Monitoraggio continuo di PPG�(PhotoPlethysmoGraphy)�con dispositivi indossabili commerciali

Giuseppe Ferla

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Roma 11 Ottobre 2021 Università La Sapienza

2^oWorkshop Microelettronica per la salute

Roma 11 ottobre 2021, Università La Sapienza 2⁰ Workshop: Microelettronica per la Salute G. Ferla

Sommario

• Introduzione
• Principio della misura
• Sensori di luce
• Variabilità cardiaca, respirazione, età, stress
• Misura della pressione sanguigna
• Conclusioni

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Il mercato degli smart-watches

Fatturato 2020: 50 B$, �500 milioni di pezzi

Crescita 14 % per anno.

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Principali concorrenti

Apple�Huawei

Samsung�i Moo

Fitbit (Google)

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La trasparenza del corpo umano

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Caratteristiche ottiche del corpo umano

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Caratteristiche di assorbimento del sangue 1/2

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Punto isosbestico

797nm

A 800 nm, 5.3 mm di sangue danno un’attenuazione di un fattore 10

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Caratteristiche ottiche del sangue 2/2

La concentrazione di emoglogina nel sangue e’ 150gr/L.

L’emoglobina h un peso molare di 64.000 Dalton, per cui la concentrazione molar di emoglobina 2.34 mMol/L�Nel punto isosbestico il coefficiente di estinzione e’� 800 cm^-1/mole/litro�per cui l’assorbimento nel punto isosbestico e’� 1872 cm^-1

Per un’attenuazione di 10 occorono 5.3 mm di sangue

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Sensori di luce: il SiPM

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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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Efficienza quantica SiPM

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G. Bonanno, INAF, 2003

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SiPM : sensibilita’ e range dinamico

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Roberto Pagano, 2015

Notte senza luna

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Monitoraggio continuo di PPG�(PhotoPlethysmoGraphy)�con dispositivi indossabili commerciali

Il segnale PPG

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Scheda dell’ultimo prototipo

ECG 12 elettrodi

12 porte PPG a due lunghezza d’onda.

David Lena

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Lato interno del braccialetto

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Misuraa PPG e velocita’ di propagazione dell’impulso

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Controllo della respirazione

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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)

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ECO-doppler carotide

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L’aorta si chiude

L’aorta si apre

Inspirazione Espirazione

Parametri principali del tracciato:

-Velocità massima: .76 m/sec

-Periodo medio: .78 sec

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I due segnali ottici

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Il segnale ECG e PPG

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Caratteristiche del battito cardiaco

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Definizioni utilizzate per analisi ECG

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Individuazione del gruppo QRS: il metodo della correlazione

Nel grafico è visibile la forma d’onda prescelta ed in rosso il segnale di correlazione.

Si osservi che la correlazione del segnale di correlazione ha il massimo uguale ad uno ed ha un elevatissimo rapporto segnale disturbo.

Il posizionamento del segnale è arbitrario.

Con grande facilità può essere traslato sul picco R.

Si noti tuttavia che la funzione di correlazione da’ la massima somiglianza fra le due forme d’onda e non la corrispondenza fra due caratteristiche saliente come il picco R o la massima pendenza.

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L’insieme dei due segnali

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Si migliora la precisione della localizzazione di QRS

Da notare che al picco il rapporto S/N e’ maggiore di 60 db

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Il cuore come un metronomo

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Contrazione atriale

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Frequenza cardiaca e respirazione

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Effetti della respirazione

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Ciclo cardiaco: RR, complesso QRS, contrazione ventricolare

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Correlazione diastole e contrazione ventricolare

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Variazione della gittata cardiaca

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Circolazione corporea e circolazione polmonare

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300 miloni di alveoli

Volume sangue 600 cc

Tempo di transito con 80 cc di gittata cardiaca circa 7.5 sec

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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

Nei polmoni la pressione sui capillari degli alveoli e’ in equilibrio con la pressione esterna dell’aria, a meno della piccola differenza di pressione necessaria per l’inspirazione e l’espirazione

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Influenza della respirazione sul flusso sanguigno

Il sistema venoso lavora a pressione ridotta, minore di 20mmHg, per cui la pressione esercitata sui polmoni durante la respirazione influenza sia il flusso di sangue sia nella vena polmonare che nella vena cava.

Tuttavia sono i capillari polmonari che determinano la maggiore variazione di flusso venoso,

Durante l’espirazione i capillari vengono compressi e l’atrio sinistro fa fatica a riempirsi.�La durata della diastole aumenta, la pressione diastolica si riduce e presumibilmente anche la gittata cardiaca.

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16 maggio 2016

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Variazioni del segnale PPG con la respirazione

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Inspirazione: �la durata della diastole si riduce�la pressione diastolica aumenta,

aumenta anche la pressione sistolica, ma in misura minore,

presumibilmente la gittata cardiaca aumenta�����Espirazione:

la durata della diastole aumenta,�la pressione diastolica si riduce,�diminuisce anche la pressione sistolica,�la gittata cardiaca diminuisce

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Variazione della gittata ventricolare

• Durante l’espirazione l’atrio sinistro si riempie più lentamente, la velocità di riempimento dell’atrio destro rimane inalterata, il tempo di diastole aumenta, la gittata cardiaca si riduce
• La gittata ventricolare si riduce e quindi si riduce anche la pressione sistolica. �Cambia il rapporto fra il volume del sangue polmonare e quello corporeo
• La fluttuazione della gittata con la respirazione spiega le fluttuazioni della saturazione di ossigeno sincrone con la respirazione

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Pressione sanguigna

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Invecchiamento vascolare

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Invecchiamento delle arterie

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Conclusioni

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Conclusioni 1/2

Almeno un quinto dei 500 milioni di smart-watch venduti lo scorso anno sono in grado di fornire dati che possono confrontarsi con quelli disponibili in una unità di terapia intensiva di ospedale.

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Si hanno comunemente la registrazione della frequenza cardiaca, della frequenza respiratoria, la saturazione di ossigeno e la variabilità della durata della diastole.�Alcuni modelli danno un alert per anomalie cardiache e consentono la misura e la trasmissione di ECG .

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Health Metrics, un esempio

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Ciclo circadiano e sonno

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Efficienza fisica VO2MAX

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Conclusioni 2/2

Sono possibili ed auspicabili miglioramenti dell’hardware come il quencing attivo per il SiPM, l’adozione di filtri ottici per migliorare il rapporto segnale/disturbo.�Un miglioramento a breve termine sarà la disponibilita’ di una misura accurata della pressione sanguigna

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La maggiore difficoltà sta nella lentezza del sistema sanitario di adottare nuove tecnologie.��Si hanno tuttavia varie iniziative e numerosi start-up per cui la situazione è destinata a cambiare nel prossimo futuro.

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http://giuseppeferla.blogspot.it/

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Grazie dell’attenzione

pino.ferla@gmail.com

Contro il vento degli alisei

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