Presentazione - AEIT Catania

Monitor ottico della
pressione sanguigna
G. Ferla
Catania 28 aprile 2016
[email protected]
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
[email protected]
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