mercoledì 28 ottobre 2015

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
Presentazione estesa, rev 20-12-2015
Sommario


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