Processing dei segnali fisiologici – ECG, PPG, EDA/GSR, EOG e Pan-Tompkins

L'elettrocardiogramma (ECG) registra le variazioni di potenziale elettrico associate

all'attività elettrica del cuore, che precede e coordina la contrazione del muscolo

cardiaco. Nel tracciato ECG si riconoscono diverse onde, tra cui il complesso QRS,

associato principalmente alla depolarizzazione ventricolare.

Individuando la posizione temporale dei picchi R consecutivi, possiamo calcolare

l'intervallo RR, cioè il tempo che intercorre tra due battiti. Da questa informazione

ricaviamo due caratteristiche fondamentali:

HR (Heart Rate): la frequenza cardiaca, cioè il numero di battiti al minuto.

 HRV (Heart Rate Variability): la variabilità della frequenza cardiaca, cioè la

 variazione degli intervalli tra battiti consecutivi nel tempo.

1.2 Come si acquisisce il segnale cardiaco

Per ricavare HR e HRV non è necessariamente richiesto un ECG clinico completo con

numerose derivazioni. Si può utilizzare una configurazione semplificata con due

elettrodi, disposti in modo da rilevare una differenza di potenziale associata all'attività

cardiaca. In questo caso si parla di acquisizione bipolare.

Oltre all'ECG, una tecnica oggi molto diffusa nei dispositivi indossabili, come

smartwatch e fitness tracker, è la fotopletismografia (PPG,

Photoplethysmography).

1.3 Il principio di funzionamento della fotopletismografia

La PPG si basa sull'interazione tra la luce e i tessuti biologici. Il sensore emette luce,

spesso verde negli smartwatch, e rileva la luce che viene riflessa o diffusa dai tessuti.

Il sangue presente nei vasi assorbe la luce in misura diversa rispetto ai tessuti

circostanti. Durante il ciclo cardiaco, il volume di sangue nei distretti periferici varia:

durante la sistole aumenta l'afflusso pulsatile di sangue, mentre durante la diastole si

modifica nuovamente. Queste variazioni determinano cambiamenti nell'intensità della

luce ricevuta dal sensore.

Il risultato è un segnale periodico, chiamato PPG, dal quale è possibile individuare i

picchi associati ai singoli impulsi di sangue e stimare la frequenza cardiaca.

La differenza fondamentale tra ECG e PPG è che l'ECG misura un fenomeno elettrico,

mentre la PPG misura un fenomeno ottico legato alle variazioni del volume sanguigno.

Di conseguenza, i segnali hanno forme differenti: nella PPG non troviamo il complesso

QRS, ma un'onda pulsatile che contiene comunque informazioni utili per stimare HR e

HRV.

Inoltre, il segnale PPG presenta generalmente un leggero ritardo rispetto all'attività

elettrica cardiaca, dovuto al tempo necessario affinché l'onda di pressione e le

variazioni del volume sanguigno raggiungano il distretto periferico.

1.4 HR e HRV: quali informazioni forniscono?

L'HR è associata, in determinati contesti, alla valenza emotiva, cioè alla dimensione

che descrive quanto uno stimolo sia percepito come positivo o negativo. Tuttavia, la

frequenza cardiaca non permette da sola di stabilire se un'emozione sia positiva o

negativa: può aumentare sia in presenza di paura sia in presenza di entusiasmo.

L'HRV è invece utilizzata come indicatore della regolazione autonomica e,

indirettamente, dello stato di stress o recupero. In generale, un'HRV ridotta può essere

associata a stress o a una minore capacità di adattamento, mentre un'HRV maggiore

può essere compatibile con una migliore regolazione fisiologica. Queste interpretazioni

dipendono però dal contesto, dalla durata della registrazione, dalla respirazione e da

fattori individuali.

La HRV può essere analizzata non soltanto nel dominio del tempo, ma anche nel

dominio della frequenza attraverso tecniche di stima spettrale. L’idea è partire dalla

successione degli intervalli tra i battiti e studiare come variano nel tempo, per

individuare le componenti oscillanti associate ai diversi meccanismi di regolazione

fisiologica.

L'analisi spettrale dell'HRV

I battiti cardiaci non sono equidistanti nel tempo (gli intervalli RR possono essere, per

0,8 0,85 0,78

esempio, di , e secondi). Di conseguenza, le misure associate ai

battiti sono ottenute a intervalli temporali irregolari.

Questa caratteristica rende meno appropriato applicare direttamente metodi di stima

spettrale che presuppongono un campionamento uniforme (come il periodogramma

standard di Welch) senza prima gestire l'irregolarità temporale. Per questo motivo

viene introdotto il periodogramma di Lomb–Scargle, un metodo di stima spettrale

particolarmente adatto all'analisi di dati campionati in modo non uniforme.

Una volta ottenuto lo spettro della HRV, si considerano generalmente tre bande di

frequenza: Intervallo

Banda Significato fisiologico

indicativo Oscillazioni molto lente, dalla fisiologia

Inferiore a

VLF (Very Low complessa e dipendenti dalla durata della

0,04 Hz

Frequency) registrazione

Comprende meccanismi di regolazione

LF (Low 0,04 -- 0,15 Hz cardiovascolare, con contributi simpatici e

Frequency) parasimpatici

È fortemente associata alla modulazione

HF (High 0,15 -- 0,40 Hz parasimpatica e alle variazioni legate alla

Frequency) respirazione

Conduttanza cutanea: EDA, GSR e Skin Conductance

Un secondo segnale fisiologico utilizzato per studiare gli stati emotivi e cognitivi è la

conduttanza cutanea.

Principio fisiologico e modalità di misura

Quando una persona è sottoposta a uno stimolo emotivamente significativo o a una

situazione che richiede uno sforzo cognitivo, il sistema nervoso autonomo attiva le

ghiandole sudoripare. Il sudore contiene acqua e sali disciolti che favoriscono la

conduzione elettrica: all'aumentare della sudorazione, aumenta la conduttanza

cutanea e diminuisce la resistenza elettrica della pelle.

La conduttanza è l'inverso della resistenza:<