15 / 28
XV
MEDICAL 15 -
OTTOBRE 2017
HRM
riore del sensore, sia la variazione del diametro del polso
quando la mano si contrae e si rilassa, alterano entrambi
la pressione del bracciale sulla pelle, migliorando o com-
promettendo l’accoppiamento ottico del sensore con la
superficie cutanea.
Tecniche per isolare il segnale e minimizzare il rumore
Il problema fondamentale da risolvere in un PPG incor-
porato su bracciali è preservare l’integrità del segnale
desiderato minimizzando gli effetti delle varie fonti di
rumore.
Per ridurre l’ampiezza del rumore di movimento, l’ap-
proccio migliore è di tipo meccanico: la posizione del
sensore sulla pelle deve restare invariata, visto che an-
che dei piccoli movimenti rispetto alla cute generano
un ampio segnale di movimento. Il bracciale dovrebbe
essere indossato garantendo in ogni caso la vestibilità e
il comfort. Bisogna inoltre prestare la dovuta attenzione
anche al posizionamento del sensore sul polso: la distan-
za approssimativa raccomandata ammonta a due dita
dall’articolazione del polso. Quando il sensore è posto
sulla giuntura o vicino ad essa, genera un forte rumo-
re di movimento. Inoltre questa zona è caratterizzata da
una perfusione ridotta, indebolendo ulteriormente il se-
gnale del PPG.
Naturalmente, la progettazione meccanica deve tenere
conto della “variabilità” del corpo umano. Le variabili
come il diametro e la curvatura del polso, la profondi-
tà di perfusione, la densità e il colore della peluria sui
polsi, nonché il colore della pelle influenzano in modo
diverso il segnale ottico. Persino i tatuaggi interferisco-
no con la riflessione luminosa del sensore. Una consi-
derazione ovvia ma sempre valida è la seguente: un pic-
colo dispositivo si adatterà a un polso piccolo o a uno
grande, ma un dispositivo grande non si adatterà a un
polso piccolo. Oltre a questo, ogni costruttore deve fare
le proprie scelte in merito ai materiali, le dimensioni, il
profilo e la forma del bracciale, tenendo conto che sarà
necessario molto tempo per raggiungere un equilibrio
tra le prestazioni accettabili per assicurare che il sensore
PPG sia competitivo e le scelte imposte dallo stile, dalla
moda e dall’estetica.
I progettisti di braccialetti inoltre scopriranno che il ru-
more di movimento non è affatto l’unica fonte di rumo-
re che interferisce con il segnale del PPG. Per esempio,
bisogna gestire anche l’effetto del cross-talk ottico (dia-
fonia).
Quando l’utente ha la pelle scura, il sensore incremen-
ta automaticamente la luminosità del suo LED verde,
poiché la pelle scura attenua molto di più la luce verde
rispetto alla pelle chiara. Tuttavia, in presenza di lumino-
sità elevata, il cross-talk può saturare il sensore. Il cross-
talk avviene quando la luce a LED riflessa dalle superfici
interne ed esterne del coperchio del sensore (in vetro o
plastica) raggiunge i fotodiodi, senza essere passata at-
traverso la pelle dell’utente.
Il cross-talk non può essere eliminato completamente,
ma il braccialetto può essere progettato per mantenere
questo fenomeno sotto controllo. Gli utenti del biosen-
sore ottico disponibile sotto forma di SoC (System-on-
Chip) ams AS7000 possono trarre vantaggio dalle simu-
lazioni ottiche (ray-tracing) condotte da ams, così da
poter generare un modello delle prestazioni ottiche del
dispositivo progettato (Fig. 1).
Per semplificare l’effetto del modello, la figura 2 mostra
solo i raggi che raggiungono effettivamente il sensore
dopo la riflessione da parte del vetro del quadrante.
Questi modelli mostrano che il progettista ha a disposi-
zione due possibilità per tenere sotto controllo i livelli
di cross-talk in un bracciale: creare un sensore PPG con
Fig. 1 –
Rendering di un progetto meccanico del sensore HRM (sinistra) e
il suo ray-tracing simulato (destra)
Fig. 2 –
Simulazione del ray-tracing che mostra le interferenze in un sen-
sore progettato con uno spazio d’aria ampio e un vetro spesso (a sinistra)
e uno spazio d’aria stretto e un vetro sottile (a destra)