Development and Evaluation of a Wristwatch-Type photoplethysmography ( PPG) Array Sensor Module
Monitor ottico della pressione sanguigna - AEIT Sezione di...
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Catania 28 aprile 2016 Monitor ottico pressione sanguigna G. Ferla
Microelettronica e Medicina
La microelettronica è stato un fattore trainante dell’economia mondiale almeno dal 1964 al 2001.
La spesa medica costituisce il 10.4 % del PIL mondiale: Stati Uniti 17.9 %, Europa 10.8%, Cina 5.2 %, India 3.9 %, Bangladesh 3.7 %
Aree di convergenza Fitness Assistenza all’anziano, monitor a distanza Electronics for Medicine and Biology
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Catania 28 aprile 2016 Monitor ottico pressione sanguigna G. Ferla
Sommario
Importanza della misura della pressione sanguigna non invasiva e continua
Caratteristiche ottiche del corpo umano
La tecnica NIRS (Near Infrared spettroscopy)
Il battito cardiaco
Effetti della respirazione sulla frequenza cardiaca
Cambiamenti della pressione con la respirazione
Possibili miglioramenti del sistema di misura
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Caratteristiche ottiche del corpo umano
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Caratteristiche ottiche del corpo umano
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Coefficiente di estinzione dell’emoglobina
Punto isosbestico 797nm
A 800 nm, 5.3 mm di sangue danno un’attenuazione di un fattore 10
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Il sistema utilizzato
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Il microcontrollore
STM32F407vg prodotto da STMicroelectronics
Processore ARM Cortex-MF a 32 bit
Frequenza di clock 168 MHz
Unità FP a singola precisione e set di istruzioni DSP
3 ADC con risoluzione 12 bit e 2.4 Mps
2 DAC con risoluzione 12 bit
2 controllori DMA
15 interfacce di comunicazione
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Scheda di misura
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IL SiPM
Silicon Photon Multiplier
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SiPM, lay-out
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Visibili 4 pixel ed isolamento ottico
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Silicon Photon Multiplier
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Il SiPM è un diodo costituito da qualche migliaio di pixel. Ogni pixel ha una resistenza in serie di 200-300 Kohm. “Quencing passivo”
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Struttura del SiPM
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La struttura del diodo è molto sofisticata. E’ basata su una tecnologia bipolare con frequenza di taglio oltre 100 GHz. Il leakage per pixel è di circa 2000 elettroni al secondo.
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SiPM range dinamico
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Roberto Pagano, 2015
Notte senza luna
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Caratteristica del Breakdown
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Caratteristica del Breakdown
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Caratteristica del Breakdown
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SiPM in regione geiger
Il SiPM è alimentato con tensioni di circa 30 volt
I campi elettrici corrispondenti sono di 300-500 mila Volt/cm
A questi campi elettrici corrisponde ogni carica elettrica crea un’amplificazione a valanga anche di 100 milioni
Ogni coppia generata da un fotone può quindi dar luogo a 100 milioni di elettroni
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Il segnale PPG
PhotoPlethysmoGraphy
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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)
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I due segnali ottici
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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)
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Coefficienti di estinzione secondo S. Prahl
Lambda HHb HbO2
735 nm 1102 413.2 850 nm 681 1058
Unità di misura cm-1/(mole/litro)
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Matrice di conversione
Δ𝐻𝐻𝐻Δ𝐻𝐻𝐻2
=1𝐿
× −.79 1.25−.47 1.20 × ∆𝑆735
∆𝑆850
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Lunghezze d’onda 735 nm, 850 nm Per ricavare i valori della matrice sono stati utilizzati i dati dei coefficienti di estinzione di Prahl.
60o Congresso SIGG Napoli 26 Novembre 2015
Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari
Matrice di conversione
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Source: Investigation of in-vivo measurement of cerebral cytochrome-c-oxidase redox changes using near-infrared spectroscopy I Tachtsidis1, M Tisdall2, T S Leung1, C E Cooper3, D T Delpy1, M Smith2 and C E Elwell1 Eprint UCL
Lunghezze d’onda utilizzate 775 nm, 813 nm, 853 nm, 910 nm
Analisi ECG Variazioni del ciclo cardiaco con la respirazione
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Definizioni utilizzate per analisi ECG
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Tempi del ciclo cardiaco
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Frequenza cardiaca
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Variazione di QRS con la respirazione
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Inspirazione
Espirazione
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Correlazione RR contrazione ventricolare
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Correlazione RR QRS
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Correlazione QT QRS
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Variazione della frequenza cardiaca
La respirazione induce variazioni del ritmo cardiaco per via dell’influenza della pressione toracica sul tempo di riempimento degli atri, in particolare dell’atrio sinistro
Durante l’inspirazione gli atri si riempiono più rapidamente e la durata della diastole si riduce
Durante l’espirazione il tempo di riempimento aumenta e la durata della diastole si allunga
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Variazione delle fasi del ciclo cardiaco
La durata della diastole è influenzata anche da altri processi fisiologici.
La durata della contrazione ventricolare aumenta quando si inspira, si riduce durante l’espirazione.
La durata del complesso QRS è in controfase con la contrazione ventricolare
Con la respirazione si hanno anche variazioni della gittata cardiaca
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PPG alcuni risultati
Influenza della respirazione sulla pressione sistolica e distolica
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Respirazione e frequenza cardiaca
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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)
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I segnali ECG e PPG in un ciclo di respirazione
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Segnale PPG durante l’espirazione
Durante l’espirazione il tempo della diastole aumenta e l’arteria ha più tempo di svuotarsi La pressione diastolica diminuisce
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Segnale PPG durante l’inspirazione
Durante l’inspirazione il tempo della diastole diminuisce e l’arteria ha meno tempo di svuotarsi La pressione diastolica aumenta
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Segnale PPG derivato ed ECG
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Arterie e vene principali
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Schema della circolazione sanguigna
300 miloni di alveoli Volume sangue 600 cc Tempo di transito con 80 cc di gittata cardiaca circa 7.5 sec 25 trillion RC/300 million= .08 million/alveolo=80.000RC/min Tempo di transito 8 sec 1300 RC per alveolo
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polmoni
muscoli cervello
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Volume e saturazione del sangue
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Variazione gittata ventricolare
Durante l’espirazione gli atri si riempiono più lentamente, il tempo di diastole aumenta, si riduce anche il volume di sangue negli atri, soprattutto nell’atrio sinistro.
La gittata ventricolare si riduce e quindi si riduce anche la pressione sistolica
La fluttuazione della gittata con la respirazione spiega le fluttuazioni della saturazione di ossigeno sincrone con la respirazione
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Possibili sviluppi
Quencing attivo Sensore a singolo fotone
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Come integrare un pixel SiPM
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La tecnologia BCD è in grado di garantire tempi di propagazione di 50 psec ed avere parti del circuito a 40 volt
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Quencing attivo
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Quencing attivo
Spegnando rapidamente l’impulso generato da un singolo fotone si può misurare il segnale ricevuto contando gli impulsi nell’unità di tempo
Con un conteggio al buio di 2000/sec/pixel e con tempo di spegnimento di 500 psec si può avere un range dinamico di 106
Si può avere un sensore CMOS sensibile al singolo fotone con risoluzione di 10 bit
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Come integrare un pixel SiPM
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Visione diretta dell’ossigeno nelle arterie
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Una delle versione del SiPM ha 3600 elementi. Potrebbe essere utilizzato per valutare: il metabolismo dell’ organo a cui l’arteria
affluisce, l’elasticità dell’arteria, Il flusso sanguigno
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Riconoscimenti
Università di Palermo Prof A.Busacca, Prof C.Giaconia; Diego Agrò
CNR IMM, Catania: S. Lombardo, R. Pagano Prof S. Castorina, Prof V.Perciavalle;
Dott Cannamela
Dott G. Carnazzo, Prof D.Maugeri ST: G.Fallica, S. Abbisso, S. Grutta, S. Rinaudo,
S. Coffa, A. Cremonesi ST: I colleghi sportivi
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http://giuseppeferla.blogspot.it/
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Grazie dell’attenzione
[email protected] Contro il vento degli alisei