S.I.T. srl 4 febbraio Dispositivo indossabile per la misura di parametri biometrici

Transcript

1 Dispositivo indossabile per la misura di parametri biometrici

2 Indice degli argomenti Indice delle figure...2 Introduzione...3. Parametri misurati dal sistema Hornet Caratteristiche hardware del sistema Accelerometro lineare Microcontrollore PIC 8F Sistema di trasmissione wireless: Modulo Bluetooth Stadio ECG Sensori utilizzati per il monitoraggio dei dati biometrici Sensore piezoelettrico Sensori per ECG Sensore accelerometrico Acquisizioni... Conclusioni...5 Indice delle figure Figura : schema a blocchi dell elettronica per l ECG...6 Figura 2 : posizionamento degli elettrodi...7 Figura 3: prototipo sensore Hornet...9 Figura 4: scheda Hornet... Figura 5: tracciato ECG su 3 canali... Figura 6: sopra stato di moto: soggetto sdraiato, sotto atti respiratori...2 Figura 7: sopra stato di moto: soggetto in piedi, sotto atti respiratori...2 Figura 8: sopra stato di moto: soggetto in movimento, sotto atti respiratori...3 Figura 9: sole onde QRS del segnale ECG filtrato...4 2

3 Introduzione In questo rapporto verrà descritto il dispositivo Hornet progettato e realizzato da S.I.T srl. Hornet è un sistema indossabile (Dispositivo On Board ) che permette l acquisizione di segnali biomedici. Nello specifico il sistema Hornet permette di acquisire segnali/dati biomedici quali ECG frequenza respiratoria e stato di moto di pazienti affetti da scompenso cardiaco (SCC) e di trasmettere tali dati wireless ad una stazione domestica (pc). Il prototipo descritto nel seguente documento è stato realizzato su una scheda millefori pertanto le dimensioni del sistema potrebbero ridursi notevolmente nel caso di industrializzazione. 3

4 . Parametri misurati dal sistema Hornet Il prototipo sviluppato, orientato alla gestione di pazienti domiciliati, opera in costante connessione con la centralina di trasmissione via wireless e non prevede meccanismi di bufferizzazione dei dati per la gestione dei paziente fuori domicilio. E stato sviluppato del codice software basato sulla piattaforma MatLab per l elaborazione dei dati e l estrazione dei parametri vitali di interesse quali:. Frequenza Cardiaca 2. Deviazione standard intervalli RR 3. Parametri di indicazione ritmo 4. Distribuzione temporale degli eventi di tachicardia 5. Distribuzione temporale degli eventi di brachicardia 6. Frequenza atti respiratori 7. Stato motorio del paziente Con cadenze di un minuto vengono spediti i dati relativi a: Frequenza cardiaca, deviazione Standard degli intervalli RR, Frequenza Respiratoria, stato motorio del paziente. Mentre con cadenze di un ora vengono spediti i dati relativi a: Frequenza cardiaca Massima, Frequenza cardiaca Minima, Frequenza cardiaca Media, numero di eventuali Bradicardie, numero di eventuali Tachicardie. 2. Caratteristiche hardware del sistema Il prototipo del sistema realizzato ha a bordo i seguenti componenti:. Accelerometro lineare triassiale (vedi tabella ) 2. Pic8f452 (processore) 3. Modulo bluetooth F2M3AC2-SPP 4. Circuito per ECG. Il prototipo permette il trasferimento dei dati via seriale e/o wireless grazie ad uno switch analogico integrato sulla scheda, comandabile via software. Il sistema wireless è costituito da un modulo trasmettitore bluetooth OEM e da un modulo ricevitore connesso via usb ad un PC. Questo prototipo permette l acquisizione di dati a frequenze pari a 4.7 KHz in trasmissione wireless. La frequenza di campionamento dipende da diverse variabili: Tempo d acquisizione e di conversione dei dati da parte del pic Numero di bit di conversione dell adc a bordo del pic 4

5 2.. Accelerometro lineare Lo stato motorio del paziente è rilevato da una sensore accelerometrico. Il sensore utilizzato è LIS3L2AQ3 della Stelectronic. Questo accelerometro lineare è triassiale, ha tre output analogici in tensione ed ha una risoluzione di.25 metri/. A onda delle esigenze e delle applicazioni il sensore inerziale permette l acquisizione dell accelerazione relativa ad un solo asse o le accelerazioni relative a due o tre assi contemporaneamente. Nel sistema Hornet è utilizzato un solo asse poiché sufficiente per fare una valutazione qualitativa dello stato di moto del paziente Microcontrollore PIC 8F452 Il microcontrollore PIC 8F452 è il cervello di bordo della scheda. Il compito di questo microcircuito è quello di gestire completamente il sistema di ricetrasmissione di eventuali messaggi e di acquisizione dei dati. Di seguito sono riportate le principali caratteristiche. Frequenza del clock 4 Mhz (potenza di calcolo del processore) 32K flash program memory 256 byte Data EEPROM memory 5 porte I/O analogiche 8 canali di input 2.3. Sistema di trasmissione wireless: Modulo Bluetooth Il sistema adottato è l F2M3AC2-SPP che è un modulo Bluetooth SMD operante in classe 2 provvisto di antenna integrata e di un codec audio per la conversione A/D della voce e relativa compressione/decompressione. Per le sue caratteristiche è adatto per comunicazioni dati e voce, si interfaccia via UART o USB e consente la trasmissione dati fino al massimo datarate consentito da Bluetooth (723.2Kbps). Il modulo viene fornito con il profilo Serial Port. Di seguito sono riportate le caratteristiche del modulo:. Sistema Bluetooth completo di antenna integrata 2. Audio codec 3. Disponibile con stack Bluetooth completo 4. Disponibilità del profilo Headset 5. Funzionalità Wireless UART senza driver aggiuntivi 6. Porta seriale, 8 I/O digitali e 2 analogici 7. Interfaccia analogica e digitale (PCM) per voce (fino a 3 canali simultanei) 5

6 8. Classe 2 (range: 2m potenza di trasmissione fino a +4dBm) 9. Massimo data rate via UART e USB (723.2Kbps). 4 modalità di basso consumo. SMD; dimensioni: 24x3mm 2. Standard Bluetooth v Circuito per ECG L elettronica per l acquisizione del segnale ECG è costituita dai seguenti 4 stadi: Figura : schema a blocchi dell elettronica per l ECG. Elettrodi a contatto 2. Amplificatori differenziali AD Opto-coupler NEC PS256 (isola gli ingressi dell amplificatore dalle uscite dello stesso) 4. Filtro passa banda (implementato da due filtri in cascata: passa basso e passa alto) 3. Sensori utilizzati per il monitoraggio dei dati biometrici Per l acquisizione della frequenza respiratoria, del tracciato ECG e dello stato di moto del soggetto sono stati utilizzati rispettivamente un sensore piezoelettrico, elettrodi monouso classici e sensore accelerometrico triassiale descritti nei seguenti sottoparagrafi.. 6

7 3.. Sensore piezoelettrico Il numero degli atti respiratori del paziente sono acquisiti tramite un sensore piezoelettrico che converte appunto una forza impressagli in un segnale elettrico. Il sensore è incapsulato e fissato ad una fascia toracica (vedi figura3) che viene posizionata sul torace del paziente in maniera tale che il sensore si trovi in corrispondenza dell estremità inferiore dello sterno. Il segnale registato come mostrato nelle figure 6, 7 e 8, non è altro che un onda sinusoidale il cui fronte di salita corrisponde all atto inspiratorio mentre il fronte di discesa quello espiratorio Sensori per ECG Sono stati utilizzati 5 elettrodi monouso per la misura del segnale elettrocardiografico su 3 canali, posizionati sul torace del soggetto esaminato come mostrato in figura 2. Figura 2 : posizionamento degli elettrodi II battito cardiaco è controllato da un potenziale elettrico periodico autogenerato in una piccola regione del tessuto muscolare cardiaco (nodo senatoriale). Questo piccolo potenziale elettrico è al massimo. V pertanto per poterlo misurare è necessario amplificare tale potenziale. Nel prototipo realizzato sono stati utilizzati tre amplificatori differenziali AD624 dell Analog Device che presentano un elevato CMRR ed un guadagno di banda programmabile. Gli AD624 sono alimentati a +/-9 V. 7

8 Il segnale differenziale in uscita da ogni singolo amplificatore è stato filtrato con un passa basso ed un passa alto in maniera tale da avere come frequenze di taglio inferiore e superiore rispettivamente.4hz e 5Hz. I segnali dopo il filtraggio sono stati nuovamente amplificati e poi spediti al microcontrollore montato a bordo della sistema Sensore accelerometrico Il sensore accelerometrico è stato integrato al sistema Hornet per poter monitorare lo stato di moto del paziente. Non viene ricostruito il movimento di chi indossa il sensore ma semplicemente vengono individuati 3 stati fissando delle soglie sull accelerazione misuarata dal sensore: Sdraiato In piedi In movimento Nelle figura 3 e 4 sono riportate le foto del prototipo realizzato, in particolare nella figura 3 il prototipo con connessi gli elettrodi per ECG e la fascia toracica per la frequenza respiratoria. 8

9 Figura 3: prototipo sensore Hornet 9

10 Figura 4: scheda Hornet

11 4. Acquisizioni Sono state effettuate acquisizioni in diverse situazioni: soggetto fermo in piedi, sdraiato e in movimento. Nelle figure 5 e 6 sono rappresentati in ordine i tre grafici relativi ai tracciati ECG su 3 canali, il segnale in uscita dal sensore accelerometrico che nel caso rappresentato fornisce una tensione fissa pari a g poiché il soggetto è sdraiato ed infine il il segnale in uscita dal sensore piezoelettrico (in Volt) che rappresenta il numero degli atti respiratori. I segnali ECG dopo essere stati acquisiti sono stati filtrati con un filtro passa banda ed un filtro notch per eliminare eventuali disturbi a 5Hz. Inoltre per poter rilevare i parametri elencati nel paragrafo 2 è stato utilizzato un filtro mediano che permette di selezionare solo l onda QRS come mostrato in figura 9. x -3 ECG canale Volt x -3 ECG 2 canale Volt x -3 ECG 3 canale Volt Figura 5: tracciato ECG su 3 canali

12 moto paziente g Atti respiratori =2 E<-->I Figura 6: sopra stato di moto: soggetto sdraiato, sotto atti respiratori moto paziente g Atti respiratori =4 E<-->I Figura 7: sopra stato di moto: soggetto in piedi, sotto atti respiratori 2

13 In figura 7 sono rappresentati i segnali registrati dal sensore accelerometrico nel caso in cui il soggetto è in piedi fermo ed il numero di atti respiratori durante i 2 ondi di registrazione. moto paziente g Atti respiratori =3 E<-->I Figura 8: sopra stato di moto: soggetto in movimento, sotto atti respiratori Nella figura 8 si può notare che durante la registrazione il soggetto è in movimento difatti il segnale registrato dal sensore accelerometrico ha un andamento fluttuante e non più costante come nelle figure 6 e 7. 3

14 4 x Figura 9: sole onde QRS del segnale ECG filtrato Nella figura 9 è infine riportato un segnale ECG filtrato con un filtro mediano in modo tale da poter individuare le sole onde QRS del tracciato e quindi calcolare la frequenza cardiaca, la deviazione standard degli intervalli RR ed eventuali tachicardie o bradicardie. 4

15 Conclusioni Il sensore realizzato non è altro che un holter ma rispetto agli apparecchi già largamente utilizzati oggi per la diagnosi ed il monitoraggio dell attività elettrica del cuore, permette anche di monitorare la frequenza respiratoria e lo stato di moto del paziente. Il sistema ha presentato però alcuni problemi legati al segnale ECG ovvero le registrazioni dei tracciati elettrocardiografici si sono rivelati poco fruibile nel caso in cui il paziente ha dei cambiamenti repentini dello stato di moto. Tali problemi sono legati sostanzialmente al tipo di elettrodi utilizzati per l ECG poiché essendo i potenziali registrati segnali molto deboli è necessario anzitutto che gli elettrodi siano ben posizionati sul torace e che non si spostino se il soggetto si muove. Quelli riscontrati sono tuttavia problemi risolvibili con uno studio più approfondito del sistema e con l utilizzo di elettrodi più appropriati. E possibile comunque affermare che il sistema messo a punto da S.I.T srl rappresenta sicuramente uno strumento diagnostico innovativo poiché permetterebbe al medico specialista di avere un riscontro in tempo reale dello stato del paziente e soprattutto gli permetterebbe di valutare l attività elettrica del cuore in funzione dello stato di moto del soggetto esaminato. Difatti eventuali allarmi connessi all attività elettrica del cuore sono strettamente correlati all attività fisica del soggetto sotto osservazione. Oggi questo tipo di valutazione viene fatta guardando la registrazione effettuata dall apparecchio holter ma per quanto concerne lo stato di moto del soggetto il medico si affida ancora al diario giornaliero del paziente in cui lo stesso appunta le sue attività quotidiane. Il sistema Hornet è stato pensato e progettato in maniera tale che sia possibile l aggiunta di sensori quali ad esempio pulsiossimetro (apparecchiatura in grado di calcolare la saturazione dell ossigeno nel paziente indicata con l'abbreviazione SpO 2 ), sensore di temperatura. 5