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Monitor ottico della pressione sanguigna

G. Ferla

Catania 28 aprile 2016 [email protected]

Catania 28 aprile 2016 Monitor ottico pressione sanguigna G. Ferla

Microelettronica e Medicina

La microelettronica è stato un fattore trainante dell’economia mondiale almeno dal 1964 al 2001.

La spesa medica costituisce il 10.4 % del PIL mondiale: Stati Uniti 17.9 %, Europa 10.8%, Cina 5.2 %, India 3.9 %, Bangladesh 3.7 %

Aree di convergenza Fitness Assistenza all’anziano, monitor a distanza Electronics for Medicine and Biology

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Relatore

Note di presentazione

Ricordare IOT e smart car


Sommario

Importanza della misura della pressione sanguigna non invasiva e continua

Caratteristiche ottiche del corpo umano

La tecnica NIRS (Near Infrared spettroscopy)

Il battito cardiaco

Effetti della respirazione sulla frequenza cardiaca

Cambiamenti della pressione con la respirazione

Possibili miglioramenti del sistema di misura

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Relatore


Fuzzy logic 1992. I paradigmi. Apple



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Relatore


Il corpo umano nel vicino infrarosso è relativamente trasparente. E’ possibile rilevare un fascio LED di poche centinaia di mW attravervo il polso. L’acqua e le proteine hanno una trasparenza nell’infrarossa oltre un fattore mille maggiore che nel visibile. Collagene e melanina sono i maggiori assorbitori. Nel campo di maggiore interesse, fra i 700 ed I 900 nm si hanno due elementi che disperdono la luce, i globuli rossi indicati con HHb ed O2Hb ed i mitocondri indicati con CtOx.



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Relatore


Il corpo umano nel vicino infrarosso è relativamente trasparente. E’ possibile rilevare un fascio LED di poche centinaia di mW attravervo il polso. L’acqua e le proteine hanno una trasparenza nell’infrarossa oltre un fattore mille maggiore che nel visibile. Collagene e melanina sono i maggiori assorbitori. Nel campo di maggiore interesse, fra i 700 ed I 900 nm si hanno due elementi che disperdono la luce, i globuli rossi indicati con HHb ed O2Hb ed i mitocondri indicati con CtOx.


Coefficiente di estinzione dell’emoglobina

Punto isosbestico 797nm

A 800 nm, 5.3 mm di sangue danno un’attenuazione di un fattore 10

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Relatore


Hemoglobin in blood, 150gr/L. Hemoglobin molar weight, 64.000 dalton. Concentrazione molare, 2.34 mMol/L. Quindi nel punto isosbetico e=800 (cm-1/(mole/litro)). A=800x 2.34E-3xth Per un’attenuazione di 10 occorono 5.3 mm di sangue


Il sistema utilizzato

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Relatore


Il nostro sistema è composto di 8 schede ognuna delle quali ha 4 sorgenti, LED con due lunghezza d’onda,735 e 850 nm, e 16 sensori SiPM (Silicon Photo Multiplier. Quindi in totale si hanno 126 sensori.


Il microcontrollore

STM32F407vg prodotto da STMicroelectronics

Processore ARM Cortex-MF a 32 bit

Frequenza di clock 168 MHz

Unità FP a singola precisione e set di istruzioni DSP

3 ADC con risoluzione 12 bit e 2.4 Mps

2 DAC con risoluzione 12 bit

2 controllori DMA

15 interfacce di comunicazione

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Relatore


Il microcontrollore utilizzato ha caratteristiche molto elevate.


Scheda di misura

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Relatore


Scheda preparata dai colleghi di Palermo. Sono visibili i 4 led ed il circuito di formazione del segnale

IL SiPM

Silicon Photon Multiplier


SiPM, lay-out

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Visibili 4 pixel ed isolamento ottico


Silicon Photon Multiplier

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Il SiPM è un diodo costituito da qualche migliaio di pixel. Ogni pixel ha una resistenza in serie di 200-300 Kohm. “Quencing passivo”


Struttura del SiPM

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La struttura del diodo è molto sofisticata. E’ basata su una tecnologia bipolare con frequenza di taglio oltre 100 GHz. Il leakage per pixel è di circa 2000 elettroni al secondo.


SiPM range dinamico

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Roberto Pagano, 2015

Notte senza luna


Caratteristica del Breakdown

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SiPM in regione geiger

Il SiPM è alimentato con tensioni di circa 30 volt

I campi elettrici corrispondenti sono di 300-500 mila Volt/cm

A questi campi elettrici corrisponde ogni carica elettrica crea un’amplificazione a valanga anche di 100 milioni

Ogni coppia generata da un fotone può quindi dar luogo a 100 milioni di elettroni

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Il segnale PPG

PhotoPlethysmoGraphy


Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)

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I due segnali ottici

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Relatore


La misura PPG (Photoplethysmography), indicata con la curva a colori, consente la misura del volume di sangue che attaversa l’arteria esaminata.


Coefficienti di estinzione secondo S. Prahl

Lambda HHb HbO2

735 nm 1102 413.2 850 nm 681 1058

Unità di misura cm-1/(mole/litro)

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Matrice di conversione

Δ𝐻𝐻𝐻Δ𝐻𝐻𝐻2

=1𝐿

× −.79 1.25−.47 1.20 × ∆𝑆735

∆𝑆850

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Lunghezze d’onda 735 nm, 850 nm Per ricavare i valori della matrice sono stati utilizzati i dati dei coefficienti di estinzione di Prahl.

Relatore


Il simbolo delta è legato al fatto che si toglie la continua e non all’uso di due canali allineati come facciamo noi Comunque occorrebbe chiedere a I. Tachtsidis. La referenza ai valori della matrice è del 1995 non è sufficiente per verificarne i valori

60o Congresso SIGG Napoli 26 Novembre 2015

Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Matrice di conversione

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Source: Investigation of in-vivo measurement of cerebral cytochrome-c-oxidase redox changes using near-infrared spectroscopy I Tachtsidis1, M Tisdall2, T S Leung1, C E Cooper3, D T Delpy1, M Smith2 and C E Elwell1 Eprint UCL

Lunghezze d’onda utilizzate 775 nm, 813 nm, 853 nm, 910 nm

Relatore


Per l’analisi dell’attività del cervello si utlizza non solo l’analisi della concentra del sangue venoso, HHb, e del sangue arterioso, HbO2, ma anche l’attività dei mitocondri attraverso l’attività relativa alla Citocromo-c-ossidasi, CCO. Il simbolo delta credo è legato al fatto che si toglie la continua e non all’uso di due canali allineati come facciamo noi Comunque occorrebbe chiedere a I. Tachtsidis. I valori della matrice è sono presi da un lavoro del 1995, purtroppo no offre dati sufficienti per una verifica.

Analisi ECG Variazioni del ciclo cardiaco con la respirazione


Definizioni utilizzate per analisi ECG

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Tempi del ciclo cardiaco

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Relatore


R-R, curva più in alto è la somma dei tempi della contrazione atriale di quella ventricolare e della diastole. Nella figura è mostrata anche la durata del complesso QRS, che comprende parte sia della ripolarizzzione atriale che la depolarizzazione ventricolare. Nell’arco dei 400 secondi della prova l’unica durata che cambia è quella della diastole.


Frequenza cardiaca

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Relatore


Per facilità di comprensione la durata del ciclo cardiaco è stata convertita in battiti per minuto. Da notare che alle variazioni di frequenza con ciclo di circa 10 secondi, dovute chiaramente alla respirazione, si hanno delle variazione più lente ma più ampie, pur mantendosi attorno ai 55 bpm.


Variazione di QRS con la respirazione

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Inspirazione

Espirazione

Relatore


La durata di QRS ha delle variazioni che risentono solo della respirazione. L’asse dei tempi è stato dilatato per poter ossevare come il segnale ia sicronizzato con il picco R. La durata maggiore corrisponde alla fase di espirazione, mentre la durata minore corrisponde alla fase di inspirazione.


Correlazione RR contrazione ventricolare

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Correlazione RR QRS

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Relatore


Si noti la modesta correlazione positiva fra R-R, in pratica la diastole, e la durata del complesso QRS.


Correlazione QT QRS

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Relatore


La correlazione fra QRS e la contrazione ventricolare è negativa e molto forte: per ogni millisecondo di incremento del gruppo QRS si ha una riduzione di un millisecondo della durata della contrazione ventricolare. Quindi con la espirazione si allunga il tempo della diastole e si riduce il tempo della contrazione ventricolare.


Variazione della frequenza cardiaca

La respirazione induce variazioni del ritmo cardiaco per via dell’influenza della pressione toracica sul tempo di riempimento degli atri, in particolare dell’atrio sinistro

Durante l’inspirazione gli atri si riempiono più rapidamente e la durata della diastole si riduce

Durante l’espirazione il tempo di riempimento aumenta e la durata della diastole si allunga

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Variazione delle fasi del ciclo cardiaco

La durata della diastole è influenzata anche da altri processi fisiologici.

La durata della contrazione ventricolare aumenta quando si inspira, si riduce durante l’espirazione.

La durata del complesso QRS è in controfase con la contrazione ventricolare

Con la respirazione si hanno anche variazioni della gittata cardiaca

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PPG alcuni risultati

Influenza della respirazione sulla pressione sistolica e distolica

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Respirazione e frequenza cardiaca

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Relatore


La misura PPG (Photoplethysmography), indicata con la curva a colori, consente la misura del volume di sangue che attaversa l’arteria esaminata.


I segnali ECG e PPG in un ciclo di respirazione

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Segnale PPG durante l’espirazione

Durante l’espirazione il tempo della diastole aumenta e l’arteria ha più tempo di svuotarsi La pressione diastolica diminuisce

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Segnale PPG durante l’inspirazione

Durante l’inspirazione il tempo della diastole diminuisce e l’arteria ha meno tempo di svuotarsi La pressione diastolica aumenta

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Segnale PPG derivato ed ECG

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Arterie e vene principali

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Schema della circolazione sanguigna

300 miloni di alveoli Volume sangue 600 cc Tempo di transito con 80 cc di gittata cardiaca circa 7.5 sec 25 trillion RC/300 million= .08 million/alveolo=80.000RC/min Tempo di transito 8 sec 1300 RC per alveolo

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polmoni

muscoli cervello


Volume e saturazione del sangue

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Variazione gittata ventricolare

Durante l’espirazione gli atri si riempiono più lentamente, il tempo di diastole aumenta, si riduce anche il volume di sangue negli atri, soprattutto nell’atrio sinistro.

La gittata ventricolare si riduce e quindi si riduce anche la pressione sistolica

La fluttuazione della gittata con la respirazione spiega le fluttuazioni della saturazione di ossigeno sincrone con la respirazione

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Possibili sviluppi

Quencing attivo Sensore a singolo fotone

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Come integrare un pixel SiPM

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La tecnologia BCD è in grado di garantire tempi di propagazione di 50 psec ed avere parti del circuito a 40 volt


Quencing attivo

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Quencing attivo

Spegnando rapidamente l’impulso generato da un singolo fotone si può misurare il segnale ricevuto contando gli impulsi nell’unità di tempo

Con un conteggio al buio di 2000/sec/pixel e con tempo di spegnimento di 500 psec si può avere un range dinamico di 106

Si può avere un sensore CMOS sensibile al singolo fotone con risoluzione di 10 bit

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Come integrare un pixel SiPM

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Visione diretta dell’ossigeno nelle arterie

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Una delle versione del SiPM ha 3600 elementi. Potrebbe essere utilizzato per valutare: il metabolismo dell’ organo a cui l’arteria

affluisce, l’elasticità dell’arteria, Il flusso sanguigno


Riconoscimenti

Università di Palermo Prof A.Busacca, Prof C.Giaconia; Diego Agrò

CNR IMM, Catania: S. Lombardo, R. Pagano Prof S. Castorina, Prof V.Perciavalle;

Dott Cannamela

Dott G. Carnazzo, Prof D.Maugeri ST: G.Fallica, S. Abbisso, S. Grutta, S. Rinaudo,

S. Coffa, A. Cremonesi ST: I colleghi sportivi

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http://giuseppeferla.blogspot.it/

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Grazie dell’attenzione

[email protected] Contro il vento degli alisei

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