Illustrazione dell'attività svolta

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1 ! " Responsabile Scientifico dell'unità di Ricerca: MACERATA Alberto Marco Maria Università Università degli Studi di PISA Quota Cofinanziamento MIUR Quota Cofinanziamento ATENEO Totale finanziamento Illustrazione dell'attività svolta Descrizione obiettivo: Estrarre informazione di interesse clinico dai segnali di movimento cardiaco e respiratorio, ottenuti con rilevazione a distanza mediante radar a microonde: - riconoscimento automatico del battito cardiaco e del ciclo respiratorio, - interpretazione diagnostica dei tracciati mediante confronto con segnali ottenuti con sensori tradizionali a contatto. Descrizione attività svolta: L attivita di trattamento dei segnali e iniziata sulla base di una serie di dati sperimentali forniti dall Unita di Ricerca di Firenze ed ottenuti con registrazioni di segnale radar CW a diverse frequenze. Le registrazioni si riferivano ad acquisizioni ottenute con strumentazione di laboratorio e con specifiche antenne progettate e prodotte dalla stessa UR di Firenze. Le frequenze utilizzate per il segnale radar sono state di 2.42 GHz (antenne tipo Patch Array) e 10 GHz (antenne tipo Horn) per una valutazione preliminare delle caratteristiche dei segnali in diverse condizioni sperimentali. I segnali forniti rappresentavano lo sfasamento del segnale radar CW campionato a frequenza di 26,7 Hz, frequenza imposta dalle caratteristiche della strumentazione di laboratorio impiegata. I segnali sono stati registrati in diverse condizioni sperimentali con volontari in posizione seduta a diversa distanza dalle antenne radar, con il busto in posizione normale alla direzione radar-soggetto. Una seconda serie di esperimenti e stata successivamente eseguita con la stessa strumentazione e con il soggetto posto in posizione sdraiata, con diversa distanza del soggetto dalle antenne radar e in diverse condizioni fisiologiche: durante respirazione normale e durante apnea. Una terza serie di esperimenti e stata eseguita, sempre presso il laboratorio dell Unita di Firenze, con la stessa strumentazione radar e con strumentazione biomedicale per l acquisizione contemporanea di segnali fisiologici (ECG e respiro). Il segnale elettrocardiografico e stato ottenuto da un normale elettrocardiografo (un canale) ed il segnale respiratorio da una banda toracica con sensore piezoelettrico. I due sistemi, quello di acquisizione dei segnali radar e quello dei segnali biologici, erano completamente indipendenti essendo impossibile, per la limitazione della strumentazione di laboratorio, l acquisizione di tutti i segnali su un unico supporto di registrazione. La sincronizzazione tra il segnale radar ed i segnali biologici si e ottenuta utilizzando un segnale di trigger acquisito in contemporanea con i segnali biologici e provvedendo a posteriori al sincronismo con metodi software basati sul

2 riconoscimento del fronte di inizio del trigger. Infine una quarta sperimentazione e stata eseguita su animale anestetizzato presso lo stabulario dell Istituto di Fisiologia Clinica di Pisa. In questo caso si e potuto utilizzare una strumentazione radar prototipale nel frattempo sviluppata dall Unita di Firenze. Con tale strumentazione e stato possibile acquisire piu segnali analogici contemporanei e con frequenza di campionamento piu consona ad una elaborazione dei segnali. La possibilita di acquisire contemporaneamente il segnale radar ed i segnali biologici di confronto ha permesso di superare i problemi di sincronizzazione tra i segnali e di correlare con certezza i risultati ottenuti dai segnali biologici di riferimento con i segnali radar sotto analisi. L acquisizione dei segnali e avvenuta con una frequenza di campionamento di 1KHz. Sono stati acquisiti in contemporanea: segnali radar piu segnale ECG e segnale respiratorio ottenuti dalla strumentazione biomedicale del laboratorio. Durante l esperimento l animale era controllato nelle sue funzioni vitali, via infusione di farmaci per la modifica della frequenza cardiaca e tramite il respiratore per la variazione della frequenza respiratoria fino all apnea. Sono state eseguite diverse acquisizioni in differenti condizioni fisiologiche (variazione della frequenza cardiaca e della frequenza respiratoria) e con diversa posizione delle antenne rispetto al corpo dell animale. I segnali ottenuti dalla diverse prove sperimentali sono stati oggetto di analisi. I risultati di queste elaborazioni hanno consentito di riconoscere le potenzialita ed i limiti della strumentazione e dei metodi applicati. I risultati di volta in volta ottenuti hanno suggerito nuovi protocolli sperimentali che sono stati successivamente approntati ed eseguiti nel corso di questo primo anno del progetto. E da notare che in questa fase il trattamento dei segnali ha dovuto essere necessariamente e per buona parte propedeutico in attesa che fosse approntato un primo prototipo di strumentazione radar piu adeguato all analisi dettagliata clinica. La disponibilita di segnali con scarsa risoluzione in frequenza ha limitato l uso di algoritmi piu sofisticati in grado di esaltare e rivelare segni significativi. Nonostante questi limiti, sono stati ottenuti risultati interessanti ed incoraggianti che fanno ben sperare ad un possibile impiego in campo clinico-diagnostico. I segnali acquisiti sono stati inizialmente presentati a video per una prima analisi visiva sulla presenza o meno dei segni di interesse, respiratorio e cardiaco. Nelle prime sperimentazioni, l uso di frequenze a 10 GHz si e dimostrato apparentemente piu sensibile e meno soggetto a rumore rispetto a frequenze di 2.4 GHz. Nonostante la miglior prestazione dei 10 GHz si e deciso di scegliere la frequenza a 2.4 GHz come frequenza di riferimento per le successive sperimentazioni e per la progettazione delle antenne e del prototipo. Questa scelta e stata dettata dagli obiettivi principali del progetto, piu orientati al riconoscimento di movimenti profondi rispetto a quelli superficiali. Il contributo dell Unita di ricerca di Reggio Calabria e stato importante per individuare il grado di penetrazione teorico delle onde radar. Frequenze dell ordine di qualche GHz consentono una penetrazione di qualche centimetro attraverso gli strati superficiali della cute essendo quindi teoricamente sensibili a spostamenti interni al corpo, quali le pareti cardiache. Frequenze superiori, 10 GHz o maggiori, non hanno questa capacita e, dall analisi delle caratteristiche dielettriche degli stati cutanei ed interni, ne deriva che la loro capacita di penetrazione non supera l ordine di qualche millimetro. Queste considerazioni di massima dovranno essere meglio approfondite dal gruppo di ricerca di Reggio Calabria cosi da poter conoscere le aspettative e programmare il tipo di elaborazioni in funzione di quanto teoricamente sara possibile ottenere dai segnali. Al di la della conferma visiva dell esistenza di oscillazioni sul segnale radar correlate con l attivita respiratoria e cardiaca, sono applicati dei filtri passa-banda per evidenziare selettivamente l eventuale contributo dei due sistemi fisiologici (Fig. 1 e Fig. 2). Un analisi spettrale basata sulla trasformata di Fourier (metodo di Welch) ha evidenziato la presenza di componenti significative alle frequenze fondamentali di interesse. La conferma della correttezza del significato di queste componenti e stata ottenuta a seguito del confronto con i veri segnali fisiologici di riferimento acquisiti durante la terza serie di sperimentazioni. Questo confronto ha confermato la validita del metodo, in grado di rivelare in modo completamente non invasivo i suddetti segnali fisiologici. Questi risultati, peraltro aspettati ed alla base dello stesso progetto, non rappresentano di per se una novita in quanto gia noti in letteratura. Dal punto di vista prettamente clinico, l eventuale novita potrebbe derivare dalla possibilita di rendere disponibile uno strumento portatile, di piccole dimensioni, da impiegarsi per il monitoraggio remoto di semplici indici vitali quali la frequenza cardiaca o respiratoria. I segnali, pur rivelando in modo indiscutibile le componenti fisiologiche, si presentavano affetti da notevole rumore ; questo rumore risulta essere in parte insito nella stessa metodologia di rilevamento ed in parte dovuto alla strumentazione di laboratorio usata in questa prima fase che non si presta ad offrire segnali idonei ad essere trattati con algoritmi di pulizia e filtraggio adeguati. Con particolare riferimento al segnale cardiaco di maggior interesse clinico, anche se in presenza di maggior rumore, si e tentato di estrarre informazioni piu dettagliate oltre a quelle relative alla semplice frequenza cardiaca. A partire dalla terza serie di esperimenti, le registrazioni hanno incluso, oltre al segnale radar, anche il segnale elettrocardiografico di riferimento; in questo modo e stato possibile applicare procedure e algoritmi per evidenziare la eventuale presenza sul segnale radar di una morfologia tipica del movimento associato all attivita cardiaca. A questo scopo il segnale ECG e stato elaborato con un algoritmo di riconoscimento di eventi per l individuazione del complesso QRS; questo algoritmo viene comunemente utilizzato nel nostro laboratorio per l analisi di segnali elettrocardiografici ed e fondamentalmente basato sulla derivata del segnale e sull uso di soglie adattative di riferimento. L individuazione del complesso QRS ha consentito la segmentazione dell intero segnale

3 elettrocardiografico in una serie di intervalli, contenenti ciascuno un singolo battito cardiaco, sincronizzati rispetto al complesso QRS. Il corrispondente segnale radar e stato inviato ad un filtro passa-alto con frequenza di taglio tale da eliminare sia la componente respiratoria che eventuale rumore a bassa frequenza. Gli eventi riconosciuti sul segnale ECG hanno consentito la stessa segmentazione del segnale radar. Alla base di questa procedura c e l assunto fisiologico che, in condizioni normali, ogni battito cardiaco presenta una struttura identica, che si evidenzia sull elettrocardiogramma nella sequenza di onde di potenziale elettrico P, QRS, T che corrispondono rispettivamente alla fase di impulso elettrico del pacemaker naturale al nodo del seno, alla fase di depolarizzazione ventricolare ed alla successiva fase di polarizzazione. Queste fasi elettriche sono ovviamente strettamente correlate al movimento del muscolo cardiaco in cui la fase di depolarizzazione ventricolare corrisponde alla contrazione dei ventricoli dove si ha il massimo effetto di pompa con la spinta del sangue dal cuore verso la periferia, cioe la circolazione arteriosa. Queste fasi si presentano con una tempistica pressoche costante variando al piu il periodo tra l onda T e la successiva onda P in funzione delle diverse condizioni ambientali e sotto l azione dei sistemi fisiologici di controllo. In questa condizione, alla ripetibilita della sequenza di eventi elettrici deve corrispondere una simile sequenza di eventi meccanici a livello del muscolo cardiaco. Gli eventi meccanici, provocando un movimento delle pareti cardiache e dello stesso muscolo nella sua interezza, possono essere rilevate dal segnale radar che dovrebbe mostrare una struttura costante e periodica nel tempo. Il segmenti sincroni del segnale radar sono stati mediati su tutta la durata della registrazione. I risultati di questa procedura sono stati presentati sotto forma di grafico in cui sono stati rappresentati i singoli segmenti sincronizzati (Fig. 3 e Fig. 5), la media e la banda di occorrenza dei singoli campioni del segnale nei diversi segmenti individuata da +/- la deviazione standard (Fig. 4 e Fig. 6). Gia analizzando i singoli segmenti di segnale risulta chiara la presenza di una morfologia che si mantiene costante nonostante la presenza di un notevole rumore di fondo. Il segnale mediato esalta la presenza di una netta e tipica morfologia che indica come, nonostante i limiti delle sperimentazioni fatte, sia possibile identificare alcuni segni specifici e caratteristici. L esistenza di una specifica morfologia e confermata su tutte le registrazioni effettuate. E da notare che tale morfologia, pur essendo rilevabile in ogni registrazione, appare diversa per ogni sessione di acquisizione. Questa diversita e giustificabile dalle non identiche condizioni sperimentali e dalla diversa struttura fisica dell individuo dove la posizione del cuore ed il movimento interno del muscolo potrebbe presentarsi diversamente al segnale radar incidente. Sara oggetto di successive indagini il testare la variabilita della morfologia dell onda-media e la sensibilita intra ed interindividuale dei soggetti. L'attivita'di trattamento dei segnali puo'essere quindi schematizzata come segue: - identificazione delle componenti di interesse sui segnali radar mediante analisi spettrale e confronto con gli spettri relativi ai segnali tradizionali di riferimento; - progetto di filtri atti ad evidenziare e separare le componenti di interesse cardiaca e respiratoria; - studio ed applicazione di filtri adattativi LMS con in ingresso i segnali tradizionali atti a cancellare/stimare le componenti crosscorrelate presenti nei segnali radar; - stima, sul segnale radar, della forma dell'evento relativo alla contrazione cardiaca e della sua variabilita' battito/battito. La procedura comprende: filtraggio passa alto del segnale radar; riconoscimento del complesso QRS sul segnale ECG di superficie; stima punto fiduciale per l'inizio della contrazione ventricolare; media di intervalli di segnale radar sincronizzati sull istante di inizio. Figura 1 - Segnale radar (rosso) e segnale respiratorio ottenuto con banda toracica piezoelettrica (blu). La

4 componente cardiaca sul segnale radar non e visibile nella figura in quanto di ampiezza molto inferiore a quella respiratoria. Frequenza radar 2.4 GHz. La normalizzazione dei segnali in tutte le figure e arbitraria. Figura 2 - Segnale radar (rosso) e segnale radar dopo filtraggio per l eliminazione della componente respiratoria a bassa frequenza (verde). Frequenza radar 2.4 GHz. Figura 3 - Segnale ECG ottenuto dall elettrocardiografo (blu) e segnale radar (verde) dopo eliminazione delle componenti a bassa frequenza (respiro). Le barre rosse indicano i marker di sincronismo ottenuti automaticamente dall elaborazione del segnale originale ECG. Frequenza radar 2.4 GHz.

5 Figura 4 - Ciclo medio ECG (sopra) e corrispondente onda media del segnale radar filtrato (blu) con range di variabilita +/- una deviazione standard (rosso). Le medie sono state ottenute dalla sequenza di intervalli dei segnali sincronizzati sull istante di riferimento di inizio del ciclo cardiaco ottenuto sul segnale elettrocardiografico. Figura 5 Caso di soggetto durante apnea, cioe in assenza di movimenti respiratori. Segnale ECG ottenuto dall elettrocardiografo (blu) e segnale radar (verde) dopo eliminazione delle componenti a bassa frequenza. Le barre rosse indicano i marker di sincronismo ottenuti automaticamente dall elaborazione del segnale originale ECG. Frequenza radar 2.4 GHz.

6 Figura 6 - Caso di soggetto durante apnea, cioe in assenza di movimenti respiratori. Ciclo medio ECG (sopra) e corrispondente onda media del segnale radar filtrato (blu) con range di variabilita +/- una deviazione standard (rosso). Schema riassuntivo dei fondi utilizzati (cifre spese) Voce di spesa Spese indicate nella rideterminazione di base e/o rimodulazione Cifra spesa Descrizione Materiale inventariabile Notebook Lenovo UQ13WIT Sistemi Personal Computer (n. 2) Converitore A/D National NI USB-6215 Grandi Attrezzature 0 Materiale di consumo 0 Quota forfetaria certificata Spese per calcolo ed elaborazione dati Personale a contratto (escluse le borse di dottorato) Contratto di Collaborazione coordinata e continuativa (dott. P.C.Berardi) Dottorati di ricerca a carico del PRIN

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