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Diagnostica

Sensori radar per la misura della pressione arteriosa

Scritto da Mario Roberto

Anomalie della pressione sanguigna, come ipotensione e ipertensione, sono importanti fattori di rischio per molte malattie critiche a breve e lungo termine, per un carico di malattia globale di 1,25 miliardi di persone.

Il gold standard per la misurazione della pressione arteriosa è l’uso di uno sfigmomanometro a cuffia. Tuttavia, le misurazioni con questo strumento sono scomode da effettuare ed i valori possono essere inaccurati. Inoltre, lo sfigmomanometro a cuffia, usato in ambito ambulatoriale e domestico, non è adatto ad una misurazione continua della pressione arteriosa, necessaria nella diagnosi dell’ipertensione cronica.

Per la valutazione della pressione arteriosa nei pazienti critici vengono utilizzati metodi di monitoraggio più invasivi dello sfigmomanometro (come il cateterismo arterioso), che possono causare infezione e perdita di arti in seguito ad ischemia.

Proprio per questo valutiamo un metodo di calcolo della pressione arteriosa tramite l’utilizzo di dati acquisiti da un sensore radar ad onda continua sullo sterno, un sensore per la pletismografia sul lobo dell’orecchio sinistro ed elettrodi per elettrocardiografia (ECG) sul torace.

Un po’ di fisiologia del cuore

Gli eventi che hanno luogo nel cuore sono, in breve, i seguenti: il sangue ricco di anidride carbonica arriva dalla vena cava nell’atrio destro, si apre la valvola tricuspide e il sangue fluisce nel ventricolo destro, si apre la vena polmonare e vengono raggiunti appunto i polmoni, dove avviene lo scambio anidride carbonica-ossigeno; il sangue ricco di ossigeno arriva nell’atrio sinistro, si apre la valvola mitrale e fluisce quindi nel ventricolo sinistro; infine si apre la valvola aortica ed il sangue raggiunge tutti i tessuti. Tutto questo avviene in un batter d’occhio: circa 0,8 secondi per tutto il ciclo cardiaco che conta sistole, contrazione del muscolo cardiaco, e diastole, rilasciamento del muscolo cardiaco.

Ad ogni azione meccanica del cuore, corrisponde un passaggio di segnale elettrico che ne determina il movimento: il battito. La fase di contrazione del cuore, dal punto di vista elettrico, inizia dalla depolarizzazione del nodo senoatriale, prosegue verso il nodo atrioventricolare, raggiunge il fascio di His a cui si collegano le fibre del Purkinje, situate all’estremità del cuore, che conducono rapidamente l’impulso elettrico nei ventricoli.

L’analisi dell’attività cardiaca viene comunemente fatta attraverso l’elettrocardiografia e l’analisi pletismografica; quest’ultima consente la registrazione grafica delle variazioni di volume di un organo di una parte del corpo, indotta da variazioni del rispettivo contenuto di sangue.

L’idea innovativa per misurare i parametri emodinamici

Al fine di determinare i parametri emodinamici, bisogna calcolare il periodo di tempo di transito dell’impulso, a partire dal tempo di arrivo dell’impulso e dal periodo di pre-espulsione del sangue. Il tempo di arrivo dell’impulso è definito come l’intervallo di tempo tra il picco R dell’ECG ed il valore più alto letto sul fotopletismogramma. Il periodo di pre-espulsione è il tempo che intercorre tra l’apertura della valvola aortica e l’onda Q dell’ECG, tipicamente misurato utilizzando l’ecocardiografia doppler.

Per rendere più precisa e accurata la misura della pressione sanguigna, i ricercatori della Monash University hanno sviluppato un metodo che si basa sull’uso di sensori radar in combinazione con i preesistenti ECG e pletismografia.

I ricercatori australiani hanno progettato un dispositivo indossabile in grado di monitorare continuamente la pressione sanguigna durante svariate attività, tra cui l’esercizio fisico ed il sonno. La tecnologia non richiede polsini gonfiabili scomodi o misurazioni invasive ed utilizza radar a onda continua e sensori di fotopletismografia.

I sensori radar proposti hanno la capacità di osservare i movimenti meccanici della valvola aortica (nel nostro caso, l’apertura dell’arco aortico) simili a quelli visti grazie all’ecocardiogramma, che è considerato un metodo di riferimento per osservare le attività aortiche con la massima precisione nell’esame del periodo di pre-espulsione. I sensori radar presentano un sistema a bassa potenza, continuo e potenzialmente indossabile con un contatto minimo sul corpo. Inoltre, rispetto ad altri metodi di monitoraggio delle onde di impulso, come la fotopletismografia, i sensori radar ad onda continua possono fornire un monitoraggio dell’aorta centrale, eliminando le imprecisioni indotte dalla vasomozione periferica, a causa delle quali sarebbe necessaria una progettazione dei sensori radar di qualità superiore.

Per valutare la bontà del sistema, sono stati svolti degli esperimenti, che hanno coinvolto 43 volontari, di cui il 52% di sesso maschile e il 48% di sesso femminile. L’età dei partecipanti era compresa tra 40 e 65 anni e tutti hanno dichiarato di non avere precedenti problemi cardiovascolari.

Gli esperimenti sono stati condotti in due sessioni: la Sessione 1 consisteva nel misurare i segnali di sensori radar, ECG e fotopletismografia per tre diverse posture: sei minuti da seduti, sei minuti in piedi e sei minuti in posizione supina. Il protocollo per la Sessione 2 era il seguente: il volontario seduto sul sellino di una cyclette ne teneva l’impugnatura per due minuti, poi si riposava per un minuto; il volontario pedalava a una velocità fissa per due minuti alla volta in tre diversi livelli di resistenza, e si riposava per un minuto dopo ogni pedalata; il partecipante, dopo le attività ciclistiche, godeva di due fasi di recupero sedendo sulla cyclette. Inoltre, ai soggetti è stato chiesto di indossare uno sfigmomanometro con cuffia calibrato durante i test e i loro valori di pressione arteriosa venivano registrati ogni tre minuti.

Setup di monitoraggio

Lo schema a blocchi in Fig. 1a mostra la configurazione utilizzata per registrare le attività cardiache ed include tre strumenti principali: sensori radar ad onda continua, sensori per la fotopletismografia ed ECG. La Fig. 1a mostra anche i posizionamenti di due antenne radar ad onda continua (trasmettitore e ricevitore) nei pressi dell’arco aortico, due elettrodi ECG sul torace e un sensore di fotopletismografia sul lobo sinistro, poiché in quest’area si ha una qualità del segnale migliore, in quanto si tratta di una zona meno influenzata dal movimento del corpo e dei vasi sanguigni.

Fig.1 (a) Lo schema a blocchi della configurazione dei sensori radar ad onda continua e i posizionamenti dei sensori sul corpo. (b) Parametri S delle antenne dei sensori radar come sensore sul corpo. (c) Posizionamento dei sensori radar, degli elettrodi per ECG e dei sensori per fotopletismografia su un partecipante seduto.

Le posizioni delle antenne radar, T e R, rappresentano le antenne del trasmettitore e del ricevitore. Questi ultimi sono le due parti principali del sistema dei sensori radar ad onda continua. Il trasmettitore, che è un oscillatore locale, emette un segnale d’onda ad alta frequenza che attraversa il corpo e, una volta ricevuto, include le informazioni sul movimento periodico di un organo bersaglio nella sua fase, nel nostro caso aorta o cuore. Le informazioni sono derivate usando un mixer e un demodulatore.

Elaborazione del segnale e importanza del filtro adattivo

I metodi di elaborazione del segnale proposti, basati su tecniche di filtraggio wavelet e adattivo, sono impiegati per cancellare i segnali radar rimuovendo il rumore indesiderato e gli artefatti da movimento senza causare alcun errore nell’analisi temporale.

Fig.2 (a) Schema del metodo di elaborazione del segnale. (b) Funzione d’onda basata sulla forma dei segnali dei sensori. (c) Campione di segnale dei sensori radar. (d) Dall’alto possiamo vedere: tratto di ECG, segnale ottenuto con sensori radar, fotopletismogramma, derivata seconda del segnale ottenuto dai sensori radar e derivata prima del segnale di fotopletismografia. (e) Confronto tra un campione di segnale dei sensori radar (componenti in fase) ed un segnale ottenuto usando gli ultrasuoni in M-mode.

In generale, le misure ottenute attraverso gli elettrodi, vengono disturbate da rumore con un andamento classico del tipo 1/f (rumore che aumenta a basse frequenze). Una delle fonti di disturbo più importante sono i cosiddetti artefatti da movimento. In condizioni statiche, infatti, la misurazione del segnale elettro-cardiografico non è mai troppo problematica. Per misurazioni su soggetti in movimento (ad esempio quando si fa un ECG Holter, durante le attività quotidiane) la situazione è più delicata e possono comparire diverse fonti di errore.

Selezionando i coefficienti wavelet su scale speciali, il rumore indesiderato viene eliminato ma si attenua anche il segnale desiderato, cosa che non è trascurabile nella maggior parte dei casi. Infatti, questa selezione può anche portare alla perdita di alcune informazioni importanti sull’intervallo di tempo.

Pertanto, viene utilizzato il filtro adattivo, le cui caratteristiche cambiano in modo da ottenere la migliore qualità del segnale possibile nonostante le mutevoli condizioni del segnale.

Risultati

Il metodo proposto in questo studio indaga per la prima volta la stima della pressione sanguigna continua basata sulle misurazioni di periodo di transito dell’impulso, usando sensori radar sul torace e segnali fotopletismografici dall’orecchio.

Posizionando il sensore radar sullo sterno e valutando il segnale che ne deriva, il periodo di pre-espulsione viene misurato come la differenza tra il piede del segnale radar ed il picco R dell’ECG.

Sono state condotte ulteriori analisi sugli effetti del cambiamento di postura e di attività fisica sul periodo di transito dell’impulso, sul tempo di arrivo dell’impulso e sulla pressione del sangue sistolico correlata. I risultati mostrano che la rimozione dei valori di pre-espulsione dai periodi di arrivo dell’impulso dei segnali fotopletismografici, per stimare pressione del sangue sistolico in base al periodo di transito dell’impulso, porta ad una maggiore precisione.

Ciò dimostra il potenziale del sistema basato su sensori radar, il quale rappresenta un dispositivo indossabile semplice, in grado di monitorare sia il periodo di pre-espulsione che il periodo di transito dell’impulso.

Vediamo di seguito la spiegazione del funzionamento del dispositivo.


Fonti e approfondimenti:

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Informazioni autore

Mario Roberto

Studente di ingegneria biomedica a Pisa. Interessato a tutto ciò che riguarda la tecnologia e soprattutto alle innovazioni, frutto della ricerca in campo biomedico

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