Elettronica di front-end per sensori PPG

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica

Elettronica di front-end per sensori PPG

Relatore: Candidato:

Prof. Ing. Luigi Rovati Michele Faccone

Correlatore:

Dr. Andrea Amidei

Anno accademico 2022/2023

Indice

• Introduzione 3
• 1 Cenni teorici 4
• 1.1 La fotopletismografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
• 1.1.1 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
• 1.1.2 Possibili applicazioni della fotopletismografia . . . . . . . . . . . . . 6
• 1.2 La metrologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 2 Descrizione del front-end 9
• 2.1 Descrizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 2.1.1 LED, drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 2.1.2 SiPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
• 2.1.3 Amplificatore di trans-impedenza, filtro corrente DC . . . . . . . . 11
• 2.1.4 Microcontrollore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• 2.2 Realizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 3 Setup di misura 18
• 3.1 Generatore ottico di corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
• 3.2 Optoisolatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
• 3.3 Setup complessivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
• 4 Risultati delle misurazioni 24
• 5 Conclusioni 27
• 6 Ringraziamenti 28

Elenco delle figure

• 1 ECG e PPG a confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
• 2 Schema a blocchi front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 3 Schematico LED, con i rispettivi drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
• 4 Amplificatore di trans-impedenza. Filtro corrente DC . . . . . . . . . . . . 11
• 5 Risultato simulazione con LTspice XVII: corrente in ingresso e tensione di uscita. f = 300 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
• SIG6 Dettaglio simulazione filtro. f = 300 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• SIG7 Campionamento dei LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
• 8 Schematico del front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 9 Circuito front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
• 10 Schematico circuito sommatore. Disegnato su LTspice XVII . . . . . . . . 18
• 11 Corrente di uscita generatore ottico di corrente. Simulazione con LTspice XVII. f = 1 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
• 12 Circuito sommatore su breadboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
• 13 Lato fotomoltiplicatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
• 14 Lato LED rosso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
• 15 Setup completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
• 16 Setup effettivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
• 17 Segnale di test. f = 1 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
• TEST18 Uscita filtro. f = 1 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
• TEST19 Uscita filtro. Simulazione con LTspice XVII. f = 1 kHz . . . . . . . . 25
• TEST2

Introduzione

L’uso dell’elettronica nel mondo contemporaneo sta assumendo un ruolo sempre più rilevante nello sviluppo di soluzioni per una vasta gamma di questioni, ciascuna con una sua natura, origine e contesto distinti. Questa crescente importanza dell’elettronica ha aperto le porte a numerose applicazioni, tra cui spicca la possibilità di esplorare in profondità la natura umana. Questo progresso ha consentito la formulazione di teorie atte a identificare i parametri vitali di cruciale importanza, portandoci a una comprensione approfondita dello stato di salute di qualsiasi individuo.

La branca dell’ingegneria associata alla biologia e alla scienza umana ha elaborato, nel tempo, una tecnologia denominata fotopletismografia (PPG). Tale tecnologia è in grado di studiare le variazioni di volumi sanguigni nei tessuti molli dell’individuo, avendo tra i vantaggi la non-invasività, l’economicità e la sicurezza nelle rilevazioni (in quanto non v’è presenza di aghi o sonde); ciò la rende sia una delle tecnologie più importanti in ambito medico, essendo in grado di valutare battito cardiaco, ossigenazione sanguigna, pressione arteriosa, indice di perfusione e molto altro, sia una delle tecnologie più largamente impiegata.

L’utilizzo della fotopletismografia è così ampio da coinvolgere diverse discipline, tra cui l’ingegneria applicata allo sviluppo di veicoli, con un particolare focus sulla sicurezza dei conducenti. Il progetto descritto qui riguarda un sistema di acquisizione, noto come front-end, in grado di rilevare le informazioni precedentemente menzionate, convertendole prima in dati digitali e poi eseguendo routine di calcolo per la comprensione effettiva di quanto raccolto. Lo sviluppo del front-end è mirato a raccogliere dati per un sistema installato a bordo di veicoli a guida manuale, consentendo di valutare istantaneamente e direttamente lo stato di salute del conducente. Questa valutazione determina se il conducente è idoneo o meno a continuare a guidare. L’innovazione di questo sistema risiede nella sua capacità di valutare direttamente lo stato di salute del conducente, al contrario di altri sistemi attualmente presenti nei veicoli moderni che valutano principalmente la qualità della guida, senza valutare la condizione biologica del guidatore. Questo approccio evita di valutare stati di incapacità come l’ebbrezza o la sonnolenza, che se non tempestivamente individuati possono portare a incidenti con conseguenze anche catastrofiche.

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1 Cenni teorici

1.1 La fotopletismografia

1.1.1 Principio di funzionamento

Come precedentemente descritto, la fotopletismografia rappresenta una tecnica di valutazione biometrica dei parametri vitali di un individuo. Il principio di funzionamento di tale tecnologia si fonda principalmente sul fenomeno dell’irradiamento. Nello specifico ciò che viene irradiato è la luce, composta da fotoni, e questi vengono irradiati all’interno di un mezzo propagativo che nel nostro caso corrisponde ai tessuti molli dell’individuo (come la pelle, i muscoli, gli strati lipidici). La luce irradiata nel mezzo subisce una alterazione nella traiettoria e nell’intensità dovuta alle microvariazioni e alle non-uniformità dei tessuti, alle componenti sanguigne come l’emoglobina e altri fattori, che variano con continuità durante il processo di misura; la luce alterata raggiunge, infine, un dispositivo fotosensibile che provvederà a convertire la luce in un segnale in corrente. Successivamente, questo segnale verrà elaborato da un’elettronica apposita che ricaverà il segnale PPG dal segnale di natura generica che esso riceverà in ingresso, costituito principalmente da una componente continua associata alla respirazione, all’attività vasomotrice e alla luce ambientale, e da una piccola parte alternata, dovuta invece ai battiti cardiaci [1]. Nella Figura 1 possiamo osservare il segnale PPG ottenuto a partire dal segnale ECG ricavato dalla coppia rilevatrice.

Il sistema PPG è costituito da:

• Almeno un diodo emettitore di luce (nel caso di più diodi, devono avere lunghezze d’onda differenti[2][5]);
• Un fotodiodo o fotomoltiplicatore;
• Elettronica di conversione e controllo.

Esistono due diverse disposizioni del sistema PPG:

• Trans-illuminazione: il o i LED impiegati sono rivolti contro il dispositivo fotosensibile. L’individuo pone il proprio corpo (dito) nel mezzo della coppia di rilevazione. Dunque, la luce emessa dai diodi attraversa totalmente la zona sottoposta a misurazione;
• Riflessione: la coppia di rilevazione è a diretto contatto con la pelle dell’individuo, con i diodi e il fotoricevitore disposti sullo stesso piano. La luce viene emessa direttamente nella pelle del paziente e nei suoi tessuti più profondi; la luce riflessa viene poi acquisita ed elaborata. Anche in questo caso la luce attraversa totalmente la zona esposta a misurazione.

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In entrambi i casi si è in grado di raggiungere un grado di precisione nella rilevazione molto elevato e la loro disposizione non inficia nelle rilevazioni.

È importante effettuare un appunto in merito al tipo di luce irradiata. Ricordando che la luce è riconducibile ad un movimento ondulatorio, essa si propaga nello spazio con una propria lunghezza d’onda λ = c / f (1), dove c è la velocità della luce ed f è la frequenza dell’oscillazione. Non ogni tipo di lunghezza d’onda, tuttavia, è idoneo all’impiego della fotopletismografia. Ciò è dovuto prevalentemente all’acqua, che risulta essere un liquido in grado di assorbire un largo spettro di lunghezze d’onda, ad eccezione di quelle del vicino infrarosso, ovvero tutte quelle frequenze tra i 650 e i 1100 nanometri. In queste frequenze, la luce emessa riesce ad attraversare tutti i tessuti di interesse in ambito PPG anche di alcuni centimetri.

Figura 1: ECG e PPG a confronto

Si può notare, tra i due segnali, una forte differenza nella forma. Ciò dipende principalmente da quello che i due segnali rappresentano. Nel primo caso, il segnale ECG rappresenta una serie di parametri distinti e tutti sovrap