Progettazione di un sistema per il Monitoraggio dei parametri vitali a bassissimo consumo per uso clinico
a cura di Mark Patrick, Mouser Electronics
La misura dei parametri vitali del corpo umano, come ad esempio la frequenza cardiaca, viene eseguita nella maggior parte dei casi in un ambiente ospedaliero e richiede personale esperto per l’applicazione degli elettrodi e il corretto utilizzo delle apparecchiature. Sebbene necessaria in numerose situazioni, la misura dei parametri vitali di una persona al di fuori di una struttura ospedaliera o di un ambulatorio può comportare alcuni vantaggi. Il monitoraggio della salute da remoto, la valutazione delle prestazioni di un atleta e l’ottenimento di indicazioni circa il proprio stato di salute sono esempi di situazioni in cui può risultare utile l’utilizzo di un dispositivo portatile (o indossabile) per la misura dei parametri vitali.
Questo articolo spiega le diverse metodologie impiegate per rilevare la frequenza cardiaca, analizza gli aspetti legati alla progettazione di un monitor dei parametri vitali e illustra le principali caratteristiche dell’AFE (Analog Front End) MAX86178 di Analog Devices/Maxim Integrated, utilizzato per il monitoraggio dei parametri vitali. Quest’ultimo si propone come una soluzione innovativa ed estremamente efficiente, in grado di supportare un’ampia gamma di metodologie per il monitoraggio dei parametri vitali e progettata per soddisfare le esigenze delle più recenti applicazioni in ambito sia clinico sia consumer.
Metodi per la misura dei parametri vitali
Sono tre i metodi utilizzati per rilevare elettronicamente la frequenza cardiaca di una persona: 1. fotopletismografia (PPG), 2. elettrocardiogramma (ECG) e 3. misura della bioimpedenza (BioZ). Ciascuno di questi tre approcci ha i propri vantaggi e la scelta è dettata solitamente dal tipo di applicazione.
Fotopletismografia (PPG):
Si tratta di una tecnica ottica non invasiva che può essere utlizzata per misurare le variazioni del volume del cuore. Questo approccio prevede l’accensione di un LED caratterizzato da una specifica lunghezza d’onda e posizionato nel tessuto sottocutaneo della pelle. Un fotodiodo raccoglie le riflessioni della luce e le converte in un segnale elettrico da analizzare. Quando il cuore batte, il ciclo cardiaco (ovvero il susseguirsi di sistole e diastole) genera un impulso (o onda di pressione) attraverso le vene, responsabile dell’espansione e della contrazione dei vasi sanguigni. Questi movimenti modificano la quantità di luce riflessa e, di conseguenza, l’uscita del fotodiodo. Utilizzando LED di differenti lunghezze d’onda, è possibile isolare la luce assorbita dal sangue arterioso (rosso vivo e ricco di ossigeno) da quello venoso (rosso scuro e privo di ossigeno) per determinare la quantità di ossigeno presente nel sangue di una persona. Poiché il metodo di rilevamento basato sulla PPG utilizza un semplice percorso ottico e non prevede connessioni elettriche con la persona, esso rappresenta la soluzione ideale per l’utilizzo di smartwatch e dispositivi indossabili per il monitoraggio dello stato di salute.
Elettrocardiogramma (ECG):
L’elettrocardiogramma misura l’attività elettrica del cuore e permette anche di valutare lo stato del muscolo cardiaco; esso fa parte di una serie di metodi utilizzati per rilevare i biopotenziali del corpo umano. Il tracciato dell’ECG ha una forma d’onda tipica caratterizzata da un susseguirsi di “punte” (Figura 1). I componenti di ciascuna di queste punte sono denominati complesso QRS. Quest’ultimo fornisce a medici e cardiologi specifiche informazioni sullo stato di salute generale del paziente e sulla funzionalità cardiaca. Ogni sezione del segnale ECG si riferisce alla contrazione di singoli gruppi di muscoli cardiaci, che devono operare nella sequenza prefissata per garantire un corretto flusso sanguigno. L’ECG richiede la presenza di elettrodi collegati al corpo umano. Pur non essendo una metodologia di tipo invasivo, risulta meno comodo rispetto alla PPG a causa della necessità di applicare gli elettrodi sul corpo.
Bioimpedenza (BioZ): La bioimpedenza è un altro tipo di misura elettrica che acquisisce i segnali di frequenza cardiaca utilizzando degli elettrodi collegati al corpo del paziente. Questo approccio è simile alla misura del biopotenziale tramite ECG, ma prevede invece la misura dell’impedenza dei tessuti del corpo al passaggio della corrente elettrica (ovviamente innocua, a bassa tensione).
Figura 1: La forma d’onda QRS fornisce a medici e cardiologi informazioni essenziali sulla salute del paziente. (Fonte: Analog Devices/Maxim Integrated)
La combinazione di questi tre metodi di rilevamento permette a un sensore di parametri vitali di effettuare numerose altre misure, oltre a quella della frequenza cardiaca.
Dispositivo per il monitoraggio dei parametri vitali: problemi progettuali
Per la realizzazione di qualsiasi dispositivo portatile e indossabile, occorre affrontare numerose le problematiche, che spaziano dall’esposizione alle condizioni ambientali alla visibilità del display in piena luce solare. La misura accurata dei parametri vitali quando una persona è in movimento può provocare la comparsa di artefatti (disturbi) legati al rumore. L’alimentazione del dispositivo mediante una batteria ricaricabile richiede l’adozione di adeguate tecniche di gestione dell’alimentazione e un approccio alla progettazione attento ai consumi (low power), al fine di assicurare che il prodotto soddisfi le aspettative dei consumatori. Sebbene l’approccio basato sull’uso di elettrodi fornisca un quadro più accurato dei parametri vitali di una persona, l’utilizzo di una banda toracica molto aderente per gli elettrodi comporta inevitabili disagi se indossata per molto tempo, mentre l’applicazione di cuscinetti adesivi, necessari per fissare in modo corretto gli elettrodi, è un’operazione dispendiosa in termini di tempo. Come per qualsiasi altro dispositivo medicale attaccato direttamente al corpo umano, è necessario rispettare norme molto severe relative alle correnti di perdita e alla potenziale esposizione a tensioni che potrebbero risultare fatali. Per il monitoraggio sul lungo periodo, risulta senza dubbio più conveniente l’utilizzo di LED e fotodiodi per effettuare la misura PPG. Tuttavia, ciò comporta una maggiore complessità circuitale e la necessità di adottare tecniche di reiezione della luce ambiente e di isolamento ottico per evitare la dispersione diretta della luce LED diretta al fotodiodo.
Il dispositivo MAX86178 di Analog Devices
Il dispositivo MAX86178 di Analog Devices/Maxim Integrated è un circuito integrato per il monitoraggio dei parametri vitali a bassissimo consumo che integra un AFE in grado di supportare tre tipi di misure (PPG, ECG e BioZ) sincronizzate da utilizzare in una vasta gamma di monitor per la salute indossabili e di apparecchiature diagnostiche cliniche.
Si tratta di un front end analogico completo ad alto grado di integrazione. La catena del segnale PPG supporta fino a 6 LED pilotati da due driver a 8 bit ad alta corrente. Il percorso di ricezione è formato da quattro fotodiodi e da due canali a basso rumore, ciascuno equipaggiato con un convertitore A/D (ADC) con risoluzione a 20 bit. Il circuito per l’eliminazione della luce ambiente (ALC Ambient Light Cancellation) è attivo su entrambi i canali di ricezione.
La catena del segnale ECG, caratterizzata da un’elevata impedenza di ingresso e da basso rumore, include funzioni di filtraggio EMI e prevede un circuito per la calibrazione della tensione per eseguire l’autodiagnosi. Ulteriori caratteristiche di rilievo sono il guadagno programmabile, il filtro passa basso anti-aliasing e il convertitore A/D ad alta risoluzione integrato. La funzionalità ECG risulta conforme alla norma IEC 60601-2-47, lo standard riconosciuto a livello internazionale relativo alle apparecchiature per il monitoraggio ECG in ambito ospedaliero. Tra le caratteristiche principali del canale BioZ si possono annoverare le seguenti: elevata impedenza di ingresso, integrazione di un amplificatore a guadagno programmabile e disponibilità di funzioni di calibrazione e di filtraggio.
Il dispositivo MAX86178 viene fornito in package WLP (Wafer Level Package) a 49 bump di dimensioni pari a 2,77×2,57 mm e può operare nell’intervallo di temperature compreso tra -40°C e +85°C.
La figura 2 riporta l’architettura di un dispositivo per il monitoraggio dei parametri vitali autonomo alimentato a batteria integrato in contenitore a forma di cerotto. Questo monitor integra il dispositivo MAX86178, utilizza tutti e tre i sensori e può comunicare in modalità wireless mediante Bluetooth®. Il MAX86178 consente di raccogliere dati sullo stato di salute del cuore fornite dalle forme d’onda dell’ECG, i dati sul flusso sanguigno grazie alla PPG ottica e le informazioni sul ritmo respiratorio attraverso le misure di BioZ.
Figura 2: Architettura di un sistema completo per il monitoraggio dei parametri vitali basato sull’AFE MAX86178 di Analog Devices/Maxim Integrated (Fonte: Analog Devices/Maxim Integrated)
Risorse di sviluppo
Analog Devices propone una piattaforma, sotto forma di progetto di riferimento, che rappresenta un valido ausilio per i progettisti durante la fase di prototipazione di un sistema per il monitoraggio dei parametri vitali.
Il progetto di riferimento MAXREFDES106, disponibile in un fattore di forma compatibile con quello di un cerotto da applicare al torace (Figura 3) è una piattaforma di sviluppo completa basata sul dispositivo MAX86178. Essa integra MAX32674, un “sensor hub” (ovvero un dispositivo che acquisisce ed elabora i dati provenienti da diversi sensori) che integra algoritmi biometrici espressamente sviluppati per supportare i sensori ottici utilizzati nei dispositivi medicali indossabili, oltre al circuito per la gestione dell’alimentazione MAX20356 e all’accelerometro a tre assi ADXL367, caratterizzato da basso rumore e da consumi ridotti. Il microcontrollore host MAX32666 con connettività Bluetooth 5 completa la dotazione hardware della piattaforma.
Figura 3: L’architettura del progetto di riferimento MAXREFDES106 per il monitoraggio dei parametri vitali. (Fonte Analog Devices/Maxim Integrated)
MAXREFDES106 è una piattaforma indossabile sul torace che permette di effettuare una pluralità di misure: livello di saturazione di ossigeno nel sangue (SpO2), frequenza cardiaca (HR), ritmo respiratorio (RR), cardiografia a impedenza (ICG), analisi dell’impedenza biometrica (BIA) e temperatura ambiente e della pelle. In Figura 4 sono riportati grafici esemplificativi ottenuti utilizzando questa piattaforma e il relativo software.
Figura 4: Grafici ottenuti utilizzando la piattaforma di sviluppo per il monitoraggio dei parametri vitali di Analog Devices/Maxim Integrated. (Fonte: Analog Devices/Maxim Integrated)
Sviluppare in tempi brevi un monitor dei parametri vitali indossabili a bassissimo consumo
Il monitoraggio dei parametri vitali fornisce agli operatori sanitari informazioni accurate circa lo stato di salute complessivo di una persona. La prototipazione di un’interfaccia per sensori in grado di operare con sensori ottici ed elettrodi richiede considerevoli abilità e competenze. Di conseguenza, la disponibilità di un front-end analogico ad alto grado di integrazione contribuisce a semplificare notevolmente questo compito. In questo articolo sono stati analizzati i differenti metodi da utilizzare per rilevare i parametri vitali di una persona e viene mostrato come l’impiego dell’AFE MAX86178 e della piattaforma di valutazione associata possa semplificare e accelerare in modo significativo lo sviluppo di un sistema di monitoraggio indossabile.
