S.I.T. srl
4 febbraio 2008
Dispositivo indossabile per la misura di
parametri biometrici
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Indice degli argomenti
Indice delle figure............................................................................................................... 2
Introduzione........................................................................................................................ 3
1. Parametri misurati dal sistema Hornet......................................................................... 4
2. Caratteristiche hardware del sistema ........................................................................... 4
2.1. Accelerometro lineare............................................................................................ 5
2.2. Microcontrollore PIC 18F452................................................................................ 5
2.3. Sistema di trasmissione wireless: Modulo Bluetooth............................................ 5
2.4. Stadio ECG ............................................................................................................ 6
3. Sensori utilizzati per il monitoraggio dei dati biometrici ............................................ 6
3.1. Sensore piezoelettrico ............................................................................................ 7
3.2. Sensori per ECG .................................................................................................... 7
3.3. Sensore accelerometrico ........................................................................................ 8
4. Acquisizioni ...............................................................................................................11
Conclusioni.......................................................................................................................15
Indice delle figure
Figura 1: schema a blocchi dell’elettronica per l’ECG...................................................... 6 Figura 2 : posizionamento degli elettrodi........................................................................... 7 Figura 3: prototipo sensore Hornet..................................................................................... 9 Figura 4: scheda Hornet ...................................................................................................10 Figura 5: tracciato ECG su 3 canali .................................................................................11 Figura 6: sopra stato di moto: soggetto sdraiato, sotto atti respiratori.............................12 Figura 7: sopra stato di moto: soggetto in piedi, sotto atti respiratori .............................12 Figura 8: sopra stato di moto: soggetto in movimento, sotto atti respiratori ...................13 Figura 9: sole onde QRS del segnale ECG filtrato ..........................................................14 2
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Introduzione
In questo rapporto verrà descritto il dispositivo Hornet progettato e realizzato da S.I.T srl.
Hornet è un sistema indossabile (Dispositivo On Board ) che permette l’acquisizione di segnali
biomedici.
Nello specifico il sistema Hornet permette di acquisire segnali/dati biomedici quali ECG frequenza
respiratoria e stato di moto di pazienti affetti da scompenso cardiaco (SCC) e di trasmettere tali dati
wireless ad una stazione “domestica” (pc).
Il prototipo descritto nel seguente documento è stato realizzato su una scheda millefori pertanto le
dimensioni del sistema potrebbero ridursi notevolmente nel caso di industrializzazione.
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1. Parametri misurati dal sistema Hornet
Il prototipo sviluppato, orientato alla gestione di pazienti “domiciliati”, opera in costante connessione
con la centralina di trasmissione via wireless e non prevede meccanismi di bufferizzazione dei dati per
la gestione dei paziente fuori domicilio.
E’ stato sviluppato del codice software basato sulla piattaforma MatLab per l’elaborazione dei dati e
l’estrazione dei parametri vitali di interesse quali:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Frequenza Cardiaca
Deviazione standard intervalli RR
Parametri di indicazione ritmo
Distribuzione temporale degli eventi di tachicardia
Distribuzione temporale degli eventi di brachicardia
Frequenza atti respiratori
Stato motorio del paziente
Con cadenze di un minuto vengono spediti i dati relativi a:
Frequenza cardiaca, deviazione Standard degli intervalli RR, Frequenza Respiratoria, stato motorio del
paziente.
Mentre con cadenze di un’ora vengono spediti i dati relativi a:
Frequenza cardiaca Massima, Frequenza cardiaca Minima, Frequenza cardiaca Media, numero di
eventuali Bradicardie, numero di eventuali Tachicardie.
2. Caratteristiche hardware del sistema
Il prototipo del sistema realizzato ha a bordo i seguenti componenti:
1. Accelerometro lineare triassiale (vedi tabella 1)
2. Pic18f452 (processore)
3. Modulo bluetooth F2M03AC2-SPP
4. Circuito per ECG.
Il prototipo permette il trasferimento dei dati via seriale e/o wireless grazie ad uno switch analogico
integrato sulla scheda, comandabile via software.
Il sistema wireless è costituito da un modulo trasmettitore bluetooth OEM e da un modulo ricevitore
connesso via usb ad un PC. Questo prototipo permette l’acquisizione di dati a frequenze pari a 4.7 KHz
in trasmissione wireless. La frequenza di campionamento dipende da diverse variabili:
• Tempo d’acquisizione e di conversione dei dati da parte del pic
• Numero di bit di conversione dell’adc a bordo del pic
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2.1. Accelerometro lineare
Lo stato motorio del paziente è rilevato da una sensore accelerometrico. Il sensore utilizzato è
LIS3L02AQ3 della Stelectronic.
Questo accelerometro lineare è triassiale, ha tre output analogici in tensione ed ha una risoluzione di
0.25 metri/sec. A seconda delle esigenze e delle applicazioni il sensore inerziale permette
l’acquisizione dell’accelerazione relativa ad un solo asse o le accelerazioni relative a due o tre assi
contemporaneamente.
Nel sistema Hornet è utilizzato un solo asse poiché sufficiente per fare una valutazione qualitativa dello
stato di moto del paziente.
2.2. Microcontrollore PIC 18F452
Il microcontrollore PIC 18F452 è il cervello di bordo della scheda. Il compito di questo microcircuito è
quello di gestire completamente il sistema di ricetrasmissione di eventuali messaggi e di acquisizione
dei dati. Di seguito sono riportate le principali caratteristiche.
• Frequenza del clock 40 Mhz (potenza di calcolo del processore)
• 32K flash program memory
• 256 byte Data EEPROM memory
• 5 porte I/O analogiche
• 8 canali di input
2.3. Sistema di trasmissione wireless: Modulo Bluetooth
Il sistema adottato è l’ F2M03AC2-SPP che è un modulo Bluetooth SMD operante in classe 2
provvisto di antenna integrata e di un codec audio per la conversione A/D della voce e relativa
compressione/decompressione. Per le sue caratteristiche è adatto per comunicazioni dati e voce, si
interfaccia via UART o USB e consente la trasmissione dati fino al massimo datarate consentito da
Bluetooth (723.2Kbps). Il modulo viene fornito con il profilo Serial Port.
Di seguito sono riportate le caratteristiche del modulo:
1. Sistema Bluetooth completo di antenna integrata
2. Audio codec
3. Disponibile con stack Bluetooth completo
4. Disponibilità del profilo Headset
5. Funzionalità Wireless UART senza driver aggiuntivi
6. Porta seriale, 8 I/O digitali e 2 analogici
7. Interfaccia analogica e digitale (PCM) per voce (fino a 3 canali simultanei)
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8. Classe 2 (range: 20m potenza di trasmissione fino a +4dBm)
9. Massimo data rate via UART e USB (723.2Kbps)
10. 4 modalità di basso consumo
11. SMD; dimensioni: 24x13mm
12. Standard Bluetooth v1.1
2.4. Circuito per ECG
L’elettronica per l’acquisizione del segnale ECG è costituita dai seguenti 4 stadi:
1
2
3
4
Figura 1: schema a blocchi dell’elettronica per l’ECG
1.
2.
3.
4.
Elettrodi a contatto
Amplificatori differenziali AD624
Opto-coupler NEC PS2506 (isola gli ingressi dell’amplificatore dalle uscite dello stesso)
Filtro passa banda (implementato da due filtri in cascata: passa basso e passa alto)
3. Sensori utilizzati per il monitoraggio dei dati biometrici
Per l’acquisizione della frequenza respiratoria, del tracciato ECG e dello stato di moto del soggetto
sono stati utilizzati rispettivamente un sensore piezoelettrico, elettrodi monouso classici e sensore
accelerometrico triassiale descritti nei seguenti sottoparagrafi.
.
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3.1. Sensore piezoelettrico
Il numero degli atti respiratori del paziente sono acquisiti tramite un sensore piezoelettrico che converte
appunto una forza impressagli in un segnale elettrico.
Il sensore è incapsulato e fissato ad una fascia toracica (vedi figura3) che viene posizionata sul torace
del paziente in maniera tale che il sensore si trovi in corrispondenza dell’estremità inferiore dello
sterno.
Il segnale registato come mostrato nelle figure 6, 7 e 8, non è altro che un onda “ sinusoidale” il cui
fronte di salita corrisponde all’atto inspiratorio mentre il fronte di discesa quello espiratorio.
3.2. Sensori per ECG
Sono stati utilizzati 5 elettrodi monouso per la misura del segnale elettrocardiografico su 3 canali,
posizionati sul torace del soggetto esaminato come mostrato in figura 2.
Figura 2 : posizionamento degli elettrodi
II battito cardiaco è controllato da un potenziale elettrico periodico autogenerato in una piccola regione
del tessuto muscolare cardiaco (nodo senatoriale). Questo piccolo potenziale elettrico è al massimo 0.1
V pertanto per poterlo misurare è necessario amplificare tale potenziale.
Nel prototipo realizzato sono stati utilizzati tre amplificatori differenziali AD624 dell’Analog Device
che presentano un elevato CMRR ed un guadagno di banda programmabile. Gli AD624 sono alimentati
a +/-9 V.
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Il segnale differenziale in uscita da ogni singolo amplificatore è stato filtrato con un passa basso ed un
passa alto in maniera tale da avere come frequenze di taglio inferiore e superiore rispettivamente
0.04Hz e 150Hz.
I segnali dopo il filtraggio sono stati nuovamente amplificati e poi spediti al microcontrollore montato a
bordo della sistema.
3.3. Sensore accelerometrico
Il sensore accelerometrico è stato integrato al sistema Hornet per poter monitorare lo stato di moto
del paziente.
Non viene ricostruito il movimento di chi indossa il sensore ma semplicemente vengono individuati
3 stati fissando delle soglie sull’accelerazione misuarata dal sensore:
• Sdraiato
• In piedi
• In movimento
Nelle figura 3 e 4 sono riportate le foto del prototipo realizzato, in particolare nella figura 3 il
prototipo con connessi gli elettrodi per ECG e la fascia toracica per la frequenza respiratoria.
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Figura 3: prototipo sensore Hornet
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Figura 4: scheda Hornet
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4. Acquisizioni
Sono state effettuate acquisizioni in diverse situazioni: soggetto fermo in piedi, sdraiato e in
movimento.
Nelle figure 5 e 6 sono rappresentati in ordine i tre grafici relativi ai tracciati ECG su 3 canali, il
segnale in uscita dal sensore accelerometrico che nel caso rappresentato fornisce una tensione
fissa pari a 0g poiché il soggetto è sdraiato ed infine il il segnale in uscita dal sensore
piezoelettrico (in Volt) che rappresenta il numero degli atti respiratori.
I segnali ECG dopo essere stati acquisiti sono stati filtrati con un filtro passa banda ed un filtro
notch per eliminare eventuali disturbi a 50Hz.
Inoltre per poter rilevare i parametri elencati nel paragrafo 2 è stato utilizzato un filtro mediano che
permette di selezionare solo l’onda QRS come mostrato in figura 9.
-3
1
ECG 1 canale
x 10
Volt
0.5
0
-0.5
-1
0
2
4
6
8
10
sec
ECG 2 canale
12
14
16
18
20
2
4
6
8
10
sec
ECG 3 canale
12
14
16
18
20
2
4
6
8
10
sec
12
14
16
18
20
-3
1
x 10
Volt
0.5
0
-0.5
-1
0
-3
1
x 10
Volt
0.5
0
-0.5
-1
0
Figura 5: tracciato ECG su 3 canali
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moto paziente
1
g
0.5
0
-0.5
0
5
10
1
15
20
sec
Atti respiratori =12
25
30
E<-->I
0.5
0
-0.5
-1
0
5
10
15
20
25
30
35
sec
Figura 6: sopra stato di moto: soggetto sdraiato, sotto atti respiratori
moto paziente
1
g
0.5
0
-0.5
0
2
0
2
4
1
6
sec
Atti respiratori =4
8
10
E<-->I
0.5
0
-0.5
-1
4
6
sec
8
10
12
Figura 7: sopra stato di moto: soggetto in piedi, sotto atti respiratori
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In figura 7 sono rappresentati i segnali registrati dal sensore accelerometrico nel caso in cui il
soggetto è in piedi fermo ed il numero di atti respiratori durante i 12 secondi di registrazione.
moto paziente
1
g
0.5
0
-0.5
0
5
10
1
15
20
sec
Atti respiratori =13
25
30
E<-->I
0.5
0
-0.5
-1
0
5
10
15
20
25
30
35
sec
Figura 8: sopra stato di moto: soggetto in movimento, sotto atti respiratori
Nella figura 8 si può notare che durante la registrazione il soggetto è in movimento difatti il segnale
registrato dal sensore accelerometrico ha un andamento fluttuante e non più costante come nelle
figure 6 e 7.
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-6
4
x 10
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
2
4
6
8
10
12
14
sec
Figura 9: sole onde QRS del segnale ECG filtrato
Nella figura 9 è infine riportato un segnale ECG filtrato con un filtro mediano in modo tale da poter
individuare le sole onde QRS del tracciato e quindi calcolare la frequenza cardiaca, la deviazione
standard degli intervalli RR ed eventuali tachicardie o bradicardie.
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Conclusioni
Il sensore realizzato non è altro che un holter ma rispetto agli apparecchi già largamente utilizzati
oggi per la diagnosi ed il monitoraggio dell’attività elettrica del cuore, permette anche di
monitorare la frequenza respiratoria e lo stato di moto del paziente.
Il sistema ha presentato però alcuni problemi legati al segnale ECG ovvero le registrazioni dei
tracciati elettrocardiografici si sono rivelati poco fruibile nel caso in cui il paziente ha dei
cambiamenti repentini dello stato di moto. Tali problemi sono legati sostanzialmente al tipo di
elettrodi utilizzati per l’ECG poiché essendo i potenziali registrati segnali molto deboli è
necessario anzitutto che gli elettrodi siano ben posizionati sul torace e che non si spostino se il
soggetto si muove.
Quelli riscontrati sono tuttavia problemi risolvibili con uno studio più approfondito del sistema e
con l’utilizzo di elettrodi più appropriati.
E’ possibile comunque affermare che il sistema messo a punto da S.I.T srl rappresenta
sicuramente uno strumento diagnostico innovativo poiché permetterebbe al medico specialista di
avere un riscontro in tempo reale dello stato del paziente e soprattutto gli permetterebbe di
valutare l’attività elettrica del cuore in funzione dello stato di moto del soggetto esaminato.
Difatti eventuali allarmi connessi all’attività elettrica del cuore sono strettamente correlati
all’attività fisica del soggetto sotto osservazione.
Oggi questo tipo di valutazione viene fatta guardando la registrazione effettuata dall’apparecchio
holter ma per quanto concerne lo stato di moto del soggetto il medico si affida ancora al diario
giornaliero del paziente in cui lo stesso appunta le sue attività quotidiane.
Il sistema Hornet è stato pensato e progettato in maniera tale che sia possibile l’aggiunta di
sensori quali ad esempio pulsiossimetro (apparecchiatura in grado di calcolare la saturazione
dell’ossigeno nel paziente indicata con l'abbreviazione SpO2), sensore di temperatura.
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