PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA EMBEDDED PER IL RILIEVO DELLA PULSAZIONE CARDIACA TRAMITE UN SENSORE FOTOPLETISMOGRAFICO

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1 SECONDA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA TESI DI LAUREA IN ELABORAZIONE NUMERICA DEI SEGNALI PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA EMBEDDED PER IL RILIEVO DELLA PULSAZIONE CARDIACA TRAMITE UN SENSORE FOTOPLETISMOGRAFICO Relatore: Candidato: Ch.mo Prof. Ing. Fabrizio D Amato Francesco Palmieri Matricola 830/130 Correlatore: Ing. Costantino Aldi ANNO ACCADEMICO

2 Capitolo 1 In questo capitolo vengono forniti brevi cenni sulla fotopletismografia e gli attuali strumenti per medici e sportivi in cui essa è utilizzata. Inoltre viene caratterizzato il segnale fotopletismografico e vengono fatti alcuni parallelismi con l ABP (onda sfigmica). a. La pletismografia La pletismografia è una metodica di indagine strumentale non invasiva utilizzata nello studio della dinamica vascolare periferica. Essa consente la misurazione e quindi la registrazione grafica delle variazioni di volume che un certo distretto corporeo subisce ad ogni sistole cardiaca in conseguenza del suo riempimento ematico. In campo flebologico è utilizzata per la determinazione quantitativa delle modificazioni di volume di un arto conseguenti alla variazione della quantità di sangue venoso che da esso defluisce. E quindi in grado di documentare in maniera non invasiva una ostruzione al deflusso venoso dall arto, così come è in grado di quantizzare in maniera riproducibile una condizione di reflusso venoso o di alterata funzionalità della pompa muscolare del polpaccio. A seconda del mezzo utilizzato per tali misurazioni si distinguono vari tipi di metodica pletismografica: 4

3 pletismografia ad acqua pletismografia ad aria pletismografia ad occlusione venosa pletismografia ad impedenza pletismografia a strain gauge fotopletismografia Pertanto le variazioni di volume venoso dell arto sono misurate: a) nella pletismografia ad acqua direttamente attraverso lo spostamento dell acqua in un sistema chiuso; b) nella pletismografia ad aria attraverso l aumento di pressione dell aria in un sistema chiuso; c) nella pletismografia ad impedenza attraverso variazioni della resistività cutanea; d) nella. pletismografia a strain gauge attraverso i cambiamenti di circonferenza dell arto; e) nella fotopletismografia attraverso variazioni della luce riflessa dai globuli rossi presenti nel plesso papillare cutaneo. Tale ultima metodologia costituisce oggetto della presente trattazione. b. Introduzione alla fotopletismografia La fotopletismografia è una metodica messa a punto da Blazek e Wienert nel Essa si basa sul principio che l entità della luce riflessa dalla cute è in rapporto alla quantità di emoglobina e quindi al numero di eritrociti presenti nel circolo subpapillare del derma. La riflessione della luce risulta inversamente proporzionale allo stato di replezione dei vasi, per cui è minima in condizioni di massimo riempimento capillare, cioè di stasi ematica a livello cutaneo, ed è massima in condizioni di massimo svuotamento dei capillari. Il sensore PPG (fotopletismografico) consta di un led e di un fotodiodo, come è mostrato in Figura 1. Il led provvede ad illuminare la cute consentendo al fotodiodo di rilevare la luce riflessa; poiché -come visto- questa è inversamente proporzionale alla quantità di 5

4 sangue che attraversa la cute stessa, misurando le variazioni di corrente sul fotodiodo si otterranno le volute indicazioni. Figura 1. Sensore Fotopletismografico. La luce emessa dal LED passa attraverso la pelle e i vasi sanguigni raggiungendo il sangue. Come una qualsiasi onda elettromagnetica, questa viene attenuata secondo una legge proporzionale a e αl dove α ed l sono rispettivamente la costante di attenuazione e lo spessore del mezzo [10]. Questa legge non tiene conto però dei fenomeni di riflessione, rifrazione e scattering. Per poter ritenere valida tale approssimazione il mezzo deve essere omogeneo, motivo per cui il sensore viene posto sulla punta delle dita o sull orecchio: altrove, a causa della presenza di più vasi sanguigni, la misura diventerebbe più complessa. Inoltre il rumore derivato dalla presenza della luce non proveniente dal LED e le proprietà intrinseche di quest ultimo (dimensioni, lunghezza d onda ed intensità della luce emessa) rendono la relazione tra flusso di sangue e segnale rilevato dal fotodiodo ancora più complicata. c. Tipologia di sensore: Sensore trasmissivo e Sensore riflessivo. Esistono due tipologie di sensori: trasmissivo e riflessivo. Il primo, rappresentato in Figura 2(a), necessita che led e fotodiodo siano disposti ai due lati opposti del dito. Si basa quindi sulla variazione di luce trasmessa in funzione della quantità di sangue che attraversa i capillari. Il sensore riflessivo, rappresentato in Figura 2(b), è composto 6

5 invece da un unico blocco in cui sono presenti led e fotorivelatore. Il principio di funzionamento è quello illustrato nel paragrafo precedente. Figura 2. (a) Sensore Trasmissivo Figura 2 (b) Sensore Riflessivo [5] d. Applicazioni mediche della fotopletismografia: Pulse Oximeter Il pulsiossimetro è una tipica applicazione medica della fotopletismografia. E uno strumento utilizzato per monitorare contemporaneamente battito cardiaco e ossigenazione del sangue. Il principio fisico si basa sul fatto che il colore del sangue dipende dalla quantità di emoglobina saturata (HbO 2 ). L emoglobina satura è di colore rosso e quella insatura tende al blu. L emoglobina infatti cambia la sua configurazione strutturale quando prende parte ad una reazione chimica; ognuna di queste configurazioni presenta un tipo differente di riflessione della luce. Alla lunghezza d onda di 660 nm corrisponde il rosso dell emoglobina saturata e alla lunghezza d onda di 940 nm corrisponde invece l emoglobina non satura. Facendo passare entrambe le lunghezze d onda in un campione di sangue si avrà che la intensità di trasmissione della luce a 660 nm sarà in funzione della quantità percentuale di HbO2. Questa percentuale corrisponde al valore di saturazione (SpO2). 7

6 Figura 3. Assorbimento della luce in funzione della lunghezza d onda e della molecola di Emoglobina (Ossigenata o Non Ossigenata). [10] La Figura 3 evidenzia quanto asserito. La curva rossa e quella viola rappresentano rispettivamente l assorbimento luminoso da parte dell emoglobina satura e non satura, in funzione della lunghezza d onda della luce da cui ciascuna viene colpita. Vengono inoltre messe in risalto le risposte alle 2 particolari lunghezze d onda che vengono trasmesse dal pulsiossimetro: rosso ed infrarosso. Questi vengono pilotati alternativamente tramite un opportuno sistema di controllo, e dal rapporto di ampiezza dei segnali rilevati sul fotodiodo viene estrapolata l ossigenazione del sangue. Figura 4. Pulse oximeter Figura 4. Pulsiossimetro In figura 4 è mostrato una tipica applicazione di pulsiossimetro di casa Contec. Sul display compaiono la frequenza cardiaca, la percentuale di ossigenazione del sangue e l andamento temporale del segnale PPG. 8

7 e. Applicazioni sportive della fotopletismografia L applicazione sportiva della fotopletismografia è l obbiettivo della presente trattazione. Oggigiorno gli unici cardiofrequenzimetri che offrono risultati affidabili rilevano la pulsazione cardiaca con l ausilio di una fascia toracica. Questa risulta scomoda e fastidiosa agli utenti che devono inoltre accertarsi che sia costantemente inumidita onde evitare falsi contatti con la pelle. Figura 5. Fascia toracica In Figura 5 è mostrata la fascia elastica toracica,in tessuto, commercializzata dalla Polar. Il sensore fotopletismografico, invece è un piccolo anello che risulterà sicuramente più comodo agli sportivi, che sentono sempre più la necessità di cercare un nuovo sistema per monitorare la loro frequenza cardiaca. 9