Monitor ottico della pressione sanguigna G. Ferla
Catania 28 aprile 2016
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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 Catania 28 aprile 2016
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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 Catania 28 aprile 2016
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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 Catania 28 aprile 2016
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Scheda di misura
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IL SiPM Silicon Photon Multiplier
SiPM, lay-out
Visibili 4 pixel ed isolamento ottico
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Silicon Photon Multiplier 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
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. Catania 28 aprile 2016
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SiPM range dinamico
Notte senza luna
Roberto Pagano, 2015 Catania 28 aprile 2016
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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
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 735 nm 850 nm
HHb 1102 681
HbO2 413.2 1058
Unità di misura cm-1/(mole/litro)
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Matrice di conversione
∆𝑆735 Δ𝐻𝐻𝐻 1 −.79 1.25 × =𝐿 × ∆𝑆850 Δ𝐻𝐻𝐻2 −.47 1.20 Lunghezze d’onda 735 nm, 850 nm Per ricavare i valori della matrice sono stati utilizzati i dati dei coefficienti di estinzione di Prahl.
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Matrice di conversione
Lunghezze d’onda utilizzate 775 nm, 813 nm, 853 nm, 910 nm Source: Investigation of in-vivo measurement of cerebral cytochrome-coxidase 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 60o Congresso SIGG Napoli 26 Novembre 2015 Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari
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Analisi ECG Variazioni del ciclo cardiaco con la respirazione
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
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 Catania 28 aprile 2016
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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 Catania 28 aprile 2016
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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 polmoni 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
muscoli cervello Catania 28 aprile 2016
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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 Catania 28 aprile 2016
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Possibili sviluppi
Quencing attivo Sensore a singolo fotone 46
Come integrare un pixel SiPM
La tecnologia BCD è in grado di garantire tempi di propagazione di 50 psec ed avere parti del circuito a 40 volt Catania 28 aprile 2016
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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 Catania 28 aprile 2016
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Come integrare un pixel SiPM
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Visione diretta dell’ossigeno nelle arterie
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 Catania 28 aprile 2016
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Grazie dell’attenzione
Contro il vento degli alisei
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