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Dispositivi indossabili: problematiche e soluzioni nell’acquisizione del segnale ECG

Nuove soluzioni della microelettronica per le problematiche relative all'acquisizione del segnale per l'elettrocardiogramma su un dispositivo indossabile, come uno smartwatch. Come è possibile risolvere i problemi causati dall'impedenza generata dal contatto fra gli elettrodi e la pelle

Smartwatch e braccialetti fitness sono sempre più utilizzati come dispositivi di monitoraggio della salute personale e l’acquisizione precisa dei segnali per l’elettrocardiogramma (ECG) su questi dispositivi indossabili è oggi un campo molto interessante. Un ECG registra l’attività cardiaca mediante l’acquisizione di segnali elettrici. I sistemi tradizionali per ECG, come i dispositivi di monitoraggio per i pazienti, necessitano di collegare numerosi elettrodi al paziente. Il segnale acquisito tra una coppia di elettrodi rappresenta l’attività cardiaca insieme al vettore che collega la coppia di elettrodi e fornisce quindi un modo particolare per esaminare il cuore.

ECG indossabili

Acquisizione del segnale ECG a cavi multipli

Come funziona l’acquisizione del segnale ECG negli indossabili

L’acquisizione del segnale ECG su un dispositivo indossabile, come uno smartwatch, è realizzabile per mezzo di elettrodi a contatto con il polso sinistro e la mano destra. Un elettrodo posto sul fondo del dispositivo indossabile è a contatto continuo con il polso sinistro, dove si indossa l’orologio. Quindi, per registrare il segnale ECG, l’utente tocca un elettrodo posto sopra o di lato al dispositivo usando un dito della mano destra. Mentre gli elettrodi delle mani destra e sinistra rilevano il segnale ECG, un terzo elettrodo (ad esempio a contatto con il polso) può far passare il potenziale del corpo e polarizzare gli elettrodi a una tensione ottimale per la catena di segnale ECG. Questo elettrodo è detto elettrodo della gamba destra, nonostante sia a contatto con il polso, in quanto prende il suo nome dal fatto di essere posto sulla gamba destra nei sistemi per ECG in ambito ospedaliero.

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Vi sono alcune problematiche e alcuni requisiti tipici dell’elettronica utilizzata per l’acquisizione dell’ECG a batteria sui dispositivi indossabili. Oltre ai requisiti in termini di dimensioni ridotte e basso consumo energetico, il front-end analogico (AFE) utilizzato per l’acquisizione del segnale ECG deve soddisfare anch’esso questioni relative al degrado della qualità del segnale derivante dall’uso di piccoli elettrodi asciutti. L’acquisizione del segnale ECG con utilizzo di questo tipo di elettrodi risente dell’elevata impedenza dovuta al contatto tra elettrodo e pelle, che causa una potenziale perdita di segnale e il degrado dovuto al rumore.

ECG indossabili

Panoramica di un front-end analogico (AFE) e del suo collegamento con gli elettrodi per ECG

La Figura mostra una panoramica di un front-end analogico (AFE) in cui un amplificatore per strumentazione (INA) rileva il segnale ECG fra gli elettrodi della mano destra e della mano sinistra, mentre un amplificatore drive per la gamba destra guida il potenziale del corpo attraverso l’elettrodo della gamba destra. La parte contrassegnata con «impedenza di contatto» rappresenta un modello resistenza-condensatore dell’impedenza di contatto posta in serie fra ciascun elettrodo e i pin dell’AFE.

ECG indossabili

Cinque problematiche dovute all’elevata impedenza di contatto

Cinque delle problematiche che possono derivare dall’elevata impedenza di contatto nell’esame ECG con i dispositivi indossabili sono:

  • maggiore rumore: lelevata impedenza di contatto può essere una fonte di rumore termico; è fondamentale limitare la banda di questo rumore nella catena di segnale a monte del convertitore analogico/digitale (ADC) per evitare l’aliasing.
  • attenuazione del segnale: per evitare l’attenuazione del segnale ECG, l’impedenza di ingresso dell’AFE deve essere molto alta rispetto all’impedenza di contatto degli elettrodi. Con un AFE di biorilevazione è possibile collegare gli elettrodi direttamente agli ingressi dell’AFE senza componenti di shunt che andrebbero a ridurre l’impedenza di ingresso, in quanto l’AFE non richiede filtri esterni che comportino la presenza di condensatori in shunt. Il drive della gamba destra offre un meccanismo per impostare il potenziale di modo comune adatto senza dover utilizzare resistenze di shunt di polarizzazione. L’elevata impedenza di input proveniente dall’AFE mantiene l’attenuazione del segnale ECG a un valore minimo anche se si utilizzano elettrodi piccoli.
  • accoppiamento di modo comune: la rete elettrica (a 50 Hz e le relative armoniche) è una fonte di disturbo. In teoria, la natura differenziale della catena di segnale ECG respinge questo disturbo; tuttavia, se l’impedenza di contatto fra gli elettrodi della mano destra e della mano sinistra è elevata e sbilanciata, il disturbo può tradursi in un piccolo segnale differenziale che si presenta sugli ingressi dell’AFE. Questo tipo di segnale, quindi, si presenterebbe sotto forma di tono nel segnale ECG sull’uscita dell’AFE. È possibile ridurre al minimo l’ampiezza di questo tono in due modi: mediante la soppressione del disturbo della gamba destra che opera in circuito chiuso oppure mediante la riduzione nella conversione da modo comune a differenziale basata sull’elevata impedenza di ingresso in c.a. dell’AFE alla frequenza della rete elettrica.
  • offset in CC: oltre all’impedenza di contatto, gli elettrodi possono anche sviluppare una tensione di offset in c.c. (modellata sotto forma di sorgente di tensione in serie con ciascun elettrodo). Se gli elettrodi della mano destra e della mano sinistra presentano un offset in c.c. diverso, questo può manifestarsi sotto forma di offset differenziale in c.c. nel segnale di ingresso dell’ECG. Questo tipo di offset in c.c. può rientrare in un campo di centinaia di millivolt e può limitare il guadagno utilizzabile dell’INA. L’esercizio a elevato guadagno dell’INA va ad aumentare il livello di segnale sull’ingresso dell’ADC e migliora il rapporto segnale/rumore dell’acquisizione del segnale ECG. L’INA è dotato di un filtro integrato passa-alto che respinge l’offset differenziale in c.c. all’ingresso e consente un elevato guadagno nell’INA.

L’AFE per biorilevazione risulta particolarmente indicato per l’acquisizione del segnale ECG su dispositivi indossabili. Per limitare il rumore, il suo filtro passa-basso da 300 Hz fra l’INA e l’ADC funge da filtro di anti-aliasing. Per l’attenuazione del segnale, la sua impedenza di input in c.c. rientra nel campo di 10 Gigaohm, mantenendo quindi l’attenuazione del segnale ECG a un valore minimo anche se si utilizzano elettrodi di piccole dimensioni. Il front-end analogico (AFE) consente inoltre l’acquisizione sincronizzata dei segnali ECG e PPG: la differenza di tempo fra i punti adeguati di queste due forme d’onda è strettamente correlata con la pressione sanguigna, il che rende l’AFE una buona soluzione per implementare una funzione di monitoraggio della pressione sanguigna senza manicotto su dispositivi indossabili.

Conclusioni

L’implementazione di applicazioni per il monitoraggio della salute in dispositivi indossabili, come l’ECG, presenta alcune problematiche tipiche. Il front-end analogico (AFE) svolge una funzione fondamentale nel superare alcune di queste problematiche e consente l’acquisizione di segnali ECG di qualità ospedaliera su un dispositivo personale, come uno smartwatch. Una tecnologia di questo tipo presenta un potenziale enorme a favore del monitoraggio della salute.

Nel prossimo futuro assisteremo a una crescita del numero di smartwatch in grado di emettere un segnale acustico tempestivo per cercare assistenza medica in caso di problemi cardiaci imminenti. Queste tecnologie permetteranno di misurare i parametri vitali comodamente a casa e di condividerli con il proprio medico con la semplice pressione di un pulsante.

 

 

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