Di Jan-Hein Broeders, Business Development Manager healthcare, Analog Devices

Introduzione

Saturazione dell’ossigeno, elettrocardiografia, pressione ematica e frequenza respiratoria sono misure che un tempo erano retaggio esclusivo degli apparati di monitoraggio per uso ospedaliero. Il controllo di questi parametri è di importanza vitale, specialmente per soggetti con salute a rischio, che sono stati coinvolti in un incidente, che devono subire un intervento chirurgico o in caso venga diagnosticata una patologia grave. Con l’aumento dell’età media della popolazione e la grande attenzione che viene posta nei confronti delle spese generali per il servizio sanitario, l’accesso al monitoraggio medicale extra-ospedaliero è diventato un trend in crescita. Attualmente i pazienti a rischio vengono monitorati durante la propria attività quotidiana, per rilevare l’insorgere di possibili problematiche, oppure vengono dimessi dagli ospedali con dispositivi di monitoraggio per consentire un periodo di convalescenza più veloce e confortevole. Esiste una terza categoria di utenti che misurano questi parametri a scopo preventivo, anche prima che venga formulata una qualsiasi diagnosi.

Tutti i monitor multi-parametro presentano gli stessi requisiti: devono essere accurati, di dimensioni ridotte e in grado di funzionare per un lungo periodo senza sostituire la batteria. Per favorire questo trend, è stata sviluppata una nuova famiglia di front end analogici biomedicali, realizzati su singolo chip.

Breve panoramica dell’ADPD4000

Sul mercato sono presenti molteplici sistemi multi-parametro che combinano due o più misure, come ad esempio i monitor per la misurazione del ritmo cardiaco combinati a sensori di movimento per rilevare l’attività, oppure la variabilità delle pulsazioni con misure d’impedenza per applicazioni quali monitoraggio dello stress o analisi durante il sonno.

Nella maggior parte dei casi, ciascuna misurazione viene effettuata da un front end analogico dedicato, col risultato della presenza di diversi chip, ciascuno dei quali dotato di un convertitore analogico-digitale (ADC), un’interfaccia al processore principale e vari alimentatori e tensioni di riferimento che devono essere disaccoppiate. Tutto ciò richiede l’utilizzo di molti componenti ridondanti, facendo sì che il sistema non risulti ottimale dal punto di vista delle dimensioni e della potenza assorbita. In un sistema wearable, nulla è più facile dell’avere a disposizione una catena di segnale principale, alla quale connettere ogni sensore.

La nuova famiglia di front end biomedicali ADPD4000 colma questa la lacuna nel mercato. La Figura 1 mostra uno schema a blocchi della famiglia ADPD4xxx. Il front end è stato progettato attorno a due canali di ricezione identici, in grado di essere campionati simultaneamente. Ciascun canale presenta un’architettura differenziale, rendendo possibile la misurazione di qualsiasi segnale di ingresso al sensore, sia in modalità single-ended sia differenziale. Lo stadio di ingresso è un amplificatore a transimpedenza, a guadagno programmabile, seguito da un filtro passa-banda e da uno stadio di integrazione, in grado di integrare 7,5 pC per campione. L’ADC è un convertitore ad approssimazioni successive (SAR) a 14-bit, con una frequenza massima di campionamento di 1 MSPS. All’ingresso di ciascuna catena di segnale si trova un multiplexer a 8-canali che conferisce al front end analogico la flessibilità necessaria per veicolare tutti i segnali provenienti dai diversi sensori.

Figura 1. Schema a blocchi della famiglia ADPD4000.

Con questo chip è possibile misurare molteplici segnali, come illustrato in Figura 1. Si può, ad esempio, usare l’AFE (Analog Front End) come front end ottico per la misurazione della frequenza cardiaca o del livello di saturazione dell’ossigeno. In questa configurazione, si misura la corrente proveniente da un fotosensore e, per convertirla in una tensione, è necessario disporre di uno stadio di ingresso a transimpedenza elevata. È anche necessario eliminare le interferenze che derivano dalla luce ambientale. Un’altra opzione di utilizzo consiste nella misurazione dei biopotenziali provenienti da un elettrocardiogramma (ECG) o da sensori EMG. Ciò richiede una predisposizione diversa dell’ingresso della catena di segnale, per la quale è necessario riconfigurare le impostazioni del front-end. Oltre alla catena di ricezione, il chip supporta anche otto driver d’uscita che possono essere utilizzati per fornire delle stimolazioni. Per misure ottiche, è possibile configurare una o più uscite per il pilotaggio di LED. In alternativa, per misurare l’impedenza, sia della pelle (attività elettrodermica – EDA), sia dell’elettrodo di contatto che influenza la qualità della misura durante il rilevamento dei biopotenziali, è possibile utilizzare uno o più driver per generare segnali d’eccitazione.

Il chip consente all’utente di preprogrammare ciascuna configurazione o misurazione in un determinato intervallo di tempo, o “time slot”. Una volta configurato, supporta fino a 12 time slot rendendo il sistema molto facile da utilizzare. Inoltre, il chip non richiede risorse addizionali da parte del processore, contribuendo a mantenere minimo l’assorbimento complessivo del sistema. Sul chip, è possibile sovracampionare e mediare i valori ottenuti, per aumentare il numero effettivo di bit (ENOB) dell’ADC. Il percorso dati decimato occupa 32 bit e i risultati possono essere memorizzati in un FIFO a 256-byte o 512-byte (ADPD400x vs. ADPD410x). Per supportare la sincronizzazione tra i campioni di dati provenienti dai molteplici sensori connessi, è disponibile una funzione di time stamp integrata; quest’ultima si rende necessaria nel momento in cui si voglia trovare una correlazione tra i vari risultati di misura provenienti da più sensori. La Figura 2 illustra il modo in cui questo chip può essere utilizzato per ricavare un ECG sincronizzato a una misurazione di fotopletismografia (PPG). Partendo da una tecnologia di misura basata sul “Pulse Transit Time” (PPT), è possibile misurare la pressione del sangue in modo continuo. Questa caratteristica risulta particolarmente allettante per gli individui che soffrono di ipertensione. La funzionalità time stamp lo rende possibile.

Figura 2. Misure simultanee ECG e PPG per la stima della pressione ematica.

La Figura 3a illustra come può essere supportata la funzione time slot. Ogni time slot inizia con un impulso di precondizionamento, seguito da un impulso di stimolazione e si conclude con il campionamento da parte dell’ADC della corrente del fotodiodo o del segnale di un altro sensore.

La Figura 3b illustra un esempio di sequenza operativa. Dopo la fase di accensione, seguita da un’operazione di reset, il chip entra in sleep mode. Dopo averlo riattivato, è possibile campionare sequenzialmente due segnali ECG (ad esempio, LEAD I e LEAD II), seguiti da una misurazione ottica per effettuare una lettura del valore SpO2 e una misura di impedenza per rilevare la conduttanza cutanea (EDA/stress). Il procedimento per ottenere ognuna di queste misure verrà descritto in dettaglio nella sezione seguente.

La misura ECG risulta notevolmente semplificata

Un ECG consiste nella misurazione di un segnale elettrico generato dal cuore, dovuto alla depolarizzazione e ripolarizzazione del muscolo cardiaco ad ogni battito. Il segnale ha un’ampiezza tipica da 0,5 mV a 4 mV e viene misurato in un intervallo di frequenza da 0,05 Hz fino a 40 Hz. Un ECG può essere eseguito per rilevare la sola frequenza cardiaca ma, in molti casi, si è più interessati all’analisi della forma d’onda, che può essere utilizzata per valutare le prestazioni del cuore o per rilevare i segni anticipatori di potenziali patologie cardiache, come la fibrillazione arteriosa o l’ipertensione continua. È possibile monitorare l’attività cardiaca posizionando alcuni elettrodi sull’epidermide. Nelle applicazioni diagnostiche, per garantire un buon contatto elettrico con il corpo, si usano generalmente elettrodi umidificati. I più comuni sono quelli di argento/cloruro d’argento (Ag/AgCl). Nelle applicazioni non ospedaliere, gli elettrodi sono molto scomodi da utilizzare e possono essiccare facilmente la pelle o produrre irritazioni. Inoltre, nonostante gli elettrodi a secco siano utilizzati frequentemente, il contatto tra questi e la pelle è meno performante rispetto al caso di elettrodi umidificati, rendendoli più sensibili agli artefatti da movimento e causando una lettura meno accurata.

In un’applicazione extra-ospedaliera (paziente esterno), esiste sempre un compromesso tra elettrodi di buona qualità e comfort di utilizzo. La famiglia ADPD4000 è in grado di risolvere questo problema fornendo, nello stesso tempo, una misurazione accurata che non dipende dalla qualità dell’elettrodo. Invece di utilizzare un ingresso in tensione, il circuito ECG misura la carica elettrica accumulata su un condensatore di sense. Con una costante di tempo ottimizzata, calcolata dalla rete passiva RC e dalla frequenza di campionamento, il processo di carica elimina la variazione dell’impedenza dovuta al contatto elettrodo-epidermide. La Figura 1 mostra come un segnale ECG viene accoppiato tramite una rete RC all’interno del chip. Il circuito ECG così realizzato possiede un’intrinseca immunità alle variazioni dell’impedenza di contatto pelle-elettrodo.

Figura 3. Esempio di funzionamento del time slot e sequenza di misura dell’ADPD4000.

Figura 4. Due forme d’onda ECG misurate con elettrodi diversi.

La Figura 4 illustra due forme d’onda ECG; quella in blu è stata misurata con un elettrodo di buona qualità, con un’impedenza serie caratteristica di 51 kΩ e una capacità di 47 nF. La forma d’onda rossa, invece, deriva da un elettrodo di bassa qualità, con alta impedenza serie, caratterizzato da un’impedenza di contatto di 510 kΩ e una capacità di 4,7 nF. È possibile, quindi, notare come l’ADPD4000 misuri entrambe le forme d’onda in modo quasi identico, indipendentemente dalla qualità dell’elettrodo. Rispetto ad altre soluzioni di front end disponibili sul mercato, questa caratteristica rappresenta un vantaggio enorme. Un ulteriore punto di forza è l’altissima efficienza energetica del circuito che, durante l’integrazione del segnale ECG sul condensatore di carica, non deve rimanere attivo. Un altro vantaggio è rappresentato dal consumo, che va da 150 µW a 200 µW.

Misura di PPG e bioimpedenza

Per misure ottiche e di bioimpedenza, i LED driver sono necessari, rispettivamente, per emettere luce ed eccitare una corrente nel corpo dell’utente. In molti sistemi ottici si utilizza più di una lunghezza d’onda, rendendo la versatilità di questo chip particolarmente allettante. L’ADPD4000 dispone infatti di otto driver d’uscita, di cui quattro canali utilizzabili simultaneamente con corrente d’uscita programmabile con un massimo di 200 mA per canale o 400 mA per l’intera sezione. In base alla configurazione, è possibile operare con molteplici time slot, ognuno con una propria lunghezza d’onda da misurare, come ad esempio, frequenza cardiaca, SpO2, livelli di idratazione o disidratazione. Ciascuna catena di ricezione è dotata di un amplificatore a transimpedenza programmabile, seguito da un blocco di reiezione a doppio stadio per filtrare le interferenze dovute alla luce ambientale. Per la famiglia ADPD41xx, il rapporto segnale rumore (SNR) della catena di trasmissione/ricezione arriva fino a 100 dB, rendendo questa famiglia estremamente utile per misurazioni ottiche sensibili al rumore, come quelle relative alla saturazione d’ossigeno o alla stima della pressione ematica. L’assorbimento del sistema ottico dipende in larga parte dalla configurazione del chip, come ad esempio dalla scelta della frequenza di campionamento e decimazione e della corrente utilizzata per i LED. Quest’ultima dipende anche dalla posizione di rilevazione scelta sul corpo e dalla tonalità della pelle dell’utente.

Molti sistemi wearable possono anche misurare la conduttività della pelle per applicazioni come EDA, stress o monitoraggio delle condizioni mentali. Per poter misurare una caduta di tensione è necessario eccitare una corrente. La famiglia ADPD4000 supporta anche questa applicazione. È possibile infatti configurare il chip in modalità di misurazione a 2 o 4 fili. Il generatore di forme d’onda di tipo avanzato e il motore DFT non sono inclusi, quindi in caso di spettroscopia di impedenza, è possibile accoppiare l’ADPD4000 con l’AD5940. La funzione impedenza può essere utilizzata anche per misurare la qualità degli elettrodi o il rilevamento “lead-off”.

Disponendo di un multiplexer a 8 canali, l’ADPD4xxx supporta anche ingressi ausiliari per misurare tensione, capacità, temperatura o movimento.

Conclusione

Con l’introduzione dell’ADPD4000/ADPD4001, molte delle sfide che i progettisti devono affrontare, lavorando su dispositivi wearable, protesi o sistemi di infusione per farmaci, sono state risolte. Per ogni utilizzo, prestazioni, dimensioni, e potenza dissipata rappresentano requisiti critici. Questo nuovo front end biomedicale soddisfa tutti questi requisiti grazie alle alte prestazioni, uno stadio di ingresso a doppio canale, driver di uscita di stimolazione, un motore per l’elaborazione digitale e il controllo di timing. L’ADPD4000 e ADPD4001 hanno raggiunto la fase di produzione e sono attualmente disponibili, mentre a breve è prevista la prossima generazione, ADPD4100/ADPD4101, che offre un migliore rapporto segnale-rumore e caratteristiche aggiuntive che possono risultare utili per ridurre ulteriormente la potenza assorbita dall’intero sistema. Nonostante queste funzioni siano integrate in un singolo chip, l’attività del progettista elettronico sarà comunque necessaria, dal momento in cui vi sono molti parametri da configurare per conferire a ciascun sistema una propria identità.