Studio di fattibilità di un dispositivo a basso costo e ridotti consumi per l'acquisizione dei segnali ECG e respiratorio

The present study aims to provide a contribution in the management of chronic diseases , especially prevalent in the elderly population through the creation of a wearable sensor , meets certain conditions , to be used within the home monitoring of cardiac and respiratory diseases . Thanks to an overall improvement of living conditions in recent decades and in most industrialized countries , there has been an increase in life expectancy in the population average . This condition , however, has grown so has the incidence of chronic disease and disability in the population range of legal age, today and in the future , will be spreading in number . The physiological cardiovascular and respiratory systems , may be affected, especially in the elderly with chronic diseases , with symptoms that vary over time , the effects of which have stabilized, and for which treatment may make only minor improvements without being more termination . Cardiovascular diseases , such as hypertension, ischemic heart disease, chronic heart failure and atrial fibrillation, are extremely common among the elderly have a higher incidence than the overall mortality rate , and are also often present together with other diseases with a strong social impact as the Chronic obstructive pulmonary Disease (COPD ) . Because of their severity and their impact , these classes of diseases represented a high social cost , at the level of Health Care Systems Public and Private in different countries. You may experience long waiting lists experienced by patients , numerous and constantly increasing, and the need to manage frequent emergency situations caused by episodes of crisis in various diseases , which is difficult with the traditional media, to make predictions about their event. The management of chronic pathological type of cardio respiratory tract, characterized by high instability and unpredictability , with the ordinary methods of management, control or with outpatient visits and hospital admissions in the acute stages of the disease appears to be totally insufficient and inadequate . To overcome the limitations inherent to traditional care settings that do not allow a state of constant observation of the state of the patient, you are impressed a lot of effort in the search for new methods of monitoring the state of the patient, outside the traditional clinical setting , continuously for prolonged periods of time . It has thus developed the important branch of home monitoring through the use of wearable sensors . These systems are provided with appropriate sensors , specific for the diseases under monitoring . The devices provide that the patient wearing , at home , the particular mesh on which electrodes are inserted , or transducers of biological signals , and biopotential sensors , ie equipment , responsible to measure physiological parameters of clinical interest for the patient. The wearable sensors must also be equipped with algorithms for the recognition and evaluation of certain clinical conditions , in order to provide the physician with a decision support . You can extract clinically significant information from the collection of biological data acquired by defining a clinical automatically updated , which is kept in check the trend, sending alarm signals to medical personnel, remotely, only if they are the result changes in physiological parameters voted index of a situation of danger . Thanks to constant observation but automated state of the patient, the aim is to relieve the health care costs of hospitalization and reduce the workload of caregiving figures , such as doctors and nurses who are not engaged in the monitoring of physiological parameters of the patient . In order to be implemented , it should be easily manageable and home and independently by the patient ; ensure that these requirements are met in the acquisition system must be minimally invasive and does not interfere with the normal daily activities of the patient. Thanks to a different form of observation of the observation of the condition of patients suffering from chronic illnesses can groped to manage the unpredictability of the evolution of the disease , predict stages of deterioration and thus allow timely intervention with the adaptation of the therapy administered . A very important example of such pathological conditions is given by the atrial fibrillation (AF ) , chronic disease is difficult to diagnose , since it is necessary to be confirmed a precise feedback in the electrocardiographic signal (ECG ) , which, however, rarely occurs . It would be necessary to obtain a long-term ECG signal , going beyond the current methods used as traditional electrocardiography and Holter monitoring which is limited to a period of observation for a few days. For this it was necessary to modify the procedures for the management of chronic diseases such as AF, through a procedure different patient management . By monitoring the patient in their own familiar environment, kept under observation in a continuous manner , the patient experiences an improvement in quality of life as well as improved health care . Among the various parameters that can be acquired at the patient's home , certainly the electrocardiogram (ECG ) is the signal for excellence that best characterizes the cardiac pathologies , and in particular the heart rate variability . The ECG is easily acquired in a hospital setting , but in a home environment , in terms of acquisition for a continuous period of months , it becomes crucial to the choice of the interface between the instrument and capture the subject's skin and the device itself. The respiratory activity of the patient is also another important parameter indicative of the condition of the patient and in the presence of chronic respiratory diseases , such as COPD . The respiratory rate and the parameters of the timing of the breaths are indicators of the patient's condition and can be scanned through a measurement of electrical impedance of the thorax through the same ECG electrodes . A wearable acquisition system for the detection of cardiac and respiratory signals at home Objective of the thesis is to provide a module for a wearable sensor , the size and weight , low power consumption , for the acquisition of the two important physiological parameters , data from the cardiac signal and respiratory , within the home monitoring . Before coming to the realization of the system was necessary to perform a ' research activities literature that it emphasizes the theoretical aspects of the system which will then be made It was first pointed out what the state of the art of wearable systems in home monitoring , in particular on the cardiac and respiratory systems , at both the academic research of products on a commercial scale . It must therefore describe the general structure of an apparatus electrocardiographic , its compositional physical blocks , and processing the signal to be acquired, which requires an amplification procedure because of its small amplitude . Furthermore, they should be made to note the sources of noise that can commonly affect the ECG signal , and indicate the stages of filtering to work , to return the ECG signal useful . It was therefore necessary to provide a thorough explanation on the functioning of the biological signal transduction , or the electrodes. Describe an electrical equivalent of the electrophysiological processes that occur at the electrode - electrolyte, so as to provide an estimate of the contributory factors in the chain of signal measurement . Also described are the two main classes of ideal behavior of the electrodes , or polarizable electrodes and non- polarizable , of which the actual transducers can only approximate in a more or less accurate behavior . It is then defined as the detection method of the second physiological parameter of interest, the respiratory signal , through the measurement of the impedance variation of the thoracic cavity , which varies with each act inspiratory and expiratory . The circuit required to perform this measure , uses the input of a differential high-frequency current to the patient through a pair of electrodes . The impedance variation caused by breathing results in a correspondent variation of voltage , which can be measured on the same electrodes ( measuring system 2 electrode ) , or on a different pair of electrodes ( measurement system with 4 electrodes ) . Focused on the objective and the research work done , we proceeded to the part of the experimental work . First you need to identify the best type of electrodes for a procedure for monitoring the ECG signal in the home environment continuously. To make that choice has prepared a test , in which you used a pre-existing system ,  portable , battery-powered , which detects a single cardiac-derived , performing a stage of analog front end of the ECG signal and taking the common mode signal , converts it into a digital signal that is sent wirelessly to a computer, via ZigBee protocol . This compact system and mackerel by communication cables and power , has been tested through the use of two different types of electrode , a traditional one patch , used in clinical practice , and a suction cup . The tests carried out on two subjects showed the proper functioning of the test carried out and how the signals returned were of comparable quality , pointing out correctly the R peaks of the signal, for proper reconstruction of the heart rate. Ll'assenza though an adhesive in the cup electrodes , making them better suited for use in a home setting , in monitoring of long-term because it does not give rise to irritative phenomena and , in the long run to sores on the skin of the patient. The second phase of the experimental work consisted in the study of electronic devices on the market that provide better functionality than the system possessed. Of primary importance is to get a system that integrates the cardiac and respiratory function , so as to obtain a detection of a second important physiological parameter . The chips produced by the Analog Devices , ADAS1000 -4 is a complete analog front end that detects heart more leads , up to 6 , and can be seen with the transthoracic dell'impedenziometria measure , the patient's respiratory signals through the channels of acquisition of ECG signal. The presence of other important features such as feedback on the right leg , the detection of pulses of a pacemaker, and the programmability of the value of the internal common mode , allowed to carry a card with small dimensions , low weight and fuel consumption . The system created is managed by a dsPIC30F3013 microcontroller , which controls the power level of the system, program the chip ADAS1000 -4 and sends the sampled data from the chip to the far side , through the use of a radio antenna , with the Bluetooth protocol 2.1 . This has created a wearable device , wireless weight and size, thanks to the use of a greater integration of functions , which allowed energy savings translated in the use of a less powerful battery . In this way it has achieved the goal of making a wearable system for signal acquisition cardio respiratory monitoring household , which provides more clinically relevant information , at the same time making it more comfortable to use during normal daily activities.

Il presente elaborato vuole fornire un contributo nella gestione di patologie croniche, particolarmente diffuse nella popolazione anziana, attraverso la realizzazione di un sensore indossabile, rispondente a determinati requisiti, da utilizzare nell’ambito del monitoraggio domestico di patologie a livello cardiaco e respiratorio. Grazie ad un complessivo miglioramento delle condizioni di vita, negli ultimi decenni e nei paesi più industrializzati, si è assistito ad un aumento dell’aspettativa di vita media nella popolazione. Tale condizione ha però visto crescere anche l’incidenza di patologie e disabilità croniche nella fascia di popolazione di maggiore età, che oggi come nel futuro, andrà allargandosi in numero. I sistemi fisiologici cardiovascolare e respiratorio, possono essere colpiti, soprattutto in età geriatrica da patologie con andamento cronico, cioè che presentano sintomi costanti nel tempo, i cui effetti si sono stabilizzati, e per le quali le cure possono apportare solo lievi miglioramenti senza essere più risolutive. Le malattie cardiovascolari, quali ipertensione, cardiopatia ischemica, scompenso cardiaco cronico e fibrillazione atriale, sono estremamente diffuse tra gli anziani, presentano una elevata incidenza rispetto al tasso di mortalità complessivo, e sono inoltre spesso compresenti ad altre malattie con un forte impatto sociale come la Bronco Pneumopatia Cronica ostruttiva (BPCO). A causa della loro gravità e della loro incidenza, queste classi di malattie rappresentato un elevato costo sociale, a livello dei Sistemi di Assistenza Sanitari Pubblici e Privati dei diversi paesi. Si possono riscontrare lunghe liste di attesa subite dai pazienti, numerosi e in costante aumento, e alla necessità di gestire frequenti situazioni di emergenza, causate da episodi di crisi nelle diverse patologie, di cui è difficile, con i mezzi tradizionali, fare previsioni sulla loro manifestazione. La gestione di quadri patologici cronici di tipo cardio respiratorio, caratterizzati da forte instabilità e imprevedibilità, con gli ordinari metodi di gestione, ovvero con visite ambulatoriali di controllo e ricoveri ospedalieri nelle fasi acute delle malattie risulta essere del tutto insufficiente ed inadeguata. Per superare i limiti intrinseci ai tradizionali setting assistenziali, che non permettono una condizione di osservazione costante dello stato del paziente, si sono impressi molti sforzi nella ricerca di nuove metodiche di monitoraggio dello stato del paziente, al di fuori del tradizionale contesto clinico, continuativamente per periodi di tempo prolungato. Si è così sviluppata l’importante branca del monitoraggio domestico attraverso l’utilizzo di sensori indossabili. Questi sistemi sono forniti di opportuni sensori, specifici per le patologie sotto monitoraggio. I dispositivi prevedono che il malato indossi, a casa propria, particolari maglie su cui sono inseriti elettrodi, ovvero trasduttori dei segnali biologici, e sensori di biopotenziali, cioè apparecchiature, preposte a misurare parametri fisiologici di interesse clinico per il paziente. I sensori indossabili devono inoltre essere dotati di algoritmi per il riconoscimento e la valutazione di determinate condizioni cliniche, al fine di fornire al medico un supporto alle decisioni. È possibile estrarre informazioni clinicamente significative dall’insieme di dati biologici acquisiti, definendo un quadro clinico aggiornato in maniera automatica, di cui è tenuto sotto controllo il trend, inviando segnali di allarme a personale medico, in remoto, solo nel caso in cui risultino variazioni nei parametri fisiologici ritenute indice di una situazione di pericolo. Grazie ad un’osservazione costante ma automatizzata dello stato del paziente, si punta a sgravare le strutture sanitarie dai costi di ospedalizzazione e a ridurre il carico di lavoro delle figure di caregiving, quali medici e infermieri che non sono impegnate nel monitoraggio dei parametri fisiologici del malato . Per poter essere implementato, dovrebbe essere domiciliare e gestibile facilmente ed in autonomia dal paziente stesso; affinché tali requisiti siano rispettati il sistema di acquisizione deve risultare poco invasivo e non interferire nelle normali attività quotidiane del paziente. Grazie ad una diversa forma dell’osservazione dell’osservazione dello stato dei pazienti affetti da patologie croniche si può tentare di gestire l’imprevedibilità dell’evolversi delle patologie, prevederne fasi di peggioramento e permettere così il tempestivo intervento con l’adattamento della terapia somministrata. Un esempio molto importante di tali condizioni patologiche è dato dalla Fibrillazione Atriale (FA), patologia cronica di difficile diagnosi, poiché per essere confermata è necessario un riscontro preciso nel segnale elettrocardiografico (ECG), che tuttavia si manifesta raramente. Sarebbe necessario ottenere un segnale ECG a lungo termine, andando oltre le attuali metodiche utilizzate come l’elettrocardiografia tradizionale e il monitoraggio Holter che si limita ad un arco di osservazione di pochi giorni. Per questo è stato necessario modificare le procedure di gestione di malattie croniche come la FA, attraverso una procedura di gestione del paziente differente. Tramite il monitoraggio del paziente nel proprio ambiente familiare, tenuto sotto osservazione in maniera continuativa, il paziente vive un miglioramento della qualità di vita oltre a un miglioramento dell’assistenza sanitaria. Fra i vari parametri che si possono acquisire al domicilio del paziente, sicuramente l’elettrocardiogramma (ECG) rappresenta il segnale per eccellenza che meglio caratterizza le patologie cardiache, e in particolare la variabilità cardiaca. L’ECG è facilmente acquisibile in ambiente ospedaliero, tuttavia in un ambiente domestico, in condizioni di acquisizione continuativa per periodi di mesi, diventa cruciale la scelta dell’interfaccia tra strumento di acquisizione e pelle del soggetto e del dispositivo stesso. L’attività respiratoria del paziente è inoltre un ulteriore parametro fondamentale ed indicativo delle condizioni del paziente in presenza di patologie croniche respiratorie, come la BPCO. La frequenza respiratoria e i parametri delle tempistiche dei respiri sono indicatori delle condizioni del paziente ed è possibile acquisirli attraverso una misura di impedenza elettrica del torace attraverso gli stessi elettrodi dell’ECG. Un sistema di acquisizione indossabile per la rilevazione dei segnali cardiaco e respiratorio a livello domiciliare Obiettivo dell’elaborato di tesi è quello di realizzare un modulo per un sensore indossabile, di dimensioni e peso contenuti, a basso consumo, per l’acquisizione dei due importanti parametri fisiologici, dati da segnale cardiaco e respiratorio, nell’ambito del monitoraggio domiciliare. Prima di giungere alla realizzazione del sistema è stato necessario svolgere un’ attività di ricerca bibliografica che mettesse in evidenza gli aspetti teorici del sistema che verrà poi realizzato Si è innanzitutto messo in evidenza quale sia lo stato dell’arte dei sistemi indossabili nel monitoraggio domiciliare, in particolare riguardo i sistemi cardiaci e respiratori, a livello sia di ricerca accademica che di prodotti presenti a livello commerciale. Si deve quindi descrivere la struttura generale di una apparecchiatura elettrocardiografica, i suoi blocchi compositivi fisici, e l’elaborazione del segnale da acquisire, che richiede una procedura di amplificazione a causa della sua modesta ampiezza. Inoltre devono essere fatte notare le fonti di disturbo, che possono comunemente interessare il segnale elettrocardiografico, e indicare gli stadi di filtraggio da operare, per restituire il segnale ECG utile. È stato quindi necessario fornire una spiegazione approfondita sul funzionamento degli elementi di trasduzione del segnale biologico, ovvero gli elettrodi. Descrivere un equivalente elettrico dei processi elettrofisiologici che avvengono all’interfaccia elettrodo-elettrolita, così da fornire una stima dei fattori contributivi nella catena di misura del segnale. Inoltre si sono descritte le due principali classi di comportamento ideale degli elettrodi, ovvero elettrodi polarizzabili e non polarizzabili, di cui i trasduttori reali possono solo approssimare in maniera più o meno accurata il comportamento. Si è quindi definita la metodica di rilevazione del secondo parametro fisiologico di interesse, il segnale respiratorio, attraverso la misurazione della variazione di impedenza della cavità toracica, che varia con ciascuna atto inspiratorio ed espiratorio. Il circuito necessario per effettuare tale misura, sfrutta l’immissione di una corrente differenziale ad alta frequenza sul paziente attraverso una coppia di elettrodi. La variazione di impedenza causata dalla respirazione risulta in una corrispondete variazione di tensione, che può essere misurata sugli stessi elettrodi (sistema di misura a 2 elettrodi), o su una differente coppia di elettrodi (sistema di misura a 4 elettrodi). Focalizzato l’obiettivo e svolto il lavoro di ricerca, si è proceduto alla parte di lavoro sperimentale. In primo luogo è necessario identificare la miglior tipologia di elettrodi per una procedura di monitoraggio del segnale ECG in ambito domiciliare continuativo. Per compiere tale scelta si è approntato un banco di prova, in cui si è utilizzato un sistema preesistente, portatile, alimentato a batteria, che rileva una singola derivazione cardiaca, effettuando uno stadio di front end analogico del segnale ECG e prelevando il segnale di modo comune, li converte in segnale digitale che viene inviato via wireless ad un computer, tramite protocollo ZigBee. Questo sistema compatto e sgombro da cavi di comunicazione e alimentazione, è stato testato attraverso l’uso di due diversi tipi di elettrodo, uno tradizionale a cerotto, utilizzato nella pratica clinica e uno a ventosa. I test svolti su due soggetti hanno evidenziato il corretto funzionamento del banco di prova realizzato e come i segnali restituiti fossero di qualità comparabile, evidenziando in maniera corretta i picchi R del segnale, per una corretta ricostruzione della frequenza cardiaca. Ll’assenza però di una colla adesiva negli elettrodi a ventosa, li rende più adatti a essere utilizzati in un setting domiciliare, in monitoraggi su lungo periodo in quanto non danno origine a fenomeni irritativi e, sul lungo periodo a piaghe sulla cute del paziente. La seconda fase del lavoro sperimentale è consistito nella ricerca sul mercato di dispositivi elettronici che forniscano migliori funzionalità rispetto al sistema posseduto. Di primaria importanza è ottenere un sistema che integri le funzionalità cardiaca e respiratoria, così da ottenere una rilevazione di un secondo importante parametro fisiologico. Il chip prodotto dalla casa Analog Devices, ADAS1000-4 costituisce un front end analogico completo che rileva più derivazioni cardiache, fino a 6, e può rilevare con la misura dell’impedenziometria transtoracica, i segnali respiratori del paziente, attraverso i canali di acquisizione del segnale ECG. La presenza di ulteriori importanti funzionalità come la retroazione sulla gamba destra, la rilevazione degli impulsi di pace maker, e la programmabilità interna di del valore di modo comune, ha permesso di realizzare una scheda dalle dimensioni contenute, con consumi e peso ridotti. Il sistema creato è gestito da un microcontrollore dsPIC30F3013, che controlla il livello di alimentazione del sistema, programma il chip ADAS1000-4 e invia i dati campionati dal chip alla postazione remota, attraverso l’utilizzo di una antenna radio, con protocollo Bluetooth 2.1. Si è così creato un dispositivo indossabile, wireless di peso e dimensioni contenute, grazie anche all’utilizzo di una maggiore integrazione delle funzioni, che ha permesso un risparmio energetico tradotto nell’utilizzo di una batteria meno potente. In tal modo si è raggiunto l’obiettivo di realizzare un sistema indossabile per l’acquisizione del segnale cardio respiratorio per il monitoraggio domestico, che fornisce più informazioni clinicamente rilevanti, risultando allo stesso tempo più confortevole nell’utilizzo durante le normali attività quotidiane.