Design and development of a RF ultrasound system, for monitoring the human diaphragm thickness variations during breathing

Il diaframma è il principale muscolo inspiratorio umano, per questo motivo il suo studio riveste una notevole importanza. Per comprenderne la funzione è necessario conoscerne la pressione sviluppata, il livello di attività elettrica, la posizione ed il movimento. La pressione trans-diaframmatica viene generalmente misurata in maniera invasiva, utilizzando palloncini esofagei o trasduttori posizionati su dei cateteri, successivamente inseriti nell’esofago. Il segnale elettromiografico (EMG) del diaframma può essere rilevato utilizzando diversi tipi di elettrodi. Alcuni (es. elettrodi superficiali) sono non invasivi, ma hanno minore sensitività e sono soggetti a cross-talking; altri (es. elettrodi intramuscolari ed esofagei) hanno una maggiore sensitività, ma sono invasivi. Per determinare l’esatta posizione e lo spostamento del diaframma, vengono utilizzate tecniche di imaging come radiografia (RX), tomografia computerizzata (TAC) e risonanza magnetica (RMN). Queste tecniche presentano tuttavia alcuni svantaggi: RX e TAC comportano dosi di radiazioni ionizzanti che possono essere dannose per il paziente, mentre, la RMN, necessita di lunghi tempi di acquisizione. Inoltre, queste tecniche non permettono un monitoraggio continuo dello spessore diaframmatico, indice del grado di attivazione muscolare. L’ecografia, può dunque essere considerata una valida alternativa per misurare lo spessore del diaframma in modo continuo e non invasivo, nonostante sia soggetta ad una elevata variabilità intra soggettiva e dipendenza dall’operatore. Attualmente le modalità ecografiche maggiormente utilizzate per queste misurazioni sono B-mode e M-mode. Lo scopo di questo lavoro, è quindi lo sviluppo di un sistema non invasivo, in grado di misurare in modo automatico lo spessore (DT ) del muscolo diaframma, partendo da un segnale a radiofrequenza (RF) proveniente da un ecografo che lavora in M-mode a 6.0 MHz. Il sistema è costituito da due parti: un dispositivo elettronico, chiamato DRM (a sua volta suddiviso in due sistemi), ed un software Java. Inoltre, è stato realizzato un supporto per fissare la sonda ecografica sulla parete toracica del soggetto sottoposto ad analisi, riducendo così la dipendenza dall’operatore. Il supporto è stato prima disegnato con un software CAD (Computer-Aided Design), e successivamente realizzato con una stampante 3D. La prima parte del dispositivo, chiamata Echo System, è costituita da una scheda elettronica, in grado di acquisire, campionare ed inviare ad un PC il segnale a radiofrequenza trasmesso dall’ecografo. Questo sistema è programmato per acquisire il segnale in ingresso in blocchi di dati, detti frame e composti da un numero fisso di campioni. Sulla scheda elettronica è dunque presente uno stadio di front-end, un ADC, una memoria FIFO e un microcontrollore PSoC® First TouchTM. Nello stadio di front-end, il segnale RF viene prima amplificato, poi filtrato, ed infine gli viene aggiunto un offset di tensione, in modo da poter sfruttare a pieno il range dinamico di ingresso dell’ADC. In seguito, il segnale ottenuto viene campionato a blocchi da un ADC a 10 bit che lavora ad una frequenza di 33 MHz, ottenendo così i vari frame. Successivamente ogni frame viene temporaneamente memorizzato in una memoria FIFO ed inviato tramite una linea di comunicazione seriale ad un PC, dove sarà soggetto ad ulteriori elaborazioni. L’effettivo invio dei dati viene gestito dal microcontrollore PSoC®, che sfrutta un modulo esterno UART- USB. Non appena il processo d’invio dei dati al PC è concluso, l’acquisizione di un nuovo frame di dati può iniziare. Attualmente, il sistema consente l’acquisizione e l’invio di frame ad una frequenza di 35 Hz, permettendo così di stimare circa trentacinque valori di spessore ogni secondo. La seconda parte del dispositivo DRM, chiamata Flow System, è costituita da un microcontrollore Arduino Uno, un sensore di pressione e un pneumotacografo, in grado di misurare un segnale di flusso respiratorio. Il microcontrollore Arduino Uno è il cuore del sistema; infatti, è responsabile dell’acquisizione del segnale di flusso, del suo campionamento a 100 Hz e del successivo invio al PC mediante comunicazione seriale. I due sistemi inoltre, comunicano tra loro mediante un segnale di trigger, inviato dall’Echo System al Flow System, in grado di segnalare l’acquisizione di ogni nuovo frame di dati e, quindi, di ogni nuovo valore di spessore del diaframma. Il Flow System acquisisce, campiona a 100 Hz e manda al PC questo segnale di trigger, che sarà poi utilizzato a posteriori per correlare il segnale di flusso d’aria con le variazioni di spessore del diaframma. Il dispositivo DRM descritto deve essere connesso ad un PC, dal quale riceve i comandi di controllo e verso il quale manda tutti i dati acquisiti sotto forma di blocchi di dati (frame). Per fare ciò, viene utilizzato un software scritto in Java, appositamente sviluppato per questa applicazione. Il software, chiamato DRM v1.4.5, è principalmente responsabile di tre funzioni: per prima cosa, gestisce la comunicazione seriale, ricevendo e convertendo i dati provenienti dal dispositivo DRM, ed inviando i comandi di controllo verso i due microcontrollori; in secondo luogo implementa un algoritmo che permette la stima automatica ed in real-time dello spessore del diaframma a partire da ogni frame ricevuto; infine, attraverso una serie di funzioni grafiche ad-hoc, mostra a schermo in real-time l’andamento dinamico delle variazioni di spessore del diaframma e di flusso d’aria. La comunicazione seriale implementata è basata su una libreria nativa chiamata RXTX, è gestita con un approccio di tipo Event Driven, garantendo così maggiore efficenza e stabilità. La visualizzazione a schermo dei due segnali è gestita con un effetto monitor implementato ad-hoc nelle funzioni grafiche realizzate. Prima di poter stimare lo spessore del diaframma da ogni frame ricevuto, tutti i dati, devono per prima cosa essere processati e convertiti. A questo punto, l’algoritmo automatico può elaborare il singolo frame applicando prima un filtro FIR passa banda, e poi un elevamento a potenza che rettifica il segnale. Considerando che subito dopo il diaframma è presente il fegato, organo che può essere ritenuto omogeneo da un punto di vista acustico, questo muscolo respiratorio può dunque essere considerato come l’ultima struttura anatomica acquisita all’interno di ogni frame. A partire da questo presupposto, l’algoritmo automatico, parte dal fondo di ciascun frame ricevuto, andando a ricercare i primi due picchi (che superano una certa soglia calcolata sul singolo frame) del segnale, quelli relativi al diaframma, e successivamente ne stima lo spessore. Il segnale di flusso d’aria proveniente dall’Arduino, necessita invece di una fase di calibrazione. Il plotting dei dati è gestito in real-time ad una frequenza di 100 Hz. Non appena nuovi valori di spessore e di flusso d’aria sono ottenuti, essi vengono subito disegnati a schermo. In questo modo, se un nuovo dato di spessore non è ancora disponibile (o il valore stimato è considerato errato), il software mantiene il valore precedente. Il sistema realizzato è stato prima validato in vitro e poi testato in vivo su sei soggetti adulti sani. Il test in vitro, eseguito calcolando lo spessore di una membrana in PDMS immersa in acqua, hanno evidenziato che il sistema è caratterizzato da alta precisione, accuratezza e ripetibilità, rispetto a misure effettuate sia da un calibro che dall’ecografo stesso. Sono stati quindi eseguiti tre test in vivo. Il primo test (reliability test) ha dimostrato come il dispositivo così realizzato mostri un’affidabilità media dell’81.9% (±2.71%), calcolata valutando il numero di cicli diaframmatici acquisiti correttamente all’interno di acquisizioni continue con una durata di almeno quindici minuti. Il secondo test ("loaded" breathing test) ha evidenziato che, rispetto a una condizione “unloaded” breathing, la presenza di una resistenza causa un aumento della fatica respiratoria e dunque un ispessimento medio maggiore del muscolo diaframma (+54% ±120.15%). Un test ANOVA a una via, ha inoltre mostrato una differenza statisticamente significativa tra i parametri diaframmatici (minimo e massimo spessore, DDT ) e le due codizioni (“unloaded” breathing e “loaded” breathing). Infine il terzo test (test with mechanical ventilator) ha mostrato la differenza di attivazione del diaframma quando i soggetti, collegati ad un ventilatore BiPAP®, venivano ventilati passivamente e poi attivamente. La ventilazione passiva comporta un ispessimento medio minore (-81.54% ±34.73%) rispetto a quella attiva. Ancora una volta, un test ANOVA a una via, ha mostrato una differenza statisticamente significativa tra massimo spessore del diaframma e DDT , con le due codizioni (attiva, passiva), mentre, non esiste una differenza statisticamente significativa tra minimo spessore del diaframma e condizione. Il sistema sviluppato è quindi in grado di misurare le variazioni di spessore del diaframma in modo automatico ed in real time. Esso ha permesso di verificare in modo efficace, il grado di attivazione diaframmatica in diverse condizioni respiratorie. Possibili sviluppi futuri potrebbero concentrarsi sull’integrazione di questo sistema nella macchina ecografica stessa, in modo che non siano più necessari dispositivi o software esterni. Ulteriori sviluppi potrebbero portare ad un design alternativo della sonda ecografica, rendendola più piccola e piatta, così da facilitarne il posizionamento e la stabilizzazione sulla parete toracica del soggetto.