realizzazione dei prototipi è stata adottata la tecnologia CMOS 0,35µm messa a disposizione da AMI Semiconductor. Per quanto riguarda lo sviluppo del

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1 Introduzione Il lavoro realizzato in questa tesi di laurea è stato intrapreso grazie alla collaborazione tra l IPL (Image Processing Laboratory) del Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica ed informatica dell Università degli Studi di Trieste ed il Laboratorio Strumentazione & Detectors situato presso il sincrotrone Elettra di Trieste. Il progetto si è proposto come obiettivo lo sviluppo di un dispositivo che vede nell impiego della tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration) un indispensabile strumento ai fini di garantire la soddisfazione delle specifiche fissate. Scopo del sistema studiato risulta infatti la rilevazione di un parametro medico mediante un metodo invasivo che impone la massima miniaturizzazione possibile. La grandezza, il cui andamento nel tempo viene richiesto di misurare, è la pressione intracranica. L analisi di tale parametro fisiologico risulta di grande utilità nei casi di pazienti affetti da patologie che comportano l aumento di volume di una delle componenti contenute all interno della scatola cranica. In molte circostanze risulta necessario eseguire un monitoraggio della pressione endocranica in modo prolungato nel tempo. Mediante l utilizzo degli strumenti attualmente a disposizione nella maggior parte dei reparti di neurologia e neurochirurgia, la durata massima consentita per l osservazione di questa grandezza risulta limitata. Questo è dovuto al forte rischio di infezioni legato alle metodologie impiegate; esse infatti comportano la presenza di un collegamento fisico costante fra l elemento sensibile alla pressione, impiantato entro il capo del paziente, e le apparecchiature di elaborazione del segnale e visualizzazione esterne. Mediante il lavoro di questa tesi di laurea ci si è proposto di progettare un dispositivo in grado di effettuare la misura della pressione intracranica diminuendo drasticamente il pericolo di infezione in modo da permettere l esame dell andamento di tale parametro fisiologico durante un intervallo di tempo molto lungo. È stato possibile prevedere il raggiungimento di questo risultato grazie all impiego della tecnologia wireless. Questa permette infatti sia l alimentazione che lo scambio di informazioni fra l unità impiantata nel capo del paziente e la sezione esterna del sistema sviluppato senza imporre che fra i due dispositivi risulti presente un contatto fisico. La progettazione e la simulazione dei circuiti integrati descritti in questa tesi sono state condotte presso il Laboratorio Strumentazione & Detectors utilizzando il software CADENCE installato su di una workstation HP dotata di sistema operativo UNIX. Per la

2 realizzazione dei prototipi è stata adottata la tecnologia CMOS 0,35µm messa a disposizione da AMI Semiconductor. Per quanto riguarda lo sviluppo del sensore di pressione, di tipo capacitivo, ci si è avvalsi dei risultati conseguiti da un altra tesi di laurea svolta presso l Università di Udine. La descrizione del lavoro presentata in questo testo è stata organizzata in tre parti. Nella prima, due capitoli sono stati dedicati all illustrazione delle caratteristiche della grandezza da misurare ed all esposizione dei risultati delle ricerche svolte sui metodi di rilevazione attualmente in uso. Viene inoltre riportata una descrizione degli studi riscontrati in letteratura riguardo a tecniche alternative già esplorate. Nel terzo capitolo si presentano quindi le specifiche che il dispositivo di misura è tenuto a rispettare e si riassumono brevemente i risultati ottenuti durante il lavoro della tesi che si è occupata dello sviluppo del sensore di pressione. Il quarto capitolo introduce infine gli stadi della progettazione del dispositivo realizzato. La parte successiva tratta lo sviluppo del primo prototipo. In essa vengono descritte tutte le fasi dell evoluzione del circuito integrato, dagli schematici fino al layout finale della cui realizzazione su silicio è stata incaricata la fonderia IMEC situata in Belgio. L ultimo capitolo di questa sezione viene infine dedicato alla presentazione del PCB (Printed Circuit Board) progettato allo scopo di testare le prestazioni del dispositivo una volta ricevuto dalla fonderia. La parte finale illustra l architettura del secondo prototipo per il quale viene prevista la realizzazione di due circuiti integrati distinti. Uno di questi si occupa della regolazione dell alimentazione e della modulazione relativa alla trasmissione wireless dei dati. L altro, di tipo misto analogico-digitale, viene dedicato al condizionamento del sensore di pressione e alla serializzazione dell informazione ricavata in formato compatibile con lo standard RS-232. Risultano inoltre presenti tre appendici. La prima approfondisce il comportamento dei transistor MOSFET operanti in subthreshold region. La successiva costituisce un utile guida all impiego del software CADENCE allo scopo di portare a termine il progetto di un circuito integrato analogico. Infine l ultima espone i risultati di uno studio precedente riguardante la realizzazione delle bobine necessarie al funzionamento del sistema wireless dedicato all alimentazione e alla trasmissione dei dati.

3 PARTE I La misura della pressione intracranica

4 Capitolo 1 La pressione intracranica L interno del cranio è occupato da tre principali componenti. In una persona adulta questi sono il tessuto cerebrale, che costituisce l 80% del volume, il sangue, che occupa il 12% e un liquido che prende il nome di fluido cerebrospinale e che costituisce il restante 8%. Il cervello è circondato da una membrana protettiva formata da tre strati conosciuta con il nome di meningi. Queste consistono in uno spesso strato più esterno chiamato dura madre, in uno strato intermedio detto aracnoide e in un terzo strato aderente alla superficie dell encefalo chiamato pia madre. L area posta fra l aracnoide e la pia madre si definisce spazio subaracnoideo ed è sede del fluido cerebrospinale che nutre e protegge ogni parte del sistema nervoso centrale. Tale liquido non è statico ma viene messo in circolazione sulla superficie cerebrale grazie ad un sistema che prevede il suo continuo ricambio. Esso viene infatti generato in quantità di 500ml al giorno all interno di quattro strette cavità presenti nel tessuto cerebrale chiamate ventricoli. Il liquido in eccesso che viene così a trovarsi all interno del cranio è riassorbito attraverso dei microscopici canali presenti sulla superficie dell aracnoide per poi finire nel flusso sanguigno. Grazie a tale meccanismo il fluido cerebrospinale viene completamente rigenerato in media ogni sei ore. In un soggetto adulto il cranio è inestensibile, quindi la modificazione del volume occupato da una delle tre componenti contenute al suo interno sopra citate provoca una variazione della pressione intracranica (teoria di Monro-Kellie), dove per pressione intracranica si intende la pressione che può essere misurata all interno della cavità cranica fra la dura madre e il tessuto cerebrale [1]. Il rapporto esistente tra il volume endocranico e la pressione intracranica non è costante. Come si può vedere dal grafico riportato in figura 1.1 [2] per iniziali incrementi del volume intracranico la pressione tende a mantenersi costante (tratto a-b). Questo comportamento è dovuto ad un meccanismo detto adattamento che consiste nella diminuzione del volume di una o due delle componenti endocraniche all aumentare della terza. Se il volume aumenta ulteriormente si verifica un modesto incremento della

5 La pressione intracranica 12 pressione (tratto b-c). Questo significa che il sistema di compensazione si sta esaurendo e si dice che l adattamento è basso. Oltre una certa soglia infine sono sufficienti modestissimi accrescimenti volumetrici per determinare un elevato aumento della pressione (tratto c-d). I meccanismi di compenso non hanno più effetto, l adattamento diventa nullo e il paziente si dice affetto da ipertensione intracranica. L unità di misura maggiormente usata per descrivere il valore della Figura 1.1: effetto dell aumento del volume sulla pressione endocranica pressione intracranica è il mmhg. Alcuni testi riportano invece i valori di pressione in cmh 2 O. Vale la relazione 1mmHg=1,36cmH 2 O. Valori normali di pressione intracranica media sono compresi nell intervallo 10-15mmHg (13-20cmH 2 O) [2]. 1.1 Patologie legate ad un elevata pressione intracranica Elevati valori di pressione intracranica corrispondono ad uno stato patologico comune ad una varietà di malattie neurologiche le quali sono caratterizzate da un espansione del volume del contenuto del cranio. Una pressione endocranica crescente può portare a danni cerebrali o addirittura al decesso attraverso due principali processi: ischemia cerebrale distorsione e compressione del tessuto cerebrale per effetto dell aumento della massa intracranica L ischemia cerebrale si verifica in quanto viene impedita la normale circolazione del sangue nel tessuto cerebrale, privandolo così delle indispensabili sostanze nutritive e dell ossigeno. Esiste un indice detto pressione di perfusione cerebrale (PPC) il cui valore viene calcolato sottraendo dalla pressione arteriosa sistemica media (PASM) la pressione intracranica (PIC): PCC=PASM-PIC. I valori assunti da tale indice sono direttamente legati all apporto del sangue al cervello e sono ritenuti quindi più importanti dei soli valori della pressione intracranica.

6 La pressione intracranica 13 La pressione di perfusione cerebrale normale è di 80-90mmHg [2]. Una sua caduta al di sotto dei 30mmHg determina dei danni al cervello irreversibili dovuti all insufficiente apporto di ossigeno tramite il sangue. I nomi delle principali patologie correlate ad un elevata pressione endocranica che possono portare ad uno o ad entrambe dei processi sopra citati sono [2, 3]: idrocefalo: dilatazione delle cavità ventricolari dovuto ad un alterazione della circolazione del liquido cerebrospinale nello spazio subaracnoideo a causa del cattivo funzionamento del drenaggio del fluido verso lo spazio subaracnoideo spinale edema cerebrale: aumento del contenuto di acqua nell encefalo emorragia cerebrale tumore cerebrale trauma cranico 1.2 Forme d onda della pressione intracranica La pressione intracranica, anche in un soggetto normale, non è statica, ma presenta delle componenti dinamiche dovute alle pulsazioni della pressione arteriosa sistemica e al ciclo respiratorio, come si può vedere in figura 1.2 [4]. Figura 1.2: variazioni della pressione intracranica per effetto della respirazione e del battito cardiaco Tali componenti presentano una periodicità che risulta entro l intervallo di ,5 secondi per quanto riguarda le pulsazioni cardiache ed entro l intervallo di 1,5-6 secondi per quanto riguarda il ciclo respiratorio. In relazione a tali onde il valore

7 La pressione intracranica 14 istantaneo della pressione intracranica può variare fino a 4mmHg a causa dell attività cardiaca e fino a 10mmHg a causa della respirazione. In figura 1.3 [5] è possibile vedere l andamento tipico della pressione endocranica in corrispondenza ad ogni pulsazione cardiaca. Figura 1.3: forma d onda normale (in alto) e in caso di basso adattamento (in basso) Come si nota sono presenti tre picchi (P1, P2, P3) che riflettono le componenti tipiche della forma d onda di un battito cardiaco. L osservazione di tali picchi è di grande importanza clinica, in quanto attraverso la loro forma è possibile prevedere l insorgenza dell ipertensione intracranica. Quando l adattamento è normale P1 è la componente di ampiezza maggiore con P2 e P3 che seguono con ampiezze decrescenti (v. parte alta della figura 1.3). In pazienti che presentano adattamento basso risulta invece essere P2 il picco più alto (v. parte bassa della figura 1.3). Tale forma d onda solitamente precede un rapido innalzamento della pressione intracranica. In condizioni patologiche di pressione endocranica altre tre componenti dinamiche a frequenze minori vengono individuate. Tali componenti, dette onde di Lundberg [3, 4], prendono i nomi di: Onda A o onda plateau (v. figura 1.4 [3]): è l onda di principale interesse clinico. Essa può portare la pressione ad innalzarsi rapidamente da valori normali fino a mmHg per un periodo di 5-20 minuti prima di cadere velocemente anche al di sotto dei 10mmHg. Onde A ricorrenti indicano un aumento rapido e pericoloso della pressione intracranica ed una diminuita capacità di adattamento.

8 La pressione intracranica 15 Figura 1.4: onda A o onda plateau Se le onde A sono continue possono indicare un danno cerebrale irreversibile. Onda B (v. figura 1.5 [3]): è un onda dall aspetto a dente di sega che compare con una periodicità di 1-2 minuti. Essa presenta un ampiezza minore dell onda A e rispetto ai valori normali di pressione i suoi picchi possono raggiungere i 20-30mmHg. Il significato clinico delle onde B non è chiaro, ma sembra che compaiano più frequenti con il diminuire della capacità di adattamento. Talvolta le onde B precedono le onde A. Figura 1.5: onda B Onda C (v. figura 1.6 [3]): è un onda che sembra avere scarso interesse clinico. Essa è rapida, ritmica e di forma meno acuta rispetto l onda B. Rispetto ai valori di pressione ordinari l ampiezza di tale onda può raggiungere i 20mmHg. La sua periodicità è compresa nell intervallo 7,5-20 secondi.

9 La pressione intracranica 16 Figura 1.6: onda C In tabella 1.1 sono riassunti i principali parametri delle forme d onda legate alla pressione intracranica. Componente Periodo Frequenza (Hz) Ampiezza (mmhg) A 5-20 minuti B 1-2 minuti 0, C 7,5-20 secondi 0,05-0, Respiro 1,5-6 secondi 0,17-0, Pulsazione 0,25-1,5 secondi 0, Tabella 1.1: caratteristiche delle componenti variabili della pressione endocranica