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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)