Architetture, protocolli e sensori per applicazioni in telemedicina

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1 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell Ingegneria Curriculum in Ingegneria Elettronica, Elettrotecnica e delle Telecomunicazioni Architetture, protocolli e sensori per applicazioni in telemedicina Tutor: Prof. Ennio Gambi Tesi di Dottorato di: Fabrizio Borioni Coordinatore del curriculum : Prof. Franco Chiaraluce XI ciclo nuova serie i

2 Introduzione ii Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze dell Ingegneria Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Via Brecce Bianche Ancona, Italy

3 Introduzione C'è vero progresso solo quando i vantaggi di una nuova tecnologia diventano per tutti. Henry Ford iii

4 Introduzione iv

5 Ringraziamenti Introduzione Desidero ringraziare in modo particolare Susanna, Marco e Giovanni senza l aiuto dei quali questo lavoro, probabilmente, non sarebbe stato possibile. Un ringraziamento va inoltre a tutti i ragazzi del dipartimento, con i quali ho condiviso le giornate in questi tre anni di dottorato, per avermi trattato come uno di loro, con leggerezza e disponibilità. Infine, ma certamente non per ultimi, voglio ringraziare i due professori con i quali ho collaborato, Ennio Gambi e Franco Chiaraluce, per tutto ciò che mi hanno insegnato e per avermi onorato con la loro amicizia oltre che con la loro profonda cultura. Fabrizio v

6 Introduzione vi

7 Abstract Introduzione Among the objectives of technological innovation, the aim of improving people quality of life certainly plays a primary role. This is the context and goal of telemedicine, defined as "the provision of health services, when the distance is a critical factor, so making necessary the use of information technology and telecommunications, in order to exchange information useful for the diagnosis, treatment and prevention of disease. Modern communication technologies now make it possible to combine some aspects of telemedicine with the latest developments in automation technologies, to create real "smart homes" where appropriate devices (smart objects) contribute to the quality of life of frail persons, increasing their safety, comfort and independence. In this context, it is of interest to investigate the possible interactions and synergies between devices and communication systems, in order to realize the integrated solutions of assistive domotics. Some solutions and original studies have been therefore proposed, in particular related to the system architecture, communication technologies, and signal processing for some types of sensors. Among the possible systems, we examined the design of a solution based on the Multimedia Home Platform (MHP) for Assistive Home Automation. With the advent of Digital Terrestrial Television, MHP has become the standard for interactive applications that can, among other things, enable the integration of biomedical devices, dedicated to clinical parameters monitoring, via a common home Set Top Box. Among the functional aspects of this solution, the short-range communication technologies were taken into account, and an innovative technique, based on hybrid position and amplitude modulation, joint the use of ultrashort pulses, has been proposed. vii

8 Introduzione viii

9 Indice Introduzione Capitolo 1 Sistemi di telemedicina Generalità della telemedicina Intregrazione domotica-telemedicina Architettura del sistema Soluzione proposta (MHP) Capitolo 2 Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Soluzioni standard Bluetooth Bluetooth Low Energy ZigBee Proposte industriali (LEACH, PEGASIS, ANT, MICS, WMTS) Proposte scientifiche TBCD-TDM (Time Based Coded Data -Time Division Multiplexing) La tecnica UWB-PPAM Requisiti di sistema e proposta Architettura del trasmettitore Architettura del ricevitore Risultati numerici e discussione Capitolo 3 Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Introduzione sui sensori panoramica ISSYS: impiantabili per CHF (Congestive Cardiac Failure) AD Istruments Sistema per la misura a distanza SENSIMED Hyper-IMS (Intravascular Monitoring System) Sensore Glicemico Impiantato MICROWORMS GLUCOCHIP Cyber Medical Ltd: Implantable Glucose Cyber Sensor Sensori UWB per la rilevazione della frequenza respiratoria Rilevazione dei parametri vitali attraverso radar UWB Introduzione ai sensori UWB I radar UWB nel settore medico Sistemi Ultra Wide Band per monitorare la respirazione Cenni sul modello matematico utilizzato, impiego dei segnali sinusoidali Tracciato respiratori reali Digitalizzazione dei tracciati respiratori ix

10 Indice Capitolo 4 Alimentazione elettrica dei sensori Termogeneratori Soluzioni commerciali Soluzioni piezoelettriche Bibliografia x

11 Elenco delle figure 1.1. Architettura del sistema proposto per la fornitura di servizi di assistenza sanitaria remota su piattaforma DVB-T Struttura di una Implantable Wireless Body Sensor Network Assegnazione delle frequenze per WBAN Possibili impieghi del protocollo ANT Topologia di rete a stella Master/Slave, con tecnica TDM ciclica (a) Modello di Sensore, (b) Modello di Base Station Un esempio con tre sensori che illustra il meccanismo del protocollo TBCD Risultati della simulazione nell esempio con tre sensori Simulazione dell esempio di tre sensori con dati rappresentati da 3-bit Confronto della probabilità BER (Bit Error Rate) per 4PPAM, 4PPM e 4PAM, con bit rate=100 Mbps e 100 Kbps Forme d onda UWB-4PPAM Segnale 4PPAM Andamento della BER di un segnale 4PPAM per diversi valori di bit rate Schema a blocchi del trasmettitore Timing in trasmissione della WBAN di sensori Schema a blocchi del ricevitore Robustezza della sequenza di Gold rispetto a eventuali chip corrotti all interno della sequenza. Da 1/31 fino a 5 /31 errori sopportati per ogni sequenza Schemi dei modelli di Tx e Rx realizzati in Simulink Confronto di PI TH e PIc nel caso di 2, 3, 6 e 10 sensori, e NS= BER performance per T PPAM =2ns, T rt =1s N s =64 e c j selezionati casualmente BER performance per T PPAM =2ns, T rt =1s N s =64 e c j costante Generazioni di sensori ISSYS per la misura della pressione a confronto Telemetro a Biopotenziale adatto per la misurazione di ECG, EEG, EOG, EMG e della temperatura negli animali da 200 g in su SENSIMED Triggerfish : Monitoraggio continuo della pressione intraoculare Dispositivo di monitoraggio intravascolare della pressione sanguigna arteriosa Sensore impiantabile di pressione che utilizza la tecnologia RFID Il sensore con il sistema integrato di telemetria prima di essere impiantato Glucochip: Integrated Sensor Device Design Sensore impiantabile di glucosio Spettro di un segnale UWB confrontato con altri sistemi Limiti in applicazioni indoor ed outdoor per il livello di emissione di un radar UWB Radar UWB in un reparto di terapia intensiva Parete toraco-addominale con i vari compartimenti evidenziati e i marker posizionati sulla superficie Report fornito dal sistema Oep Report pletismografia optoelettronica, Aliverti Timing chart of the gated CT: (a) forma d onda della respirazione del paziente xi

12 Elenco delle figure 3.16 Comparazione del movimento del marker esterno (verde) con quello della lesione tumorale (blu) Gating respiratorio con strumentazione Varian Tracciato respiratorio usato durante la Risonanza Magnetica Andamento del segnale respiratorio ottenuto Segnale respiratorio del soggetto Movimento reale del torace e movimento simulato con una sinusoide Dati di setup nella nuova simulazione Risultati della simulazione Confronto tra la forma d onda ricostruita e quella reale Panoramica dell energy harvesting Microturbina realizzata dai ricercatori dell Università di Berna, Svizzera Sistemi Energy Harvesting a nano-tubi di peptide Sistema di generazione dell energia termica Cella di Peltier a) Orologio Thermic Watch della Seiko, b) rappresentazione in sezione, c) e d) particolari del modulo elettrotermico, (R. Shih, 2008) Thermo Life confrontato con un penny e schema di funzionamento del termo generatore Elementi termoelettrici micro fabbricati (Micropelt) e dispositivo completo (RTI) Hybrid Electric Energy: Self-Charging Power Cell Converts and Stores Energy in a Single Unit Immagine SEM di cristalli (nanofili) di ZnO su un substrato solido conduttore Innesco del fenomeno piezoelettrico I nanofili metallici della fibra di Kevlar scorrono su quelli non coatizzati dell altra Prospettive di Nanogeneratori per harvesting di energia meccanica e potenziali applicazioni future Componenti di una nuova cella ad energia piezoelettrica auto caricabile. Il disco chiaro al centro è il film piezoelettrico che funziona come una pompa di carica per gli ioni di litio xii

13 Introduzione La presente tesi documenta il lavoro di ricerca, svolto nei tre anni di dottorato, intrapreso come aggiornamento professionale per la mia attività di insegnante di scuola media secondaria. Un attenzione particolare è stata quindi data, durante tutto il periodo, nel selezionare tutti quegli argomenti che potessero avere una ricaduta, se pure indiretta, sulle lezioni che presto tornerò a fare ai miei alunni. Tra questi un interesse particolare hanno suscitato in me la domotica e la telemedicina infatti, tra gli obiettivi attualmente condivisi dell innovazione tecnologica, migliorare la qualità della vita riveste sicuramente un ruolo di primaria importanza. In questa prospettiva, da tempo, gli enti di ricerca, da una parte, e le industrie, dall altra, hanno incentivato importanti programmi di sviluppo nelle suddette aree. Al centro dell attenzione è stato posto il cittadino, con particolare riferimento alle categorie, prime fra tutte le persone anziane, disabili o malate, che presentano maggiori necessità di assistenza e di supporto alle esigenze della realtà quotidiana. Il concetto di domotica è strettamente collegato a quello di casa intelligente, vale a dire di un ambiente domestico entro cui un utente fragile (come viene solitamente definito chi appartiene alle precedenti categorie) può vivere in modo attivo e indipendente, usufruendo, tra l altro, di una serie di oggetti e dispositivi (smart objects) in grado di semplificare le operazioni più comuni e, allo stesso tempo, importanti: dagli interruttori per l accensione delle luci o l apertura di porte e cassetti, ai sensori di presenza, ai dispensatori di medicine, e così via. Tra questi dispositivi, devono senz altro essere considerati anche quelli preposti al monitoraggio della salute dell utente, sia in termini di rilevazione di eventuali comportamenti anomali, che possano evidenziare situazioni di disagio o di pericolo, sia quelli finalizzati ad identificare i sintomi di qualche malattia incipiente, sia quelli in grado di monitorare lo stato di una patologia o la sua evoluzione, pur in assenza di personale sanitario. È in quest ultimo ambito, in particolare, che si colloca la telemedicina. L Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) già nel 1997 adottava la seguente definizione: "La telemedicina é l'erogazione di servizi sanitari, quando la distanza é un fattore critico, per cui é necessario usare, da parte degli operatori, le tecnologie dell'informazione e delle telecomunicazioni al fine di scambiare informazioni utili alla diagnosi, al trattamento ed alla prevenzione delle malattie e per garantire 1

14 Introduzione un'informazione continua agli erogatori di prestazioni sanitarie e supportare la ricerca e la valutazione della cura". Tale definizione pone dunque in evidenza come l ICT (Information Communication Technology) possa fornire gli strumenti tecnici per implementare l assistenza continuativa e a distanza, con enormi vantaggi per l intera collettività. E in uno scenario di questo tipo che si colloca il presente lavoro di dottorato. In esso le varie componenti che rendono possibile la realizzazione di un sistema integrato di telemedicina, dalla rilevazione del dato tramite sensori, alla sua acquisizione da un unità centrale (Base Station) attraverso trasmissioni a corto raggio, al suo invio ad unità remote (ad esempio, un centro medico) sono state analizzate e discusse. In considerazione dell elevata quantità di componenti già disponibili sul mercato, una parte significativa dell attività è stata riservata all esame delle soluzioni standard e commerciali. Ciò anche allo scopo di verificare l implementabilità e l efficienza delle soluzioni già disponibili. Tra le ricadute della ricerca, vi è stata la possibilità di utilizzare le risultanze dell indagine per rispondere a bandi regionali e nazionali proprio incentrati sulle tematiche in oggetto. Allo stesso tempo, in sintonia con gli obiettivi del Dottorato di Ricerca, sono state proposte alcune soluzioni e alcuni studi originali, in particolare per quanto riguarda l architettura del sistema, le tecnologie di comunicazione e l elaborazione dei segnali per alcune tipologie di sensori. L idea centrale del lavoro è nata studiando sensori biomedicali impiantabili, o indossabili, da inserire nel progetto di una soluzione, basata su Multimedia Home Platform (MHP), per Assistive Home Automation. Con l avvento della Televisione Digitale Terrestre (DTT), MHP è diventato lo standard di riferimento per le applicazioni interattive che potranno consentire l integrazione di apparati biomedicali, dedicati al monitoraggio di parametri clinici, attraverso un comune decoder domestico. Questa soluzione è stata quindi analizzata nel dettaglio, considerando le problematiche tecnologiche poste dall integrazione dei diversi servizi. Ciò ha consentito, nel Capitolo 1, di formalizzare le procedure di progettazione di un sistema di telemedicina basato su tale tipologia di architettura. Nel Capitolo 2 sono state prese in esame le tecnologie di comunicazione a corto raggio. Accanto alle soluzioni standard e commerciali, è stata proposta una tecnica innovativa, basata sulla modulazione (ibrida) di posizione e di ampiezza (PPAM: Pulse Position Amplitude Modulation) e sull utilizzo di impulsi ultracorti (UWB: Ultra Wide Band), con ottime prestazioni sia dal punto di vista della semplicità del trasmettitore che della limitazione dei consumi. 2

15 Introduzione Il Capitolo 3 è dedicato ai sensori. Accanto ad una panoramica delle tecnologie disponibili, e che sono state classificate e comparate sulla base delle loro proprietà funzionali e strutturali, collegate al tipo di dato da monitorare, si è fornito un contributo ad un attività di ricerca parallela, sviluppata nell ambito del Dipartimento di Ingegneria dell Informazione dell Università Politecnica delle Marche, e dedicata allo sviluppo di sensori UWB per il monitoraggio del segnale respiratorio. Infine, considerata l importanza del risparmio energetico in un contesto quale quello in esame (e non solo), nel Capitolo 4 si sono forniti alcuni elementi introduttivi ai fini della caratterizzazione di metodi alternativi di alimentazione elettrica, del tipo energy harvesting o scavenging. I risultati della ricerca hanno dato luogo ad alcune pubblicazioni scientifiche, i cui estremi sono riportati in bibliografia ed i cui contenuti sono descritti in dettaglio nell ambito dei vari capitoli. 3

16 Introduzione 4

17 Capitolo 1 Sistemi di telemedicina 1.1 Generalità della telemedicina Il termine telemedicina si presta a diverse definizioni a seconda degli aspetti della disciplina su cui ci si vuole concentrare. Tutte le possibili formulazioni convergono comunque nell'idea che non sia il paziente a doversi spostare, ma le informazioni, attraverso la loro trasmissione in tempo reale tra medico e cittadino o tra gli addetti ai lavori, grazie a sistemi di comunicazione di tipo telematico/informatico. Tra le definizioni più autorevoli si annovera quella della Comunità Europea [1], per cui la telemedicina è: l integrazione, monitoraggio e gestione dei pazienti, nonché l educazione dei pazienti e del personale, usando sistemi che consentano un pronto accesso alla consulenza di esperti ed alle informazioni del paziente, indipendentemente da dove il paziente o le informazioni risiedano. L'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS)[2] invece qualifica la telemedicina come: erogazione di servizi sanitari, quando la distanza è un fattore critico, per cui è necessario usare,da parte degli operatori, le tecnologie dell'informazione e delle telecomunicazioni, al fine di scambiare informazioni utili alla diagnosi, al trattamento ed alla prevenzione delle malattie e per garantire un'informazione continua agli erogatori di prestazioni sanitarie e supportare la ricerca e la valutazione della cura. Sfruttando quindi questo potente strumento in ogni branca della medicina, è possibile offrire ai cittadini servizi di assistenza socio-sanitaria in un'ottica di miglioramento della qualità offerta e di soddisfazione del utente. Più in generale, la telemedicina può trovare specifiche modalità d'intervento nelle varie fasi del processo assistenziale: prevenzione, diagnosi e terapia. L invecchiamento della popolazione, dovuto all allungamento della vita media, è un fenomeno con risvolti sociali inevitabili e che si riflettono in termini di problematiche sanitarie non trascurabili: la maggior parte dei ricoveri ospedalieri si concentra nella fascia di età al di sopra dei 45 anni, con una maggiore incidenza nella fascia oltre i 75 anni di età. Con l incremento dell età media della popolazione europea si stima una crescita esponenziale del numero di persone colpite da malattie croniche: entro il 2051 più del 40% della popolazione avrà un età superiore ai 65 anni e la percentuale delle persone over 80 anni subirà un aumento considerevole 5

18 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina (dal 3% di oggi al 10% entro il 2051). Questo comporterà un aumento della spesa necessaria per la cura delle persone che soffrono di malattie croniche. Considerato l incremento del numero di soggetti che ricadono in queste fasce d età, diventa prioritario per i sistemi sanitari nazionali individuare strategie a supporto dell assistenza domiciliare remota, per ridurre i costi legati alla ospedalizzazione ma anche alla movimentazione di mezzi e operatori assistenziali. Lo scenario di mercato della telemedicina si può dividere in due tipi di applicazioni distinte fondamentalmente per il loro indirizzo: Doctor to Doctor (D2D) e Doctor to Patient (D2P). Nel profilo Doctor to Doctor la comunicazione avviene tra dottore ed ospedale, o tra dottore e dottore, per lo scambio di opinioni mediche sanitarie che possano influenzare l esito diagnostico di un paziente, come ad esempio il consulto con centri specialistici di elevato livello, o la formazione a distanza. Le applicazioni di tipo Doctor to Patient, riconducibili a sistemi di Home Care, sono utilizzabili in quei casi in cui il paziente necessita di un controllo periodico di parametri vitali, come accade per la de-ospedalizzazione precoce, nel caso di malattie croniche, oppure per fornire un supporto psicologico. In questo ambito rientrano servizi quali: 1. Tele monitoraggio, che si concentra sulla misurazione dei parametri vitali essenziali per garantire il controllo dello stato di salute del paziente. Il sistema deve permettere al paziente di beneficiare della visita medica da remoto nella propria dimora, senza dover spendere lunghi periodi di tempo e di attesa in clinica o in corsie ospedaliere, per controlli post operatori o controlli periodici legati a patologie croniche. E possibile misurare correttamente parametri quali ECG (elettrocardiogramma), pressione del sangue, saturazione di ossigeno, frequenza cardiaca, temperatura corporea, etc. 2. Tele conforto, indicato in quei casi in cui il supporto psicologico è di fondamentale importanza per la salute mentale e fisica del paziente. Questo servizio può riguardare quindi il paziente portatore di handicap, l anziano che vive da solo, casi di igiene mentale o anche di malattie gravi dove la presenza confortante di un medico è essenziale per lo spirito e la qualità della vita del paziente. Nelle applicazioni di Home Care la possibilità di fornire una connessione video consente di mantenere il legame che si instaura tra medico e paziente anche a domicilio; il personale medico può vedere l assistito nell atto del rilevamento dei parametri vitali, verificando che gli apparati elettromedicali siano posizionati in modo giusto e che i dati prelevati siano quindi affidabili. Questo d altra parte rappresenta un miglioramento qualitativo e psicologico, in quanto il paziente si sente 6

19 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina seguito e curato dal medico o personale sanitario a casa sua, tra l affetto dei propri cari, e in tempo reale, come se la visita avvenisse nello studio o nel letto dell ospedale. Il tele monitoraggio si presenta particolarmente utile nel caso di individui affetti da malattie croniche, come il diabete e l'insufficienza cardiaca cronica. Molti di questi pazienti, spesso anziani, necessitano di un controllo regolare a motivo della durata prolungata della loro malattia, la natura delle loro condizioni di salute e le medicine che utilizzano. Il tele monitoraggio è utile sia ai pazienti che ai professionisti della sanità: il suo impiego può consentire il depistaggio di sintomi e parametri abnormi prima che il paziente si sottoponga ad una consultazione d'emergenza, permettendo così l'adozione di misure correttive prima che appaiano complicazioni più gravi. Esso può anche dar luogo a visite meno frequenti alle infrastrutture sanitarie, aumentando così la qualità di vita dei pazienti; può contribuire alla riorganizzazione e riassegnazione delle risorse sanitarie, ad esempio riducendo le visite in ospedale e contribuendo così a rendere più efficienti i servizi sanitari; è dimostrata la sua capacità di aumentare la qualità dell'assistenza ai pazienti, in particolare cronici. In un contesto costituito dall'invecchiamento della popolazione e dall'onere crescente rappresentato dalle malattie croniche, i vantaggi di una sua più ampia applicazione sono determinanti. Negli ultimi anni, sono stati studiati e sviluppati diversi sistemi per interfacciare in remoto i pazienti con i medici, i tradizionali progetti di tele-home care utilizzano generalmente: 1. sistemi PC-based: un personal computer collegato a semplici apparecchi necessari per l acquisizione dei segnali biomedici; 2. complessi apparati ad-hoc: un unico sistema complesso hardware/software per l acquisizione e la trasmissione degli esami. Nel primo caso, l interfacciamento delle apparecchiature elettromedicali con un computer offre numerosi vantaggi: riduzione della complessità dell apparecchiatura medicale; eliminazione di pulsanti e display nella strumentazione, in quanto sostituiti interamente dalle unità periferiche di input/output del PC; visualizzazione in tempo reale di tutti i parametri vitali acquisiti; elaborazione in tempo reale e possibilità di diagnosi automatica; memorizzazione di tutti i dati storici del paziente in appositi database; connessione alla rete internet già integrata nel sistema, senza necessità di interfacce apposite. 7

20 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina I principali svantaggi dei sistemi che utilizzano il PC e, a maggior ragione, dei complessi dispositivi dedicati sta nel fatto che possono sembrare poco convenienti dal punto di vista economico e troppo complicati da poter essere gestiti da persone anziane, le quali rappresentano il vero target del tele-home care. In effetti, l uso di un computer presuppone la necessità di installare il software, richiamare i programmi, interpretare i messaggi, ecc., e ciò richiede una conoscenza delle basi della informatica non tanto diffusa tra le persone anziane. Un interessante alternativa è rappresentata dall impiego del decoder e del televisore come terminale intelligente: la televisione digitale terrestre (DVB-T) è sotto sperimentazione in Europa ed entro il 2012 verrà realizzato il completo swicth-off dalla televisione analogica, il DVB-T sarà l unico sistema televisivo terrestre. Attraverso l utilizzo del set-top box (noto comunemente come decoder ), anche gli attuali televisori possono essere utilizzati con il digitale terrestre. Inoltre, dal momento che sono abbastanza economici, i set-top box sono ormai presenti in tutte le abitazioni (obbligatoriamente dalla fine 2012 in tutta Europa). Il set-top box ha tutte le caratteristiche necessarie per svolgere i compiti richiesti a un PC nei sistemi di telemedicina, in quanto è dotato di un sistema operativo e di un linguaggio di programmazione (Java Tv), di un modem per la connessione alla rete telematica, di una porta seriale RS-232 e di uno slot per smart card; inoltre come tastiera utilizza il telecomando e come monitor il televisore. Considerando la grande diffusione delle apparecchiature televisive nelle famiglie, si può prevedere che il digitale terrestre sarà in grado di veicolare anche le applicazioni innovative nell area dei servizi pubblici (servizi sanitari, fiscali, sistemi di pagamento bancari e postali attraverso la firma digitale), che al momento si stanno diffondendo sulla rete Internet. 1.2 Integrazione domotica-telemedicina Tecnologie avanzate per la domotica e l'intrattenimento stanno diventando sempre più comuni nelle moderne abitazioni. Quando sono disponibili, tuttavia, i diversi servizi spesso coesistono come entità separate nell ambiente domestico, ognuno dei quali viene gestito attraverso dispositivi e protocolli specifici. Sono stati rilasciati molti standard per lo scambio di dati di domotica, come, ad esempio: European Installation Bus (EIB), European Home System (EHS), Open Services Gateway Initiative (OSGi), Home Audio Video Interoperability (HAVI), e 8

21 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina altri. Inoltre possono essere adattati dei protocolli industriali per soddisfare le applicazioni domotiche, come, ad esempio, DeviceNet, Profibus, protocolli standard CAN (Controller Area Network) e RS485. Essi sono concepiti per la connettività a breve distanza e basso costo di sensori e attuatori, quindi si adattano bene al contesto delle applicazioni di home networking. Qualsiasi soluzione di automazione domestica deve soddisfare alcuni requisiti di base per garantire il comfort e la fiducia dell'utente. Tra questi: facilità d'uso, continuità del servizio, affidabilità e costi contenuti. Una volta che questi obiettivi sono soddisfatti, una soluzione di automazione domestica correttamente progettata può anche permettere il risparmio energetico, oltre ad una gestione comoda ed efficiente. I principali elementi di domotica sono sensori e controller. I sensori controllano diversi parametri legati all'ambiente domestico, e traducono le loro variazioni in segnali che si modificano di conseguenza. I controller processano i segnali generati dai sensori e le configurazioni dell'utente e inviano appositi comandi agli attuatori ubicati in ambiente domestico. Tra le numerose attività di ricerca promosse nel campo delle Home Area Networks (Hans), il progetto europeo OMEGA [3], [4] sta indagando su una evoluzione possibile delle tecnologie di rete per i futuri servizi di intrattenimento, attraverso la progettazione di Inter-Medium Access Control (MAC). Molti sforzi sono stati fatti per far convergere tecnologie fisiche eterogenee in un quadro unico e coerente, ma fino ad ora non sono state raggiunte soluzioni significative. L'architettura perseguita è una rete domestica della capacità di Gbps, necessaria per garantire la qualità attesa dall'utente, costruita su collegamenti radio, combinati con una Power Line Communication (PLC) - basata su infrastrutture di backup -, in modo tale da non dover inserire "nuovi cavi" all'interno della casa. Diversi approcci sono stati presentati per unificare i diversi sotto-sistemi, e risparmiare risorse. Tra le ultime proposte, alcune suggeriscono l'adozione dello standard Multimedia Home Platfom (MHP) come tecnologia abilitante per un'effettiva interoperabilità. MHP, sviluppato dal consorzio Digital Video Broadcasting (DVB), è lo standard di riferimento per le applicazioni interattive DTT (Digital Terrestrial Television), si tratta di un ambiente basato su Java che definisce una generica interfaccia tra le applicazioni ed i Set Top Box (STB). Applicazioni MHP, fruibili attraverso il Transport Stream (TS) MPEG2 su un canale radio, o residenti nel STB, possono accedere e sfruttare le risorse hardware dell' STB, invocando API (Application Programming Interface) specifiche. 9

22 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina Considerando lo scopo principale dei decoder DTT (cioè, di ricevere e decodificare segnali audio / video), la loro natura basata su Java, la possibilità di eseguire piccole applicazioni, e le interfacce di comunicazione in genere disponibili, i ricevitori MHP compatibili potrebbero rappresentare dei buoni candidati come dispositivi di gestione unificata, negli ambienti domestici dove sono presenti multimedia, automazione, e apparecchi di assistenza. Il Set Top Box consentirà anche l integrazione di dispositivi elettromedicali dedicati al monitoraggio dei parametri clinici di particolari categorie di soggetti affetti da differenti patologie. Gli apparati biomedicali agiscono come sorgenti dati che vengono trasferiti prima alla rete interna e poi inoltrati verso quella esterna, consentendo di monitorare le condizioni di salute dell utente. Inoltre, i decoder MHP presentano una interfaccia molto familiare e facile da usare, cioè il monitor TV e il telecomando, che li rende preferibili a tecnologie più complesse, quali PC o controllori di automazione, in particolare nella progettazione di servizi mirati a specifici utenti, come le persone anziane o disabili. L'applicazione MHP sviluppata è destinata ad arricchire un ricevitore DVB-T commerciale con la capacità di svolgere funzioni di controllo, per la gestione di un sistema domotico, attraverso un'interfaccia grafica molto amichevole e intuitiva. Inoltre, il ricevitore MHP è personalizzato per consentire lo streaming di segnali video da un videocitofono esterno, o una periferica di acquisizione video per interni, utilizzando la rete dati domestica. In questo modo, il televisore tradizionale può essere utilizzato come unità monitor, per controllare gli ambienti domestici esterni o interni, anche rimanendo seduti sul divano e guardando i normali programmi televisivi. Infine, grazie al fatto che le comunicazioni audio e video vengono gestite per mezzo di una struttura SIP (Session Initialization Protocol), il segnale video in entrata, generato da un citofono esterno, può essere consegnato a chiunque con il compito di monitorare e assistere l'utente domestico, al fine di verificare la sua sicurezza. 10

23 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina 1.3 Architettura del sistema Il sistema proposto [5] si configura come un Set Top Box evoluto, in grado di interfacciare sistemi esistenti e tecnologie consolidate nella distribuzione di contenuti audio/video, come il broadcast televisivo in tecnologia digitale terrestre (DVB-T) o lo streaming di contenuti multimediali su IP (Internet Protocol). Gli apparati biomedicali solitamente utilizzano transceivers Bluetooth (in quanto quelli disponibili sul mercato, e certificati, sono quasi esclusivamente di questo tipo) e formano una PAN (Personal Area Network) interfacciata con il Set Top Box. Siamo interessati a valutare la possibile integrazione di biosensori molto innovativi, impiantabili nel corpo umano, che possono raccogliere e trasferire i dati relativi alla salute, anche senza la necessità di alcuna azione da parte dell utente. L obiettivo di questa ricerca è tentare di sfruttare una tecnologia tradizionale, e ormai familiare ai più, ovvero la televisione, per gestire in maniera semplice e intuitiva dispositivi che poco hanno a che fare con la televisione stessa, ma che spesso sono di uso necessario e frequente per specifiche categorie di soggetti, tipicamente anziani, spesso affetti da patologie che richiedono un monitoraggio costante di determinati parametri clinici. La possibilità di poter visualizzare in maniera semplice e immediata il proprio stato di salute sul monitor televisivo e di poter, altrettanto semplicemente, interagire con i dispositivi elettromedicali usati per il monitoraggio del proprio stato di salute potrebbe costituire un importante aiuto per quei soggetti che, per motivi diversi, legati all età, al grado di scolarizzazione, allo stato di salute stesso, non possono, o non vogliono, apprendere il funzionamento di dispositivi più complessi da gestire. La disponibilità di un Set Top Box evoluto, in grado di interfacciare i dispositivi elettromedicali e di acquisire il segnale televisivo digitale, potrà poi aprire la strada alla erogazione di una vasta gamma di servizi da parte di operatori medici, enti sanitari pubblici e/o privati, enti e organizzazioni assistenziali, anche nella prospettiva di ampliare la platea di possibili fruitori di assistenza sanitaria domiciliare, che consentano una riduzione dei costi legati all ospedalizzazione e alla mobilità degli operatori. 11

24 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina Figura 1.1 Architettura del sistema proposto per la fornitura di servizi di assistenza sanitaria remota su piattaforma DVB-T. 1.4 Soluzione proposta (MHP) Il sistema proposto, rappresentato schematicamente nella figura 1.1 è composto principalmente da: una prima parte situata a casa del paziente; una seconda parte situata in un centro medico. A casa del paziente il sistema è composto da: un apparato televisivo in grado di ricevere le applicazioni interattive del digitale terrestre, quindi un set-top box per DVB-T con il suo telecomando, un televisore e un antenna; una linea telefonica per la trasmissione dei dati; una smart card personale del paziente da inserire nel set-top box per la sua autenticazione e per la configurazione dei parametri necessari alla connessione con il centro medico; un apparato elettronico (base station) per l acquisizione dei segnali biomedici. Attraverso i mezzi di trasmissione forniti da un emittente televisiva (broadcaster), il set-top box riceve un applicazione (Xlet) in grado di gestire la base station, di visualizzare sullo schermo TV gli esami acquisiti e di inviarli ad un centro medico. 12

25 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina Il set-top box DVB-T è come un computer, caratterizzato da un canale d ingresso per l utente (il telecomando), un canale di uscita (attraverso lo schermo TV) e alcune porte per l interfacciamento con altri dispositivi, nominalmente una porta seriale (RS-232) e un connettore RJ-11 per la linea telefonica (dal momento che il set-top box ha un modem interno), oltre ai tradizionali connettori audio/video. La parte del sistema situata nel centro medico remoto è composta da: un PC connesso a Internet e che agisce da server per la ricezione degli esami effettuati dal paziente; un programmatore di smart card. 13

26 Capitolo 1. Sistemi di telemedicina 14

27 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Capitolo 2 Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Una rete di biosensori può essere impiantata in un corpo umano per monitorare, diagnosticare o come protesi; un biosensore può rilevare, registrare e trasmettere informazioni relative a cambiamenti fisiologici nel suo contesto. Una WBSN (Wireless Body Sensor Network) è una rete, senza fili, di nodi sensori intelligenti, in grado di raccogliere informazioni dal corpo (quali temperatura, tasso di glucosio nel sangue, pressione arteriosa, ECG, etc.), elaborarle e trasmetterle wireless ad una Base Station (BS) all esterno, ma nelle vicinanze. Una rete di biosensori impiantabili è fondamentalmente differente dalle altre reti wireless: i sensori hanno una fonte continua, ma molto ridotta, di energia e quindi questo vincolo richiede l'impiego di un protocollo di comunicazione ad alta efficienza energetica. Figura 2.1 Struttura di una Implantable Wireless Body Sensor Network. Diverse ricerche e attività industriali sono attualmente in corso nell'ambito delle BANs (Body Area Networks ) per applicazioni biomediche e sanitarie [6], [7], [8]. In questi campi, la disponibilità di una tecnologia di trasmissione che consenta una facile implementazione, impieghi dispositivi a basso costo, ed abbia lunga durata delle batterie, potrebbe rappresentare una risorsa che permetterebbe una adozione su larga scala di dispositivi impiantabili per la gestione della salute. La tecnologia di comunicazione Ultra Wide Band (UWB) utilizza segnali con una 15

28 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station larghezza di banda molto ampia oltre ad una densità di potenza spettrale molto bassa: queste caratteristiche rendono la tecnologia molto interessante in vari campi di applicazione [9]. I sistemi UWB più comuni si basano sulla trasmissione di impulsi molto brevi, il tempo di durata dei quali è inferiore 1ns (impulso radio) sia per trasmissioni in banda base che modulando una portante RF. Tali sistemi wireless evidenziano una ridotta complessità, bassi consumi di energia e data rate piuttosto alti. La tecnologia di comunicazione con impulsi radio UWB standardizzata nelle raccomandazioni IEEE802.15a risulta essere molto robusta e particolarmente efficace per applicazioni alle BANs. Grazie al livello di radiazione molto basso, che permette la coesistenza con altri sistemi di comunicazione tradizionali e riduce l impatto sulla salute dell uomo, e la intrinseca robustezza verso le interferenze e i cammini multipli, UWB appare di grande interesse come tecnologia di riferimento per applicazioni biomedicali, in cui una lunga durata delle batterie che forniscono alimentazione è un aspetto critico. Oltre a tutte queste caratteristiche, la comunicazione UWB rappresenta un candidato interessante per fornire elevata velocità di trasferimento dati, anche in futuro, nelle applicazioni all interno del corpo umano. Quando si utilizza UWB, la maggior parte della complessità è dal lato ricevitore e permette quindi la realizzazione di un trasmettitore di potenza e complessità ultra basse in uplink (dal sensore impiantato al master). Inoltre, la complessità hardware ridotta di un trasmettitore UWB offre il potenziale per bassi costi e soluzioni altamente integrate. Dispositivi impiantabili UWB wireless abilitati, come defibrillatori cardiaci, potrebbero essere fondamentali per i pazienti affetti da patologie specifiche, ma anche necessari per garantire una qualità accettabile della salute e della vita [10]. Nella Fig.2.2 è rappresentata l'assegnazione dello spettro delle frequenze per WBAN, in essa sono evidenziate le bande approvate dalla FCC per MICS (Medical Implant Communication Service) e WMTS (Wireless Medical Telemetry Service). Una soluzione prototipo che implementa un sistema di comunicazione WBAN basato su queste tecniche è descritto in [11]. Come mostrato nella figura, MICS e WMTS sono posizionati su una banda con licenza, ma la larghezza di banda assegnata non consente una velocità di trasmissione molto elevata. 16

29 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Fig. 2.2 Assegnazione delle frequenze per WBAN. Per superare questo problema, IEEE ha recentemente approvato lo standard per reti locali e metropolitane. La parte 15.6, Wireless Body Area Network [12] comprende tre diverse specifiche di livello PHY: Banda stretta, Ultra Wide Band, e la Human Body Communication. Oltre alla sforzo di standardizzazione promosso da IEEE, molto lavoro è stato sviluppato al fine di provare e testare tecnologie alternative, in grado di ridurre i costi e complessità, e per prolungare la durata della batteria del sensore. Come esempio, la progettazione di un protocollo di comunicazione ottimizzato per piccoli burst di dati consente una forte riduzione del consumo di energia in Bluetooth Low Energy (BLE) [13]. Allo stesso tempo, altri protocolli nati da iniziative industriali, come ANT, sono in grado di soddisfare il fabbisogno energetico dei dispositivi sanitari, fornendo al tempo stesso componenti a basso costo [14]. Come ulteriore esempio di un approccio alla riduzione dei requisiti di potenza del ricetrasmettitore del sensore si può citare il TBCD-TDM (Time Based dati codificati - Time Division Multiplexing) [15]. Anche in questa proposta viene presentata una ottimizzazione del protocollo che produce una riduzione del fabbisogno energetico, rispetto al ZigBee. Infine si propone uno schema di trasmissione UWB-4PPAM, che consente una forte riduzione della complessità del sistema, al tempo stesso mantenendo i requisiti di robustezza e potenza tipici di UWB. Nelle pagine seguenti verranno illustrate le diverse modalità di trasmissione delle varie soluzioni analizzate e le loro principali caratteristiche. 17

30 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station 2.1 Soluzioni standard Bluetooth Bluetooth è uno standard di comunicazione radio a corto raggio tramite il quale si possono connettere dispositivi elettronici in modalità wireless. La tecnologia Bluetooth opera nella banda di frequenze tra 2.4 e 2.5 GHz, denominata ISM (Industrial Scientific Medical), libera da ogni licenza di utilizzo. Bluetooth usa una tecnica trasmissiva di tipo FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum a spettro espanso con salti di frequenza), in cui la frequenza non è fissata ma varia tra 79 frequenze diverse (hopping) ad intervalli regolari, secondo una sequenza pseudocasuale. Ciò consente di contrastare meglio l'interferenza e il fading, un affievolimento del segnale causato da ostacoli riflettenti interposti tra trasmettitore e ricevitore (in queste condizioni, infatti, la radiazione emessa si propaga e raggiunge l'antenna ricevente seguendo cammini diversi, che producono attenuazioni differenti e sfasamenti casuali; la ricomposizione di questi contributi all'antenna ricevente genera un segnale la cui ampiezza può fluttuare anche molto fortemente). Il raggio di trasmissione varia in base alla classe, da 1 m a 100 m, distanze limitate dall'esigenza di contenere la potenza di trasmissione e, di conseguenza, il consumo di energia. Questo fatto risulta particolarmente importante se si pensa di usare la tecnologia Bluetooth per la connessione di dispositivi alimentati da batteria per i quali l'autonomia è un requisito critico. Altre caratteristiche importanti sono l'ingombro ridotto, la sicurezza delle connessioni ed il basso costo. Tutte queste caratteristiche rendono la tecnologia Bluetooth particolarmente adatta alle reti mobili ad hoc e ad oggi quasi tutti i dispositivi in commercio integrano un interfaccia Bluetooth. Le reti topologicamente più semplici, che possono essere formate usando dispositivi Bluetooth, vengono dette piconet. Lo standard Bluetooth prevede la possibilità di attuare l'autenticazione tra dispositivi e la crittografia della trasmissione. L'autenticazione è ottenuta usando una chiave segreta condivisa fra due apparati, detta link key, e avviene secondo un meccanismo a sfida e risposta (challenge/response) tra un dispositivo richiedente e un verificatore dell'autenticazione. Se ha successo, la procedura viene ripetuta a ruoli invertiti, permettendo l'autenticazione reciproca. La link key viene stabilita durante una particolare sessione di comunicazione chiamata pairing, che può richiedere l'inserimento di un PIN (Personal Identification Number) da parte dell'utente. Si dice che i due dispositivi sono accoppiati (paired) quando condividono una link key 18

31 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station precedentemente negoziata. La crittografia è basata su una chiave a 128 bit, diversa dalla link key e ricavata da quest'ultima, dall'indirizzo fisico del dispositivo e da un numero casuale. Le aziende produttrici di health device hanno adottato Bluetooth come tecnologia wireless, grazie alle sue doti di sicurezza e affidabilità, ma i protocolli ed i formati di scambio dati implementati sono proprietari delle singole aziende. E quindi evidente che per uno sviluppo di massa del mercato health e fitness le aziende manifatturiere devono adottare uno standard wireless interoperabile Bluetooth Low Energy I primi dispositivi con Bluetooth 4.0 Low Energy (BLE) sono disponibili sul mercato dagli inizi del 2011 [13]. L'utilizzo del Bluetooth Low Energy come possibile tecnologia del futuro per reti di sensori corporali è forse rappresentato dal fatto che Continua Health Alliance, formata da industrie leader nel settore sanitario e tecnologico che cooperano nel tentativo di creare un sistema di dispositivi personali per la telemedicina, interoperabili tra loro, abbia dichiarato la selezione della nuova tecnologia Bluetooth, tra tante altre, come la tecnologia da includere nella seconda versione delle Continua Health Alliance Design Guidelines" come soluzione wireless lowpower". D'altronde gli ultimi anni hanno visto crescere notevolmente l'attenzione verso l'health Device Profile (HDP), profilo Bluetooth studiato appositamente per applicazioni mediche potrebbe, nel prossimo futuro, rappresentare il vero valore aggiunto per il successo del Bluetooth Low Energy nel mondo delle BSN. L'HDP, inserendo nella sua specifica lo standard IEEE (Sezione 2.5.3), fornisce la possibilità a tutti quei dispositivi medicali che già utilizzano lo standard IEEE di poter utilizzare facilmente il Bluetooth come tecnologia wireless. Infatti già diversi produttori utilizzano il Bluetooth ma definiscono un protocollo proprietario per l'incapsulamento dei dati. Lo scopo dell'hdp e permettere una standardizzazione del formato dati, sulla base dell'ieee 11073, incrementando l'interoperabilità dei dispositivi: HDP definisce solo il meccanismo per la creazione della connessione e lo scambio dei dati su Bluetooth; le procedure per lo scambio dei dati tra dispositivi medici e il formato dei dati associati si basa sugli standard della famiglia IEEE 11073, che viceversa sono transport-indipendent e quindi si affidano a quanto definito dall'hdp per il trasporto. 19

32 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Alcuni dei vantaggi del nuovo Bluetooth a basso consumo sono: Consumo minimo di energia in modalità picco, media e stand-by; Capacità di funzionare per anni con l energia di comuni batterie a bottone; Basso costo; Interoperabilità tra più vendor; Raggio di azione potenziato. Riassunto dei dettagli tecnici: Trasferimento dati: Bluetooth low energy supporta pacchetti dati molto corti (da un minimo di 8 ottetti a un massimo di 27 ottetti) trasmessi a 1 Mbps. Frequency Hopping: Bluetooth low energy utilizza il frequency hopping adattativo come tutte le versioni di Bluetooth; Latenza: Il tempo di connessione è stato ridotto fino a 3ms, permettendo a un applicazione di formare una connessione e poi trasferire dati autenticati in pochi millisecondi per poi chiudere le connessione velocemente (con vantaggi ulteriori nel consumo energetico); Range: L'aumento dell'indice di modulazione dà la possibilità di copertura fino a 100m. Robustezza: Bluetooth Low Energy usa un CRC a 24 bit su tutti i pacchetti assicurando massima robustezza contro gli errori. Sicurezza: La nuova specifica utilizza una tecnica di crittografia AES-128 con CCM (Counter con CBC-MAC). Topologia: E utilizzato un indirizzo a 32 bit per ogni slave permettendo la connessione di un numero molto elevato (232) di dispositivi. La tecnologia e ottimizzata per connessioni uno-a-uno ma permette anche connessioni uno-a-molti utilizzando una topologia a stella. Con l'uso di connessioni e disconnessioni veloci, i dati possono essere mossi come in una topologia mesh senza la complessità di dover mantenere una rete mesh. Confrontato con il Bluetooth classico, il nuovo Bluetooth Low Energy sembra essere molto più efficiente, anche se la velocità di trasmissione massima è 1 Mbps, soprattutto in termini di latenza e consumo energetico, due requisiti fondamentali nelle BSN. Questo è stato possibile ottimizzando 3 aspetti base del Bluetooth: 1. Messaggi di avviso per connectability" e discoverability". Nel Bluetooth classico affinché un dispositivo sia connectable" e discoverable", ovvero ci si possa connettere ad esso e sia visibile nella scansione dei dispositivi disponibili, esso deve accendere il ricevitore aspettando che ci sia qualcuno che 20

33 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station voglia effettivamente trasmettergli qualcosa. Con il Bluetooth Low Energy, invece, il dispositivo che vuole essere visibile deve solo trasmettere 3 brevi pacchetti e ascoltare se qualcuno desidera effettivamente comunicare. Il tempo per l'invio dei pacchetti e l'ascolto è di soli 1,4 s, circa 17 volte più efficiente rispetto al Bluetooth classico. 2. Eventi di connessione e comunicazione. Quando è richiesta una connessione, tutte le informazioni necessarie sono contenute nel pacchetto inviato dal dispositivo master che ha avviato la connessione allo slave. Queste informazioni includono la mappa dei canali per l'adaptive Frequency Hopping e l'informazione per la trasmissione negli slot corretti. Questo invio non rende necessaria la negoziazione di altri parametri prima dell'invio dei dati veri e propri. Questo risparmia tempo (minore latenza) ed energia. 3. Pacchetti più efficienti. Una velocità di 1 Mbps al livello fisico vuol dire che ad esempio l'invio di 4 byte richiede 32 s. Bisogna perciò considerare anche l'overhead aggiunto al pacchetto rispetto ai dati veri e propri. Con il Bluetooth Low Energy questo overhead è stato ridotto a circa la metà; il che significa una minore energia richiesta per la trasmissione della stessa quantità di dati rispetto alle connessioni Bluetooth standard ZigBee Attualmente lo standard wireless più utilizzato, tra nodi sensore impiegati in BSN, è l'ieee che garantisce consumi energetici molto bassi e costi di produzione ridotti; tale standard è dunque la più seria alternativa a Bluetooth (almeno lo era prima della nascita di BLE). ZigBee opera nelle frequenze radio assegnate per scopi industriali, scientifici e medici (ISM); 868 MHz in Europa, 915 MHz negli Stati Uniti e 2,4 GHz nella maggior parte del resto del mondo. Questa tecnologia ha l obiettivo di essere più semplice e più economica di altre WPAN (Wireless Personal Area Network) come, ad esempio, Bluetooth. I protocolli ZigBee sono progettati per l'uso in applicazioni embedded che richiedano un basso transfer rate e bassi consumi. L'obiettivo attuale di ZigBee è di definire una Wireless mesh network economica e autogestita che possa essere utilizzata per scopi quali il controllo industriale, le reti di sensori, la domotica, le telecomunicazioni. La rete risultante avrà un consumo energetico talmente basso da poter funzionare per uno o due anni sfruttando la batteria incorporata nei singoli 21

34 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station nodi. Ci sono tre differenti tipi di dispositivo ZigBee: ZigBee Coordinator (ZC): è il dispositivo più "intelligente" tra quelli disponibili, costituisce la radice di una rete ZigBee e può operare da ponte tra più reti. Ci può essere un solo Coordinator in ogni rete. Esso è inoltre in grado di memorizzare informazioni riguardo alla sua rete e può agire come deposito per le chiavi di sicurezza. ZigBee Router (ZR): questi dispositivi agiscono come router intermedi passando i dati da e verso altri dispositivi. ZigBee End Device (ZED): includono solo le funzionalità minime per dialogare con il suo nodo parente (Coordinator o Router), non possono trasmettere dati provenienti da altri dispositivi; sono i nodi che richiedono il minor quantitativo di memoria e quindi risultano spesso più economici rispetto ai ZR o ai ZC. I profili correnti derivati dai protocolli ZigBee supportano sia reti "beacon enabled" che reti "non-beacon enabled". La modalità di base di accesso al canale specificato da IEEE è il Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA). Questo significa che i nodi, controllano se il canale è libero, quando devono trasmettere. Vi sono alcune eccezioni all'uso del CSMA: i segnali di beacon, inviati secondo uno schema prefissato, i messaggi di acknowledge e le trasmissioni di dispositivi in reti beaconoriented che hanno necessità di bassa latenza ed usano Guaranteed Time Slots (GTS) che per definizione non fa uso di CSMA. Nelle reti beacon enabled, i nodi detti ZigBee Router trasmettono periodicamente dei segnali di beacon per confermare la loro presenza agli altri nodi; tra un beacon e l'altro i nodi possono cambiare modalità per risparmiare energia, abbassando il duty cycle, cioè la frazione di tempo che un nodo passa in uno stato attivo in proporzione al tempo totale considerato. Nelle reti non-beacon enabled, viene utilizzato un meccanismo di accesso al canale di tipo CSMA/CA (ovvero accesso multiplo tramite rilevamento della portante che evita collisioni). In questo tipo di reti i ZigBee Router solitamente tengono i loro ricevitori sempre attivi, il che provoca un consistente consumo di energia. In pratica queste reti sono "miste": alcuni dispositivi sono costantemente pronti a ricevere, mentre altri si limitano a trasmettere in presenza di uno stimolo esterno. L'esempio tipico di una rete di questo tipo è dato dagli interruttori wireless: il nodo ZigBee nella lampada può essere costantemente in ricezione, avendo la possibilità della connessione diretta alla rete elettrica, mentre l'interruttore (al pari di un telecomando) alimentato a 22

35 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station batteria può rimanere inattivo fino all'istante in cui vi è necessità di mandare un segnale. A quel punto si attiva, invia il comando, riceve un segnale di acknowledge e ritorna inattivo. In questo esempio la lampada sarà un ZR, se non un ZC, mentre l'interruttore sarà uno ZED. Nelle reti beacon enabled, i nodi detti ZigBee Router trasmettono periodicamente dei beacon per confermare la loro presenza agli altri nodi. Tra un beacon e l'altro i nodi possono cambiare modalità per risparmiare energia, abbassando il duty cycle. In generale, i protocolli ZigBee minimizzano il tempo di attività del radiotrasmettitore, così da ridurre il consumo di energia. Nelle reti beacon enabled i nodi consumano energia solo nel periodo in cui c'è il beacon, mentre in quelle nonbeacon enabled alcuni nodi sono sempre attivi (il loro consumo di energia è quindi alto) mentre altri sono per la maggior parte del tempo spenti. Poiché ZigBee si può attivare (passare dal sonno alla modalità attiva) in 15 msec o meno, la latenza può essere molto bassa e dispositivi possono essere molto sensibili, in particolare rispetto ai ritardi di wake up del Bluetooth, che sono tipicamente intorno a tre secondi. Poiché ZigBee può essere inattivo per la maggior parte del tempo, il consumo di potenza media può essere molto basso, con conseguente lunga durata della batteria. Zigbee può essere considerato un potenziale concorrente di Bluetooth perché riduce i costi e prolunga la durata delle batterie. Zigbee richiede solo 32 kbyte di memoria di programma per implementare tutto il protocollo (contro i circa 250 kbyte necessari per il protocollo Bluetooth), il che si riflette positivamente sul consumo (meno dati da trasmettere) ed anche sul costo. La maggior complessità del Bluetooth si nota anche dal maggior numero di primitive di servizio previste dal protocollo: 131 contro circa 30 di Zigbee. I dispositivi Zigbee possono trasmettere ad una velocità di circa 250 kbps (contro 1 Mbps del Bluetooth) : il data-rate ridotto rende Zigbee interessante quando la quantità di informazioni da trasferire è ridotta. 23

36 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station 2.2 Proposte industriali (LEACH, PEGASIS, ANT, MICS, WMTS) Il protocollo LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) [16] si basa sulla divisione della rete in settori (cluster ). Alcuni nodi vengono eletti in maniera casuale capi gruppo (cluster head) e hanno il compito di gestire tutte le operazioni dei sensori appartenenti al loro settore. Il protocollo LEACH opera principalmente in due fasi: scelta del CH (cluster head) per ogni gruppo, trasmissione dei dati. Durante la prima fase tutti i nodi possono chiedere, in maniera indipendente, di diventare cluster head. La scelta finale dipende sia dai nodi che non hanno recentemente operato come CH, sia dal tempo durante il quale si desidera operare come CH. In seguito, il CH appena eletto manda un messaggio in broadcast a tutti i nodi della rete i quali decidono a quale cluster appartenere. A questo punto ogni nodo si registra presso il proprio CH. In seguito il CH stabilisce il periodo di tempo durante il quale ciascun nodo, appartenente a quel cluster, può inviargli i dati. Nella seconda fase il CH, una volta ricevuti tutti i dati appartenenti al proprio gruppo, li invia alla stazione base. Dopo un certo periodo di tempo la rete entra di nuovo in fase di inizializzazione; viene effettuata una nuova divisione in gruppi e vengono eletti dei nuovi cluster head. In tal modo si permette una ripartizione del consumo di energia tra tutti i nodi della rete. Lo svantaggio maggiore di questo protocollo consiste in un pesante consumo di energia ad ogni comunicazione. Inoltre si assume che ogni nodo abbia sempre qualche dato da trasmettere, ipotesi non certo vera in molte applicazioni. PEGASIS (Power Effcient Gathering in Sensor Information Systems) [17] può essere considerato un miglioramento di LEACH. Il protocollo costituisce delle catene di nodi in modo tale che ciascuno di essi trasmetta e riceva pacchetti dal vicino più prossimo in termini di potenza di segnale. Una volta formata la catena, viene scelto in maniera casuale un nodo, diverso ad ogni round di comunicazione, che assuma il ruolo di leader nelle trasmissioni verso la stazione base in modo da distribuire tra tutti i nodi il maggiore carico di lavoro richiesto dalle operazioni di leader. PEGASIS si è dimostrato essere in grado di aumentare il tempo di vita della rete, principalmente grazie all'eliminazione della fase di creazione dei cluster. Tuttavia presenta limiti dovuti all'assunzione che ogni nodo possa comunicare 24

37 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station direttamente con la stazione base, la conoscenza completa della topologia della rete, il ritardo introdotto per i nodi più distanti nella catena e infine il collo di bottiglia che potrebbe costituire il leader. Questi protocolli di comunicazione utilizzano anche gli stessi metodi standard allegando informazioni di controllo di grandi dimensioni (centinaia di bit) ai dati principali, il che è molto dannoso in relazione ai vincoli di energia nelle reti wireless ultra low energy. Ad esempio, ZigBee, che è uno dei protocolli migliori e più comunemente utilizzato nelle reti di sensori wireless di bassa potenza, aggiunge fino a 27 byte di controllo ai dati principali. Protocollo ANT ANT è un altra nuova tecnica che dal 2009 compete con ZigBee, usa hardware e protocollo di comunicazione proprietari ed ha aumentato l efficienza riducendo il consumo medio di energia e la longevità della batteria nel nodo sensore. Il protocollo ANT WSN è stato progettato per semplicità ed efficienza: durante il funzionamento, questo si traduce in un bassissimo consumo di energia, per massimizzare la durata della batteria, un peso minimo sulle risorse di sistema, progetti di rete più semplici e costi di implementazione inferiori. ANT è un protocollo di rete wireless, specificamente progettato per reti di sensori wireless (WSN) per funzionare con basso costo, con microcontrollori (MCU) a bassa potenza e ricetrasmettitori operanti nella banda ISM (Industrial, Scientific and Medical), a 2.4 GHz. ANT presenta anche bassa latenza, la capacità di scambiare la velocità di trasmissione dati con il consumo di energia, e il supporto per la trasmissione e le transazioni per il riconoscimento, con un data rate netto fino a 20 Kbit / s. Ha un date rate di trasmissione di 1 Mbit / s, per il funzionamento a basso duty cycle. 25

38 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.3 Possibili impieghi del protocollo ANT. Lo scopo di questo standard è quello di semplificare le connessioni tra dispositivi elettronici, ognuno con il suo dispositivo di rete che funziona in modo indipendente. La corrente di picco in trasmissione è circa 15 ma e la corrente di picco in ricezione, a 0 dbm, è 17 ma. La corrente media Tx e Rx in ANT, per un campione ogni due secondi (0.5 Hz), è 35 A in trasmissione e 25 A in ricezione. Il protocollo ANT può essere configurato in modo che i sensori trascorrano lunghi periodi in modalità sleep (consumo dell ordine dei A di corrente), vengano svegliati brevemente per comunicare (il consumo sale a circa 22 ma, durante la ricezione, e 13.5 ma, durante la trasmissione), per poi tornare alla modalità sleep [14]. MICS e WMTS Ci sono due protocolli, il primo, MICS (Medical Implant Communications Services) [18] si applica alle tecnologie impiantabili che devono comunicare con l esterno periodicamente o se ci sono deviazioni dai parametri di specifica, il secondo WMTS [19] (Wireless Medical Telemetry Service) si usa per sistemi non impiantati, o sulla 26

39 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station pelle, per collegamenti regolari e trasmettono ad una distanza maggiore. Il primo è impostato per sostituire completamente le tecniche di accoppiamento magnetico-induttive, fornendo in tal modo un trasferimento dei dati più veloce e quindi una maggiore autonomia nelle applicazioni di pacemaker e defibrillatori. L accoppiamento magnetico-induttivo, usato da altre tecnologie, supporta solo comunicazioni a una via e data-rates attorno ai 50 Kb/s, per distanze non superiori ad alcuni centimetri. Le soluzioni MICS, che utilizzano un collegamento a radiofrequenza (RF), possono raggiungere fino a 250 Kb/s ad una distanza di circa 2 m La FCC ha assegnato a MICS le frequenze tra 402 e 405 MHz nel 1999, nelle comunicazioni con impianti medici, la massima potenza che può trasmettere è molto bassa, EIRP = 25 w, al fine di ridurre il rischio di interferenza. Ci sono una serie di restrizioni operative: in condizioni normali non può trasmettere, prima di trasmettere si deve assicurare che non ci siano altre trasmissioni in corso, sono vietate trasmissioni regolari, se non sono cambiate le condizioni del paziente, può comunicare immediatamente se c è una variazione. WMTS utilizza le bande MHz, MHz e MHz (per un totale di 16 MHz) assegnata dalla FCC nel 2000, ad uso di apparati biomedicali, al fine di evitare perdita o ritardo di dati, visto che i sistemi di telemetria medica trasmettono dati fisiologici in tempo reale. Nella banda radio ISM si utilizzano tecniche spread-spectrum come DS o FH. Le due tecniche, operando insieme sulla stessa banda, potrebbero causare interferenze sugli utenti secondari come i sistemi di telemetria medica. Nella banda WMTS sono quindi utilizzate entrambe le tecniche spread-spectrum ma non possono coesistere, per evitare problemi di interferenza. Il vantaggio fondamentale di un sistema WMTS è la mobilità che porta al paziente, non essendo legati ad apparecchi di monitoraggio per mezzo di cavi, permette una grande libertà di movimento. Inoltre, i dati di pazienti diversi possono essere facilmente controllati da un punto centrale quale una postazione infermieristica. Il costo totale di un sistema WMTS è significativamente inferiore a una configurazione convenzionale a causa del suo cablaggio semplificato. Come i sistemi MICS, i dispositivi WMTS impiegano tecniche aggiuntive per mantenere basso il consumo di energia dei circuiti, tenendo il trasmettitore spento, quando non in uso. Anche i circuiti del ricevitore possono essere spenti, quando non sono in uso. Questo tipo di trasmettitori hanno l'ulteriore vantaggio di una bassa esposizione alle radiazioni. 27

40 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station 2.3 Proposte scientifiche TBCD-TDM (Time Based Coded Data -Time Division Multiplexing) Questo interessante protocollo di trasmissione, elaborato da alcuni ricercatori della Concordia University di Montreal, in Canada, denominato TBCD-TDM (Time Based Coded Data -Time Division Multiplexing) [15], riesce a risparmiare molta energia, rispetto agli standard esistenti, permettendo quindi ai sensori impiantabili di restare per lunghi periodi all interno del corpo umano e di raggiungere dimensioni sempre più piccole. Questa tecnica opera una sensibile riduzione dell overhead, è adatta a nodi che trattano poche informazioni, utilizzano poca energia ed hanno quindi una portata limitata. Un fattore critico nelle IWBSNs (Implantable Wireless Body Sensor Networks) è che mantengono i ricetrasmettitori nei nodi sensori in modalità attiva per lungo tempo esaurendo così la loro energia in poche settimane. Per superare questo problema, tra le varie metodologie usate per leggere i dati dai nodi sensori in una rete Master-Slave con topologia a stella, qui è stato scelto il metodo ciclico, per cui ogni nodo invia i propri dati in uno slot di tempo specifico predefinito. Così i nodi sensori devono essere perfettamente sincronizzati per essere in grado di inviare i propri dati al momento giusto, con un TDM (Time Division Multiplexing). Questa tecnica è molto efficiente nel risparmio di energia poiché ogni sensore sa quando può tentare di fare la trasmissione e quindi non sono necessarie complesse operazioni di richiesta/conferma. Nelle reti wireless di sensori, con topologia a stella, vi è un nodo centrale ad elevate prestazioni, senza problemi di energia, che è in grado di gestire tutte le transazioni di dati all interno della rete come master verso tutti i sensori disponibili come slave. La figura illustra un esempio di una rete a stella con 8 nodi sensori, come slave, una base station come master, usando la tecnica TDM ciclica. 28

41 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.4 Topologia di rete a stella Master/Slave, con tecnica TDM ciclica. Il tempo tra due sensori consecutivi in tali reti è detto time slot e viene assegnato al sensore che nell istante iniziale si trova in quell intervallo temporale. In questo nuovo protocollo, invece di inviare il pacchetto completo dei dati, comprese tutte le informazioni di controllo, in testa e in coda, ad ogni giro, i dati saranno prima codificati nell i-esimo time slot T i, quindi verrà inviato solamente un segnale molto piccolo alla BS, ad un certo calcolato istante, entro lo slot di tempo T i. Così facendo si prolungherà la durata della batteria del nodo sensore, all interno del corpo umano, in modo significativo, mantenendo i transceivers nel loro stato minimo di attività, cioè nello stato dormiente, per quasi tutto il tempo. La tecnica proposta utilizza un affidabile tempo di sincronizzazione, stabilito tra tutti i nodi attivi nella rete: quindi i ricercatori canadesi hanno proposto anche un nuovo algoritmo di sincronizzazione, a bassa potenza, che si abbina perfettamente al protocollo mentre il suo consumo di energia è molto basso. Si ipotizza che solo il transceiver nella BS sia sempre nel modo attivo mentre, al contrario, i sensori staranno sempre nel modo dormiente, tranne quando il valore letto dal sensore coincide con il valore del contatore. A questo particolare evento, il sensore si sveglia e invia un segnale molto corto e poi, rapidamente, ritorna al modo dormiente. Con questo metodo si evita un grande spreco di energia nei sensori. Questi eventi sono generati dal ID counter, per l identificazione del sensore e dal Data counter, per trovare il dato corrispondente al sensore. 29

42 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station La BS e tutti i sensori leggono sempre lo stesso valore da questi contatori usando un clock sincronizzato in ingresso. Questo ricorda le proprietà del TDM ma, in questo caso, i dati completi, o un pacchetto di dati, non verranno mai inviati. Seguendo lo schema a blocchi in figura abbiamo realizzato una simulazione, con Matlab-Simulink, verificando la relativa semplicità del metodo proposto. Fig. 2.5 (a)modello di Sensore, (b)modello di Base Station. Supponiamo di avere tre sensori con lo stesso range di dati, ipotizziamo che tutti i sensori siano perfettamente sincronizzati con la BS, utilizzando la stessa frequenza di clock sia per il contatore della BS che per i contatori di ogni singolo nodo. Inoltre ogni contatore deve essere inizializzato con lo stesso valore. Come esempio vengono considerati sensori che rilevano il tasso di glucosio nel corpo umano, che normalmente si mantiene tra 3,6 mm e 5,8 mm (millimole/litro). Nella simulazione, che analizziamo, tre nodi misurano la glicemia nel sangue, in un range di valori da 3,0 mm a 6,5 mm, con una risoluzione di 0,5 mm, perciò possono 30

43 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station leggere solo un valore compreso tra questi 8. L ID-counter, realizzato da due bit, determina a quale sensore il dato appartenga, il Data-counter, realizzato con tre bit, produce il corrispondente dato tra 3,0 e 6,5. Figura 2.6 Un esempio con tre sensori che illustra il meccanismo del protocollo TBCD. La prima posizione dei sensori, ID=0, è riservata alle fasi di inizializzazione, configurazione e sincronizzazione. Nell esempio analizzato il sensore #1 legge 5 mm di glucosio, invia un breve segnale con il suo ID e il valore 4 in codice binario, corrispondente al valore realmente misurato. La BS riceverà (con ID e Data counter sincronizzati) questo segnale nello stesso istante, quindi il Data counter avrà lo stesso valore 100, e troverà il vero valore del dato, 5 mm, attraverso la LUT (Look Up Table) che è un array in cui sono conservati i valori reali misurati dai sensori accoppiati ai corrispondenti valori binari. 31

44 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.7 Risultati della simulazione nell esempio con tre sensori. Nell esempio simulato vengono utilizzati tre diversi generatori di sinusoidi, con frequenze diverse, come sorgenti dati in ingresso. Nella figura sotto l ID counter a due bit determina a quale sensore appartiene il dato ottenuto (in questo caso il sensore #1 ha registrato il valore di glucosio 5mM, che corrisponde al valore 4 in codice binario a tre bit). 32

45 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figure 2.8 Simulazione dell esempio di tre sensori con dati rappresentati da 3-bit La tecnica UWB-PPAM La tecnica proposta è una modulazione combinata, detta Pulse Position Amplitude Modulation (PPAM), e permette di ottenere alti data-rate, ricevitori meno complessi e minori consumi di energia [20], [21]. La tecnica UWB-PPAM è basata sulla modulazione ibrida di posizione ed ampiezza PPAM (Pulse Position Amplitude Modulation) e sull utilizzo di impulsi ultracorti UWB-IR (Ultra Wide Band-Impulse Radio); ciascun simbolo risulta essere un impulso modulato in ampiezza e ritardato nel tempo, in base alle informazioni associate al simbolo stesso. 33

46 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.9 Confronto della probabilità BER (Bit Error Rate) per 4PPAM, 4PPM e 4PAM, con bit rate=100 Mbit/s e 100 Kbit/s Nel nostro caso abbiamo ipotizzato una 4PPAM e come impulso UWB è stato scelto un monociclo Gaussiano. Questo implica che l alfabeto dei simboli possibile è composto da 4 simboli pilotati da due bit di informazione. La figura confronta le prestazioni di PPAM, PAM e PPM: essa mostra che una 4PPAM ha miglior 34

47 Amplitude Amplitude Amplitude Amplitude Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station prestazioni di una 4PPM, ma il vantaggio è modesto, in particolare all aumentare di SNR. Da notare che la 4PPAM ha una complessità computazionale circa la metà di una 4PPM con prestazioni migliori. L impulso può assumere le posizioni P1 e P2, simmetriche rispetto all asse dei tempi, di ampiezza +1 e -1, definendo così le quattro forme d onda caratteristiche della 4PPAM. Position P2, Amplitude +1 Position P2, Amplitude Position x 10-9 Position P1, Amplitude Position x 10-9 Position P1, Amplitude Position x Position x 10-9 Figura 2.10 Forme d onda UWB-4PPAM Il monociclo Gaussiano utilizzato è rappresentato dall espressione: g 2 t 2 2 m ( t) C t e (1) Dove, per normalizzare la massima ampiezza dell impulso, e T p è la durata temporale dell impulso. Il segnale 4PPAM può essere scritto: s PPAM ( t) j A m j g t jt s d Dove T s rappresenta il tempo di simbolo. In un contesto di scenario multiutente è possibile considerare trame di durata T f in cui inserire sequenze di tempi random che garantiscono l accesso contemporaneo alla risorsa di canale e la non sovrapposizione dei segnali associati ai diversi utenti nel tempo di frame, in questo caso il segnale può essere così scritto: j 35

48 Voltage Voltage Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station j s( t) A m t jt c T d (2) j g f j c j Nella formula A j è l ampiezza del segnale (uguale a +1 o -1), T f è il tempo di simbolo, c j T c è il ritardo temporale casuale introdotto per effettuare l accesso multiplo in modalità time hopping, con 0 c j N h, un numero intero associato ad una sequenza pseudo casuale, e T c il tempo di chip, tali che N h T c < T f. 1 Perciò, questo termine causa un ulteriore sfasamento temporale allo scopo di evitare 0.5 catastrofiche collisioni, dovute alle interferenze per accessi multipli (MAI) e 0 implementa una configurazione time hopping (TH) UWB PPAM Infine d j è il contributo allo sfasamento temporale dovuto alla modulazione PPM. -1 PPAM Signal Rectangular Pulse A j e d j sono scelti in accordo con la coppia di bit da trasmettere Time [s] x 10-8 = 0.15 ns c j T c T f Time [s] x 10-8 Figura 2.11 Segnale 4PPAM. Nella figura è mostrato un esempio di segnale 4PPAM dove è possibile notare che a diversi frame corrispondono diverse posizioni dell impulso in funzione del tempo di ritardo casuale c j T c. 36

49 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station 10 0 BER PPAM multi-user 2-Users =0.15ns 10-1 fb=0.1mbit/s fb=1mbit/s fb=10mbit/s fb=100mbit/s SNR db Figura 2.12 Andamento della BER di un segnale 4PPAM per diversi valori di bit rate. La figura mostra l andamento della BER (Bit Error Rate), in funzione del rapporto segnale rumore (SNR), quando la durata del simbolo PPAM è TPPAM=2 ns (due volte la durata del monociclo Gaussiano), per diversi valori di bit rate, assumendo per c j valori pseudo casuali, e numero di utenti K=2 ovvero con un solo interferente. Come previsto, all aumentare del bit rate, la BER aumenta proporzionalmente, a causa della riduzione del tempo di frame T f. Infatti la riduzione del tempo di frame fa sì che aumenti il numero delle collisioni tra i segnale utile e quello interferente Requisiti di sistema e proposta La tecnica 4PPAM è stata ideata per applicazioni che richiedono un aumento del rate trasmissivo in diversi scenari multiutente, nel caso in oggetto viene proposta per applicazioni nel contesto WBAN (Wireless Body Area Network) ovvero rete di sensori per il corpo umano. Il protocollo di comunicazione è pertanto progettato secondo i seguenti requisiti specifici: La quantità di informazioni da trasmettere è molto limitata, dell ordine di pochi bit per secondo o meno. Questa è un ipotesi ragionevole se consideriamo reti che comprendono sensori di rilevamento della frequenza cardiaca, della frequenza 37

50 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station respiratoria, della temperatura o di caduta, i cui modelli di trasmissione sono discontinui, ovvero la cui trasmissione avviene una volta ogni periodo che chiamiamo T rt (tempo di ripetizione della trasmissione); Ipotizziamo che un numero limitato di sensori componga la rete e verrà considerato un numero massimo di dieci sensori per la simulazione e la valutazione; il numero di sensori compresi nella WBAN corrisponde al numero di utenti solitamente considerati in uno scenario di comunicazione multi-utente; Come vincolo di progetto, il protocollo di comunicazione adottato dai nodi WBAN deve essere estremamente semplificato, al fine di ridurre il consumo energetico ed aumentare quindi la durata della batteria del sensore; L'architettura di trasmissione implementata nei nodi sensori sarà semplificata il più possibile; la maggior parte della complessità del sistema di comunicazione sarà posta al lato ricevitore, in cui la disponibilità di energia non è un problema Architettura del trasmettitore Il trasmettitore si compone di un blocco che genera i dati sensoriali che devono essere trasmessi, mentre un altro blocco genera una sequenza PN che verrà utilizzata come chiave di riconoscimento del sensore (sensor ID). I bit dati e i chip della sequenza PN vengono prelevati a coppie dal modulatore PPAM che genera delle delta di Dirac eventualmente traslate nel tempo in accordo con lo schema timehopping. Il filtro a risposta finita gaussiana si occupa di generare la forma d onda da mandare in trasmissione in antenna. Figura 2.13 Schema a blocchi del trasmettitore. 38

51 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station La figura 2.14 mostra il tempo di schedulazione adottato per la presente discussione. S tx i S tx i+1 0 T rt 2T rt t 0 T tx 0 T tx 0 T f 0 T f c j T c c j T c Figura 2.14 Timing in trasmissione della WBAN di sensori. Ogni T rt secondi un sensore è autorizzato a trasmettere sul canale in un istante arbitrario S tx. Con un intervallo di tempo di durata T rt, un sensore può trasmettere un numero N s di simboli 4PPAM, che rappresenta il pacchetto dati, ognuno dei quali necessita di un tempo di trasmissione di T f secondi, cosicché T tx = N s T f. Solitamente, in una rete di sensori WBAN, T tx << T rt ovvero il duty cycle, rapporto tra tempo di trasmissione e tempo di ripetizione, è molto piccolo, ciò contribuisce a ridurre la probabilità di collisione tra le trasmissioni provenienti da sensori diversi. Così il segnale trasmesso dal sensore diventa: (3) in accordo con la precedente espressione (2), dove l ampiezza dell impulso e la sua posizione variano da un intervallo di trasmissione all altro. Ogni sensore che trasmette nella WBAN è in grado di dividere due diversi canali binari su un simbolo 4PPAM. I due canali sono definiti come chip e info, in quanto sono dedicati alla trasmissione dell identificativo di sensore (ID) e dell informazione generata dal sensore, rispettivamente. In questo modo, per ogni simbolo 4PPAM, la posizione del simbolo (P1 o P2) è legata al chip che identifica il nodo, mentre l ampiezza del simbolo (+1 o -1) 39

52 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station corrisponde ai bit di informazione generati dal sensore. Il segnale rettangolare PPAM è moltiplicato per un treno di doppie delta di Dirac centrate rispetto al segnale rettangolare PPAM. In questo modo, è possibile impostare sia la posizione (P1 o P2) che l'ampiezza (+1 o -1) di ciascuna funzione delta di Dirac; ciascuna di esse viene poi traslata nel tempo di una quantità pseudo casuale in accordo con quanto visto in precedenza Architettura del ricevitore Figura 2.15 Schema a blocchi del ricevitore. Il ricevitore proposto comprende un correlatore, o più correlatori, nel caso di una configurazione con ricevitore a Rake, per sfruttare i vari contributi generati dai percorsi multipli del canale. Una volta agganciato, il segnale ricevuto è elaborato da un rilevatore a due rami, sincronizzati sulle posizioni P1 e P2, ed eventualmente, in caso di configurazione TH (Time Hopping), viene inserito un blocco di ritardo, al fine di applicare lo stesso ritardo Δτ, pseudo casuale, utilizzato al lato trasmettitore, questo ovviamente richiede un ulteriore complessità del ricevitore che non ci preoccupa dato che ci interessa mantenere la minore complessità sul trasmettitore. In questo modo, dalla combinazione dei valori campionati di P1 e P2, è possibile stabilire l'id del sensore e i valori dei bit di dati (le informazioni), secondo lo schema di modulazione 4PPAM applicato al trasmettitore. A questo stadio del ricevitore, il ramo info fornisce i bit di informazione generati dal nodo sensore (cioè i dati del sensore) mentre il ramo chip permette di raccogliere i bit dell ID di sensore, in modo da riconoscere il sensore che ha generato i dati trasmessi. Sfruttando le proprietà di correlazione delle sequenze pseudonoise, utilizzate per identificare ogni sensore, è possibile riconoscere lo specifico sensore al ricevitore, 40

53 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station impostando un valore di soglia sulla correlazione della sequenza ricevuta. In questo caso sono state utilizzate le sequenze di Gold che hanno delle ottime proprietà di Cross-Correlazione ovvero una bassa correlazione tra sequenze diverse che permette un miglior riconoscimento dell ID sensor. La figura 2.16 mostra come può essere eseguita la corretta identificazione di un sensore impostando una soglia (linea di colore verde) sulla correlazione della sequenza ricevuta, anche nel caso che uno o più (fino a cinque) chips, della sequenza ricevuta, siano corrotti. Figura 2.16 Robustezza della sequenza di Gold rispetto a eventuali chip corrotti all interno della sequenza. Da 1/31 fino a 5/31 errori sopportati per ogni sequenza. L esempio considera l adozione di sequenze di Gold lunghe 31 chips come sequenze di ID. Il valore massimo di autocorrelazione di una sequenza di Gold di lunghezza 31 è 31, mentre si può calcolare che il massimo valore di cross-correlazione, tra sequenze di Gold di lunghezza 31, è 9. Posizionando una soglia nel valore medio tra 31 e 9, cioè a 20, è possibile riconoscere l ID di sensore anche con 5 chips errati (31 20 = 11, diviso 2, 5 sono i chips che possono essere sbagliati senza compromettere il risultato). 41

54 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.17 Schemi dei modelli Tx e Rx realizzati in Simulink. Gli schemi rappresentano un modello, in Simulink, con due generatori, uno PN, per il riconoscimento del sensore, e uno che simula una sequenza di dati. E evidente che il lato ricevitore mostra maggiore complessità di quello trasmettitore, anche se, comunque, anche al ricevitore la complessità è modesta: essa può essere stimata pari al numero di correlatori necessari per recuperare correttamente il segnale ricevuto Risultati numerici e discussione Le simulazioni numeriche eseguite sulla rete di sensori (WBAN) proposta puntano a valutare come cambia la probabilità di errore del sistema, in funzione della diversa selezione dei valori dei parametri del c j (costante o variabile casuale), per un diverso numero di sensori che condividono lo stesso canale di comunicazione. Come precedentemente introdotto, il protocollo che proponiamo, applicato a WBAN con un ridotto numero di nodi, mostra livelli molto bassi di probabilità di collisione a causa del duty cycle di trasmissione molto basso. Questo impone, quindi, tempi di simulazione molto lunghi, a causa della necessità di valutare le prestazioni su un gran numero di simboli, al fine di avere risultati significativi. Per semplificare le simulazioni e per ricavare valori molto bassi di BER, 42

55 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station consideriamo la BER globale come la sovrapposizione degli effetti di rumore e collisioni, attraverso l'espressione: BER ~ BER N + BER MAI * PI (4) dove BER N è il rapporto di errore dovuto al rumore, mentre BER MAI è il rapporto di errore indotto dalla collisione di due simboli PPAM, e PI è la probabilità di collisione. Nella nostra analisi, definiamo una collisione quando il simbolo interferente cade in un intervallo di tempo che è lungo 3TPPAM e centrato sul simbolo utile. I valori di BERMAI, derivati dalla simulazione senza rumore, sono riportati in tabella 1, per differenti numeri di sensori interferenti. K=2 K=3 K=6 K=10 BER MAI Tabella 1. BER MAI per K=2, 3, 6 e 10 (numero di sensori). La probabilità di una collisione tra le trasmissioni originate dai sensori della WBAN può essere differentemente descritta, a seconda della selezione costante o casuale dei coefficienti c j, fornendo così PI c e PI TH, rispettivamente, come: PI c T 3 T PPAM K 1 NS K rt T PI 3 PPAM TH 1 (5) Trt Essendo Ns il numero di simbolo adottato, e K il numero di sensori nel sistema. Nelle espressioni, T PPAM è due volte la durata di un singolo monociclo Gaussiano, cioè 2ns. Come previsto, aumentando il numero di utenti nel sistema, aumenta anche la probabilità di collisione, come mostrato nella Figura Dalla stessa figura è possibile vedere come la randomizzazione delle differenti trasmissioni dai sensori può migliorare le prestazioni del sistema, riducendo l impatto dell interferenza da accesso multiplo. 43

56 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.18 Confronto di PI TH e PI c nel caso di 2, 3, 6 e 10 sensori, e N S =100. Le Figure 2.19 e 2.20 presentano le prestazioni della BER del sistema, quando il numero di simboli trasmessi ammonta a N s = 64 e la finestra di trasmissione è T rt = 1s. La selezione dei valori c j è variabile casualmente nella Figura 2.19 e costante nella È chiaro che la selezione casuale dei valori assegnati a c j consente una riduzione dell error floor, a causa delle interferenze da accesso multiplo, come randomizzando la selezione dei coefficienti, è possibile diminuire la probabilità di collisione tra le trasmissioni dei diversi sensori. A parità di numero di sensori attivi nel sistema, la BER può essere sensibilmente ridotta. 44

57 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station Figura 2.19 BER performance per T ppam =2ns, T rt =1s Ns=64 e c j selezionati casualmente. Figura 2.20 BER performance per T ppam =2ns, T rt =1s Ns=64 e c j costante. 45

58 Capitolo 2. Tecnologie di comunicazione tra i sensori e la Base Station La tabella 2 fornisce dettagli sull errore dovuto all interferenza da accesso multiplo, quando N S = 64 e T rt = 1s. K = 2 K = 3 K = 6 K = 10 c j=var 3.09* * * *10-8 c j=const 1.98*10-9 3* * *10-7 Tabella 2. BER floor per N S = 64 e T rt = 1s, nel caso di c j casuale e costante. I risultati della nostra analisi evidenziano che, anche se viene considerata una trasmissione periodica di simboli (c j periodico), i corrispondenti valori di BER rimangono estremamente bassi ed accettabili per le specifiche applicazioni proposte. Ciò conferma che il protocollo proposto può essere proficuamente applicato in WBANs destinate a monitorare alcuni parametri fisiologici, mantenendo la necessaria semplicità di architettura del trasmettitore ma mostrando, allo stesso tempo, buone prestazioni di BER. 46

59 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Capitolo 3 Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili 3.1 Introduzione sui sensori: panoramica Il problema di poter acquisire parametri fisiologici, biochimici e comportamentali del paziente, in modo continuo e in qualsiasi ambiente, clinico o domestico, per diagnosi, monitoraggio o gestione di disagi cronici può trovare una soluzione nelle reti di sensori wireless. Le WSN sono usate in applicazioni medicali, oltre che nei più variegati contesti applicativi, per raccogliere dati che potrebbero essere difficili o costosi da catturare con sensori wired. In ambito biomedicale una rete di sensori wireless potrebbe essere ottenuta attaccando semplicemente i sensori al corpo oppure, meglio ancora, impiantando questi ultimi direttamente nei tessuti. La possibilità di realizzare dispositivi con dimensioni molto ridotte e gestibili elettronicamente in remoto ha dato impulso alla nascita di soluzioni impiantabili all interno del corpo umano, per monitorare e controllare i parametri clinici di interesse: micro pompe per insulina, pacemaker, microstimolatori neurali, sensori di parametri vitali, protesi acustiche e ottiche e sempre nuove applicazioni si aggiungono quotidianamente alla lista. Il panorama dei sensori biomedicali è molto vario e si può suddividere in tre gruppi: quelli che vengono tele alimentati, con sistemi simili all RFID, quelli che usano batterie interne e quelli senza contatto, capaci di misurare i parametri semplicemente stando a qualche metro dal soggetto. Per le applicazioni che necessitano di un alimentazione elettrica, che sia il più possibile esente da interventi di sostituzione, si è attualmente alla ricerca di una soluzione che permetta o di generare l elettricità attraverso micro celle o di recuperarla dall ambiente (energy harvesting) nelle varie forme in cui l energia si rende disponibile: meccanica, termica, elettromagnetica o di pressione. Nei paragrafi seguenti verranno brevemente descritti alcuni esempi di sensori, particolarmente interessanti, tra quelli incontrati durante gli studi. 47

60 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili ISSYS: sensori impiantabili per CHF (Congestive Cardiac Failure) Questa proposta introduce una nuova tecnologia in grado di fornire una misurazione della pressione cardiaca sicura, permanente, veloce, dettagliata, in tempo reale, continua e sostiene la tendenza verso il monitoraggio domiciliare della salute, con il potenziale di rivoluzionare il modo in cui vengono trattati i pazienti con CHF (Congestive Heart Failure) [22]. Il sistema di monitoraggio della pressione si compone di due parti principali: un sensore telemetrico impiantabile, senza batterie, e un lettore manuale abbinato. Il micro dispositivo impiantabile contiene un trasduttore di pressione MEMS (MicroElectroMechanical System) con elettronica custom e un antenna per telemetria. Figura 3.1 Generazioni di sensori ISSYS per la misura della pressione a confronto AD Istruments: sistema per la misura a distanza La tecnologia di ricerca della Telemetry Research e i sistemi di acquisizione dati Powerlab della AD Intruments, si combinano per creare un sistema per il monitoraggio wireless di segnali fisiologici nei piccoli animali. Questi prodotti forniscono metodi perfezionati per la registrazione di segnali di pressione (arteriosa, venosa,etc.), segnali di biopotenziale (come ECG, EMG, EOG e EEG), SNA (neuro attività a bassa ampiezza) e la temperatura [23]. Eliminando la necessità di collegarsi i sistemi facilitano registrazioni a lungo termine da piccoli animali. Segnali ad alta fedeltà da un piccolo sensore e trasmissione digitale wireless, assicurano dati di buona qualità. Il power-down prolunga la durata delle batterie e la tecnologia di ricarica permette ai telemetri di essere ricaricati in loco e continuamente, offrendo la possibilità di registrare. 48

61 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Frequenze indipendenti consentono di eliminare la diafonia, permettendo ai segnali di essere registrati da più animali contemporaneamente senza necessità di speciali rivestimenti. Figura 3.2 Telemetro a Biopotenziale adatto per la misurazione di ECG, EEG, EOG, EMG e temperatura negli animali da 200 g in su SENSIMED Questa azienda ha sviluppato una soluzione telemetrica completa e generale, che è possibile adattare per interfacciarla con diversi tipi di sensori per svariate applicazioni. L'obiettivo è quello di consentire la misurazione in situ, senza alcun collegamento fisico, né batteria nel luogo in cui viene effettuato il rilevamento. Un sistema esterno invierà delle radiofrequenze (Energy) al punto in cui si effettua il rilevamento e riceverà a sua volta le informazioni relative alla misurazione (Data), in modo simile alla tecnologia RFID. La differenza è che lo scopo non è identificare un oggetto, bensì di misurare in tempo reale [24]. Nel punto in cui si effettua il rilevamento vengono applicati il sensore (Sensor) con una microantenna e un microprocessore (ASIC) con un sistema telemetrico analogico-digitale che capta le radiofrequenze tramite l antenna situata sul punto di rilevamento, alimenta il sensore, effettua la misurazione, la converte in valore digitale e restituisce queste informazioni al sistema esterno. Il sistema esterno comunica con il punto in cui si effettua il rilevamento via un modulo a radiofrequenza (RF Head) collegato all antenna esterna. Il modulo a radiofrequenza è collegato con un cavo a un registratore (Recorder) a batterie portatile. Nel registratore è presente un firmware specifico per far funzionare il modulo a radiofrequenza, registrare le informazioni di misurazione e gestire il collegamento da e per il software del computer del cliente. 49

62 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.3 SENSIMED Triggerfish -Monitoraggio continuo della pressione intraoculare Hyper-IMS (Intravascular Monitoring System) per pazienti affetti da ipertensione Il sensore Hyper-IMS [25], che ha un diametro di circa un millimetro, compreso il contenitore, viene posizionato da un medico direttamente nell arteria femorale e misura la pressione sanguigna del paziente 30 volte al secondo. È connesso attraverso un micro cavo flessibile ad un trasponder, che è ugualmente impiantato sotto la pelle, nell'inguine. Questa unità digitalizza e codifica i dati provenienti dal micro-sensore e li trasmette ad unità di lettura esterna che il paziente può portare addosso come un cellulare, attaccata alla cintura. Da qui i dati rilevati possono essere inoltrati alla stazione di monitoraggio e analizzati dal dottore. Figura 3.4 Dispositivo di monitoraggio intravascolare della pressione sanguigna arteriosa. 50

63 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.5 Sensore impiantabile di pressione che utilizza la tecnologia RFID Sensore glicemico impiantato E stato sviluppato un sensore impiantabile, per eventuali applicazioni in diabetici, in grado di effettuare la determinazione delle concentrazioni di glucosio tessutale tramite telemetria wireless[26]. Il sistema di telemetria wireless ha funzionato continuativamente impiantato nel sottocute di due maiali rispettivamente per 222 e 520 giorni con ciascun animale. Il sensore rileva il glucosio tramite un elettrodo di tipo enzimatico basato sulla determinazione del differenziale elettrochimico dell ossigeno che riduce la sensibilità del sensore all incapsulamento da parte dell organismo, sulle variazioni della perfusione microvascolare locale, sulla disponibilità limitata di ossigeno tessutale e sull inattivazione degli enzimi. Figura 3.6 Il sensore con il sistema integrato di telemetria prima di essere impiantato. Il sensore misura 3.4 cm di diametro e 1.5 cm di spessore. La superficie superiore dell impianto comprende due adesivi felpati in poliestere per attaccarlo ai tessuti. La sezione trasversale mostra i moduli elettronici (A), il portale di trasmissione dati (B), la batteria (C) e il modulo sensore. 51

64 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili MICROWORMS Ricercatori del MIT hanno trovato un nuovo sistema per monitorare indicatori biomedici, come i livelli del sodio o del glucosio nel sangue, che potrebbero portare a dispositivi impiantabili che consentirebbero alle persone con diabete di controllare la glicemia semplicemente guardando una zona di pelle [27]. Mentre le particelle tradizionali sono sferiche e sufficientemente piccole per essere spazzate via dal sito iniziale nel tempo, le nuove particelle hanno la forma di lunghi tubi. I tubi di ridotta larghezza, paragonabile a quella delle micro particelle precedentemente studiate, mantengono il contenuto dei tubi nelle immediate vicinanze di sangue o tessuti del corpo, rendendo facile per le particelle percepire e rispondere alle condizioni chimiche o di altro tipo nei loro dintorni. La lunghezza relativamente maggiore dei tubi li mantiene ancorati molto bene, per un monitoraggio a lungo termine, anche per mesi e mesi GLUCOCHIP PositiveID Corporation ha raggiunto un importante traguardo della chimica nello sviluppo della sua GlucoChip [28], il glucosio-sensing microchip RFID. La Società ha dimostrato con successo che è in grado di costruire blocchi capaci di legarsi con il glucosio, che può essere incorporato nel sensore. Questi blocchi legano con il glucosio per produrre una diretta correlazione riproducibile dei livelli di glucosio. 52

65 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Una volta completata l ottimizzazione del sistema si inizierà a incorporare la parte relativa al rilevamento del glucosio con l'elettronica del microchip RFID e a completare lo sviluppo del sensore di glucosio. Figura 3.7 Integrated Sensor Device Design. Lo schema del sensore comprende l interfaccia bioselettiva e il sistema di rilevamento del glucosio a ciclo chiuso comprensivo dei vari componenti necessari per misurare e trasmettere i tassi di glucosio rilevati: idiol, DBA e i componenti RFID abilitati alla comunicazione dei dati, integrati in un pacchetto impiantabile di dimensioni millimetriche Cyber Medical Ltd: Implantable Glucose Cyber Sensor I Cybersensors per la misura continua del glucosio nel sangue sono un approccio completamente nuovo per il monitoraggio del glucosio, e rappresentano un miglioramento significativo rispetto ai metodi esistenti. Tipicamente il dispositivo sensore viene inserito appena sotto la superficie della pelle, utilizzando una semplice, breve procedura chirurgica, che si avvale di un anestetico locale. L'impianto sensore è malleabile, delle dimensioni di una compressa di aspirina ed è progettato con lo scopo di misurare, una volta impiantato, continuamente la glicemia, senza l'intervento dell'utente. Il sensore è passivo, senza batterie, in grado di comunicare in modalità wireless con un lettore manuale in miniatura. Il lettore è progettato per essere in grado di monitorare il tasso di variazione dei livelli di glucosio e avvertire l'utente di imminenti ipo o iperglicemie. Inoltre il paziente si può organizzare per allarmare automaticamente il lettore mentre sta dormendo [29]. 53

66 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.8 Sensore impiantabile di glucosio. 3.2 Sensori UWB per la rilevazione della frequenza respiratoria Rilevazione dei parametri vitali attraverso radar UWB Con il nome di Ultra Wide Band (UWB) vengono indicate tutte le modalità di trasmissione, di tipo prettamente impulsivo, che impiegano impulsi radio di brevissima durata. L'UWB è una tecnologia che, grazie alle sue peculiarità, permette di ottenere grandi vantaggi in diverse aree di applicazione a radiofrequenza. Fra i numerosi ambiti nei quali la ricerca scientifica sta attualmente valutando l'applicabilità dell'uwb, un posto di rilievo l'ha ormai assunto il monitoraggio delle funzioni vitali del corpo umano, in particolare la frequenza respiratoria. L'Ultra Wide Band è una tecnica di trasmissione sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante l'utilizzo di impulsi di energia a radiofrequenza di durata temporale estremamente ridotta (da poche decine di picosecondi a qualche nanosecondo) e quindi con occupazione spettrale molto ampia. Quanto più è breve la durata dell'impulso, tanto più è ampio l'intervallo spettrale 54

67 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili occupato. Il punto focale della tecnica UWB è proprio l'utilizzo di densità di potenze non troppo elevate, in modo tale che il suo spettro si confonda con quello del rumore di fondo. Figura 3.9 Spettro di un segnale UWB confrontato con altri sistemi. Questo genera l'interessante possibilità di far coesistere segnali di questo tipo con altri segnali preesistenti. Si può affermare, quindi, che questi sistemi wireless sono caratterizzati da bassa complessità, bassi costi computazionali e un'elevata frequenza di trasmissione dati (oltre i 100 Mbit/sec su distanze fino ai 50 metri) Introduzione ai sensori UWB La stima della frequenza respiratoria di un essere umano è un'attività di ricerca di notevole interesse in diversi settori in cui il monitoraggio delle attività vitali umane può incidere sulla sicurezza e l'incolumità degli individui stessi. Alcuni esempi possono essere: il monitoraggio del respiro di pazienti o malati, il controllo delle attività vitali di individui che operano in ambienti ostili o pericolosi quali, ad esempio, vigili del fuoco o astronauti, infine, il recupero o soccorso di persone intrappolate sotto macerie o valanghe. Le origini della tecnologia Ultra Wide Band risalgono agli anni '40, quando venne utilizzata per le prime applicazioni radar in ambito militare. Nel 1990 vennero proposte le prime applicazioni per le comunicazioni wireless, ma il punto cruciale si ebbe il 14 Febbraio 2002, quando la FCC (Federal Communications Commission) rilasciò l'autorizzazione per alcuni utilizzi UWB "licence free" definendo una serie di maschere spettrali che impongono i livelli di emissione e le frequenze di lavoro per gli usi nel campo dei radar e delle comunicazioni. 55

68 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.10 Limiti in applicazioni indoor ed outdoor per il livello di emissione di un radar UWB. Ci sono molti vantaggi legati all'uso della tecnologia UWB per applicazioni biomediche, in quanto i loro consumi di potenza, relativamente bassi, coesistono bene con gli altri sistemi (licence free), inoltre, la tecnologia UWB è molto resistente alle interferenze ("interne" ed "esterne") e alla cancellazione del segnale prodotta dalle riflessioni multiple (Multipath e Fading). L'analisi degli ambiti di applicazione per i sistemi UWB dimostra che i radar di questo tipo possono essere utilizzati praticamente in tutti i casi nei quali bisogna osservare, con elevata precisione, il movimento di oggetti su brevi distanze. I radar UWB possono essere utilizzati per il monitoraggio delle funzioni vitali di pazienti, in particolare della frequenza cardiaca e di respirazione. Il controllo delle funzioni vitali può essere applicato anche agli astronauti durante una missione spaziale, o anche per monitorare le prestazioni degli atleti. L Agenzia Spaziale Italiana (ASI), in particolare, ha promosso lo studio Non Invasive Monitoring by Ultra wide band Radar of Respiratory Activity (NIMURRA), di persone all interno di un ambiente spaziale. L obiettivo principale del progetto NIMURRA è quello di misurare alcuni parametri respiratori durante il sonno di un astronauta, prima, durante e dopo un volo spaziale. In questo contesto si è fornito un contributo ad una ricerca sviluppata all interno del Dipartimento di Ingegneria dell Informazione dell Università Politecnica delle Marche. 56

69 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili I radar UWB nel settore medico I sistemi UWB basano le proprie capacità di monitoraggio su principi fisici che differiscono da quelli utilizzati dalle altre tecnologie aventi gli stessi scopi. La possibilità di monitorare i movimenti degli organi interni senza la necessità di un contatto diretto tra persona e strumento, aggiunta al non dover utilizzare un campo indotto nella misura, rendono l'utilizzo dei radar UWB particolarmente vantaggioso. In questo modo il trattamento per il paziente risulta essere meno invasivo e quindi maggiormente sopportabile. La possibilità di un monitoraggio in remoto" rende più libero nei movimenti il paziente. L'utilizzo inoltre di un campo radiato, e non indotto, evita che il paziente debba essere confinato in un ambiente limitato. Le risonanze magnetiche, ad esempio, eseguite per fornire immagini dei movimenti degli organi interni impiegano un campo indotto e quindi costringono il paziente a dover essere confinato. I vantaggi derivanti da un tale tipo di monitoraggio sono rilevanti anche dal punto di vista del personale medico. La maggior mobilità del paziente e l'assenza intorno ad esso di cavi e fili che lo collegano a diverse strumentazioni rendono notevolmente più semplice il lavoro del personale stesso. Anche l eventuale trasferimento del paziente risulta essere di più semplice attuazione. Collocati al soffitto di camere di ospedali, i sistemi UWB consentono di monitorare continuamente le frequenza respiratoria e cardiaca, anche di più pazienti contemporaneamente. Figura 3.11 Radar UWB in un reparto di terapia intensiva. 57

70 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili La seconda applicazione medica, ovvero i sistemi di diagnostica per immagini UWB, sembra essere un'applicazione molto promettente. Come descritto in [30] i vari tessuti umani hanno caratteristiche d'assorbimento e di riflessione specifiche e su questa caratteristica si possono sviluppare sistemi di diagnostica per immagine molto efficaci. Molteplici sono le aree della medicina che utilizzano radar Ultra Wide Band per la diagnostica per immagini. In cardiologia troviamo la prima vera applicazione radar UWB, grazie soprattutto al notevole impatto ed interesse che le ricerche sul cuore e l intero apparato circolatorio hanno sempre avuto sull opinione pubblica. Fu lo scienziato Thomas McEwan che nei laboratori dell LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) brevettò il primo radar stetoscopico [31] e successivamente inventò anche un radar camera 3D che permetteva di monitorare i movimenti del cuore. Tale sistema radar era in grado di rilevare i movimenti del cuore in maniera non invasiva. I sistemi radar UWB vengono utilizzati per monitorare gli schemi respiratori, le apnee nei neonati, lo studio del sonno, la misurazione dinamica e la diagnostica per immagini del torace. In Otorinolaringoiatria si utilizzano dispositivi radar UWB per la diagnostica di organi come naso, gola e orecchio. In particolare è stato sviluppato un dispositivo, simile ad un laringofono, che permette di monitorare il movimento delle corde vocali e di identificare eventuali disturbi quali infiammazioni, allergie e tumori. In Oncologia è molto interessante la possibilità di individuare precocemente tumori, in particolare ci sono studi promettenti nella diagnostica del tumore al seno[32]. I tumori benigni tendono ad avere superfici lisce e sono compatti e di forma ovale. Al contrario, i tumori maligni tendono ad avere superfici ruvide e complesse con spigoli o micro lobi. Queste proprietà possono influenzare in modo significativo la classificazione del bersaglio radar, e permettere la discriminazione dei tumori al seno Sistemi Ultra Wide Band per monitorare la respirazione Poiché la tecnologia introdotta associa la frequenza di respirazione al movimento di espansione e contrazione del torace, si capisce immediatamente che può dare un enorme contributo per il conseguimento dell obiettivo di misurare parametri respiratori senza contatto. Un radar UWB può soddisfare tutti i requisiti di una tipica applicazione biomedica. Nell'ambito del controllo delle funzioni vitali, il sistema UWB può essere usato per 58

71 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili il monitoraggio a lungo termine dei pazienti e l'assistenza sanitaria delle persone che soffrono di malattie croniche. L implementazione di un sistema di rilevamento dei movimenti del corpo umano, che non richieda alcun contatto con l'utente, rappresenta una soluzione ideale. L'uso dei segnali IR-UWB (Impulse Radio - UWB) è stato suggerito per diverse applicazioni mediche in virtù dell'elevata risoluzione spaziale assicurata da questi segnali. Il coefficiente di riflessione dell'interfaccia "aria-pelle asciutta" per le onde elettromagnetiche comprese tra i 300 e i 900 MHz è di circa il 72%, che rappresenta la frazione di energia dell'onda elettromagnetica incidente sulla pelle asciutta che viene riflessa. Come mostrato in [33], in riferimento al solo segnale riflesso, l'espansione della cavità toracica crea un cambiamento considerevole nel multipath profile e questa considerazione viene sfruttata per stimare, appunto, la frequenza di respirazione. Un ulteriore vantaggio dato dai radar UWB è che la stima della frequenza di respirazione può essere effettuata anche in assenza di un percorso diretto tra il trasmettitore, il soggetto da monitorare e il ricevitore Cenni sul modello matematico utilizzato, impiego di segnali sinusoidali In questa sezione, si illustrerà, per sommi capi, il modello matematico, sviluppato in [33], per la stima della frequenza respiratoria. Quando l'impulso trasmesso colpisce il soggetto umano, parte di questo viene riflesso a causa dell'elevata riflettività del corpo. Il tempo di propagazione, o di arrivo, ToA (Time of Arrival), dell'impulso viene indicato con 0 e dipende dalla distanza a cui è posizionata l'antenna, d0. A causa del movimento respiratorio, la cavità toracica si espande e si contrae periodicamente, così la distanza percorsa, d(t), varia anch'essa periodicamente attorno alla distanza nominale d0: d( t) d 0 m(t) (3.1) La variazione del volume polmonare, e di conseguenza lo spostamento del torace, si può descrivere, in prima approssimazione, in termini di una funzione sinusoidale. Il contributo riflesso percorrerà dunque una distanza che varia con legge sinusoidale intorno alla distanza nominale d0 e quindi l'equazione (3.1) può essere riscritta come: (3.2) 59

72 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Dove m b rappresenta la massima variazione di posizione durante la completa contrazione/espansione del torace, e f b è la frequenza di respirazione. Sotto l'ipotesi che l'ambiente che circonda il soggetto sia statico, è possibile rappresentare il segnale ricevuto come la somma delle risposte del canale. Il movimento del torace durante la normale respirazione non è, in realtà, puramente sinusoidale. Anche in assenza di patologie respiratorie o condizioni fisiche particolarmente stressanti il movimento è meglio rappresentato da una forma d onda sinusoidale distorta, che presenta componenti spettrali diverse da zero anche a frequenze multiple della frequenza fondamentale. Se ipotizziamo i movimenti del torace sempre periodici con periodo T b, a valor medio nullo ma non sinusoidali, la frequenza di respirazione f b = 1/T b è la frequenza fondamentale del segnale periodico. Lo sviluppo in serie di Fourier permette di scrivere il segnale periodico respiratorio come una sovrapposizione di seni con frequenze multiple della frequenza fondamentale f b e moltiplicati per opportuni coefficienti: (3.3) Tracciati respiratori reali Al fine di utilizzare delle curve più realistiche, anziché delle semplici sinusoidi, nella sperimentazione sull uso di radar UWB per scopi biomedicali, abbiamo cercato dei tracciati delle forme d onda del respiro che provenissero dai reali movimenti della cassa toracica di un uomo, per fare ciò ci siamo rivolti a dei medici. Il metodo che appare più accurato per ottenere tracciati respiratori è attraverso la pletismografia optoelettronica: si basa sull analisi delle traiettorie descritte, durante la respirazione, da una serie di marker posizionati sulla superficie toracoaddominale del paziente (Fig. 3.12). Le posizioni nello spazio di questi marker vengono registrate ed elaborate mediante l impiego di modelli matematici e algoritmi da una unità di calcolo che è in grado di misurare con precisione le variazioni di volume. Per le nostre necessità l output di questo sistema (Bts Oep System) [34], non è risultato molto utile in quanto fornisce solo singole onde dei volumi di aria inspirata (Fig. 3.13), per avere la frequenza ed i tracciati completi bisogna rivolgersi ad altre fonti (Aliverti-Politecnico di Milano, Fig. 3.14) con diagrammi, però, meno accurati [35]. 60

73 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.12 Parete toraco-addominale con i vari compartimenti evidenziati e i marker posizionati sulla superficie. Figura 3.13 Report fornito dal sistema Oep. 61

74 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.14 Report pletismografia optoelettronica, Aliverti. I tracciati che abbiamo trovato più interessanti, per le nostre finalità, sono quelli usati per il gating respiratorio durante le radioterapie oncologiche [36], [37], o le risonanze magnetiche. Cambiano le modalità con cui vengono ricavati i tracciati ma i risultati sono molto simili. Figura 3.15 Timing chart of the gated CT: (a) forma d onda della respirazione del paziente. Nel caso della radioterapia viene utilizzato un acceleratore lineare: è una macchina in grado di produrre fasci di elettroni e di fotoni che, opportunamente collimati, vengono fatti incidere sul volume bersaglio. Le energie della radiazione prodotta variano da 2 a 15MeV. 62

75 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Normalmente, per apparecchiature standard, si usano energie attorno a 6-9 MeV, in quanto energie superiori causano anche la produzione di neutroni. Nel caso invece della tomoterapia si usa, per ora, un'energia di 6MeV. Il respiratory gating (organ motion control) è una tecnica in cui, nelle radioterapie oncologiche, il movimento respiratorio non viene compensato direttamente, ma viene invece erogata la dose di radioterapia solo durante una specifica porzione del ciclo respiratorio. Ciò significa che, anziché muovere il fascio radiante durante l attivazione, viene monitorato il ciclo respiratorio del paziente, tramite l acquisizione di un segnale esterno (ad es. con metodi spirometrici od ottici) o marker impiantati internamente, ed il fascio viene spento ogni qualvolta il target esca da una finestra prestabilita, detta appunto gate. Figura 3.16 Comparazione del movimento del marker esterno (verde) con quello della lesione tumorale (blu). La soglia di gating viene settata sulla base del movimento del blocco esterno dei marker. Sono indicati in rosso gli istanti temporali in cui il fascio radiante viene acceso. Il gating respiratorio di cui abbiamo utilizzato il grafico, permette di rilevare il ciclo respiratorio del paziente attraverso la registrazione di un segnale di tipo ottico. Due marker riflettenti, posizionati sul torace del paziente, sono illuminati con una luce infrarossa. La luce da essi riflessa si muove con gli atti del respiro ed è rilevata da una telecamera, a raggi infrarossi, il cui segnale viene elaborato in tempo reale ed utilizzato per il trigger (Fig. 3.17). 63

76 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.17 Gating respiratorio con strumentazione Varian. In alto a sinistra è rappresentato il dispositivo con i marker riflettenti posizionato sul torace del paziente. In alto a destra è raffigurata la telecamera a raggi infrarossi. In basso è rappresentata la traccia del gating respiratorio, con alcuni cicli respiratori registrati. Nel caso del gating respiratorio usato durante le risonanze magnetiche i movimenti del torace, durante la respirazione, vengono rilevati meccanicamente, attraverso una cintura elastica, ed elaborati in tempo reale. Il gating respiratorio, in questo caso, è una tecnica di imaging (con questo termine si intende un generico processo attraverso il quale è possibile osservare un area di un organismo, non visibile dall esterno) progettata per rimuovere gli artefatti da movimento. Un artefatto, in un'immagine, è una qualsiasi caratteristica che appare nell'immagine e che non è presente nell'oggetto esaminato ed è causato dal movimento dell'oggetto esaminato o di una sua parte durante la sequenza di imaging. Il movimento di tutto l'oggetto durante la sequenza di imaging generalmente comporta l'offuscamento dell'intera immagine da parte di "immagini fantasma". Il movimento di una piccola porzione dell'oggetto esaminato comporta invece l'offuscamento, nell'immagine, di quella porzione dell'oggetto. La soluzione per un artefatto da movimento è quella di immobilizzare il paziente o l'oggetto esaminato. Quando l'origine del movimento è dovuta al battito del cuore o al respiro del paziente, la soluzione consiste nel sincronizzare la sequenza di imaging al ciclo cardiaco o respiratorio del paziente (Fig. 3.18). 64

77 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.18 Tracciato respiratorio usato durante la Risonanza Magnetica Digitalizzazione dei tracciati respiratori Una volta che abbiamo reperito le immagini dei tracciati respiratori usati in medicina li abbiamo digitalizzati, interpolati e resi periodici. Per digitalizzare i tracciati abbiamo usato Engauge Digitizer 4.1, un software che permette di convertire in numeri immagini di grafici e mappe. Dopo avere importato l immagine analogica, dalla videata principale, per eseguire la digitalizzazione della curva, bisogna : 1) definire gli assi di riferimento in coordinate cartesiane (o anche polari) e le relative scale cliccando su "Axis Point": il cursore del mouse si trasforma in una croce con la quale è necessario definire l'origine degli assi di riferimento; inserire un valore di riferimento dell'asse "X" che fornisca al software le informazioni necessarie per la definizione della relativa scala di misura, non è necessario puntare all'estremità del'asse; inserire un valore di riferimento per l'asse "Y". 65

78 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili 2) Cliccando su "Curve Point", è possibile discretizzare la curva del grafico in una serie di punti nel piano X,Y che potranno quindi essere convertiti in numeri. 3) Completata la selezione dei punti della curva, è possibile esportarli in un file "CSV" cliccando su Export File ed elaborarli, successivamente, con un foglio di calcolo. Nel nostro caso abbiamo utilizzato Excel per realizzare tabelle e grafici. Con Matlab, infine, abbiamo realizzato due programmi per interpolare e rendere periodici i dati fin qui ottenuti. Da Excel abbiamo importato la serie di dati digitalizzati nella variabile Matlab QuietBreathingMatrix. function [OutputTimeAxis, OutputSignal] = GenerateBreathSignal(InputTimeAxis, InputSignal, InputPeriodsNr, OutputFb, OutputTs, OutputAmplitude) InputWindowSize = InputTimeAxis(end) - InputTimeAxis(1); InputPeriod = InputWindowSize / InputPeriodsNr; OutputPeriod = 1/OutputFb; InputAmplitude = max(inputsignal); TimeRatio = OutputPeriod / InputPeriod; 66

79 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili AmplitudeRatio = OutputAmplitude / InputAmplitude; InterpTimeAxis = InputTimeAxis(1) : OutputTs/TimeRatio : InputTimeAxis(end); OutputSignal = interp1(inputtimeaxis, InputSignal, InterpTimeAxis); OutputSignal = OutputSignal * AmplitudeRatio; OutputTimeAxis = InterpTimeAxis * TimeRatio; Script 1 Lo script 1 contiene la funzione Matlab che abbiamo denominato GenerateBreathSignal. I suoi parametri di ingresso sono: InputTimeAxis: Vettore contenente i campioni dell asse dei tempi del segnale d ingresso InputSignal: Vettore contenente i valori di ampiezza respiratoria del segnale d ingresso InputPeriodsNr: Numero di periodi di respirazione osservati nel segnale d ingresso OutputFb: Frequenza respiratoria imposta per il segnale d uscita OutputTs: Intervallo di campionamento dell asse dei tempi del segnale d uscita OutputAmplitude: Ampiezza di picco imposta al segnale d uscita Gli argomenti di uscita della funzione Matlab GenerateBreathSignal sono i seguenti: OutputTimeAxis: Vettore contenente i campioni dell asse dei tempi del segnale d uscita OutputSignal: Vettore contenente i valori di ampiezza respiratoria del segnale d uscita load('quietbreathingsignal.mat'); InputTimeAxis = QuietBreathingMatrix(:,1)'; InputSignal = QuietBreathingMatrix(:,2)'; InputPeriodsNr = 4; OutputFb = 0.23; OutputTs = 0.2; OutputAmplitude = 0.01; IterationsNr = 2; 67

80 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili [OutputTimeAxis, OutputSignal] = GenerateBreathSignal(InputTimeAxis, InputSignal, InputPeriodsNr, OutputFb, OutputTs, OutputAmplitude); IteratedOutputTimeAxis = OutputTimeAxis; IteratedOutputSignal = OutputSignal; for I = 1:IterationsNr-1 IteratedOutputTimeAxis = [IteratedOutputTimeAxis IteratedOutputTimeAxis(end)+OutputTimeAxis]; IteratedOutputSignal = [IteratedOutputSignal OutputSignal]; end figure; plot(iteratedoutputtimeaxis, IteratedOutputSignal, 'b- *'); xlabel('time [s]'); ylabel('amplitude [m]'); grid on; Script 2 Lo script 2 serve ad invocare la funzione Matlab GenerateBreathSignal, contenuta nello script 1, passandole gli opportuni argomenti d ingresso. Nell esempio riportato nello script 2, dopo aver caricato i dati digitalizzati dalla variabile QuietBreathingMatrix, salvata nel file QuietBreathingSignal.mat, sono impostati i seguenti parametri: InputPeriodsNr = 4: Il segnale d ingresso contiene l osservazione di 4 periodi respiratori OutputFb = 0.23: La frequenza respiratoria voluta per il segnale d uscita è pari a 0.23 Hz OutputTs = 0.2: L intervallo di campionamento dell asse dei tempi per il segnale d uscita è pari a 0.2 s OutputAmplitude = 0.01: L ampiezza di picco del segnale d uscita è pari a 0.01 m IterationsNr = 2: Il numero di ripetizioni dell intero segnale d ingresso nel segnale d uscita è pari a 2 (ovvero per un totale di 8 periodi di respirazione) 68

81 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili L output dello script 2 è contenuto nelle variabili IteratedOutputTimeAxis, IteratedOutputSignal, le quali rappresentano, rispettivamente, il vettore dell asse dei tempi e quello delle ampiezze del segnale sintetizzato in uscita. Lo script 2 produce anche una rappresentazione grafica del segnale stesso, che è riportata, per l esempio in questione, nella figura seguente. Figura 3.19 Andamento del segnale respiratorio ottenuto. L interpolazione ha permesso di individuare la funzione analitica passante per l insieme dei punti disponibili e quindi di calcolare il valore della funzione stessa in qualunque punto interno all intervallo studiato, la periodicizzazione ha consentito di regolarizzarne l andamento temporale. Questi grafici sono stati utilizzati, nelle simulazioni, per ricostruire la frequenza respiratoria di un soggetto osservato attraverso un radar UWB. Nelle simulazioni, solitamente, vengono utilizzati tracciati sinusoidali, semplificando così il reale movimento del torace; avendo ora a disposizione dati e tracciati reali, i nuovi risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti utilizzando una sinusoide, invece dei tracciati reali, ed è stato calcolato il coefficiente di correlazione di Pearson, per verificare la bontà dell approssimazione. Nel secondo grafico, al movimento reale del torace, è stato sottratto, il valore medio al fine di allinearlo attorno allo zero. 69

82 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.20 Segnale respiratorio del soggetto. Figura 3.21 Movimento reale del torace e movimento simulato con una sinusoide. Nel grafico qui sopra sono rappresentati il movimento reale del torace, in blu, e il movimento simulato da una sinusoide, in rosso, con una spostamento picco-picco di 12 mm. 70

83 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Si può osservare dalla figura che il movimento che è stato usato finora nelle simulazioni, pur essendo molto simile a quello reale, se ne discosta in maniera piuttosto evidente. Per valutare l affinità tra le due curve si è calcolato il coefficiente di Pearson, ottenendo il valore: Pearson coefficient = Il coefficiente di Pearson è calcolato utilizzando il prodotto della media della differenza tra la forma d'onda con il valore medio dell'altra forma d'onda, dividendo questo con il prodotto della deviazione standard delle due forme d'onda o, più semplicemente come la covarianza, delle due funzioni, diviso per il prodotto delle deviazioni standard. Date due variabili statistiche X e Y l indice di Pearson è: Si parla di correlazione diretta quando 0 < xy 1 e si distingue inoltre: 0 < xy 0,3 : correlazione debole; 0,3 < xy 0,7 : correlazione moderata; xy > 0,7 : correlazione forte. L'indice di correlazione vale 0 se le due variabili sono indipendenti. Le nuove curve sono state utilizzate nelle simulazioni, la figura mostra i dati di setup del programma per la nuova forma d onda. 71

84 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.22 Dati di setup nella nuova simulazione. Nella figura sopra sono stati fissati i parametri: il periodo di campionamento in fasttime pari a 1ps, la durata dell impulso è di 450ps e la frequenza del respiro simulata di 0,475 Hz. In questa acquisizione della finestra di elaborazione del programma, nella figura seguente, si possono osservare i valori stimati attraverso il metodo di correlazione. E possibile vedere dal grafico, che il movimento del torace, ricostruito dal radar UWB, rappresentato in rosso, segue piuttosto bene il movimento reale del torace, in nero. 72

85 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.23 Risultati della simulazione. Anche in questo caso è stato calcolato il coefficiente di correlazione e di Pearson, ottenendo : Pearson coefficient: Qui di seguito riportiamo il grafico che mostra la forma d'onda ricostruita del movimento del torace, rispetto alla forma d'onda reale. 73

86 Capitolo 3. Tecnologia dei sensori: impiantabili o indossabili Figura 3.24 Confronto tra la forma d onda ricostruita e quella reale. Si può vedere che il metodo utilizzato per la stima della frequenza di respirazione, per mezzo della correlazione, funziona bene e dà una stima molto accurata del segnale in ingresso. 74

87 Capitolo 4 Alimentazione elettrica dei sensori Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Nei capitoli precedenti si è lavorato sulle tecniche di trasmissione al fine di ridurre al minimo il consumo energetico di sensori impiantati all interno del corpo umano, evitando così di dover intervenire, per sostituire le batterie che li alimentano, per periodi di tempo sempre più lunghi. Un altra strada che si è ipotizzata, all inizio di questo studio, è di eliminare le batterie (o di usarne di ricaricabili) impiegando al loro posto metodi alternativi di alimentazione elettrica. Da qualche anno un attivissimo filone di ricerca è dedicato esattamente a questo stimolante scopo: si tratta dell Energy Harvesting, ovvero la raccolta di energia da tutte quelle fonti in cui essa viene spontaneamente generata per poi essere completamente sprecata, dispersa nell ambiente circostante, diventando un rifiuto energetico. Da quest ultima definizione nasce il sinonimo Energy Scavenging, tradotto letteralmente ricerca dell energia tra i rifiuti, definizione che rende ancora più eloquente il concetto che sta alla base di questo processo, attraverso il quale l energia viene derivata dalle sorgenti esterne (come ad esempio, dall energia solare, termica, eolica, dal gradiente di salinità ed energia cinetica), catturata ed immagazzinata (Wikipedia 2011). Da queste forme di energia disperse, e potenzialmente utili, siamo letteralmente circondati: basti pensare all energia elettromagnetica e termica con cui il Sole irraggia costantemente la Terra; le vibrazioni meccaniche che le nostre attività innescano negli oggetti che ci circondano; i gradienti termici e di pressione. Una grande sfida del futuro è rappresentata dalla possibilità di utilizzare i sistemi Energy Harvesting per alimentare i dispositivi, messi all interno del corpo umano, con scopi curativi, diagnostici o di prevenzione, senza utilizzare materiali che debbano poi essere sostituiti nel tempo. Considerando che la popolazione mondiale over 65 raggiungerà il 12% nel 2030 [39], risulta importate riuscire ad aumentare l efficienza delle tecniche di prevenzione e di diagnosi. Inoltre, considerando che le batterie, che alimentano i pacemaker e gli altri dispositivi impiantabili, devono essere ciclicamente sostituite, comportando quindi un operazione chirurgica solo per effettuare tale sostituzione, risulta assolutamente 75

88 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori evidente la necessità di trovare una soluzione. Di conseguenza, i sistemi di Energy Harvesting suscitano un grande interesse nel campo biomedico. Figura 4.1 Panoramica dell energy harvesting [38]. Utilizzando i processi naturali del corpo umano, come il flusso sanguigno e quindi la pressione, si può ottenere energia idroelettrica dal sangue, direttamente dalle arterie [40]. Un gruppo di ricercatori dell Università di Berna, in Svizzera, e della Berner Fachhochschule (l Università di Scienze applicate della capitale elvetica) ha infatti creato una turbina per generare energia elettrica a partire dal flusso sanguigno con lo scopo di trovare il modo più efficace per ricaricare le batterie di dispositivi medici elettronici come pacemaker, sensori di pressione o pompe a rilascio programmato di farmaci. Stavolta i ricercatori svizzeri hanno pensato di usare un altro tipo di energia, quella idroelettrica del flusso sanguigno generato dal muscolo cardiaco. 76

89 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Figura 4.2 Microturbina realizzata dai ricercatori dell Università di Berna, Svizzera. Come ha infatti spiegato Alois Pfenniger, a capo dello studio, in un articolo su IEEE Spectrum [40]: Il cuore produce circa 1,5 watt di potenza idraulica e la nostra intenzione è quella di prenderne circa un milliwatt, insomma quel tanto necessario ad alimentare non solo un pacemaker, ma anche dispositivi più potenti. Gli scienziati svizzeri hanno quindi creato in laboratorio una serie di piccolissime turbine e ne hanno testato il potenziale energetico all interno di sottili tubicini simili per struttura e grandezza alle arterie umane. E il risultato non ha deluso le aspettative: fino a 800microwatt per un modello di turbina. Oppure si possono sfruttare alcuni materiali piezoelettrici, molto resistenti ed allo stesso tempo assolutamente innocui per la salute, come, ad esempio, i nano tubi di peptide [41], per fornire energia elettrica a tutti i dispositivi posti all interno del corpo. Figura 4.3. Sistemi Energy Harvesting a nano-tubi di peptide. Visto che l argomento in questione è molto delicato, non sono stati ancora condotti gli esperimenti sull essere umano per riuscire a dimostrarne la reale fattibilità, ma 77

90 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori vengono quotidianamente mossi dei passi nella direzione di applicazione dei sistemi di Energy Scavenging anche nel campo delle biotecnologie, al fine di rendere la qualità di vita, dei pazienti, sempre migliore. 4.1 Termogeneratori La differenza di temperature rappresenta un opportunità sfruttabile ai fini della generazione dell energia elettrica, utilizzando semplicemente i fenomeni fisici, conosciuti come l effetto Seebek e l effetto Peltier. Tali fenomeni, scoperti tra il 1821 ed il 1834, danno luogo ad un effetto termoelettrico, mostrato in Fig. 4.4, [42]. Figura 4.4 Sistema di generazione dell energia termica. L effetto Seebeck è un fenomeno termoelettrico in cui in un circuito, costituito da conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura genera elettricità. Tale effetto è il complementare dell effetto Peltier, secondo il quale, se viene fatta scorrere corrente in un conduttore, il calore viene assorbito da una giunzione e viene emesso dall altra. L'effetto Seebeck viene sfruttato per misurare differenze di temperatura attraverso la misurazione della differenza di potenziale, generata in un circuito costituito da fili di materiale diverso. Il dispositivo risultante prende il nome di termo generatore o termocoppia. 78

91 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Il massimo rendimento di un termo generatore ideale è dato dal rendimento di Carnot e può espresso come: dove T hot è la temperatura del lato caldo e T cold è la temperatura del lato freddo, rappresentati in Fig Quindi, idealmente, maggiore è la differenza di temperatura e migliore è il rendimento del termo generatore. Nell ambito dei sistemi di Energy Harvesting è però interessante non tanto il segnale utile per le misurazioni, quanto l energia che può essere generata da questi dispositivi. GENERATORI ELETTROTERMICI Utilizzando l effetto Seebeck appena illustrato e quindi basandosi sul funzionamento delle termocoppie, è possibile realizzare dei generatori di energia elettrica, a partire da una differenza di temperatura presente in un determinato ambiente. Una potenziale fonte di differenza di temperatura, e quindi di energia termica, potrebbe essere il gradiente di temperatura tra il calore del corpo umano, normalmente pari a 36 C, e la temperatura ambiente di 20 C. Di seguito vengono illustrate alcune tipologie di generatori elettrotermici ed il loro funzionamento. Figura 4.5 Cella di Peltier. 79

92 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori In Fig. 4.5 viene mostrato un modulo elettrotermico, idoneo per le generazione di energia elettrica. Tale dispositivo prende il nome di cella di Peltier. Collegando il modulo alla fonte di calore da una parte e verificando che vi sia un gradiente di temperatura al fine di garantire il funzionamento, è sufficiente collegare una resistenza di carico per ottenere la corrente elettrica [43]. Il generatore elettrotermico presenta delle caratteristiche interessanti, come, ad esempio, un lungo ciclo di vita, l assenza delle parti in movimento e facile realizzazione. D altro canto però ha un efficienza alquanto ridotta, fattore che ha ostacolato a lungo il suo sviluppo nelle varie tecnologie [42]. Tra le applicazioni di questo metodo, l orologio da polso Thermic Watch prodotto dalla Seiko, mostrato in Fig. 4.6 a), è considerato la prima applicazione del sistema di Energy Harvesting con energia termica utilizzata in un prodotto a largo consumo [44]. Questo orologio utilizza un generatore elettrotermico, mostrato in Fig. 4.6 c) e d), per convertire il calore del corpo umano in energia elettrica per alimentare l orologio stesso. Con un gradiente di temperatura di 1 K tra il polso e l ambiente circostante, possono essere raccolti fino 22 μw di potenza. Inoltre, l energia non solo viene sfruttata per il funzionamento dell orologio, ma carica anche una batteria agli ioni di litio di 4,5 mah [45]. Figura 4.6 a) Orologio Thermic Watch della Seiko, b) rappresentazione in sezione, c) e d) particolari del modulo elettrotermico, (R. Shih, 2008). 80

93 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori 4.2 Soluzioni commerciali Tra i prodotti disponibili sul mercato che sfruttano le differenze di temperatura per generare energia elettrica risulta interessante questo prodotto della Thermo Life Energy Corporation [46]. Figura 4.7 Thermo Life confrontato con un penny e schema di funzionamento del termo generatore. Caratteristiche: è un generatore termoelettrico a bassa potenza, in attesa di brevetto, converte direttamente l energia termica in energia elettrica, piccole differenze di temperatura, di meno di 5 Kelvin, possono già fornire energia termica (p.e. tra 20 C e 25 C). Una differenza di 5 C di temperatura genera quasi 6 V a circuito aperto, circa 3 V abbinato ad un carico, 10 A di corrente, 30 W di potenza; 10 C di differenza genera circa 11V a circuito aperto, che diventano 11V, con carico, e 25 A di corrente, 135 W di potenza. Maggiori differenze di temperatura producono maggiori livelli di potenza in uscita, funzionano bene (efficientemente) in quasi ogni condizione ambientale. È un dispositivo compatto, di taglia miniaturizzata e ultra leggero. 81

94 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Affidabile, antiurto e senza parti meccaniche, non necessita di movimento, luce o ambiente pulito per generare energia elettrica, è un dispositivo solido, senza gas compressi o sostanze chimiche, è una risorsa rinnovabile che rispetta l ambiente, l output è compatibile con le esigenze dei più moderni microsistemi. Soluzioni Micropelt e RTI La capacità di fabbricare termoelementi semiconduttori estremamente piccoli ha consentito la possibilità di raccolta di piccole quantità di calore per le applicazioni a bassa potenza, quali reti di sensori wireless, dispositivi mobili, e anche applicazioni mediche. Varie tecniche a film sottile sono state utilizzate, per produrre piccoli dispositivi termoelettrici, da due società, Micropelt e RTI, appositamente costituite [47]. Dispositivi che utilizzano il materiale termoelettrico in una direzione parallela al piano di deposizione perdono efficienza termica, a causa del corto circuito del substrato, ma guadagnano dalla densità e dalla lunghezza degli elementi termoelettrici, fino a 5v che possono essere prodotti con un salto di temperatura di 10 K. Allo stesso tempo, i fabbricanti di dispositivi termoelettrici sfusi, che hanno tipicamente dimensioni di 1-2 mm in lunghezza, possono raggiungere dimensioni degli elementi termoelettrici anche di 100μm. Figura 4.8 Elementi termoelettrici micro fabbricati (Micropelt) e dispositivo completo (RTI) vicino a un penny USA. 4.3 Soluzioni piezoelettriche La piezoelettricità (dal greco premere, comprimere ) è la proprietà di alcuni materiali di generare una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica. 82

95 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori L utilizzo dei polimeri, come, ad esempio, il polivinildenfluoruro (PVDF) o Kynar o Hylar o Sygef, dalle spiccate proprietà piezoelettriche, ha permesso di allargare i campi di applicazione nelle ricerche sui sistemi di Energy Harvesting, rispetto a quelle possibili con l uso dei cristalli naturali. Alcuni ricercatori della Georgia Tech University hanno sviluppato un nuovo tipo di generatore elettrico in piccola scala in grado di produrre corrente alternata (AC), attraverso un ripetuto stretching di particolari fili metallici in un substrato di plastica flessibile che può essere incorporato in quasi qualsiasi materiale. Si può parlare di un nuovo efficiente dispositivo piezoelettrico. Questo nuovo tipo di generatore piezoelettrico è in grado di produrre fino a 45 millivolt, convertendo quasi il 7% dell energia meccanica applicata direttamente ai fili di ossido di zinco, in elettricità. Una complessa matrice di questi microgeneratori potrebbe essere utilizzata per caricare dispositivi a bassa potenza incorporati in dispositivi MEMS. Generatori piezoelettrici di così piccole dimensioni saranno in grado di essere utilizzati in dispositivi medici di rilevamento, per il monitoraggio ambientale, la difesa personale e la tecnologia elettronica, ha spiegato il professor Zhong Lin Wang del Georgia Institute of Technology. Basso costo, bassa potenza, microsensori e micro-dispositivi potrebbero ridefinire la nostra vita nei prossimi 50 anni. Figura 4.9 Energia Elettrica Ibrida: la cella Self-Charging Power converte e immagazzina energia in una sola unità. 83

96 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Nanogeneratori Piezoelettrici Un nano generatore piezoelettrico [48], dalle dimensioni nanoscopiche, che possa funzionare da nano-batteria per dispositivi miniaturizzati è il prodotto della ricerca del Prof. Wang e del suo gruppo di lavoro. Per ottenere il nano generatore Wang ha predisposto un array di cristalli di ZnO a formare nanofili fatti crescere su un substrato solido conduttore. Figura 4.10 Immagine SEM di cristalli (nanofili) di ZnOsu un substrato solido conduttore. In seguito, a dimostrazione pratica del funzionamento del sistema, la punta di silicio coatizzata con platino di un AFM (Atomic Force Microscopy) e stata fatta scorrere sulle estremità libere di questi nanofili. Il segnale registrato in uscita e stato attribuito all effetto del contatto della punta sulle estremità dei cristalli: il fenomeno piezoelettrico si innesca al primo contatto della punta al Pt, quando questa flette il nanofilo di ZnO creando una zona in estensione ed una in compressione nella direzione di scorrimento della punta (Figura 4.11). Facendo scorrere i nanofili metallici della fibra di Kevlar su quelli non coatizzati dell altra, i ricercatori hanno riprodotto quel meccanismo di estensione/compressione sopra descritto ed hanno registrato in output il conseguente passaggio di corrente (circa 4 na). Attorcigliando le due diverse tipologie di fibre di Kevlar e facendole scivolare ciclicamente una sull altra si innesca il fenomeno piezoelettrico: le estremità libere dei nanofili di ZnO (coatizzati e non) si trovano a scorrere le une sulle altre come schematizzato in Figura (a), in basso. Un po come sfregare tra loro le setole di due spazzolini molto flessibili. 84

97 Capitolo 4. Alimentazione elettrica dei sensori Figura 4.11 Innesco del fenomeno piezoelettrico. Figura 4.12 I nanofili metallici della fibra di Kevlar scorrono su quelli non coatizzati dell altra. Nano dispositivi e nano sistemi in via di sviluppo sono di fondamentale importanza per il rilevamento, la scienza medica, la tecnologia della difesa e anche l elettronica personale. È altamente desiderabile per i dispositivi wireless e anche necessario per i dispositivi biomedicali impiantabili essere autoalimentati, senza utilizzare batterie. I ricercatori hanno anche sviluppato una cella di autoricarica energetica che converte direttamente energia meccanica in energia chimica, immagazzinandola fino a quando e rilasciata sotto forma di corrente elettrica. 85