Agostino Giorgio Politecnico di Bari - Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica. rescue of ILL patients)

Transcript

1 Politecnico di Bari - Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica Un dispositivo wireless IndossAbIle per la prevenzione ed Il salvataggio In tempo reale di pazienti Ad Alto rischio di vita (A wearable, wireless device for health failure prevention And real time rescue of ILL patients) sommario I dispositivi portatili biomedicali hanno avuto un notevole impatto nell ambito del monitoraggio di pazienti che si trovano all esterno dell ambiente ospedaliero poiché non sono in grado di recarvisi o semplicemente per evitare inutili spostamenti e ricoveri. L oggetto del presente lavoro è la descrizione di un progetto di un dispositivo wireless, denominato Pain Button, i cui scopi principali sono la raccolta di parametri biologici e territoriali del paziente che lo indossa, nonché la segnalazione automatica e/o manuale di eventuali condizioni anomale di funzionamento dell organismo umano (in modo particolare alterazioni cardiache). Esso è pertanto particolarmente indicato per gli anziani che non sono in grado di annunciare eventuali condizioni di malessere poiché, ad esempio, vivono soli o non autosufficienti. Abstract Portable Biomedical Devices for health care management are producing a great impact in the monitoring of patients located in areas different from clinical environments such as homes, military bases, ships, and the like. The aim of the developed system is the provisioning of extended monitoring for patients under therapy after infarction, data collection in some particular cases, remote consultation and low-cost ECG monitoring for the elderlies unable to announce their failure condition. So the system allows realtime rescue of patients having heart failure and high risk of life. 1. Introduzione La richiesta di sistemi per il monitoraggio elettronico delle condizioni fisiche del paziente è in rapida ascesa negli ultimi anni, sostenuta dagli enormi sviluppi dell elettronica e delle telecomunicazioni. La telemedicina [1] è l'insieme di tecniche mediche ed informatiche che permettono la cura di un paziente a distanza o più in generale di fornire servizi sanitari a distanza. Se adeguatamente impiegata, la telemedicina è in grado di fornire enormi benefici a tutto il sistema sanitario. Il vantaggio fondamentale è quello del telesoccorso in tempi brevissimi: in caso di malore (ad esempio infarto) è di vitale importanza segnalare per tempo la patologia [2], [3], [4]. Il paziente, inoltre, può essere esaminato senza doversi spostare presso il centro ospedaliero. Questo è fondamentale per tutti coloro che vivono in aree remote o non possono viaggiare facilmente [6]. Un altro vantaggio non trascurabile è che il paziente potrà essere monitorato molto più spesso [5]: molte patologie possono, infatti, non essere rilevate durante la visita presso la clinica e presentarsi in altro momento; se, invece, il paziente è monitorato durante tutto l arco della giornata, allora la probabilità di registrare eventuali disfunzioni transitorie ma significative è molto più alta. Uno studio recente ha dimostrato [7] che il La comunicazione

2 tutti coloro che hanno bisogno di un continuo monitoraggio delle condizioni fisiche, soprattutto pazienti ad alto rischio di malori improvvisi e silenti, come i cardiopatici e gli anziani ammalati cronici. 2. caratteristiche tecniche e funzionali del pain button Fig. 1 Schema logico di un generico dispositivo medicale numero di pazienti gestiti presso le proprie abitazioni è aumentato, determinando una riduzione della spesa pubblica ed un aumento del comfort del paziente. La fig. 1 riporta il generico schema logico a cui un qualsiasi dispositivo telemedicale deve soddisfare ed i relativi componenti esterni con cui esso deve essere in grado di interagire. come illustra la fig. 1, l elemento fondamentale di un qualsiasi dispositivo mobile in ambito medicale è l assenza di cavi di collegamento verso il mondo esterno. Qualsiasi trasmissione è preferibile che avvenga in modalità wireless [9]. negli ultimi anni la tecnologia si è evoluta, adottando nel corso del tempo differenti standard di comunicazione. tra le tecnologie al momento più utilizzate si possono citare: GSm, GprS, hsdpa, wi-fi [10], bluetooth e Zigbee. In particolare, lo sviluppo della telefonia mobile ha rappresentato il volano per l utilizzo di tecnologie quali GSm e GprS, mentre lo sviluppo di Internet ha agevolato tecnologie wireless come il wi-fi. proprio Internet, come è anche mostrato in fig. 1, rappresenta il principale mezzo di comunicazione tra il dispositivo mobile ed il posto centrale verso cui/da cui convogliare tutte le informazioni acquisite dall apparato, incluse le eventuali segnalazioni di allarme. In questo lavoro viene descritto un dispositivo, denominato pain button, che si avvale di tutte le moderne tecnologie di acquisizione e trasmissione dei parametri biologici e territoriali, progettato per soddisfare l esigenza di migliorare le condizioni di Il pain button consente al paziente di segnalare in tempo reale ad uno o più centri di monitoraggio e raccolta dati qualsiasi condizione di allarme inerente il proprio stato di salute, sia in maniera automatica che manuale tramite la semplice pressione di un tasto. Il dispositivo progettato, infatti, consente di informare il centro ospedaliero tramite segnalazione via SmS, o semplice chiamata GSm. L apparato, per la sua compattezza, è predisposto per collegarsi ad eventuali sensori e dispositivi medicali esterni come elettrocardiografo, ossimetro ed altri che consentono di monitorare particolari parametri biologici anche in condizioni dinamiche (con il paziente in movimento nello svolgimento delle sue abituali mansioni) e far scattare degli allarmi una volta superate determinate soglie di guardia di medesimi parametri monitorati. Il pain button è stato sviluppato oltre che nella sua versione base (il cui diagramma a blocchi è riportato in fig. 2) anche in una versione, denominata wireless pb (wipb), dotata di interfaccia di programmazione e trasmissione wi-fi g. La fig. 3 ne riporta il relativo diagramma a blocchi. entrambe le configurazioni sopra citate sono dotate di ricevitore GpS allo scopo di segnalare l e- Fig. 2 Diagramma a blocchi del Pain Button (PB) 154 La comunicazione 2012

3 Un dispositivo wireless IndoSSAbILe per LA prevenzione ed IL SALvAtAGGIo In tempo reale di pazienti Ad ALto rischio di vita (A wearable, wireless device for health failure prevention And real time rescue of ILL patients) Fig. 3 Diagramma a blocchi del Wireless Pain Button (WiPB) satta posizione geografica del paziente nel caso in cui venga inviata una segnalazione di allarme, sia questa automatica che manuale. Questo offre un duplice vantaggio: da un lato assicura al paziente piena libertà di movimento, non costringendolo quindi a restare in casa o in ospedale durante la fase di osservazione, dall altro lato permette un tempestivo intervento in caso di patologia in corso (come ad esempio un principio di tachicardia o di infarto). Inoltre, entrambe le soluzioni sono equipaggiate di un convertitore analogico-digitale (Adc) per effettuare la conversione di una pluralità di segnali biologici. per rendere più agevole l uso del dispositivo è stato sviluppato un web service che ne consente la programmazione tramite semplici pagine web. In questo modo sarà possibile effettuare una regolazione fine dei parametri mentre il paziente indossa il dispositivo, evitando così l uso di cavi di collegamento tra pc e sistema centrale. Il pain button è facilmente indossabile perché molto compatto, avvalendosi di circuiti integrati di tipo Smd. Il sistema è dotato di un avanzato algoritmo per il rilevamento automatico di disfunzioni cardiache quali tachicardia, bradicardia ed aritmia. La possibilità di aggiornamento del firmware del dispositivo permette comunque di implementare il rilevamento di numerose altre patologie anche ma non solo cardiache. Al rilevamento automatico di una patologia incipiente, il pain button invia una segnalazione di allarme al centro di monitoraggio, inclusa la patologia riscontrata e le coordinate GpS del paziente che può essere così agevolmente ed immediatamente soccorso. oltre alla funzionalità di allarme automatico, il pain button consente l invio di una segnalazione di allarme manuale, alla pressione di un semplice tasto. 3. rilevamento automatico delle disfunzioni cardiache Il principio su cui si basa la misurazione dell'attività elettrica del cuore è prettamente fisiologico: l'insorgere degli impulsi nel miocardio porta alla generazione di differenze di potenziale (in seguito d.d.p.), che variano nello spazio e nel tempo e che possono essere registrate tramite degli elettrodi. Il tracciato elettrocardiografico rappresenta il metodo più facile, meno dispendioso e più pratico per osservare se l'attività elettrica del cuore è normale oppure se sono presenti patologie di natura meccanica o bioelettrica. Il normale tracciato ecg presenta un aspetto caratteristico ([5], [6], [7]) che varia soltanto in presenza di problemi. Il tracciato è caratterizzato da diversi tratti denominati onde, positive e negative, che si ripetono ad ogni ciclo cardiaco. La fig. 4 riporta un singolo periodo di un tipico ecg, evidenziando le varie onde che lo caratterizzano. La forma, la durata e l ampiezza dell ecg per- La comunicazione

4 tachicardia e bradicardia non sono le uniche disfunzioni rilevate, ma anche l aritmia. In questo caso è stato definito il cosiddetto fattore aritmico come segue: dove DT 1 e DT 2 sono rispettivamente il tempo intercorso fra tre complessi QrS consecutive come mostrato in fig. 5. nel caso ideale si avrà aritmia quando si verifica che a ¹ 1, nella realtà sarà necessario definire un range di valori: DT 1 < (DT 1 + DT 2 ). 40% ossia (a < 0.25) oppure (a > 4) Fig. 4 Tracciato tipico di un ECG metto di determinare le condizioni del cuore in tempo reale e prevedere e/o segnalare eventuali malattie [11]. Il metodo di rilevamento implementato nel pain button consiste nel rilevare il complesso QrS ([12]- [15]), o meglio l onda r di tale complesso. È stata utilizzata la seguente relazione per trovare il giusto valore di soglia [3] per individuare il picco r: dove P 1 e P 0 rappresentano rispettivamente la probabilità di trovare un complesso QrS e di non trovarlo, A rappresenta l ampiezza del segnale ecg e N la varianza del rumore. Quindi assumendo valori tipici di un tracciato ecg (secondo quanto stabilito da AAmI [16] - Association for the Advancement of Medical Instrumentation), risulta un valore pari al 70%. esso è stato il punto di partenza per l elaborazione con il microcontrollore ed ha permesso di calcolare il valore della pulsazione cardiaca (hb). A partire da questo valore è stato semplice implementare il rilevamento automatico di anomalie cardiache come tachicardia (imponendo la seguente condizione: hb > hb tach [bpm]) e bradicardia (imponendo la seguente condizione: hb < hb brady [bpm]). poichè i parametri hb tach e hb brady possono variare da paziente a paziente [17] ed anche in base all età, si è deciso di non fissarli in maniera assoluta ma configurarli tramite l interfaccia web di programmazione, di cui il sistema è dotato. Fig. 5 Fattore di aritmia e metodo di rilevamento 4. Il flusso dei dati La fig. 6 riassume i possibili flussi dati tra il pain button ed i possibili destinatari delle segnalazioni di allarme o dei dati relativi al monitoraggio remoto, numerati in ordine di utilizzo. come si nota, le due interfacce di trasmissione dati sono esclusivamente wireless: GSm/GprS [9] e wi-fi b [10]. ciò, ovviamente, semplifica molto l utilizzo dell apparato, svincolandolo da collegamenti wired; trattandosi, inoltre, di tecnologie di trasmissione a lungo raggio (a differenza di altre come IrdA o bluetooth) si garantisce al paziente la possibilità di muoversi liberamente all interno dell a- 156 La comunicazione 2012

5 Un dispositivo wireless IndoSSAbILe per LA prevenzione ed IL SALvAtAGGIo In tempo reale di pazienti Ad ALto rischio di vita (A wearable, wireless device for health failure prevention And real time rescue of ILL patients) Fig. 6 Trasmissione dei dati da Pain Button a PC e telefono cellulare bitazione o addirittura all esterno (se la patologia lo permette). I punti fondamentali che sono stati previsti e sviluppati nel funzionamento di questo dispositivo si possono riassumere come segue: configurazione del sistema (1) tramite wi-fi. Segnalazione di allarme (2a) tramite wi-fi. Segnalazione di allarme (2b) tramite GprS ( ). Segnalazione di allarme (2c) tramite GSm (SmS). modalità on-demand per richiede informazioni sullo stato del dispositivo. La configurazione del sistema (punto 1 nella fig. 6) è effettuata tramite interfaccia wi-fi, utilizzando direttamente un qualunque browser. tutti i parametri sono disponibili tramite interfacce web di tipo user-friendly rese disponibili dal web service sviluppato appositamente per il dispositivo (fig. 7). La soluzione del web service è risultata preferibile rispetto ad altre basate su software proprietari: in questo modo, infatti, chiunque (qualora disponga degli opportuni permessi di accesso) potrà configurare il dispositivo, accedendovi con un normale pc desktop, notebook, netbook o anche pda. durante la fase di configurazione si possono abilitare una o più modalità di segnalazione degli allarmi. tale configurazione potrà essere effettuata con un normale pc dotato di interfaccia wi-fi mentre il paziente indossa il pain button grazie all assenza di cavi di collegamento e di configurazione. Se sono previsti sensori esterni, come un ecg, sarà necessario configurare anch essi impostando le eventuali patologie che si vogliono monitorare (es. tachicardia, Fig. 7 Interfaccia Web per la programmazione bradicardia, aritmia ed altre). A questo punto l apparato è pronto per svolgere le sue funzioni di monitoraggio. Una eventuale segnalazione di allarme (sia automatica che manuale) utilizzerà come canale preferenziale un router wi-fi o un hot spot (punto 2a in fig. 6) che sia presente nell ambiente in cui il paziente si trova. Questa scelta deriva dal fatto che tale trasmissione sfrutta il collegamento Internet preesistente e quindi sarà eseguita a costo zero per il paziente. L impossibilità di raggiungere un punto di accesso di tipo wi-fi determina automaticamente la scelta del primo percorso alternativo. Si tratta di utilizzare una connessione di tipo GprS, quindi sempre a commutazione di pacchetto. In questo caso sarà necessario dotare il dispositivo di un modem apposito e di una scheda SIm. rispetto al caso precedente la trasmissione avrà un costo in base alle tariffe dell operatore scelto; comunque, trattandosi di una connessione a commutazione di pacchetto si pagherà in base ai dati trasferiti e non al tempo di connessione (come invece accade per una trasmissione a commutazione di circuito). È prevista anche una terza via di segnalazione degli allarmi che utilizza SmS e quindi la rete GSm. tale segnalazione potrà essere utilizza in alternativa alle precedenti oppure in maniera complementare. Ad esempio, sarà possibile impostare l invio delle segnalazioni di allarme via wi-fi (canale preferenziale) e via SmS. dal punto di vista del contenuto informativo le La comunicazione

6 prime due modalità di trasmissione sono quelle che consentono il maggior trasporto di dati, poiché viene inviata una (protocollo Smtp) che sarà raccolta da un apposito software che può gestire più dispositivi pain button (pb-client). Quindi, oltre alla segnalazione di allarme, potranno essere inviate informazioni relative ai parametri biologici monitorati e che hanno provocato l allarme. Inoltre, per un più rapido soccorso del paziente saranno inviate anche le sue coordinate GpS. La terza segnalazione (SmS) invece ha un contenuto informativo ridotto (massimo 160 caratteri), ma risulta altrettanto utile. opzionalmente, è previsto anche l invio di mms con contenuto di immagini, qualora tra i sensori previsti vi sia anche una fotocamera/videocamera. Si possono configurare, ad esempio, uno o più numeri di cellulare di parenti del paziente che saranno avvisati istantaneamente al verificarsi dell allarme. Il pain button è quindi utile particolarmente per le persone anziane che vivono sole o che hanno seri problemi di salute. nel caso in cui l utente dovesse avere un problema e fosse nell impossibilità di raggiungere il telefono, ad esempio a seguito di caduta, può chiedere aiuto semplicemente premendo il pulsante del dispositivo. È anche utile per chi, pur non vivendo da solo o in luoghi isolati, vuole garantirsi maggiore sicurezza di soccorso. È importante evidenziare che ciascuna delle modalità descritte possono essere utilizzate tutte indifferentemente oppure ognuna in ridondanza all altra nell ordine rappresento in fig la modalità on-demand Le modalità di trasmissione dati descritte precedentemente hanno come soggetto sorgente il pain button. tuttavia, è stata implementata anche la modalità on-demand che consente a chiunque sia abilitato di interrogare il dispositivo da remoto ottenendo informazioni in tempo reale circa lo stato di salute del paziente. Ad esempio, chiamando il numero di cellulare che corrisponde al pain button, si attiva una segnalazione sonora e visiva che deve essere tacitata agendo sul pulsante previsto sul pain button. Se tale allarme viene tacitato allora significa che il paziente che lo indossa è vigile e in buone condizioni di salute (sarà inviata una segnalazione di conferma a chi ha richiesto lo stato). Se invece l allarme non viene tacitato allora è verosimile che un malore abbia colpito il paziente. In questo caso il pain button risponde con una segnalazione di allarme, includendo anche le coordinare GpS [18] e le informazioni sulla patologia riscontrata dall algoritmo descritto nel paragrafo Architettura del sistema La fig. 3 riporta lo schema a blocchi del pain button. di seguito sono illustrati tutti i blocchi funzionali necessari per realizzare le esigenze richiesta dal dispositivo. Pain Button (da cui il nome del dispositivo stesso). permette di effettuare segnalazioni di allarme in maniera manuale. Sarà sufficiente premere questo pulsante per avviare uno o più percorsi di trasmissione. Pre Cond. È lo stadio di pre-condizionamento del segnale analogico acquisito. esso varia in base al parametro biologico prescelto. Convertitore A/D. Il convertitore Analogico/ digitale è necessario per poter digitalizzare e quindi elaborare eventuali segnali biologici esterni come ecg. Segnalazioni visive. Alimentazione, batteria scarica, modalità on-demand, memoria piena, ecc. Segnalazione acustica. È utilizzata per la modalità on-demand. Quando essa viene richiesta è avviata una segnalazione acustica con frequenza 1hz. In seguito alla pressione del tasto di tacitazione/conferma sarà terminata la segnalazione. Interfaccia Wi-Fi. È utilizzata sia in fase di programmazione del dispositivo che per la trasmissione dei dati e degli allarmi. Interfaccia GPRS/GSM. È utilizza per la trasmissione di dati e allarmi. Ricevitore GPS. È utilizzato per acquisire le coordinare del paziente nel momento in cui è stata avviata una segnalazione di allarme. Memoria Flash. Serve per la memorizzazione dei parametri biologici digitalizzati tramite A/d e per il log degli eventi che si sono verificati nel corso della giornata. Si potrà in seguito effettuare il download dei dati tramite pc. Microcontrollore. È l unità fondamentale di tutto il sistema e provvede al corretto interfacciamento di tutte le periferiche. 158 La comunicazione 2012

7 Un dispositivo wireless IndoSSAbILe per LA prevenzione ed IL SALvAtAGGIo In tempo reale di pazienti Ad ALto rischio di vita (A wearable, wireless device for health failure prevention And real time rescue of ILL patients) Fig. 8 Prototipo del Pain Button (dimensioni: 9.5cm x 5.5cm) È dotato di memoria ram per la gestione runtime del programma e di memoria flash per il salvataggio del firmware e dei parametri di configurazione. Una foto del prototipo è mostrata in fig. 8. Il software che permette al centro ospedaliero di raccogliere i dati di uno o più dispositivi pain button, denominato pb-client, permette sia la visualizzazione dei dati trasmessi (stato degli allarmi, tracciato ecg) che l esatta posizione del paziente da cui la segnalazione di allarme è partita, come illustrato a scopo esemplificativo nelle figure 9 e 10. tra gli sviluppi futuri sicuramente bisogna considerare l utilizzo di tecnologie di trasmissione che garantiscono una banda di trasmissione ancora maggiore (come hsdpa); in questo modo sarebbe possibile la trasmissione di audio e video dal dispositivo remoto, migliorando ulteriormente le operazioni di telediagnosi e telesoccorso. Inoltre, l enorme diffusione di dispositivi come smartphone e pocket pc fa pensare ad una integrazione del software di monitoraggio pb-client su tali dispositivi. trattandosi generalmente di sistemi basati su windows mobile, si tratterebbe di effettuare il porting del codice giù sviluppato per pc sul pda. Ulteriori sviluppi potrebbero poi riguardare la parte di acquisizione analogica, prevedendo nuovi tipi di sensori come accelerometri, sensori di pressione ed altri che migliorerebbero la diagnosi delle condizioni di salute del paziente rispetto al solo elettrocardiogramma. 7. conclusioni È stato progettato, realizzato e testato un dispositivo elettronico ad uso medicale per il telerilevamento di parametri biologici e territoriali. Il dispositivo rientra nell ambito delle applicazioni della telemedicina e risulta utile in tutte quelle situazioni in cui il paziente necessita di un continuo monitoraggio senza esser costretto a restare presso il centro ospedaliero. Si tratta di un dispositivo indossabile perché compatto e di ridotte dimensioni. Il dispositivo funziona come un pulsante che premuto in qualsiasi momento segnala un allarme verso numeri di cellulare o centri ospedalieri. È tuttavia anche in grado di eseguire invio automatico di segnalazione di allarme in seguito al rilevamento di patologie in atto in fase acuta o incipiente; e permette anche una interrogazione da remoto circa le condizioni di salute del paziente. Fig. 9 Visualizzazione del tracciato ECG tramite software PB-Client Fig. 10 Visualizzazione della posizione del paziente tramite GPS La comunicazione

8 bibliografia [1] [online] [2] c.f.m weston, w.j. penny, d.g. Julian, Guidelines for the early management of patient with myocardial Infarction, bmj, 308: , 1994 [3] evans t., cardiac Arrests outside hospital, bmj, 316: , [4] david Sandler A., call to needle times After Acute myocardial Infarction, bmj, 318:1553, [5] canto J.G., rogers w.j., bowlby L.J., et al., the prehospital electrocardiogram In Acute myocardial Infarction: Is Its full potential being recognized?, J Am college cardiol, 29: , [6] Stults K.r., brown d.d., Schug v.l., bean J.A., prehospital defibrillation performed by emergency medical technicians In rural communities, nejm, 310: , [7] barro S., presedo J., castro d., fernandez-delgado m., fraga S., Lama m., vila J., Intelligent telemonitoring of critical care patients, Ieee emb, 18(4):80-88, may [8] clapp, Geoffrey (Sunnyvale, ca, US), brown, Stephen J. (woodside, ca, US): US (2008). [9] h.s. ng, m.l. Sim, c.m. tan and c.c. wong, wireless technologies for telemedicine, bt technologies Journal, vol.4 no. 2, Aprile [10] Sonesh Surana, rabin patra, Sergiu nedevschi, eric brewer, deploying a rural wireless telemedicine System: experiences in Sustainability, Ieee computer Society, [11] [online] [12] Jiapu pan, willis J. tompkins, A real-time QrS detection Algorithm, Ieee transaction on biomedical engineering, vol. bme-32, no. 3, march 3, [13] Antti ruha, Sami Sallinen, Seppo nissilä, A real-time microprocessor QrS detector system with a 1-ms timing accuracy for the measurement of ambulatory hrv, Ieee transaction on biomedical engineering, vol. 44, no. 3, march 3, [14] m. nygards, L. Sornmo, A QrS delineation algorithm with low sensitivity to noise and morphlogy changes, computer cardiology, pp , [15] A. Ligtenberg, m. Kunt, A robust-digital QrS detection algorithm for arrhythmia monitoring, computer cardiology, vol.16, pp , [16] mit-bih database distribution, massachusetts Institute of technology, 77 massachusetts Avenue, room 20A-113, cambridge, ma [17] Standard for cardiac monitors, heart rate meters and alarms (draft), Association for the advancement of medical instrumentation (AAmI), August [18] GpS in telemedicine, [online] 160 La comunicazione 2012