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Quando ogni µW è importante!

Misurazione di diversi parametri, letture accurate e una lunga autonomia della batteria, questi sono i fattori più critici di un dispositivo medicale indossabile.

Introduzione

Molte cose sono cambiate da quando, 10 anni fa, apparve sul mercato il primo podometro. Inizialmente, la misura era basata solo sul conteggio dei passi. Decenni di studi hanno portato alla conclusione che 10.000 passi al giorno consentirebbero un buon equilibrio tra calorie assimilate e smaltite. Nel frattempo, al dispositivo indossabile sono state aggiunte altre funzionalità e caratteristiche quali la misurazione di frequenza cardiaca, variabilità delle pulsazioni, temperatura corporea e conduttanza della pelle. Il dispositivo indossabile, inizialmente concepito per attività sportive e benessere, si sta muovendo lentamente verso il mercato medicale. A causa di questa transizione, è necessario puntare maggiormente sull'accuratezza delle misurazioni e sulla vita utile della batteria. Maggiore sarà l'autonomia di funzionamento ottenuta da una singola batteria, più facilmente il dispositivo potrà essere adottato dall'utente. In questo articolo viene descritta una nuova generazione di prodotti per dispositivi medicali indossabili, compresi tutti gli accorgimenti e i consigli su come questi prodotti possano rendere il vostro sistema più affidabile ed efficiente.

La fotopletismografia (PPG) per la misurazione della frequenza cardiaca

Quando si parla di salute, uno degli organi più importanti del nostro corpo è il cuore. Possiamo vederlo come il motore del sistema umano. Senza un cuore ben funzionante e con un battito valido, possiamo andare incontro a seri problemi di salute. Per questo motivo il monitoraggio della funzione cardiaca è una priorità fondamentale. Ci sono molti buoni motivi per verificare la frequenza cardiaca che vanno oltre il numero di battiti al minuto: dal comportamento del cuore, in termini di frequenza in funzione dell'attività, possiamo ricavare una quantità significativa di ulteriori informazioni. Quando al corpo si richiede un’attività maggiore, la frequenza cardiaca dovrebbe aumentare per portare alle cellule più elementi nutrienti e sangue ossigenato. Una frequenza cardiaca costantemente elevata non è un fatto positivo, così come non lo è una sua variazione veloce, potrebbe essere indice di una patologia cardiaca come la fibrillazione atriale.

Oltre alla frequenza esiste un altro parametro, chiamato “variabilità della frequenza cardiaca” (HRV): quando una persona è a riposo il cuore non batte a un ritmo costante, ma si potranno verificare leggere variazioni di +/-3 battiti al minuto rispetto alla stessa frequenza cardiaca. Questa variazione indica lo stato di rilassamento. Nel momento in cui una persona va sotto stress o si spaventa, il rilascio di adrenalina aumenta e il cuore inizia a pompare con una frequenza del tutto monotona. Per questa ragione è importante monitorare il parametro HRV.

Un metodo classico per ricavare i segnali cardiaci è attraverso la misurazione del bio-potenziale mediante elettrocardiogramma (ECG), funzione non facilmente integrabile in un dispositivo indossabile.

Un altro modo per misurare la frequenza cardiaca, diverso dal bio-potenziale, è il principio ottico. Questa tecnologia esiste da molto tempo ed è definita fotopletismografia (PPG). La tecnologia PPG è stata utilizzata principalmente in dispositivi per la misura della saturazione dell'ossigeno nel sangue (SPO2). Per misurare l’SPO2 si invia la luce a due lunghezze d'onda attraverso una specifica parte del corpo (di solito un polpastrello o il lobo auricolare) e si misura la percentuale di emoglobina ossigenata rispetto alla quantità totale dell'emoglobina stessa. Dato che questa tecnologia consente anche la misura della frequenza cardiaca, viene comunemente adottata nei dispositivi indossabili come quelli compatti da portare al polso dove, a differenza di quanto avviene con le misure bio-potenziali, è possibile rilevare il battito cardiaco utilizzando un unico punto di misura. L’ADPD174 da Analog Devices è un sottosistema ottico, progettato per supportare queste applicazioni (Figura 1).

Figura 1: Il sistema ottico ADPD174, in un unico package di 6,5 x 2,8 mm.

Riflessione contro trasmissione

La maggior parte di noi ha familiarità con la misura dell’SPO2, che si esegue di solito con una clip sul polpastrello o sul lobo auricolare. La luce viene inviata attraverso una parte del corpo e dal lato opposto i segnali ricevuti vengono misurati da un fotodiodo. Con questa tecnica di trasmissione, si misura la quantità di luce ricevuta o non-assorbita. Questo principio è il migliore, in termini di prestazioni di segnale rispetto alla quantità di energia utilizzata. Tuttavia, l'integrazione di una misura trasmissiva non è una cosa facile in un dispositivo indossabile, dove il comfort è fondamentale, per questo la misurazione più comunemente usata è a riflessione. In un sistema ottico a riflessione, la luce viene inviata alla superficie del tessuto, dove una parte viene assorbita dai globuli rossi, mentre la rimanente viene riflessa verso la superficie tissutale e misurata da un fotosensore. In un sistema a riflessione i segnali ricevuti sono fino a 60 dB più deboli, per questo è necessario fare più attenzione alla catena dei segnali in trasmissione e ricezione, tanto sugli aspetti elettrici quanto su quelli ottici.

Le sfide elettroniche e meccaniche

Nel momento in cui avviene il battito cardiaco, il flusso e il volume del sangue cambiano, causando una variazione della quantità ricevuta di luce riflessa. La lunghezza d'onda della luce utilizzata per la misurazione dei segnali PPG può variare in funzione di un certo numero di fattori, il primo dei quali consiste nel tipo di misura. In questo articolo ci limitiamo alla misura della frequenza cardiaca e delle sue variazioni. Per questa misura, la lunghezza d'onda necessaria dipende non solo dalla parte del corpo dove stiamo misurando, ma anche dal livello di perfusione relativa, dalla temperatura e dal tono di colore del tessuto. Per i dispositivi da polso dove, in generale, le arterie non si trovano in posizione superficiale, è necessario rilevare la componente pulsante da vene e capillari che si trovano immediatamente sottopelle. In queste applicazioni la luce verde dà la migliore ricezione. Nelle zone dove il flusso ematico è sufficiente, come nell'avambraccio, la tempia o il canale uditivo, rosso o infrarosso saranno più efficaci, dato che penetrano nella profondità tissutale. In particolar modo per le applicazioni indossabili, dove dimensioni e alimentazione a batteria sono sempre un problema, i LED rossi o infrarossi rappresentano sempre un vantaggio, dato che richiedono una tensione diretta inferiore. Nelle applicazioni che usano pile a bottone, questi LED possono essere alimentati direttamente dalla tensione di batteria.

Figura 2: Tensione diretta richiesta dai LED in funzione della corrente.

Sfortunatamente i LED verdi richiedono una tensione diretta più elevata, rendendo necessario un convertitore buck/boost supplementare che avrà un impatto negativo sull'assorbimento complessivo di corrente del vostro sistema. La Figura 2 illustra la tensione diretta necessaria ai LED di diversi colori in funzione della corrente. Se si devono comunque utilizzare i LED verdi, il convertitore buck/boost ADP2503 potrebbe rivelarsi d'aiuto per supportare LED con una tensione diretta più alta fino a un massimo di 5,5 V, operando con una tensione di ingresso che può scendere fino a 2,3 V.

Una volta raggiunti i compromessi sulla posizione del sensore e sul colore del LED, il passo successivo consiste nella scelta della soluzione ottica più appropriata. Ci sono molte scelte in termini di front-end analogici in versione discreta o completamente integrata, ma c'è anche un'ampia offerta di fotosensori e LED tra cui scegliere. Per ridurre gli sforzi del progetto e abbreviare il “Time to Market”, ADI ha realizzato un sottosistema ottico completamente integrato per misurazioni a riflessione. Si tratta dell’ADPD174, e contiene tutto il necessario per eseguire una misurazione ottica. Nella Figura 3 viene mostrato lo schema blocchi del sottosistema ADPD174. Le dimensioni del modulo, di 6,5 x 2,8 mm, lo rendono estremamente interessante per i sistemi indossabili.

Figura 3: Schema a blocchi del sottosistema ottico ADPD174.

Il modulo è realizzato attorno a un grande fotodiodo, due LED verdi e un LED IR. L’ASIC mixed-signal comprende l’unità di elaborazione per il segnale analogico, un ADC di tipo SAR, l’unità di elaborazione del segnale digitale, un'interfaccia di comunicazione I2C e tre fonti di alimentazione in corrente programmabili per i LED.

Il sistema pilota i LED e misura il corrispondente segnale ottico di ritorno con il fotodiodo da 1,2 mm2. La sfida più grande della misurazione del PPG con un dispositivo indossabile consiste nel superare le interferenze come quelle prodotte dalla luce ambientale e dagli artefatti generati dal movimento. L'illuminazione può influenzare in misura incredibile i risultati della misura. La luce del sole non è difficile da escludere ma, in particolare, le luci provenienti da lampade fluorescenti e a risparmio energetico contenenti componenti AC, sono difficili da eliminare. Il modulo ottico ADPD174 ha una funzione di reiezione della luce ambiente a doppio stadio. Dopo lo stadio del fotosensore e dell'amplificatore d’ingresso, è stato integrato un filtro passabanda, seguito da un demodulatore sincrono, per offrire la migliore reiezione possibile alla luce ambiente e alle interferenze dalla DC fino a 100 kHz. L’ADC ha una risoluzione a 14-Bit e, sommando fino a 255 valori di pulsazione, permette di ottenere una misura a 20-Bit. Accumulando molti campioni, è possibile raggiungere una risoluzione supplementare fino a 27 bit.

L’ADPD174 opera in due intervalli temporali indipendenti, per esempio per misurare due lunghezze d'onda separate, e può produrre i risultati sequenzialmente. Durante ciascun intervallo, viene eseguito il percorso di segnale completo, partendo dalla stimolazione del LED seguita dalla cattura del segnale da parte del fotodiodo e dall'elaborazione dei dati.

Ogni fonte di corrente è in grado di pilotare i LED collegati con correnti fino a 250 mA. Un controllo innovativo sull'alimentazione pulsata dei LED mantiene basso il valore medio della potenza dissipata, contribuendo in modo significativo a risparmiare energia aumentando quindi la durata della batteria del sistema.

Il vantaggio di questo circuito di pilotaggio del LED è quello di essere dinamico e scalabile al volo. Ci sono molti fattori che possono influenzare il rapporto segnale-rumore (SNR) del segnale ottico ricevuto, come la tonalità della pelle o i peli tra il sensore e la cute, che hanno un impatto sulla sensibilità del ricevitore. Per questo motivo l'eccitazione dei LED si può configurare molto facilmente per realizzare un sistema autoadattivo. Tutte le funzioni di timing e sincronizzazione vengono gestite dal front-end analogico, per cui non si richiede overhead al microprocessore di sistema. Con l’ADPD174, sarete in grado di far funzionare un affidabile cardiofrequenzimetro a un livello di potenza di circa un milliwatt in condizioni normali. Per trovare questo punto operativo possiamo regolare il guadagno dell'amplificatore di transimpedenza (TIA), combinandolo con la regolazione della corrente massima di picco del LED. Dopo aver ottimizzato la corrente del LED e il guadagno del TIA, per avere più segnale possiamo aumentare il numero degli impulsi inviati al LED. Tenete conto che aumentare la corrente di picco del LED produce l’aumento proporzionale dell’SNR, mentre l'aumento del numero degli impulsi per un fattore n, risulta solamente in un miglioramento dell’SNR per la radice di n (√(n)).

Trovare la regolazione ottimale del cardiofrequenzimetro dipende anche in larga misura dall'utente. La tonalità della pelle di quest'ultimo ha un impatto sull'intensità del segnale, così come avviene per il posizionamento, la temperatura e il flusso sanguigno. Per il calcolo della potenza assorbita, il front-end ottico può essere visto come due parti contribuenti distinte, IADPD e ILED. IADPD rappresenta la corrente assorbita dallo stadio amplificatore di ingresso, dall’ADC e dalla macchina a stati digitale. Questi valori di potenza dipendono molto dalla frequenza di campionamento dell’ADC. La corrente di LED ILED, varierà a seconda del tono della pelle individuale e della posizione del sensore sul corpo. Con pelli più scure, per il LED sarà necessaria una corrente più elevata, così come accadrà per posizioni corporee del sensore con un flusso di sangue molto limitato. La corrente media del LED varia con l’ampiezza degli impulsi di pilotaggio, il loro numero e la frequenza di campionamento dell’ADC. Il valore medio della corrente di LED equivale al valore massimo della corrente stessa, moltiplicato per la larghezza di impulso e per il numero degli impulsi (duty-cycle). Questo si può considerare come un unico intervallo temporale, che si ripete ogniqualvolta viene eseguito un nuovo campionamento. La larghezza d’impulso può scendere fino a 1 µs.

Per un’efficace misurazione della frequenza cardiaca al polso, si richiede una corrente di LED di picco di circa 125 mA, utilizzando 2 impulsi della larghezza di 1 µs. Considerando una frequenza di campionamento di 100Hz, pilotare il LED richiede mediamente 25 µA. Aggiungendo una corrente media di 250 µA per l’AFE, il front-end ottico consuma un totale di 275 µA (@ 3 V = 825 µW ).

Ulteriori sfide meccaniche

Abbiamo discusso delle interferenze da illuminazione ambientale come una delle sfide di progettazione di un sistema ottico a riflessione. In quest'ultimo troviamo un'altra grossa sfida da superare, definita “contaminazione interna della luce” o ILP (Internal Light Pollution). In un sistema perfettamente progettato, tutta la luce proveniente dai LED viene inviata al tessuto, e attraverso il foto sensore viene rilevata e misurata soltanto la luce riflessa. Nella vita reale, tuttavia, la luce del LED può essere riflessa dalla finestra trasparente della struttura e inviata di ritorno al fotosensore senza aver penetrato il tessuto (si osservi il percorso luminoso tracciato in verde nella Figura 4.)

Figura 4: Illustrazione dell’ILP

Questo effetto ILP produce un offset DC e andrà a limitare la componente AC del segnale, denominata anche Indice di Modulazione (MI). L’MI è, di fatto, l'unico segnale che ci interessa. Il fenomeno ILP può essere risolto tramite la separazione della finestra, tuttavia si tratta di una scelta molto difficile e costosa da implementare nella produzione in volumi. L’ADPD174 rappresenta la soluzione a questo problema. Ha una struttura progettata in modo specifico per ridurre l’effetto ILP senza la necessità di separare la finestra trasparente nell'involucro. Nella figura 5, viene illustrato il miglioramento nella riduzione dell’ILP sull’ADPD174 rispetto al suo predecessore, in funzione della corrente del LED. Questo rappresenta un altro vantaggio rispetto ad altri dispositivi discreti o integrati disponibili sul mercato.

Figura 5: Impatto sull’ILP dell’ADPD174 rispetto al predecessore.

Controllo totale del vostro sistema

In un sistema ottico, oltre alle interferenze della luce si devono eliminare anche quelle dovute al movimento. Il moto influisce sulle prestazioni generali di un sistema indossabile, dato che può alterare il collegamento meccanico o il contatto con i tessuti, generando errori nel processo di lettura ottica. Per questo è importante misurare il movimento del dispositivo e compensarne le interferenze. I sensori MEMS ultra low power a 3-assi  ADXL362 di ADI, rispondono perfettamente a questi requisiti. Il sensore misura i 3-assi, è dotato di un ADC SAR a 12-bit con una dimensione LSB pari a 1 mg che comunica attraverso un'interfaccia digitale SPI. La potenza dissipata varia con la frequenza di campionamento dell’ADC e a una frequenza di uscita dei dati di 100 Hz per asse il sensore dissipa soltanto 1,8 µA. È disponibile in un package di 3 x 3 mm, peraltro è in fase di sviluppo una nuova generazione, che usa un quarto della superficie di scheda richiesta dall’ADXL362.

Manca solo il collante!

Finora abbiamo parlato dei vari sensori necessari alla realizzazione di un dispositivo medicale per il monitoraggio della frequenza cardiaca e della sua variabilità. Ciò che ancora manca è il “cuore” del sistema, che colleghi tutti questi sensori, esegua gli algoritmi software necessari e memorizzi, visualizzi o trasmetta i risultati. Il processore CortexTM-M3 ADuCM3027/29 di Analog Devices è in grado di soddisfare questi requisiti. Si tratta di un microcontrollore ultra-low power, mixed signal, che assorbe una potenza di elaborazione inferiore a 38 µA per MHz.

Il processore ha una frequenza massima di clock di 26 MHz e può essere impiegato in quattro differenti modalità di potenza, vedi tabella 1.

Tabella 1: Modalità di potenza dell’ADuCM3027/29.

Il front-end mixed signal include un ADC di tipo SAR a 12-bit, un buffer di riferimento e un sensore di temperatura. Sulla scheda ci sono 128 k o 256 kbyte di memoria Flash, 4 kbyte di memoria Cash e 64 kbyte di SRAM. Per proteggere il contenuto del dispositivo dalla lettura attraverso un'interfaccia esterna da parte di un utente non autorizzato è stato speso un impegno notevole. Questo è di enorme valore per le aziende che realizzano questi dispositivi, in quanto consente la protezione del codice e degli algoritmi. Per finire, l’ADuCM302x può funzionare con una tensione singola tra 1,8 V e 3,6 V, mentre all'interno la tensione di core di 1,2 V può essere generata sia dall’LDO su scheda che dal suo più efficiente convertitore step-down a capacità commutata.

Per eseguire l'upload wireless dei risultati della misura verso un processore host, è necessaria soltanto una modesta percentuale della potenza complessiva del sistema. La pre-elaborazione dei risultati della misura contribuirà a ridurre la quantità dei dati da trasmettere. Questo porterà ulteriori risparmi energetici.

Dare l’autoapprendimento ai vostri dispositivi medicali

Nei paragrafi precedenti avete appreso quanto ADI si concentri sulle soluzioni a sensore e mixed-signal, dedicando la maggiore attenzione alle prestazioni e agli aspetti energetici. Questi chip e sottosistemi rendono possibile la realizzazione di dispositivi per il settore della salute e dello sport & benessere, che possono funzionare molto a lungo usando un'unica pila a bottone. La sfida, come sempre, consiste nel costruire un sistema che dia buone prestazioni alla potenza dissipata più bassa possibile. Un algoritmo autoadattivo può aiutare a migliorare le prestazioni generali e a trovare la combinazione ottimale per l'assorbimento energetico del vostro sistema. Ogni volta che il dispositivo viene usato, si possono apportare modeste variazioni nelle predisposizioni del sistema per raggiungere la prestazione SNR ottimale e l'accuratezza relativa, per la quantità di potenza impiegata.

Per ulteriori informazioni visitate il sito www.analog.com/healthcare.

A cura di Jan-Hein Broeders, Business Development Manager Healthcare Europa, Analog Devices

 

 

4 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 13 dicembre 2018
    • Andrea Garrapa Andrea Garrapa 13 dicembre 2018
  2. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 13 dicembre 2018
  3. Stefano Lovati Stefano Lovati 13 dicembre 2018

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