Monitor ottico della pressione sanguigna

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G. Ferla

Catania 28 aprile 2016

pino.ferla@gmail.com

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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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

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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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Il sistema utilizzato

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Il microcontrollore

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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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Coefficienti di assorbimento della luce

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http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/absorption-coefficient

A 800 nm occorrono 10 micron di silicio per assorbire il 63 % della luce incidente

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Efficienza quantica SiPM

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G. Bonanno, INAF, 2003

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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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Flusso di fotoni e corrente generata

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Dark count

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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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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)

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I due segnali ottici

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Coefficienti di estinzione secondo S. Prahl

Lambda HHb HbO2

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735 nm 1102 413.2

850 nm 681 1058

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Unità di misura cm^-1/(mole/litro)

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Matrice di conversione

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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.

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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

60^o Congresso SIGG Napoli 26 Novembre 2015

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Analisi ECG

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Il circuito nervoso del cuore

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Arterie e vene principali

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Definizioni utilizzate per analisi ECG

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Tempi del ciclo cardiaco

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Variazione di QRS con la respirazione

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Variazione della frequenza cardiaca �con la respirazione

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Correlazione RR QRS

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Correlazione QT QRS

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Correlazione RR contrazione ventricolare

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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 destro�
• 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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Il ciclo cardiaco

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Alcuni risultati

Influenza della respirazione

sulla pressione sistolica e distolica

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Il segnale PPG (PhotoPlethysmoGraphy)

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Respirazione e frequenza cardiaca

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I segnali ECG e PPG in un ciclo di respirazione

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Segnale PPG durante l’espirazione

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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

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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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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 voume 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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Schema della circolazione sanguigna

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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

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Possibili sviluppi

Quencing attivo

Sensore a singolofotone

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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 10^6�
• 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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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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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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Pressione sanguigna durante l’esercizio

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

http://giuseppeferla.blogspot.it/

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Grazie dell’attenzione

pino.ferla@gmail.com

Contro il vento degli alisei

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Determinazione del PTT 1/2

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Determinazione del PTT

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Pre Ejection Period

• Pre Ejection Period: periodo fra l’inizio dell’onda R ed l’inizio dell’onda di pressione nell’arteria.�
• Può essere determinato sottraendo alla differenza di tempo fra l’onda R ed il massimo della dilatazione dell’arteria il tempo di transito fra l’onda R e l’inizio del segnale PPG.

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Determinazione del PEP

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Determinazione del PEP

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Matrice di conversione

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Source: I valori della matrice di conversione sono stati ricavati utlizzando i coefficienti di estinzione di Scott Prahl

http://omlc.org/spectra/hemoglobin/summary.html

Lunghezze d’onda utilizzate

735 nm, 850 nm

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Il sistema di misura

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Consumi a riposo

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Confronto SiPM e fotodiodo

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Notte senza luna,

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Proprietà ottiche delle ossa

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M. Firbank, UCL Optical properties of the skull Phys. Med. Biol.38 (1993)

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A review on continuous wave fNIRS�Felix Scholkmann, 2014, Zurich

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La scheda di misura

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Il sistema di misura

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Conclusione

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• Si possono ottenere risultati utili con poche risorse
• Non è sicuro che i risultati siano corretti
• E’ importante fare del proprio meglio per dare un contributo

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Il modello di Moens- Korteweg� e modifica di Bramwell-Hill

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Il legame fra PWV e pressione

La relazione di Bramwell-Hill stabilisce che la velocità di trasmissione della contrazione ventricolare dipende �dal rapporto fra la pressione e la variazione percentuale del volume di sangue che attraversa l’arteria

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Il modello di Moens-Korteweg

• Il modello prevede un comportamento elastico e non lineare delle arterie
• Implicitamente assume che le arterie restituiscano tutta l’energia assorbita all’arrivo dell’onda del cardiaco flusso
• Nella realtà le arterie restituiscono una energia maggiore di quella assorbita, con una certa isteresi dovuta al ritardo della reazione

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Tecniche in uso

• Sia per PWV che per PTT le tecniche attualmente in uso si basano su sensori meccanici dell’impulso
• Per la tecnica PTT è anche richiesto l’uso dell’ECG�
• Le tecniche ottiche consentono un enorme progresso e migliorano della tecnica
• Si ha infatti la forma d’onda relativa sia al volume del sangue che attraversa l’arteria e la sua saturazione
• Si ha inoltre la possibilità di avere frequenze di campionamento molto elevate�
• Nel campo della fitness si hanno in commercio da circa un anno parecchi modelli che consentono di avere la frequenza cardiaca in maniera ottica anche durante la corsa

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Misure non invasive della pressione

PWV Pulse Wave Velocity

Carotide

Arteria femorale

R. Asmar et all Hypertension Vol 26 No 3 September 1995

Misure non invasive della pressione� �PTT Pulse Transit Time

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Heiko Gesche, Detlef Grosskurth, Gert Kϋchler, Andreas Patzak

EUR J APPL Physiol DOI 10.1007/s00421-011-1983-3

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Monitor ottico della pressione sanguigna: risultati preliminari

Studio su 2000 danesi per 10 anni.

Campione diviso in quintili.

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La velocità maggiore di 13 m/sec comporta il raddoppio del rischio di mortalità.