Monitor ottico della
pressione sanguigna
G. Ferla
Catania 28 aprile 2016
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Microelettronica e Medicina
La microelettronica è stato un fattore trainante
dell’economia mondiale almeno dal 1964 al 2001.
La spesa medica costituisce il 10.4 % del PIL
mondiale:
Stati Uniti 17.9 %, Europa 10.8%,
Cina 5.2 %, India 3.9 %, Bangladesh 3.7 %
Aree di convergenza
Fitness
Assistenza all’anziano, monitor a distanza
Electronics for Medicine and Biology
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Sommario
Importanza della misura della pressione sanguigna
non invasiva e continua
Caratteristiche ottiche del corpo umano
La tecnica NIRS (Near Infrared spettroscopy)
Il battito cardiaco
Effetti della respirazione sulla frequenza cardiaca
Cambiamenti della pressione con la respirazione
Possibili miglioramenti del sistema di misura
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Caratteristiche ottiche del corpo umano
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Caratteristiche ottiche del corpo umano
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Coefficiente di estinzione dell’emoglobina
Punto isosbestico
797nm
A 800 nm, 5.3 mm di sangue danno
un’attenuazione di un fattore 10
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Il sistema utilizzato
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Il microcontrollore
STM32F407vg prodotto da STMicroelectronics
Processore ARM Cortex-MF a 32 bit
Frequenza di clock 168 MHz
Unità FP a singola precisione e set di istruzioni DSP
3 ADC con risoluzione 12 bit e 2.4 Mps
2 DAC con risoluzione 12 bit
2 controllori DMA
15 interfacce di comunicazione
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Scheda di misura
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IL SiPM
Silicon Photon Multiplier
SiPM, lay-out
Visibili
4 pixel ed
isolamento
ottico
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Silicon Photon Multiplier
Il SiPM è un diodo costituito
da qualche migliaio di pixel.
Ogni pixel ha una resistenza
in serie di 200-300 Kohm.
“Quencing passivo”
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Struttura del SiPM
La struttura del diodo è molto sofisticata.
E’ basata su una tecnologia bipolare con frequenza di taglio oltre 100 GHz.
Il leakage per pixel è di circa 2000 elettroni al secondo.
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SiPM range dinamico
Notte senza luna
Roberto Pagano, 2015
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Caratteristica del Breakdown
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Caratteristica del Breakdown
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Caratteristica del Breakdown
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SiPM in regione geiger
Il SiPM è alimentato con tensioni di circa 30 volt
I campi elettrici corrispondenti sono di
300-500 mila Volt/cm
A questi campi elettrici corrisponde ogni carica
elettrica crea un’amplificazione a valanga anche di
100 milioni
Ogni coppia generata da un fotone può quindi dar
luogo a 100 milioni di elettroni
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Il segnale PPG
PhotoPlethysmoGraphy
Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)
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I due segnali ottici
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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)
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Coefficienti di estinzione secondo S. Prahl
Lambda
735 nm
850 nm
HHb
1102
681
HbO2
413.2
1058
Unità di misura cm-1/(mole/litro)
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Matrice di conversione
∆𝑆735
Δ𝐻𝐻𝐻 1 −.79 1.25
×
=𝐿 ×
∆𝑆850
Δ𝐻𝐻𝐻2
−.47 1.20
Lunghezze d’onda 735 nm, 850 nm
Per ricavare i valori della matrice sono stati utilizzati
i dati dei coefficienti di estinzione di Prahl.
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Matrice di conversione
Lunghezze d’onda utilizzate
775 nm, 813 nm, 853 nm, 910 nm
Source: Investigation of in-vivo measurement of cerebral cytochrome-coxidase redox changes using near-infrared spectroscopy
I Tachtsidis1, M Tisdall2, T S Leung1, C E Cooper3, D T Delpy1, M Smith2
and C E Elwell1 Eprint UCL
60o Congresso SIGG Napoli 26 Novembre 2015
Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari
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Analisi ECG
Variazioni del ciclo cardiaco con la respirazione
Definizioni utilizzate per analisi ECG
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Tempi del ciclo cardiaco
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Frequenza cardiaca
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Variazione di QRS con la respirazione
Inspirazione
Espirazione
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Correlazione RR contrazione ventricolare
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Correlazione RR QRS
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Correlazione QT QRS
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Variazione della frequenza cardiaca
La respirazione induce variazioni del ritmo cardiaco
per via dell’influenza della pressione toracica sul
tempo di riempimento degli atri, in particolare
dell’atrio sinistro
Durante l’inspirazione gli atri si riempiono più
rapidamente e la durata della diastole si riduce
Durante l’espirazione il tempo di riempimento
aumenta e la durata della diastole si allunga
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Variazione delle fasi del ciclo cardiaco
La durata della diastole è influenzata anche da altri
processi fisiologici.
La durata della contrazione ventricolare aumenta
quando si inspira, si riduce durante l’espirazione.
La durata del complesso QRS è in controfase con la
contrazione ventricolare
Con la respirazione si hanno anche variazioni della
gittata cardiaca
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PPG alcuni risultati
Influenza della respirazione
sulla pressione sistolica e distolica
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Respirazione e frequenza cardiaca
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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)
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I segnali ECG e PPG in un ciclo di respirazione
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Segnale PPG durante l’espirazione
Durante l’espirazione il tempo della diastole
aumenta e l’arteria ha più tempo di svuotarsi
La pressione diastolica diminuisce
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Segnale PPG durante l’inspirazione
Durante l’inspirazione il tempo della diastole
diminuisce e l’arteria ha meno tempo di svuotarsi
La pressione diastolica aumenta
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Segnale PPG derivato ed ECG
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Arterie e vene principali
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Schema della circolazione sanguigna
polmoni
300 miloni di alveoli
Volume sangue 600 cc
Tempo di transito con 80 cc di gittata
cardiaca circa 7.5 sec
25 trillion RC/300 million=
.08 million/alveolo=80.000RC/min
Tempo di transito 8 sec
1300 RC per alveolo
muscoli cervello
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Volume e saturazione del sangue
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Variazione gittata ventricolare
Durante l’espirazione gli atri si riempiono più
lentamente, il tempo di diastole aumenta, si riduce
anche il volume di sangue negli atri, soprattutto
nell’atrio sinistro.
La gittata ventricolare si riduce e quindi si riduce
anche la pressione sistolica
La fluttuazione della gittata con la respirazione
spiega le fluttuazioni della saturazione di ossigeno
sincrone con la respirazione
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Possibili sviluppi
Quencing attivo
Sensore a singolo fotone
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Come integrare un pixel SiPM
La tecnologia BCD è in grado di garantire tempi di
propagazione di 50 psec ed avere parti del circuito a 40 volt
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Quencing attivo
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Quencing attivo
Spegnando rapidamente l’impulso generato da un
singolo fotone si può misurare il segnale ricevuto
contando gli impulsi nell’unità di tempo
Con un conteggio al buio di 2000/sec/pixel e con
tempo di spegnimento di 500 psec si può avere un
range dinamico di 106
Si può avere un sensore CMOS sensibile al singolo
fotone con risoluzione di 10 bit
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Come integrare un pixel SiPM
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Visione diretta dell’ossigeno nelle arterie
Una delle versione del SiPM ha
3600 elementi.
Potrebbe essere utilizzato per
valutare:
il metabolismo dell’
organo a cui l’arteria
affluisce,
l’elasticità dell’arteria,
Il flusso sanguigno
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Riconoscimenti
Università di Palermo
Prof A.Busacca, Prof C.Giaconia; Diego Agrò
CNR IMM, Catania: S. Lombardo, R. Pagano
Prof S. Castorina, Prof V.Perciavalle;
Dott Cannamela
Dott G. Carnazzo, Prof D.Maugeri
ST: G.Fallica, S. Abbisso, S. Grutta, S. Rinaudo,
S. Coffa, A. Cremonesi
ST: I colleghi sportivi
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http://giuseppeferla.blogspot.it/
Grazie dell’attenzione
Contro il vento degli alisei
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