Uno sguardo alle opzioni disponibili per lo sviluppo di un dispositivo indossabile per rilevare la frequenza cardiaca

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Gli smart watch e i fitness tracker (i bracciali utilizzati per il monitoraggio della forma fisica) hanno oramai quasi del tutto soppiantato il tradizionale orologio. Qualunque sia il regime di allenamento, giornaliero o settimanale, il dispositivo che la persona indossa è in grado di monitorare su base continua la sua frequenza cardiaca, da quando si trova nello stato di riposo a quando sta effettuando un allenamento intensivo. Il monitoraggio della frequenza cardiaca consente di ricavare altri punti di dati, come ad esempio le calorie consumate e la durata delle differenti fasi del sonno.

Sostanzialmente esistono due metodi per rilevare la frequenza cardiaca di una persona: attraverso la misura del biopotenziale tramite EGC (elettrocardiogramma) e per via ottica.

Uno dei metodi più utilizzati nelle applicazioni cliniche è l’elettrocardiogramma che, grazie alla misura dei segnali elettrici generati all’interno del cuore, permette di ottenere il quadro più completo e ricco di informazioni relativo al funzionamento di questo organo fondamentale. Il rilevamento dei segnali biopotenziali differenziali (e la loro amplificazione) permette di ottenere una certo numero di tracciati (pattern) utili per effettuare analisi cliniche. Essi sono denominati complesso QRS (Fig. 1).

L’intervallo tra due picchi successivi del segnale R viene utilizzato per calcolare la frequenza cardiaca della persona. Gli elettrodi sono attaccati al torace e, nel caso di uso in ambito clinico, sono di tipo “bagnato” in quanto vengono applicati al paziente mediante un gel. Nel caso di utilizzo per attività sportive e valutazione della forma fisica gli elettrodi tendono ad essere invece di tipo “asciutto”: in altre parole non vengono utilizzati gel o altri liquidi, in quanto gli elettrodi stessi sono integrati all’interno di una fascia toracica in tessuto unitamente a un modulo che contiene sensori, un dispositivo per la comunicazione wireless a breve distanza (che utilizza ad esempio il protocollo Bluetooth) e una batteria a bottone.

Figura 1: Segnali EGC primari (fonte: Maxim Integrated – “Design Guide How to Measure Biopotential ECG Using a Chest Strap”).

Dal punto di vista della progettazione elettronica, garantire una connessione affidabile con gli elettrodi è di fondamentale importanza per poter acquisire segnali caratterizzati da livelli sufficienti in termini di ampiezza e qualità. Sfortunatamente, benchè gli elettrodi di tipo asciutto rappresentino il mezzo più idoneo per garantire un fissaggio adeguato al corpo, essi possono rappresentare un circuito caratterizzato da un’elevata impedenza durante gli stadi iniziali dell’allenamento, con conseguente attenuazione del segnale. Una condizione di questo tipo permane finché il livello di allenamento ha raggiunto il punto in cui la persona inizia a sudare. Il front end analogico (AFE) del dispositivo preposto al rilevamento della frequenza cardiaca deve quindi essere progettato in modo da prevedere un ingresso a elevata impedenza per ottenere in ingresso il miglior segnale possibile (ovvero con la minore attenuazione). In caso contrario si potrebbero verificare  errori nel rilevamento della frequenza cardiaca, noti come “dry start”. MAX30003 di Maxim Integrated è un AFE (Analog Front End) completo per applicazioni che prevedono la misura dei biopotenziali mediante EGC il cui schema a blocchi funzionale è riportato in figura 2.

Figura 2: Schema a blocchi funzionale dell’AFE MAX30003 (fonte: Maxim Integrated).

MAX30003 è un dispositivo a bassissima consumo che può essere utilizzato sia in applicazioni cliniche sia per la valutazione delle prestazioni sportive. Esso prevede un singolo canale per il rilevamento del biopotenziale che fa ricorso a due elettrodi. Questo componente prevede numerose funzionalità tipiche dei front end analogici come protezione contro interferenze elettromagnetiche/scariche elettrostatiche (EMI/ESD), verifica di lead on/ff (per controllare che gli elettrodi siano collegati al paziente) oltre a numerose opzioni in termini di calibrazioni, polarità e polarizzazione delle derivazioni (ovvero le linee che uniscono gli elettrodi). Data la presenza di un collegamento elettrico con il corpo umano, la protezione ESD contro il sovrapilotaggio degli ingressi, che si verifica ad esempio durante la defibrillazione, è di fondamentale importanza. Allo stesso modo, la possibilità di rilevare se le derivazioni sono collegate al corpo consente la sincronizzazione (gating) del cardiofrequenzimetro quando non è collegato (Fig. 3).

Figura 3: Blocchi funzionali di ingresso del front end analogico – fonte Maxim Integrated

Un altro elemento importante da prendere in considerazione per ottenere un rilevamento affidabile della frequenza cardiaca, in particolar modo nei progetti destinati ad applicazioni sportive e per la verifica della forma fisica, è la reiezione (o attenuazione) dei fenomeni ascrivibili al movimento. Gli artefatti (ovvero i disturbi) imputabili al movimento si manifestano sul segnale “R” e sono il risultato di diversi fattori: movimenti del corpo durante gli esercizi, movimento dei vestiti contro il corpo e movimento degli elettrodi della fascia toracica contro il corpo. Per ridurre ed eliminare interferenze di questo tipo si fa ricorso a una serie di filtri passa-basso e passa-alto: operazioni di questo tipo si svolgono lungo il percorso del segnale analogico prima del processo di conversione A/D ad alta risoluzione, come mostrato in figura 2.

L’altro metodo per la misura della frequenza cardiaca utilizzato nei più diffusi dispositivi per il monitoraggio della forma fisica da polso come quelli prodotti da Fitbit è quello di tipo ottico. A differenza di quel che accade per i prodotti che utilizzano l’ECG, i dispositivi da polso sono indubbiamente più comodi da indossare notte e giorno per cui i progettisti possono integrare altre funzionalità utili come ad esempio timer, allarmi e ricevitori GNSS che rappresentano un elemento di differenziazione di un prodotto rispetto a quelli della concorrenza. Senza dimenticare la possibilità di modificare l’estetica per adeguarla alle esigenza di una molteplicità di applicazioni e di casi d’uso. Una o più sorgenti a LED, tipicamente verdi con una lunghezza d’onda di 560 nm, emettono un fascio di luce attraverso la pelle e il segnale riflesso viene rilevato da un fotodiodo: in questo caso la luce viene modulata in ampiezza dalla frequenza cardiaca della persona sottoposta alla prova. Questa tecnica, denominata fotopletismografia (PPG), viene usata per rilevare le variazioni del flusso del volume sanguigno, che si verificano in corrispondenza di ogni battito cardiaco, nei vasi situati nel derma. Maggiore è la variazione del volume sanguigno, maggiore sarà la quantità di luce riflessa ricevuta (Fig. 4).

Figura 4: La tecnica PPG prevede l’uso di un LED e di un fotodiodo – fonte: Maxim Integrated.

Sfortunatamente, a differenza dei cardiofrequenzimetri (HRM – Heart Rate Monitor) che vengono indossati nel corso di esami clinici, dove i movimenti dei pazienti sono prevedibili, il rilevamento della frequenza cardiaca di una persona impegnata in un’attività sportiva è un compito decisamente più difficile. Come si vedrà a breve, sono numerose le modalità che provocano l’introduzione di artefatti imputabili al movimento, ovvero segnali non validi che possono alterare le lettura della frequenza cardiaca. Senza dimenticare il fotodiodo può anche erroneamente rilevare parte della luce ambiente, penalizzando in tal modo l’affidabilità del rilevamento della frequenza cardiaca.

Nel momento in cui si procede alla scelta di un circuito integrato per lo sviluppo di dispositivi da polso, è importante optare per un dispositivo che integri funzionalità in grado di contrastare efficacemente gli effetti degli artefatti di movimento e di eliminare la luce ambiente. Un esempio è la serie di sensori per la rilevazione della frequenza cardiaca e la pulsossimetria ottica MAX8614x di Maxim Integrated . La serie è composta da due sensori, MAX86140 – un dispositivo con un singolo canale di lettura ottica e  MAX86141 – un circuito integrato a due canali, che sono completati dalla piattaforma di valutazione  MAX86140EVSYS (fig. 5). Si tratta di circuiti integrati a bassissimo consumo, (caratterizzati da assorbimenti di corrente di soli 10 µA nel funzionamento a basso consumo) che dispongono di tre circuiti di pilotaggio (driver) per LED programmabili a elevata corrente. Sul lato ricezione un front end analogico a basso rumore include un convertitore A/D a 19 bit oltre ad algoritmi per l’eliminazione della luce ambiente.

Figura 5: Schema a blocchi funzionale dei dispositivi MAX86140 e MAX86141 di Maxim Integrated

Sono due le fonti primarie di artefatti dovuti ai movimenti che possono interferire con il segnale PPG desiderato: il movimento del dispositivo indossabile sul polso e il movimento del sangue ascrivibile al movimento del corpo. Questi disturbi devono essere isolati dal segnale PPG e l’approccio più semplice prevede l’integrazione di un accelerometro all’interno del dispositivo indossabile per rilevare il movimento del portatore. Il calcolo della frequenza del movimento permette di eliminare gli artefatti dovuti al movimento stesso dal segnale PPG. Se il movimento è regolare, come nel caso di una persona che pedala su una strada piana, le frequenze da eliminare sono relativamente costanti. Nel caso invece di movimenti irregolari, il rilevamento delle frequenze da eliminare è un compito decisamente più complesso. In casi come questi, l’approccio senza dubbio più valido prevede l’utilizzo di più percorsi del segnale ottico abbinato ad algoritmi sviluppati “ad hoc”. L’impiego di un singolo LED e di due fotodiodi è l’approccio più efficiente in termini di consumi e permette di diversificare il segnale ottico. Il dispositivo MAX86141 di Maxim Integrated utilizza appunto una modalità di questo tipo per fornire la compensazione del movimento utilizzando un accelerometro e un doppio percorso del segnale ottico ridondante. Ciascun percorso ottico ha un proprio algoritmo, e le uscite sono opportunamente correlate per fornire una misura della frequenza cardiaca più affidabile e accurata.

Per quanto riguarda la reiezione della luce ambiente, il progetto della disposizione fisica del LED e del fotodiodo ha un impatto significativo sull’efficacia della soluzione. Per proteggere in modo adeguato il fotodiodo, in modo che non riceva la maggior parte della luce ambiente, una soluzione può essere quella di posizionarlo il più lontano possibile dal bordo del dispositivo indossabile, solitamente tra i due LED. In un dispositivo tipico, come ad esempio Fitbit Blaze, i LED e il fotodiodo sono posizionati sullo strato in rilievo rispetto alla base. Nel manuale di istruzioni di questo dispositivo si raccomanda all’utilizzatore di stringere bene la cinghia durante l’allenamento in modo da garantire un accoppiamento molto stretto tra la pelle e lo strato in rilevo, in modo da garantire la configurazione del percorso diretto della luce ottimale per garantire misure affidabili della frequenza cardiaca. Quasi inutile ricordare che è necessario evitare l’insorgere di fenomeni di diafonia (crosstalk) tra il fotodiodo e i LED ai capi dello strato in rilievo mediante il ricorso a una barriera fisica. Tra le fonti di luce ambientale indesiderate si possono annoverare l’illuminazione degli uffici, i display dei computer e gli schermi televisivi. Poichè le frequenze di queste sorgenti luminose si trovano, almeno in teoria, nella stessa banda utilizzata per la misura della frequenza cardiaca, è necessario porre estrema attenzione nello sviluppo degli algoritmi e nell’implementazione di tecniche di reiezione adeguate. Un’altra fonte di luce ambientale indesiderata potrebbe essere quella del display dello stesso bracciale. Il progetto industriale del cardiofrequenzimetro deve garantire l’assenza di percorsi luminosi diretti o indiretti dal display al fotodiodo.

Figura 6: Il kit di valutazione MAX86140 EVSYS di Maxim Integrated (fonte Maxim Integrated).

La fase di prototipazione di un dispositivo per il monitoraggio della salute e della forma fisica risulta estremamente semplificata grazie alle due piattaforme sviluppate da Maxim Integrated. MAX86140 EVSYS (Fig. 6) mette a disposizione un sistema di valutazione completo per i dispositivi MAX86140 (a canale ottico singolo) e MAX86141 (a canale ottico doppio). La scheda integra anche un accelerometro e un algoritmo proprietario messo a punto da Maxim per la cancellazione della luce ambiente. Grazie a un’interfaccia grafica (GUI) di facile comprensione (Fig. 7) è possibile effettuare una configurazione completa della piattaforma di valutazione.

Figura 7: Il software di valutazione della GUI della piattaforma MAX86140 EVSYS di Maxim Integrated

La seconda proposta,  MAX-HEALTH-BAND (Fig. 8) è una piattaforma completamente funzionante che funge da monitor da polso per la valutazione dello stato di salute e della forma fisica. Questo sistema di monitoraggio include il dispositivo MAX86140 oltre a MAX20303, un circuito integrato per la gestione della potenza espressamente ideato per dispositivi indossabili. Questa piattaforma fornisce sia i dati originali dai sensori sia i risultati dell’algoritmo a una app caricata sullo smartphone attraverso una connessione Bluetooth in modo da semplificare lo sviluppo degli algoritmi degli utilizzatori. Sono altresì disponibili i dati dell’accelerometro e PPG originali. La piattaforma MAX-HEALTH-BAND include anche il software per conteggiare i passi, classificare il tipo di attività e monitorare la variabilità della frequenza cardiaca (HRV – Heart Rate Variability).

Figura 8: La piattaforma MAX-HEALTH-BAND di Maxim Integrated (fonte: Maxim Integrated).

L’integrazione di un cardiofrequenzimetro in un dispositivo indossabile permette ai costruttori di differenziare la propria offerta. A ciò è possibile aggiungere ulteriori funzionalità come ad esempio il conteggio dei passi e il calcolo delle calorie consumate. I dispositivi a elevato grado di integrazione illustrati in questo articolo, unitamente ai relativi kit di valutazione, forniscono un metodo affidabile e collaudato per la rapida prototipazione di un progetto.

Mark Patrick, Mouser Europe (nella foto)

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