Elettronica di front-end per sensori PPG

SIG

6 Dettaglio simulazione filtro. f = 300 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

SIG

7 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

T EST

18 Uscita filtro. f = 1 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

T EST

19 Uscita filtro. Simulazione con LTspice XVII. f = 1 kHz . . . . . . . . 25

T EST

2

Introduzione

L’uso dell’elettronica nel mondo contemporaneo sta assumendo un ruolo sempre più rile-

vante 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 identifica-

re 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, pressio-

ne arteriosa, indice di perfusione e molto altro, sia una delle tecnologie più largamente

impiegata.

L’utilizzo della fotopletismografia è cosı̀ 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.

3

1 Cenni teorici

1.1 La fotopletismografia

1.1.1 Principio di funzionamento

Come precedentemente descritto, la fotopletismografia rappresenta una tecnica di valuta-

zione biometrica dei parametri vitali di un individuo. Il principio di funzionamento di tale

tecnologia si fondamenta 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 alte-

razione 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. Successivamen-

te, 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 paritre 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:

1. Trans-illuminazione: il o i LED impiegati sono rivolti contro il dispositivo fotosen-

sibile. L’individuo pone il proprio corpo (dito) nel mezzo della coppia di rilevazio-

ne. Dunque, la luce emessa dai diodi attraversa totalmente la zona sottoposta a

misurazione;

2. 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. 4

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 c (1)

λ = f

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 princi-

palmente da quello che i due segnali rappresentano. Nel primo caso, il segnale ECG

rappresenta una serie di parametri distinti e tutti sovrapposti, con particolare evidenza

alle funzioni termoregolatrici, gli impulsi del sistema nervoso simpatico e la respirazione,

al quale è sovrapposta una componente pulsatile alternata (nell’ordine dell’1 o 2%), cor-

rispondente alla variazione di flusso sanguigno che ricorre in accordo ai battiti cardiaci.

Quindi, esso risulta essere un segnale quasi interamente DC; in merito al segnale PPG,

invece, esso descrive in maniera diretta il battito cardiaco dell’individuo, diviso nelle varie

fasi: sistolica (contrazione del cuore, maggiore variazione del flusso) e distolica (rilassa-

mento, riempimento del cuore, flusso rallentato). Essendo un segnale AC, ciò implica la

presenza di opportuni accorgimenti atti alla rimozione della componente continua, uno

degli ostacoli più grandi nello studio dei parametri pulsatili. [1]

5

1.1.2 Possibili applicazioni della fotopletismografia

La fotopletismografia è in grado di valutare una serie di parametri biologici distinti, co-

me accennato nell’introduzione. In questo caso si può esprimere la teoria inerente alle

misurazioni di battito cardiaco e ossigenazione del sangue.

Il battito cardiaco di un individuo può essere ricavato direttamente ricavando la fre-

quenza fondamentale dello spettro del segnale PPG [6] ottenuto dal sistema di acquisi-

zione, essendo esso stesso una replica del flusso sanguigno del sistema cardiocircolatorio,

che risulta ripetitivo in maniera quasi periodica.

In merito all’ossigenazione del sangue, invece, vanno fatte opportune considerazioni

di natura matematica. In accordo alla legge di Beer-Lambert, l’intensità luminosa di un

fascio di luce monocromatico diminuisce esponenzialmente al variare della distanza [7].

Si può definire una legge che esprime la relazione tra la luce incidente e la luce trasmessa

nel mezzo propagativo: −ε·c·l

·

I = I e (2)

t 0

dove ε rappresenta il coefficiente di estinzione dipendente dalla lunghezza d’onda, c è la

concentrazione di assorbimento ed l è la lunghezza del mezzo propagativo.

L’irradiazione luminosa, nel corpo, viene assorbita in maniera dipendente dal tipo di

sostanza che viene investita. In particolare, nel corpo umano risultano rilevanti l’assor-

bimento luminoso della pelle, dell’acqua, della melanina, della deossiemoglobina e l’ossie-

moglobina. Le ultime due sostanze sono quelle analizzate per lo studio dell’ossigenazione

del sangue. Questo perché l’emoglobina è una proteina presente nei globuli rossi che per-

mette a questi ultimi di trasportare ossigeno; dunque, il rapporto tra la concentrazione di

ossiemoglobina e la concentrazione totale di emoglobina presente definirà l’ossigenazione

sanguigna. Si può dimostrare matematicamente come la PPG può rilevare questo indice

biometrico. La legge prima enunciata può essere modificata nella seguente formula:

−ε ·c ·l −ε ·c ·l −ε ·c ·l

· ·

I = I e e e (3)

0 0 HbO2 HbO2 Hb Hb

t 0

dove ε e c rappresentano l’assorbanza e la densità dovute alla componente non-pulsatile

0 0

del sangue e alla componente di sangue venosa; invece, ε , c , ε c rappresentano

HbO2 HbO2 Hb Hb

l’assorbanza e la concentrazione dell’ossiemoglobina e la deossiemoglobina, rispettivamen-

te.

Durante il battito cardiaco, i vasi art