Tecniche BCG per la misura della frequenza cardiaca

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Basato su una tesi di:

Sami M. Nurmi, Test Design engineer, Murata Electronics Oy

Joonas Makkonen, Product manager, Murata Electronics Oy

Ulf Meriheinä, Senior MEMS Application specialist, Murata Electronics Oy

Marika Juppo, Business Development manager, Murata Electronics Oy

Nella società odierna i disturbi del sonno sono in aumento e se non vengono curati in maniera adeguata possono avere effetti dannosi sul benessere generale e sulla qualità della vita dei singoli individui. Mentre le cause di molti problemi legati al sonno possono essere identificati con relativa semplicità o sono disturbi di natura temporanea, imputabili ad esempio a stress lavorativo o a lutti familiari, ve ne sono altri che richiedono analisi più dettagliate del sonno al fine di individuarne la causa principale.

Fig. 1 – Predisposizione per test clinici effettuati mediante tecniche BCG e PSG

Il metodo adottato per questa analisi del sonno è la polisonnografia (PSG), un esame che si svolge nelle ore notturne all’interno di un laboratorio specialistico e prevede l’applicazione di numerosi sensori sul corpo del paziente. Medici e tecnici specializzati iniziano a effettuare il monitoraggio del paziente e l’analisi dei dati, mentre il modello del sonno (sleep pattern) è analizzato visivamente a partire dai dati registrati.

L’intero processo è un’operazione costosa, oltre a essere intrusiva, e potenzialmente problematica per il paziente: solitamente molte persone fanno fatica ad addormentarsi in un letto diverso da quello abituale.

BGC: una valida alternativa

Nel corso degli ultimi anni è stata sviluppata un’alternativa meno invasiva e più economica alla polisonnografia. Il principio che sta alla base della balistocardiografia (BCG) è la misura delle forze meccaniche che hanno origine dal corpo di una paziente quando questo è addormentato.

Considerato idoneo per l’utilizzo sul lungo termine, l’esame BCG prevede l’acquisizione dei dati richiesti tramite un accelerometro che non deve essere fisicamente posizionato sul corpo del paziente. Presso la Aalto University School of Electrical Engineering, in collaborazione con l’Università di Turku (Finlandia), sono stati condotti test clinici con l’obbiettivo di verificare che i dati raccolti tramite un sensore BCG risultino sufficientemente accurati rispetto ai dati acquisiti mediante la tecnica PSG standard, in modo da poter utilizzare il sensore BCG come dispositivo per l’analisi del sonno in ambiente domestico.

I test notturni sono stati condotti nel laboratorio del sonno di una clinica su un campione di 20 persone sane – 17 uomini e 3 donne – di età compresa tra 24 e 46 anni. Dai test sono state escluse le persone che avevano avuto disturbi del sonno pregressi, quelle consumatrici di grandi quantità di alcol o caffeina oppure quelle che assumevano farmaci.

Fig. 2 – Schema a blocchi del sensore SCA11H per l’analisi BGC di Murata

Per l’esecuzione dell’esperimento è stato utilizzato un sensore BCG SCA11H di Murata, fissato al di sotto del materasso del letto, che raccoglie le misure dell’esame BCG (Fig. 1a). Come si può osservare dalla medesima figura, durante i test sono stati utilizzati due sensori, di cui uno fornisce i dati elaborati dei parametri vitali e l’altro il segnale non elaborato (raw) dell’accelerometro. Si noti per contro la complessità dei sensori di misura utilizzati per la polisonnografia, visibili nella figura 1b: si tratta di un totale di 18 sensori tra cui sei per la valutazione dell’attività elettrica celebrale (EEG – elettroencefalografia), la misura dei movimenti oculari (EOG – elettrooculografia), la misura della tensione muscolare (EMG – elettromiografia) e la misura della frequenza respiratoria mediante una fascia toracica e cannule nasali. Le funzioni cardiache vengono misurate mediante un esame elettrocardiografico (ECG). I parametri chiave della frequenza cardiaca (HR – Heart Rate) e della frequenza respiratoria (RR – respiratory Rate) vengono ricavati a partire dalle letture desunte dall’EGC e dalla fascia toracica rispettivamente.

Il sensore BCG SCA11H di Murata risulta composto dal modulo sensore BCG SCA10H, che contiene un accelerometro a un asse, un modulo di comunicazione Wi-Fi conforme a IEEE 802.11 b/g/n e un microprocessore host (lo schema a blocchi è riportato in Fig. 2). L’accelerometro opera con una frequenza di campionamento di 1 kHz e ha una risoluzione per il rilevamento pari a 90 µg. Grazie a un algoritmo sviluppato da Murata, il segnale rilevato può essere elaborato in modo da fornire più parametri ogni secondo.

Fig. 3 – Esempio dei risultati ottenuti con un test effettuato nel corso di una notte

Questi includono la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria, la gittata sistolica relativa (SV – Stroke Volume) e la variabilità della frequenza cardiaca (HRV – Heart Rate Variability). Inoltre, sono riportate parecchie altre indicazioni di natura non clinica come ad esempio stato di occupazione del letto, intensità del segnale e marcatura temporale.

I test hanno evidenziato che i risultati dell’esame balistografico risultavano accurati ed erano strettamente correlati con quelli ottenuti mediante la polisonnografia. In figura 3 sono riportati i dati relativi alla frequenza cardiaca e alla frequenza respiratoria registrati nel corso di una notte. In base a questi risultati, si è convenuto che le tecniche balistografiche rappresentano un valido approccio per effettuare l’analisi del sonno. Osservando la figura 3, si può notare che la frequenza cardiaca risulta più elevata durante le fasi di insonnia e di sonno REM rispetto alle fasi di sonno profondo e leggero. La variabilità della frequenza cardiaca è più elevata nella fase di sonno profondo e più ridotta nelle fasi di insonnia e sonno REM.

Non esiste una differenza marcata nella frequenza respiratoria tra le varie fasi del sonno, mentre la variabilità della frequenza respiratoria (RRV) è più ridotta nella fase di sonno profondo e aumenta durante le fasi di insonnia e sonno REM. Il sensore BCG è anche stato in grado di registrare i movimenti della persona nel corso del processo di misura, operazione che poteva essere condotta solamente in modo visivo utilizzando l’approccio PSG. A queste fasi del sonno sono stati attribuiti dei punteggi sulla base dei dati PSG registrati e classificati secondo i criteri stabiliti da AASM (American Academy of Sleep Medicine).

Fig. 4 – Opzioni di collegamento per il nodo BCG

Nodo sensore BCG

Di dimensioni pari a soli 83,7×40,7×17,6 mm, il sensore SCA11H è alloggiato in un contenitore plastico impermeabile con grado di protezione IP55, richiede una tensione di alimentazione di 9 VDC (valore nominale) e supporta aggiornamenti firmware in modalità OTA (Over-The-Air). Per l’accesso locale al nodo è possibile utilizzare il protocollo TCP/IP; il nodo può altresì essere configurato per inviare i dati direttamente a una rete che eroga servizi basati sul cloud.

Nella figura 4 sono riportati i punti più idonei per collegare il sensore BCG. La posizione 1 della figura si trova al di sotto del materasso, solitamente ubicata tra una superficie di supporto e il materasso stesso; la posizione 2 indica la parte superiore del telaio del letto, mentre la posizione 3 indica il lato dello stesso.

Fig. 5 – Modulo SA10H di Murata

Il nucleo centrale del sensore SCA11H è rappresentato dal modulo accelerometro SCA10H, che contiene un accelerometro MEMS ad asse singolo. Per la comunicazione con il modulo MEMS viene utilizzata un’interfaccia UART standard. Un apposito documento relativo alle specifiche del protocollo binario riporta in modo dettagliato i formati del frame dei messaggi e dei dati che il modulo utilizza per la comunicazione mediante l’interfaccia UART. Sia il sensore SCA11H sia il modulo SHA10H sono già disponibili. Mentre il primo è destinato essenzialmente ai produttori di sistemi, il secondo si rivolge essenzialmente ai vari produttori di moduli.

In definitiva, i test clinici comparativi tra le misure della frequenza cardiaca, effettuata utilizzando le metodologie PSG e BCG, hanno dimostrato che un approccio basato su tecniche balistografiche per effettuare un’analisi del sonno si propone come un mezzo economico e non invasivo per la misura del sonno nel corso di più notti; un’operazione questa che può essere anche condotta in ambito domestico. In base ai risultati ottenuti, i parametri relativi alla frequenza cardiaca e respiratoria misurati mediante la tecnica BCG sono accurati ed evidenziano un’ottima correlazione con i dati ottenuti con il metodo PSG. I sensori BCG si propongono dunque come dispositivi affidabili per l’analisi del sonno.

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