encefalo, asimmetrie correlate ai disturbi psicosomatici. Il dispositivo è di ridotte dimensioni e consente di effettuare la diagnosi di malattie psicosomatiche anche a distanza e acquisendo tracciati a lungo termine in telemonitoraggio. Abstract: The purpose of this paper is to present a medical device for the reliable diagnosis of psychosomatic illnesses, such as depression, by using the electroencephalographic signal. The presented device allows detecting any asymmetries between the signals from the frontal cortex in both hemispheres. The device is small and easy to use so that it can also be used in medical studies of general practitioners. 1. Introduzione Il problema principale nella cura della depressione e delle malattie psicosomatiche in generale è quello di ottenere una diagnosi affidabile perché difficilmente oggettivabile. L'obiettivo di questo lavoro è di presentare un dispositivo finalizzato alla diagnosi scientificamente oggettiva e quindi affidabile delle malattie psicosomatiche che consenta una più rapida guarigione e di ridurre i costi di diagnosi sia di cura della malattia. 2. Metodo di diagnosi Il metodo implementato si basa sul rilevamento di asimmetrie in alcune onde elettroencefaliche [1]. Il range di frequenze di queste onde elettriche cerebrali si estende da 0.5 Hz a 100 Hz con un'ampiezza variabile fra 20 e 200 µv. In base alla frequenza, le onde cerebrali sono classificabili in 4 gruppi: Alpha (8-13 Hz), Beta (13-50 Hz), Theta (4-7 Hz) e Delta (0.5-4 Hz) [2]. R. Davidson [3] e B. Lithgow [4] hanno proposto i risultati di uno studio in base al quale i soggetti affetti da depressione presentano un'attivazione 175

2 A.Giorgio asimmetrica della corteccia frontale sinistra rispetto alla destra, rilevabile attraverso l acquisizione delle onde Alpha. Sulla base di questa teoria si può sviluppare un metodo oggettivo di diagnosi per il quale è stato necessario progettare il dispositivo presentato di seguito. Per una diagnosi maggiormente affidabile, l analisi delle onde Alpha viene effettuata su tracciati acquisiti a lungo termine per cui il dispositivo presenta anche un interfaccia wireless per effettuare acquisizioni a lungo termine in tele monitoraggio senza particolare disagio per il paziente. 3. Progetto Il dispositivo deve essere in grado di rilevare la presenza di una netta e persistente differenza fra le ampiezze del segnale Alpha proveniente dai due lobi dell'encefalo. L hardware deve essere quindi in grado di amplificare esclusivamente la differenza fra i due segnali prelevati sullo scalpo; un software appositamente sviluppato esegue il confronto della differenza dei due segnali con un valore di soglia. Infatti, il superamento di una soglia critica, di seguito meglio specificata, indica la presenza oggettiva di malattia psicosomatica. Il valore di ampiezza medio delle onde Alpha è compreso fra 40 e 50 µv e una differenza persistente in ampiezza del 50% a favore dell'emisfero dominante può essere considerata fisiologica. Prendendo come riferimento questo emisfero, una differenza del segnale proveniente dall'emisfero dominante rispetto al segnale proveniente dall'emisfero non dominante compresa fra il 50-70% indica una situazione di incertezza che necessita di approfondimento; una differenza superiore al 70% è considerata come sintomo oggettivo della presenza di una patologia psicosomatica. A. Specifiche di progetto Il dispositivo deve presentare: banda passante compresa fra 8-13 Hz. Il sistema di filtraggio deve eliminare la continua in uscita, aumentare il SNR ed evitare il problema dell'aliasing durante la fase di campionamento; CMRR molto elevato e superiore a 100 db, in modo da riuscire ad amplificare solo il segnale utile, reiettando il più possibile i segnali di modo comune; fattore di amplificazione K tale da adattare il segnale proveniente dagli elettrodi alla dinamica di ingresso dell'adc. Considerando, quindi, una differenza compresa fra µv e una dinamica di 5V, otteniamo un valore di K compreso fra e Possiamo, quindi, stabilire degli intervalli di ampiezza del segnale per effettuare la diagnosi sul paziente, come in tabella I. 176 La Comunicazione N.R.& N.

3 Dispositivo Medico per la Diagnosi Oggettiva di Patologie Psicosomatiche A Medical Device For The Instrumental Diagnosis Of Psychosomatic Disorders Differenza in % fra segnali Differenza in µv fra i segnali Segnale differenza amplificato (V) 50% % Tab. I B. Schema a Blocchi L'hardware è costituito fondamentalmente da una sezione di acquisizione costituita dai sensori, da un amplificatore da strumentazione ed alcuni filtri per il trattamento del segnale. Alla sezione di acquisizione segue la sezione di conversione analogico digitale e di elaborazione in tempo reale tramite un microcontrollore, che si preoccupa anche di gestire tutte le funzionalità del dispositivo. Segue una sezione di interfacciamento con un modulo bluetooth, per telemonitoraggio a corto raggio, oppure GPRS/UMTS/LTE per telemonitoraggio a lungo raggio. Nel seguito viene illustrata sommariamente la sezione di acquisizione, di delicata progettazione. B 1. Elettrodi Il segnale proveniente dai due emisferi sarà prelevato da due elettrodi superficiali in posizione Fp1 e Fp2 (Sistema Internazionale 10-20), riferiti ad un terzo elettrodo posto sul lobo dell'orecchio. Gli elettrodi da utilizzare sono i comuni elettrodi superficiali Ag/AgCl posti sullo scalpo. B 2. Amplificatore da Strumentazione L'amplificatore da strumentazione (IA - Instrumentation Amplifier) ha il compito di amplificare solo la differenza esistente fra i due segnali in ingresso. All'ingresso non invertente sarà posto l'elettrodo proveniente dall'emisfero non dominante e a quello invertente l'elettrodo collegato all'emisfero dominante. Il dispositivo usato in questo progetto è l'ad522 dell'analog Devices che fornisce un elevato valore di CMRR superiore a 110 db, amplificazione fino ad un fattore 1000 e un rumore massimo pari a 1.5 µv picco-picco a frequenze comprese fra Hz. Gli stadi di amplificazione supplementare possono essere implementati impiegando lo stesso dispositivo opportunamente configurato. Tabella I. Soglie di diagnosi I B 3. Filtro passa-banda Il filtro passa-banda ha il compito di eliminare tutte le componenti del segnale elettroencefalografico non utili alla diagnosi della malattia, ovvero le onde cerebrali che si trovano al di fuori della banda delle onde Alpha (8-13 Hz). Questo filtro è stato realizzato come la cascata di un filtro passabasso e di uno passa-alto di tipo Sallen-Key. Lo schema circuitale è riportato in fig. 1 e la risposta in frequenza in fig

4 A.Giorgio C3 R k 200n - OPAMP R3 R4 - OPAMP OUT 1Vac 0Vdc C1 V1 1u C2 1u + R1 U k OUT k k + C4 U2 100n 0 V 0 0 B 4. Filtro passa-basso Il filtro passa-basso aumenta il SNR (Signal to Noise Ratio) attenuando le componenti di segnale indesiderato presenti ad alta frequenza come rumore ed eventuali componenti armoniche, ed elimina il problema dell'aliasing evitando che le repliche si vadano a sovrapporre. Si è scelto un filtro molto selettivo del quinto ordine formato dalla cascata di due filtri del secondo ordine di tipo Sallen-Key ed uno del primo (rete RC). La configurazione circuitale dell'intero filtro è mostrata in figura 3 imponendo una frequenza di taglio di 18 Hz; in figura 4 è mostrata la risposta in frequenza del filtro. Figura 1. Schema circuitale filtro passa-banda Figura 2. Risposta in frequenza del filtro passabanda 178 La Comunicazione N.R.& N.

5 Dispositivo Medico per la Diagnosi Oggettiva di Patologie Psicosomatiche A Medical Device For The Instrumental Diagnosis Of Psychosomatic Disorders C. Convertitore A/D Il convertitore utilizzato in questo progetto è l ADS1298 utilizzato in tutte le applicazioni mediche della Texas Instrument, caratterizzato da un CMRR pari a 115 db di valore tipico e 105 db di valore minimo e un SNR di 112 db come valore tipico. 4. Conclusioni e sviluppi futuri Figura 3. Schema circuitale del filtro passa-basso Figura 4. Risposta in frequenza del filtro passabanda Il dispositivo presentato ha lo scopo di consentire una diagnosi oggettiva di malattie psicosomatiche, diagnosi altrimenti sovente legata alla perizia del medico ed alla sua valutazione soggettiva e quindi passibile di errore. Il dispositivo si basa su una teoria ormai accettata in ambito medico in base alla quale esiste una relazione oggettiva fra il segnale proveniente dalla corteccia prefrontale e la presenza di malattie psicosomatiche, in particolare la depressione. Il dispositivo proposto consente un monitoraggio a lungo termine, a corto o lungo raggio, dell attività cerebrale maggiormente coinvolta dalla presenza di patologie psicosomatiche in modo da favorirne una diagnosi oggettiva. 179

6 A.Giorgio Il progetto del dispositivo adatto a tale diagnosi risulta semplice ed affidabile per cui rappresenta un incoraggiante punto di partenza procedere con la validazione e quindi la certificazione e immissione sul mercato di uno strumento che può rivelarsi molto utile per affrontare dal punto di vista medico ma anche sociale ed economico un problema la cui entità cresce esponenzialmente nel tempo qual è quello delle malattie psicosomatiche e in particolare della depressione. Bibliografia. [1] JOHN J. WEBSTER, Medical Instrumentation Application and Designed, John Wiley & Sons Inc., 2009 [2] M. J. AMINOFF, Electrodiagnosis in Clinical Neurology, Churchill Livingstone editore, 1999 [3] R. DAVIDSON, EEG Measures of Cerebral Asymmetry: Conceptual and Methodological Issues, International journal of neuroscience, vol. 39, pp , 1988 [4] A.J. NIEMIEC, B. J. LITHGOW, Alpha-band characteristics in EEG spectrum indicate reliability of frontal brain asymmetry measures in diagnosis of depression, IEEE - Engineering in Medicine and Biology Society, pp , La Comunicazione N.R.& N.