Risultati preliminari di un nuovo monitor ottico della pressione sanguigna

Il controllo continuo, non invasivo, della pressione sanguigna è di notevole interesse per la scelta delle cure idonee al mantenimento della pressione entro limiti accettabile e per individuare le cause scatenanti delle crisi, anche notturne di pressione.
In questo lavoro sono presentati i primi risultati ottenuti con un prototipo in via i sviluppo.
Articolo presentato a 60° Congresso Nazionale SIGG 25-28 Nov 15
Precentazione estesa rev 20-12-2015
Sommario

VEDI PURE

Presentazione sulla progettazione del sistema

Autori

Ferla Giuseppe STMicroelectronics ~ Catania

Maugeri Domenico Università ~ Catania

Carnazzo Giuseppe ASP ~ Catania

Oreggia Daniele Università ~ Palermo

Busacca Alessandro Università ~ Palermo

Giaconia Costantino Università ~ Palermo

Fallica Giorgio STMicroelectronics ~ Catania

Premessa

Il controllo della pressione nel soggetto anziano è essenziale per evitare gli effetti negativi sul

sistema cardiocircolatorio e soprattutto l’insorgenza di ictus con conseguente degrado delle

funzioni cognitive o della autosufficienza. Particolarmente pericolosi sono i repentini aumenti di

pressione che possono presentarsi a causa delle variazioni dei parametri fisiologici che si

manifestano poco prima del risveglio. Un monitor continuo, non invasivo battito per battito, della

pressione sanguigna può consentire sia la scelta dei farmaci più appropriata, che una migliore

comprensione delle caratteristiche del paziente. Il corpo umano è relativamente trasparente

alla luce del vicino infrarosso per lunghezze d’onda fra i 700 ed i 950 nm. Le tecniche relative

hanno avuto grande sviluppo soprattutto per la studio dell’attività del cervello, fNIRS (funzional

Near Infrared Spettroscopy). Il segnale ottico risente delle variazioni di volume indotte dalla

circolazione sanguigna, per cui sono state sviluppate varie tecniche, tutte derivate dalla PPG

(photoplethysmography), che consentono varie misure come il tempo di transito e/o la velocità

del sangue. Con di due o più lunghezze d’onda si possono estrarre dal segnale ottico

informazioni relative sia al volume di sangue che alla sua saturazione: da qui la possibilità di

estrarre varie grandezze fisiologiche come il consumo metabolico di un distretto di cui sia visibile

all'infrarosso l’arteria che apporta sangue. La carotide, l’arteria brachiale e la radiale rientrano

fra quelle visibili all'infrarosso

Obiettivo

Scopo del lavoro è quello di avere una caratterizzazione preliminare del ciclo cardiaco e delle

distorsioni generate dal sistema arterioso. Il campione di riferimento è costituito da 7 persone

sane, cinque dei quali maratoneti, con età fra i 40 ed i 74 anni. Il sistema utilizzato per l’ECG è

quello in sviluppo in STMicroelectronics di prossima commercializzazione. Il sistema PPG

utilizzato è stato messo a punto dai colleghi dell’Università di Palermo nell'ambito del

programma europeo High Profile ultimato a metà dello scorso anno avente come obiettivo

l’indagine funzionale del cervello. Il sistema sviluppato è molto flessibile ed ha 128 pixel, ma per

questo lavoro ne è stato utilizzato solo uno. il lavoro presentato non ha alcun finanziamento e

molta dell’attività svolta è dovuta all'entusiasmo di molti postdoc.

L’importanza del monitor

continuo è fuori discussione, ma molti gruppi hanno abbandonato per varie ragioni. Si ritiene

che il progresso della microelettronica è tale da rendere possibile ciò che fino a pochi anni fa

era impensabile inoltre il sistema utilizzato fa uso un sensore ottico di elevatissima sensibilità

che ne migliora le prestazioni.

Risultati

Due sono i risultati originali ottenuti in questo lavoro. Dalle analisi dell’ECG risulta che alcuni dei

parametri sono molto più costanti di quanto riportato in letteratura. In particolare il QT a riposo

risulta tre volte più uniforme di quanto riportato in letteratura. Altro risultato riguarda il

complesso QRS che ha una correlazione negativa con la respirazione: cioè mentre RR e QT

aumentano la loro durata quando si espira il gruppo QRS riduce la sua durata. Si tratta di

millisecondi ed il sistema utilizzato dovrebbe esserne per migliorata la precisione. Inoltre il

campione utilizzato è un po’ particolare, tuttavia ha il vantaggio di essere molto uniforme. Il

secondo risultato riguarda la distorsione che la gittata cardiaca subisce dal cuore nel percorso

dall'aorta all'arteria brachiale ed all'arteria radiale. Indagine di questo tipo sono stati condotti

con sistemi totalmente invasivi (catetere). Il segnale PPG ha un fronte di salita che rispecchia

l’apertura della valvola dell’aorta con il conseguente aumento della pressione nel sistema

arterioso. Dopo l’apertura dell’aorta il ventricolo può contrarsi quindi la pressione ventricolare

comincia a diminuire, perché il cuore come tutti i muscoli esercita meno forza quando comincia

a compiere un lavoro positivo. La chiusura dell’aorta è visibile come punto di flesso nel segnale

PPG, si può quindi misurare la durata della contrazione ventricolare come vista dall'arteria che

si guarda (all'infrarosso). La figura allegata illustra quanto descritto. Il segnale cardiaco è stato

ritardato in modo da allineare l'apertura dell’aorta come vista con l'ECG con il punto equivalente

visto con il PPG. Si vede abbastanza chiaramente che il segnale risulta allungato di circa 60

millisecondi

Conclusioni

I risultati mostrati sono del tutto preliminari ed entrambi i sistemi utilizzati devono essere

migliorati, tuttavia sono già in grado di migliorare le nostre conoscenze di fisiologia o meglio di

darne una quantificazione numerica. Il prossimo passo sarà la conferma dei risultati ottenuti su

un campione più ampio e la esecuzione di prove di prove sotto sforzo in modo da indurre

variazione di pressione e di gittata cardiaca. Tuttavia è prevedibile che occorrerà del tempo

prima che il sistema possa essere usato in movimento o sotto sforzo.

Allegato

Bibbliografia

1. Berger D. Ronald, Kasper K. Edward, Baughman L. Kenneth, et all BeattoBeat Interval Variability Circulation. 1997.96: 15571565
2. G. Adamo, D. Agro, S. Stivala, A. Busacca, M. Mazzillo, D. Sanfilippo, G. Fallica. Measurements of Silicon Photomultipliers Responsivity in Continuous Wave Regime.
3. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 60, No. 11, pp. 37183725, 2013 G. Adamo, D. Agrò, S. Stivala, A. Parisi, C. Giaconia, A.C. Busacca, G. Fallica SNR measurements of silicon photomultipliers in the continuous wave regime Paper no. 899043, Photonics West 2014 Silicon Photonics IX, Feb. 2014, San Francisco, USA