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XIV
Medical
MEDICAL 15 -
OTTOBRE 2017
Numerosi produttori di elettronica di con-
sumo hanno cercato di approfittare del-
la crescente domanda di sistemi pratici
per la misurazione continua (24 ore su
24) della frequenza cardiaca (HRM –
Heart Rate Measurement). Oggi i con-
sumatori possono scegliere tra decine di
modelli di bracciali, smart watch e dispositivi
per il monitoraggio dei parametri vitali da integrare su
un braccialetto, e molti di questi implementano la tec-
nologia HRM ottica. Se progettati con la massima cura
e attaccati correttamente al polso, questi dispositivi pos-
sono sostituire la classica fascia toracica per la maggior
parte delle persone e delle applicazioni.
Anche se una fascia toracica HRM è un metodo collau-
dato e accurato per misurare il battito cardiaco, il suo
uso per lunghi periodi risulta scomodo e non può es-
sere integrato con altre funzioni utili, al contrario di
quanto accade per gli smart watch o i braccialetti per
attività sportiva. Quindi non vi sono dubbi sul fatto che
i consumatori preferiscano un dispositivo da polso, se la
sua precisione può competere con quella di una fascia
toracica.
Tuttavia, le applicazioni consumer della tecnologia
HRM da polso finora hanno restituito risultati piuttosto
divergenti; anche se il funzionamento di base dell’HRM
ottico appare semplice, vi sono notevoli difficoltà tecni-
che da superare quando si implementa la tecnica in un
dispositivo da polso:
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Questi fattori rappresentano ostacoli nel processo di
estrazione di un segnale pulito e preciso della frequen-
za cardiaca. Questo articolo aiuta i progettisti a risolvere
questi problemi, elencando le considerazioni più im-
portanti in termini di progettazione meccanica, ottica,
elettrica e software di cui bisogna tener conto per l’im-
plementazione di un nuovo prodotto da polso. Inoltre
l’articolo esamina i risultati dei test che dimostrano il li-
vello di precisione ottenibile con un sensore di frequen-
za cardiaca incorporato in un bracciale.
HRM: principi operativi
Il rilevamento ottico della HRM si basa sui principi della
fotopletismografia. A ogni battito del cuore, i vasi sangui-
gni nei quali fluisce il sangue sono leggermente distesi
dalle pulsazioni. Questa variazione nel volume delle ar-
terie muta anche la loro trasmissività ottica. Il fotopleti-
smogramma (PPG) consiste nell’emissione di una luce
LED nei tessuti del corpo, mentre i fotodiodi ne misura-
no la quantità che li attraversa. I battiti del cuore sono
rappresentati dai picchi nei valori misurati.
Le difficoltà nell’implementazione di un PPG in un brac-
cialetto sono dovute in gran parte alla dimensione così
ridotta del segnale misurato. La luce del LED non passa
solo attraverso i vasi sanguigni, ma anche nei tessuti e
nelle altre parti del polso. Inoltre, la pulsazione distende
solo leggermente i vasi sanguigni, e anche la variazione
della trasmissività ottica causata dalla dilatazione è picco-
la. In genere la profondità di modulazione del segnale
ricevuto è solo dello 0,1%.
Questa risibile variazione dell’intensità della luce che
giunge fino al fotodiodo è mascherata facilmente dal ru-
more. La fonte di rumore più problematica è il moto, ba-
sta infatti camminare per generare rumore. I piccoli mo-
vimenti della mano o delle dita sono capaci di generare
una variazione dell’intensità di luce maggiore rispetto al
movimento del braccio. Questo è dovuto al fatto che sia
il movimento dei tendini corrispondenti alla parte infe-
Progetto di un sensore ottico
da integrare in
un braccialetto
“indossabile”
Obiettivo di questo articolo è aiutare i progettisti a risolvere le numerose
problematiche legate all’implementazione di un nuovo prodotto da polso, elencando
gli aspetti più importanti legati alla progettazione meccanica, ottica, elettrica e
software