IT202100020627A1 - Dispositivo di monitoraggio dello stato di salute e relativo metodo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"DISPOSITIVO DI MONITORAGGIO DELLO STATO DI SALUTE E RELATIVO METODO"

La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo di monitoraggio dello stato di salute e al relativo metodo.

Come ? noto, il rilevamento di parametri cardiaci in un essere vivente rappresenta uno degli strumenti di base per verificarne lo stato di salute.

A tale scopo, viene comunemente usato un tracciato elettrocardiografico o elettrocardiogramma (ECG) che sfrutta i campi elettrici presenti sul corpo, dovuti alle periodiche depolarizzazioni e ripolarizzazioni del cuore. Infatti, dal punto di vista elettrico, il cuore ? equivalente ad un dipolo elettrico che genera una tensione variabile sul corpo. Tale tensione ? rilevabile direttamente mediante elettrodi applicati al corpo e in grado di fornire un corrispondente segnale elettrico. Sulla base del tracciato ? quindi possibile misurare alcuni parametri cardiaci, quali ad esempio la frequenza cardiaca (chiamata anche battito) e le durate di specifici intervalli.

Da pi? di cent'anni, nella pratica medica, l'ECG viene ottenuto utilizzando macchine pi? o meno ingombranti, chiamate elettrocardiografi, che trasformano le variazioni di potenziale associate all'attivit? cardiaca nel tracciato elettrocardiografico, riportato su carta millimetrata standard, per consentire facili misurazioni.

Tali elettrocardiografi vengono impiegati tipicamente per uso umano e anche in campo veterinario, in particolare di caso di mammiferi.

Per consentire il monitoraggio dell'attivit? cardiaca di un paziente anche al di fuori dell'ambito ospedaliero o di studi medici, sono anche gi? stati proposti dispositivi indossabili. Tali dispositivi sono in grado di acquisire e memorizzare il segnale elettrico associato all'attivit? cardiaca, nonch? di misurarne i parametri principali.

Ad esempio, sul mercato sono presenti dispositivi di monitoraggio a forma di cerotto, che vengono applicati al corpo e comprendono degli elettrodi. Tali cerotti comprendono inoltre una batteria per l'alimentazione del dispositivo e un'unit? di trasmissione, ad esempio di tipo wireless, per la comunicazione con un dispositivo esterno di elaborazione. Il dispositivo esterno, sulla base dei segnali ricevuti e di algoritmi particolari, pu? fornire informazioni sullo stato di salute del paziente.

Tali dispositivi si sono tuttavia dimostrati non completamente affidabili, in quanto il segnale monitorato ? fortemente influenzato dallo stato di movimento dell'essere vivente monitorato. In particolare, il movimento dell'essere vivente monitorato pu? causare la presenza di artefatti che non sono facili da riconoscere e da distinguere dai battiti e quindi possono essere interpretati in modo non corretto.

Per risolvere tale problema, ? gi? stato proposto di associare al dispositivo indossabile un'unit? di rilevamento del moto quale un accelerometro e/o di introdurre filtri per filtrare via componenti a frequenza diversa da quella tipica del muscolo cardiaco, a riposo o sotto sforzo.

Tuttavia, tali componenti comportano un aumento indesiderabile delle dimensioni dei dispositivi e non possono essere quindi introdotti nel dispositivo indossabile; inoltre, essi non riescono comunque a eliminare completamente gli artefatti.

Scopo della presente invenzione ? realizzare un dispositivo di monitoraggio che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo di monitoraggio dello stato di salute e il relativo metodo, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 ? mostra un esempio di tracciato elettrocardiografico (ECG) acquisito in un paziente umano;

- la figura 2 mostra una porzione del tracciato elettrocardiografico di figura 1, relativa ad un ciclo cardiaco ed evidenziante le fasi principali;

- la figura 3 mostra l'andamento di un segnale elettrico costituente un segnale elettrocardiografico utilizzato qui;

- la figura 4 mostra l'andamento di un segnale elettrico ottenibile mediante filtraggio del segnale elettrocardiografico di figura 3;

- la figura 5 mostra l'andamento di un segnale ottenibile mediante rilevamento dei picchi del segnale filtrato di figura 4;

- la figura 6 ? uno schema a blocchi di un dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di un essere vivente, sulla base del segnale elettrico di figura 3;

- la figura 7 mostra una possibile applicazione del presente dispositivo di monitoraggio dello stato di salute in un apparecchio dotato di elettrodi per il rilevamento del segnale elettrocardiografico di figura 3 sul corpo di una persona;

- la figura 8 mostra una diversa applicazione del presente dispositivo di monitoraggio dello stato di salute all'interno di un calcolatore portatile;

- la figura 9 ? uno schema elettrico semplificato di un'implementazione di sensore di potenziale elettrico previsto nel dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6;

- la figura 10 ? uno schema a blocchi relativo ad un modulo di filtraggio utilizzabile nel dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6;

- la figura 11 ? uno schema a blocchi relativo alla struttura hardware di un un'unit? di elaborazione del dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6;

- la figura 12 ? uno schema a blocchi di un modulo di estrazione di caratteristiche del segnale elettrocardiografico del dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6;

- la figura 13 ? uno schema di flusso relativo ad operazioni che possono essere eseguite dal modulo di estrazione di parametri del segnale elettrocardiografico di figura 12;

- la figura 14 mostra una porzione del segnale elettrocardiografico di figura 3 evidenziante campioni utilizzabili dal modulo di estrazione di parametri del segnale elettrocardiografico di figura 12;

- la figura 15 ? uno schema a blocchi relativo ad un modulo di estrazione di parametri di un segnale di movimento utilizzabile dal dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6;

- la figura 16 mostra un possibile codice utilizzabile da un'unit? decisionale appartenente al dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6;

- la figura 17 ? uno schema a blocchi relativo ad un'altra forma di realizzazione del presente dispositivo di monitoraggio dello stato di salute; e

- la figura 18 ? uno schema a blocchi di un generico modulo di estrazione di parametri utilizzabile nel dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di figura 6 o di figura 17.

Nel seguito, si far? riferimento ad un dispositivo di monitoraggio dello stato di salute di una persona, sulla base di parametri cardiaci. Tuttavia, il dispositivo descritto ? utilmente utilizzabile anche per il monitoraggio della salute in campo veterinario, ad esempio per mammiferi, quindi il riferimento a ?persone? non deve essere inteso in modo limitativo, e l'espressione ?corpo di una persona? deve essere inteso a coprire anche il corpo di animali, con ovvi adattamenti per quanto riguarda i valori di riferimento e i parametri cardiaci.

Inoltre, bench? la descrizione seguente faccia riferimento al monitoraggio della frequenza cardiaca HR e dell'intervallo QRS, altri parametri possono essere monitorati, come descritto in dettaglio in seguito.

Ancora, nella descrizione che segue, e in modo noto al tecnico del ramo, la divisione in blocchi funzionali mostrata ha uno scopo solo illustrativo e rappresenta solo una delle possibili soluzioni; quindi le diverse funzioni descritte possono essere raggruppate diversamente e l'esecuzione di alcune funzioni pu? essere demandata a blocchi funzionali diversi, in particolare ad un blocco funzionale precedente o successivo nella sequenza di elaborazione, in base alle preferenze del progettista, in modo ovvio al tecnico del ramo.

Con riferimento alle figure, la figura 1 mostra un esempio di tracciato elettrocardiografico come rilevato tramite un cardiografo. Come noto, e visibile in figura 1, il tracciato comprende una serie di cicli di andamento simile, che presentano picchi e valli tipici, utilizzati per la misura dei parametri cardiaci. Ad esempio, ciascun ciclo presenta un picco massimo facilmente riconoscibile, utilizzato normalmente per rilevare la frequenza cardiaca (o ?battito cardiaco?), misurata tradizionalmente come numero di tali picchi in un minuto e generalmente identificato dalla sigla FC o HR (dall'inglese heart rate).

La figura 1 evidenzia il periodo o durata T1, T2, ? di alcuni cicli del tracciato elettrocardiografico di figura 1.

La figura 2 mostra in scala temporalmente dilatata un singolo ciclo cardiaco. Come si nota, il ciclo ? caratterizzato da una serie di picchi positivi, tradizionalmente identificati dalle lettere P, R e T e rappresentanti i massimi di rispettive, omonime onde, intervallati da una serie di picchi negativi, tradizionalmente identificati dalle lettere Q e S e rappresentanti i minimi di rispettive, omonime onde, nonch? da tratti piatti (cosiddetti segmenti PR e ST).

Di questi, un parametro particolarmente importante nella valutazione della salute consiste nella durata del tratto compreso fra l'inizio dell'onda Q e la fine dell'onda S, chiamato ?intervallo QRS? o ?QRS interval?), corrispondente al tempo di depolarizzazione dei ventricoli cardiaci.

La figura 2 evidenzia altri parametri importanti nel ciclo cardiaco, includenti l'intervallo PR, l'intervallo QT, il segmento PR e il segmento ST.

La figura 6 mostra un dispositivo di monitoraggio della salute basato sul rilevamento di parametri cardiaci a partire da un segnale elettrico (segnale elettrocardiografico, in seguito indicato come segnale ECG) rilevato sul corpo di una persona. Il dispositivo verr? indicato in seguito come dispositivo di monitoraggio 1.

A tale proposito si segnala che, sebbene nell'acquisizione del tracciato elettrocardiografico tramite un elettrocardiografo tradizionale gli elettrodi debbano essere posizionati in punti precisi del corpo per ottenere un tracciato normalizzato, i parametri principali, quale il battito, ma in generale l'intero andamento del ciclo cardiaco, possono essere rilevati su tutto il corpo.

Nel dispositivo di monitoraggio 1 descritto, quindi, la frequenza cardiaca e gli altri parametri monitorati possono essere ricavati da misure effettuate in varie parti del corpo, ad esempio sul polso, sul lato del collo, sul retro delle ginocchia, sulla cima del piede, all'inguine o sulle dita, usando elettrodi comuni o opportunamente disposti, come discusso pi? avanti.

Con riferimento alla figura 6, il dispositivo di monitoraggio 1 ? un dispositivo incapsulato, comprendente una prima piastrina (?die?) 4, di materiale semiconduttore, integrante un sensore MEMS, ed una seconda piastrina 5, di materiale semiconduttore, formante un ASIC (?Application-Specific Integrated Circuit?) e implementante diverse funzioni, come sotto descritto.

La prima e la seconda piastrina 4, 5 sono riunite in un unico involucro o incapsulamento e formano un ?chip? 10 avente qui una coppia di ingressi 2A, 2B e un'uscita 3.

Gli ingressi 2A, 2B sono configurati in modo da poter essere accoppiati ciascuno ad un rispettivo connettore esterno 11A, 11B attraverso una rispettiva linea 6A, 6B.

Ad esempio, le linee 6A, 6B possono essere costituite da fili o piste conduttive su una piastra a circuito stampato (non mostrata) e collegano due piedini del chip 10 (formanti gli ingressi 2A, 2B) al rispettivo contatto esterno 11A, 11B.

Secondo una possibile implementazione, mostrata in figura 7, il chip 10 pu? essere alloggiato in un contenitore 9, ad esempio di un apparecchio di monitoraggio monofunzionale. In alternativa, il contenitore 9 pu? essere fissato su un cerotto adesivo dotato di elettrodi, applicabile direttamente al corpo di una persona.

In entrambi i casi, i contatti esterni 11A, 11B possono essere costituiti da connettori femmina di tipo jack oppure bottoni maschio/femmina o simili, accessibili dall'esterno del contenitore 9 e accoppiabili, tramite rispettivi connettori femmina/maschio (non mostrati), a fili 7A, 7B. I fili 7A, 7B sono a loro volta fissati o accoppiabili a elettrodi monouso 8A, 8B, come mostrato in figura 7. In alternativa, i contatti esterni 11A, 11B possono essere costituiti da connessioni fisse, saldate ad una piastra a circuito stampato (non mostrata) all'interno del contenitore 9, e i fili 7A, 7B sporgono direttamente dal contenitore 9.

Secondo una diversa forma di realizzazione, mostrata in figura 8, il chip 10 ? alloggiato in un calcolatore personale 200, ad esempio un calcolatore portatile, un laptop, un notebook, un tablet o simili.

Qui, il calcolatore personale 200 ha due piazzole (?pad?) 12A e 12B costituenti i contatti esterni 11A, 11B di figura 6. In questo caso, come spiegato in seguito, l'acquisizione del segnale elettrocardiografico pu? avvenire appoggiando due dita sulle piazzole 12A, 12B.

In figura 6, l'uscita 3 pu? essere costituita da un connettore esterno o da un'unit? di trasmissione per connessione senza filo ad un processore esterno (host processor) 14 dotato ad esempio di un'unit? di connessione BLE (Bluetooth Low Energy) o di un'unit? di segnalazione ottica (ad esempio uno o pi? LED) configurata per visualizzare il risultato del monitoraggio o per segnalare parametri normali/anormali mediante emissione di luce di differente colore.

Ad esempio, nel caso di dispositivo di monitoraggio 1 alloggiato nel contenitore 9 (figura 7), il processore esterno 14 pu? essere contenuto nello stesso contenitore 9; in alternativa esso pu? essere esterno a questo, come mostrato da linee tratteggiate.

Nel caso in cui il dispositivo di monitoraggio 1 sia alloggiato nel calcolatore personale 200 di figura 8, il processore esterno 14 pu? essere costituito dall'unit? centrale o da un processore del calcolatore personale 200.

Con riferimento nuovamente alla figura 6, il dispositivo di monitoraggio 1 comprende un rilevatore di segnale elettrocardiografico (rilevatore ECG 15); un convertitore analogico-digitale ECG 20; un sensore di movimento 16; un convertitore analogico-digitale (ADC) movimento 17; un'unit? di filtraggio 19; un'unit? di elaborazione 18; e alcuni blocchi ausiliari che eseguono funzioni comuni utili per il dispositivo di monitoraggio 1, accoppiati ai blocchi 15-20. Ad esempio, i blocchi ausiliari comprendono qui un circuito d'orologio 29, comprendente un oscillatore interno e destinato a generare un segnale di orologio CK; un blocco di generazione di correnti/tensioni di riferimento 30; e un blocco di gestione energia 35, avente la funzione di alimentare opportunamente gli altri blocchi.

Il rilevatore ECG 15 ? costituito da un rilevatore di potenziale elettrico in grado di rilevare le variazioni di potenziale sul corpo di una persona, dovute all'attivit? cardiaca.

Ad esempio, il rilevatore ECG 15 pu? essere realizzato come mostrato in figura 9.

Il rilevatore ECG 15 di figura 9 comprende uno stadio amplificatore 22 avente ingressi collegati agli ingressi 2A, 2B del dispositivo di monitoraggio 1 e riceventi, in condizione operativa, una tensione di ingresso Vd corrispondente alla differenza di potenziale fra contatti esterni 11A, 11B e quindi fra due punti diversi del corpo della persona monitorata.

Lo stadio amplificatore 22 comprende, secondo una forma di realizzazione esemplificativa, un primo e un secondo amplificatore operazionale OP1 e OP2 ed uno stadio di polarizzazione (buffer) OP3 che ha la funzione di polarizzare lo stadio amplificatore 22 ad una tensione di modo comune VCM.

In dettaglio, gli amplificatori operazionali OP1, OP2 hanno terminali non invertenti accoppiati al primo e, rispettivamente, al secondo ingresso 2A, 2B del dispositivo di monitoraggio 1 e terminali invertenti accoppiati alle rispettive uscite attraverso rispettivi resistori di retroazione R1.

L'ingresso non invertente del secondo amplificatore operazionale OP2 ? anche accoppiato al buffer OP3.

Inoltre, i terminali invertenti del primo e del secondo amplificatore operazionale OP1, OP2 sono accoppiati reciprocamente attraverso un resistore di amplificazione R2 ai cui capi, in condizione operativa, ? presente una tensione pari alla tensione di ingresso Vd; pertanto, in tale condizione, attraverso il resistore di amplificazione R2 scorre una corrente I2=Vd/R2.

La corrente I2 non proviene dai terminali di ingresso degli amplificatori operazionali OP1, OP2 e perci? percorre i due resistori di retroazione R1 accoppiati in serie al resistore di amplificazione R2; la corrente I2, dunque, percorrendo i resistori R1-R2-R1, fra loro accoppiati in serie, produce una tensione di uscita Vd?:

Vd? = (2R1+R2)I2 = (2R1+R2)Vd/R2.

Pertanto, lo stadio amplificatore 22 presenta un guadagno complessivo Ad:

Ad = Vd'/Vd = (2R1+R2)/R2 = 1+2R1/R2.

La tensione di uscita Vd? ? dunque proporzionale al potenziale Vd tra gli ingressi 2A, 2B del dispositivo di monitoraggio 1; in particolare essa ha un andamento corrispondente alla variazione di potenziale esistente sul corpo di un paziente, per effetto dell'attivit? cardiaca.

Ad esempio, la figura 3 mostra l'andamento della tensione di uscita Vd? del rilevatore ECG 15.

Tornando alla figura 6, la tensione di uscita Vd? del rilevatore ECG 15 ? fornita in ingresso al convertitore analogico-digitale ECG 20, che fornisce in uscita un segnale ECG S1 formato da una pluralit? di campioni, in modo di per s? noto. In modo non mostrato, nel convertitore analogicodigitale ECG 20, a valle dei circuiti di digitalizzazione, pu? essere previsto un circuito di normalizzazione, per l'eliminazione dell'offset del segnale ECG S1.

Il sensore di movimento 16 ? costituito da un sensore MEMS (Micro-Electro-Mechannical-System) di tipo inerziale, comprende ad esempio un accelerometro e/o un giroscopio, ed ? configurato per fornire in uscita uno o pi? segnali di movimento M. Ad esempio, il sensore MEMS pu? essere un accelerometro tridimensionale generante in uscita tre segnali di spostamento X, Y, Z (lungo tre assi fra loro perpendicolari), in seguito anche identificati cumulativamente come segnali di spostamento XL. Inoltre, il sensore MEMS pu? essere un giroscopio triassiale e fornire tre segnali di rotazione ?X, ?Y e ?Z (attorno a tre assi fra loro perpendicolari), in seguito anche identificati cumulativamente come segnali di rotazione ?.

In modo non mostrato, il sensore MEMS 16 pu? includere circuiti di amplificazione dei segnali.

In uso, i segnali di movimento M sono forniti al convertitore analogico-digitale movimento 17 e, da questo, all'unit? di filtraggio 19, configurata per fornire in uscita segnali di movimento filtrati M'.

L'unit? di filtraggio 19 pu? essere realizzata come mostrato a titolo esemplificativo in figura 10.

In figura 10, ciascuno dei segnali di spostamento XL (X, Y, Z) ? fornito ad un primo filtro passabasso 32; i campioni filtrati vengono salvati in primi registri 33 e forniti in uscita come segnali di spostamento digitali SX, SY e SZ attraverso una prima interfaccia 34.

Analogamente, ciascuno dei segnali di rotazione ? (?X, ?Y e ?Z) ? fornito ad un secondo filtro passabasso 42; i campioni di rotazione filtrati vengono salvati in secondi registri 43 e forniti in uscita come segnali di rotazione digitali SP, SR e SY attraverso una seconda interfaccia 44.

I segnali di spostamento digitali SX, SY e SZ e/o i segnali di rotazione digitali SP, SR e SY costituiscono i segnali di movimento filtrati M' (figura 6).

Con riferimento nuovamente alla figura 6, l'unit? di elaborazione 18 comprende una unit? di calcolo parametri ECG 25, accoppiata al convertitore analogico-digitale ECG 20; una unit? di calcolo parametri movimento 26, accoppiata all'unit? di filtraggio 19; ed un'unit? decisionale 27, accoppiata alle unit? di calcolo parametri 25, 26. L'unit? decisionale 27 ? accoppiata all'uscita 3 del dispositivo di monitoraggio 1.

Inoltre, l'unit? di elaborazione 18 pu? comprendere un metaclassificatore 28, accoppiato fra l'uscita dell'unit? decisionale 27 e l'uscita 3 del dispositivo di monitoraggio 1, filtrare i risultati, come spiegato in dettaglio in seguito.

Dal punto di vista strutturale, l'unit? di elaborazione 18 ? costituita da un MLC (machine learning core), avente una struttura mostrata in figura 11 e descritta qui di seguito.

In dettaglio, l'unit? di elaborazione 18 comprende uno o pi? registri 50, riceventi in ingresso il segnale ECG S1 e i segnali di movimento filtrati M', un'unit? di calcolo 51 formata da un cuore aritmetico (?arithmetic core?) o picocontrollore e accoppiata ai registri 50; una memoria programmi 52, ad esempio una ROM (Read Only Memory), accoppiata all'unit? di calcolo 51; e una memoria dati 53, ad esempio una RAM (Random Access Memory), accoppiata anch'essa all'unit? di calcolo 51.

Con riferimento nuovamente alla figura 6, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 ha lo scopo di elaborare il segnale ECG S1 per calcolare alcuni parametri cardiaci di interesse, usati dall'unit? decisionale 27 per la valutazione dello stato di salute. In particolare, nel dispositivo di monitoraggio 1, i parametri cardiaci monitorati sono la frequenza cardiaca HR e l'intervallo QRS.

A tale scopo, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 comprende una unit? di estrazione caratteristiche ECG 36.

Analogamente, l'unit? di calcolo parametri movimento 26 ha lo scopo di elaborare i segnali di movimento filtrati M' per determinare parametri o indicatori di movimento FxR sulla base di caratteristiche (?features?) estratte dai segnali di movimento filtrati M'. A tal scopo, l'unit? di calcolo parametri movimento 26 comprende una unit? di estrazione caratteristiche movimento 37.

Nel dispositivo di monitoraggio 1, le unit? di estrazione caratteristiche 36 e 37 sono configurate in modo da estrarre le rispettive caratteristiche in intervalli definiti da eventi rilevati sui rispettivi segnali. In pratica, durante l'estrazione delle caratteristiche, ciascun evento indica la fine di una valutazione corrente e l'inizio di una nuova valutazione e definisce in tal modo una propria finestra mobile di valutazione.

In seguito, quindi, gli eventi che attivano l'estrazione delle caratteristiche vengono chiamati eventi di attivazione (?triggering events?) e le caratteristiche estratte vengono anche chiamate caratteristiche attivate (?triggered features?).

Nell'esempio di realizzazione descritto, per quanto riguarda il segnale ECG S1, gli eventi di attivazione sono costituiti dal rilevamento di picchi del segnale elettrocardiografico (e pi? precisamente del suo segnale ECG S1) e le caratteristiche attivate consistono nella durata (tempo fra due eventi di attivazione).

Inoltre, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 potrebbe calcolare parametri diversi (quali ad esempio la durata del ciclo ECG o la durata di diversi intervalli clinici, quale l'intervallo PR o il segmento PR, o anche l'altezza delle onde P, Q, R, S e/o T, si veda la figura 2) sulla base di differenti caratteristiche attivate.

Ad esempio, la figura 12 mostra la struttura di una possibile implementazione logica della unit? di calcolo parametri ECG 25 per la determinazione della frequenza cardiaca HR e dell?intervallo QRS.

L'unit? di calcolo parametri ECG 25 di figura 12 comprende:

un filtro passa-alto 56, configurato per ricevere in ingresso il segnale ECG S1 e fornire in uscita un segnale ECG filtrato S1' (rappresentato in figura 4 come segnale analogico, sebbene esso sia un segnale digitale, composto da una pluralit? di campioni, come indicato sopra). Ad esempio, se il segnale ECG S1 ? campionato ad una frequenza di 50 Hz, il filtro passa-alto 56 pu? presentare frequenza di taglio a 3 dB di 10 Hz. Come si nota, nel segnale ECG filtrato S1' non sono pi? presenti i picchi dovuti all'onda R e i picchi positivi presenti corrispondono ai minimi delle onde Q e S del segnale ECG (figura 2);

un primo modulo di rilevamento picco 57, operante sulla base di una prima soglia, Th1, e configurato per ricevere il segnale ECG filtrato S1' e fornire in uscita informazioni correlate al valore temporale Ti in cui si verifica ciascun picco, ovvero l'istante in cui il segnale ECG filtrato S1' supera la prima soglia Th1. La prima soglia Th1 ? ad es. 5, correlata all'ampiezza massima del segnale ECG filtrato S1' in corrispondenza delle onde Q e S della tensione di uscita Vd' (figura 2);

un primo registro picchi 58, configurato per ricevere gli istanti temporali Ti-1 e Ti;

un modulo di calcolo dell?intervallo QRS, configurato per ricevere gli istanti temporali Ti-1 e Ti e calcolarne la distanza. Il risultato di tale operazione viene fornito in uscita come segnale intervallo QRS;

un secondo modulo di rilevamento picco 60, operante sulla base di una seconda soglia, Th2, e configurato per ricevere il segnale ECG filtrato S1' e fornire in uscita informazioni correlate al valore temporale Tj in cui si verifica ciascun picco, ovvero l'istante in cui il segnale ECG S1 supera la seconda soglia Th2. La seconda soglia Th2 ? ad es. 35, correlata all'ampiezza massima del segnale ECG S1 in corrispondenza dell'onda R della tensione di uscita Vd' (figura 2);

un secondo registro picchi 61, configurato per ricevere gli istanti temporali Tj-1 e Tj; e

un modulo di calcolo della frequenza cardiaca HR, configurato per ricevere gli istanti temporali Tj-1 e Tj e calcolarne la differenza. Il risultato di tale operazione viene fornito in uscita come frequenza cardiaca HR.

In particolare, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 pu? lavorare come descritto qui di seguito con riferimento alla figura 13 per quanto riguarda il calcolo della frequenza cardiaca HR.

In dettaglio, l'esempio di calcolo dell'HR mostrato in figura 13 si basa sul fatto che i campioni del segnale ECG S1 (indicati con C(n)) vengono forniti alla frequenza di campionamento, ad esempio ogni 20 msec, per cui la distanza temporale fra due campioni pu? essere facilmente calcolata sulla base del valore di un contatore azzerato quando viene riconosciuto un primo picco e che viene incrementato al ricevimento di ogni campione, fino ad un campione successivo, quando il contatore viene nuovamente azzerato. In questo modo, il valore di conteggio raggiunto nel momento in cui viene riconosciuto un picco corrisponde alla distanza temporale, in termini di numero di campioni, fra due picchi.

Per maggiore chiarezza illustrativa, si faccia anche riferimento alla figura 14, mostrante un possibile andamento di una generica porzione del segnale ECG S1 composto da campioni C(n), alcuni dei quali mostrati in figura 14.

Con riferimento iniziale alla figura 13, nel passo 65 un contatore n viene azzerato (n=0), vengono acquisiti tre campioni C(n-1), C(n) e C(n+1), e i tre campioni vengono memorizzati come campioni salvati C1, C2, C3.

Quindi, passo 66, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 verifica la condizione (1):

C1<C2 e C2>C3 (1) ovvero viene verificato se il campione salvato intermedio C2 ? maggiore del campione salvato precedente C1 e del campione salvato successivo C3.

In caso negativo (come nel caso del gruppo di campioni indicato con Ci in figura 14), uscita NO dal passo 66, il campione salvato pi? vecchio C1 viene scartato, i campioni salvati C2 e C3 vengono rinominati C1 e C2; viene incrementato il contatore n; viene acquisito un campione successivo C(n+1) e questo viene salvato come C3, passo 67.

I campioni salvati C1-C3 vengono valutati nuovamente nel passo 66 per vedere se si verifica la condizione (1) e la verifica procede con campioni C(i) successivi fino a quando non viene verificata la condizione (1).

In questo caso (come avviene, nell'esempio mostrato in figura 14, per il gruppo di campioni indicato con Ci'), uscita SI dal passo 66, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 verifica se il campione salvato C2 supera la seconda soglia Th2, passo 70.

In caso negativo (uscita NO dal passo 70), l'unit? di estrazione caratteristiche ECG 36 ritorna al passo 67, per la verifica su una terna di campioni successiva.

In caso positivo, uscita SI dal passo 70, il contatore n gi? rappresenta la distanza temporale fra due picchi (tranne che per il primo picco del segnale di cui si dir? sotto); quindi l'unit? di estrazione caratteristiche ECG 36 pu? inviare in uscita tale valore come frequenza cardiaca di conteggio HR(n), passo 71, e azzerare il contatore n, passo 72.

Quindi l'unit? di estrazione caratteristiche ECG 36 procede nuovamente al passo 67, per l'acquisizione di un successivo campione e la verifica della corrispondente terna di campioni.

Come indicato sopra, nel passo 71, la prima identificazione di un picco nel segnale ECG S1, il valore di conteggio n non fornisce un corretto valore di frequenza cardiaca; in questo caso, per evitare che il valore del contatore n venga inviato in uscita, possono essere previsti altri passi, ad esempio usando un flag, avente inizialmente un valore che viene modificato al primo rilevamento di picco, o altre soluzioni ovvie al tecnico del ramo, e quindi non descritte in dettaglio.

Il valore di frequenza cardiaca di conteggio HR(n) cos? calcolato pu? essere utilizzato direttamente dall'unit? decisionale 27 di figura 6 per valutare le condizioni di salute; in alternativa, l'unit? di calcolo parametri ECG 25 pu? trasformare il valore di frequenza cardiaca di conteggio HR(n) nella frequenza cardiaca HR mediante una semplice moltiplicazione per il periodo di campionamento.

L'unit? di calcolo parametri ECG 25 pu? calcolare il complesso QRS in modo del tutto analogo a quanto descritto per la frequenza cardiaca HR, tranne per il fatto che i picchi vengono valutati sul segnale ECG filtrato S1', invece che sul segnale ECG S1, e per il differente valore della soglia utilizzato nel passo 70 (Th1 invece di Th2). In questo caso, la procedura descritta in figura 13 fornisce un valore di complesso QRS di conteggio QRS(n) che pu? essere usato direttamente, o convertito in un valore temporale dall'unit? di calcolo parametri ECG 25 o dall'unit? decisionale 27 di figura 6.

Con riferimento nuovamente alla figura 6, per quanto riguarda ciascun segnale di movimento filtrato M', gli eventi di attivazione sono costituiti dal rilevamento dell'attraversamento dello zero positivo da parte del rispettivo segnale di movimento filtrato M' (quando il segnale di movimento filtrato M' passa per lo zero e, da negativo, diventa positivo, o con derivata positiva), in seguito anche indicato come passaggio per lo zero positivo.

Inoltre, per quanto riguarda ciascun segnale di movimento filtrato M', le caratteristiche attivate possono consistere nel valore picco-picco (ampiezza del segnale fra un picco massimo e un picco minimo fra due eventi di attivazione, ovvero fra due passaggi per lo zero positivo), energia (somma del quadrato delle ampiezze del segnale di movimento filtrato M' fra due eventi di attivazione) e durata (tempo fra due eventi di attivazione). Come spiegato sotto, tuttavia, ? possibile scegliere un diverso evento di attivazione, quale il passaggio per lo zero (da positivo a negativo, ?passaggio per lo zero o attraversamento dello zero negativo?) e/o diverse caratteristiche attivate.

In pratica, il valore picco-picco, l'energia e la durata rappresentano gli indicatori di movimento FxR forniti dall'unit? di calcolo parametri movimento 26 all'unit? decisionale 27.

La figura 15 mostra la struttura di una possibile implementazione logica della unit? di calcolo parametri movimento. In generale, l'unit? di calcolo parametri movimento 26 opera su ciascuno dei segnali di movimento M indipendentemente uno dall'altro, per cui i parametri di movimento FxR sono forniti sotto forma di matrice.

Di seguito, la descrizione fa riferimento ad un generico segnale di spostamento digitale XL', rappresentativo di uno dei segnali di spostamento digitali SX, SY e SZ e quanto decritto si applica separatamente anche agli altri segnali di spostamento digitali SX, SY e SZ. Analoga elaborazione pu? essere utilizzata anche per i segnali di rotazione digitali SP, SR e SY.

Nell'esempio di realizzazione descritto, l'unit? di estrazione caratteristiche movimento 26 rileva l'attraversamento dello zero del segnale di spostamento digitale XL' con derivata positiva, come evento di attivazione, e calcola almeno una caratteristica fra energia, valore picco-picco e durata come caratteristica attivata.

In dettaglio, l'unit? di estrazione caratteristiche movimento 26 di figura 15 comprende:

un modulo di rilevamento di attraversamento dello zero positivo 75, configurato per ricevere il segnale di spostamento digitale XL' e fornire in uscita un segnale di attraversamento di zero positivo PZCT. Tale segnale ? costituito concettualmente da una pluralit? di impulsi, uno ad ogni rilevamento di un passaggio per lo zero (da negativo a positivo) del segnale di spostamento digitale XL';

un modulo di determinazione escursione picco-picco 76, configurato per ricevere il segnale di spostamento digitale XL' e il segnale di zero positivo PZCT e generare un segnale picco-picco P-P, come differenza di ampiezza fra il valore massimo e il valore minimo del segnale di spostamento digitale XL' nell'intervallo di tempo compreso fra due successivi impulsi di attivazione del segnale di zero positivo PZCT;

un modulo di determinazione energia 77, configurato per ricevere il segnale di spostamento digitale XL' e il segnale di zero positivo PZCT e generare un segnale di energia E come somma dei valori quadrati del segnale di spostamento digitale XL' in un intervallo di tempo prefissato (ad esempio 2 sec, a partire da un impulso di attivazione del segnale di zero positivo movimento PZCT); e

un modulo di determinazione durata 68, configurato per ricevere il segnale di spostamento digitale XL' e il segnale di zero positivo PZCT e generare un segnale di durata D come distanza temporale fra due successivi impulsi del segnale di zero positivo PZCT.

I segnali P-P, E, D ed eventualmente PZCT costituiscono la matrice di parametri di movimento FxR fornita all'unit? decisionale 27.

In modo non mostrato, come indicato, l'unit? di estrazione caratteristiche movimento 26 pu? comprendere analoghi moduli di valutazione del valore picco-picco, dell'energia e della durata dei segnali di rotazione ?.

Con riferimento nuovamente alla figura 6, i parametri ECG HR, QRS e i parametri di movimento FxR vengono utilizzati dall'unit? decisionale 27 per valutare lo stato di salute.

In particolare, l'unit? decisionale 27 pu? essere costituita da una pluralit? di alberi decisionali, uno per ogni gruppo di caratteristiche.

Ad esempio, l'unit? decisionale 27 pu? comprendere un albero configurato per valutare dapprima la matrice di parametri di movimento FxR per determinare se la persona ? ferma (e quindi le misurazioni sono attendibili) o meno. Nel caso che venga rilevata una situazione di movimento, l'unit? decisionale 27 pu? inviare all'esterno, ad esempio al processore esterno 14 (figura 6) un segnale di movimento, ad esempio uno 0, e si ferma.

La valutazione dei parametri di spostamento P-P, E e D pu? essere eseguita in modo noto, ad esempio semplicemente valutando se tutti i parametri di movimento sono inferiori a rispettive soglie prefissate; in alternativa, l'unit? decisionale 27 pu? comprendere un'unit? di elaborazione che calcola un unico parametro cumulativo K e lo confronta con una singola soglia. Ad esempio, nel codice di figura 16, la soglia del parametro cumulativo K ? posta pari 1,2 g). In alternativa, possono essere utilizzati altri criteri, si veda ad esempio: ?Human motion detection in daily activity tasks using wearable sensors?, O. Politi, I. Mporas, V. Megalooikonomou, pubblicato in ?2014 22nd European Signal Processing Conference (EUSIPCO)?, pag. 2315-2319, ISBN:978-0-9928-6261-9 o ?Convolutional neural networks for human activity recognition using multiple accelerometer and gyroscope sensors?, Ha, S.; Choi, S., Proceedings of the 2016 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), Vancouver, BC, Canada, 24?29 Luglio 2016; pag. 381? 388.

Se invece viene rilevata una situazione di riposo, l'unit? decisionale 27 pu? procedere a valutare lo stato di salute sulla base delle caratteristiche ECG (HR, complesso QRS, nella forma di realizzazione mostrata) e a fornire in uscita un segnale STATUS il cui valore ? indice dello stato di salute.

Lo stato di salute pu? essere ad esempio valutato confrontando la frequenza cardiaca HR e il complesso QRS con rispettive soglie basse e alte: tipicamente, e in accordo con la usuale pratica medica, viene identificata una condizione normale se la frequenza cardiaca ? compresa fra 60 e 100 battiti/minuto, di bradicardia se la frequenza cardiaca ? inferiore a 60 battiti/minuto, e di tachicardia, se la frequenza cardiaca ? se superiore a 100 battiti/minuto; il complesso QRS ? invece considerato normale se compreso fra 80 e 120 msec.

In particolare, l'unit? decisionale 27 pu? fornire in uscita un segnale a due variabili, in base alla condizione identificata. Ad esempio, il segnale di uscita pu? avere valore B, N o T (brachicardia, normale, o tachicardia), per quanto riguarda la frequenza cardiaca, e Q-N, Q-CL o Q-A (normale, valore di controllo o anormale) per quanto riguarda il complesso QRS, ad esempio secondo quando mostrato in dettaglio in figura 16.

Il segnale di uscita STATUS quindi pu? assumere nove diversi valori.

Secondo una variante del processo decisionale implementato dall'unit? decisionale 27, questa pu? prevedere anche una verifica di attendibilit? dei valori ricevuti della frequenza cardiaca HR e/o del complesso QRS. Ad esempio, per scartare valori del complesso QRS calcolati su cicli cardiaci adiacenti (ovvero la distanza fra l'onda S di un ciclo e l'onda Q del ciclo cardiaco successivo), l'unit? decisionale 27 pu? prevedere, dopo la verifica sullo stato di movimento |K| > 1.2g, una verifica sul valore QRS, per scartare valori superiori ad una soglia (ad esempio maggiori di 300 msec).

Con riferimento nuovamente alla figura 6, qualora il metaclassificatore 28 sia accoppiato fra l'uscita dell'unit? decisionale 27 e l'uscita 3 del dispositivo di monitoraggio 1, ? possibile effettuare una stabilizzazione dei risultati.

In particolare, il metaclassificatore 28 ? costituito sostanzialmente da una pluralit? di contatori associati a rispettivi elementi di confronto. In particolare, per ogni possibile valore del segnale di uscita STATUS dell'unit? decisionale 27 (ovvero per ciascuno dei novi valori del segnale di uscita STATUS B_Q-N, B_Q-A, ecc.), il metaclassificatore 28 comprende un contatore che viene incrementato quando la variabile di uscita presenta il valore associato e viene decrementato, quando la variabile di uscita presenta un valore differente da quello associato.

Il metaclassificatore 28 fornisce in uscita il valore del contatore che raggiunge un valore massimo e modifica la propria uscita solo quando l'uscita dell'unit? decisionale 27 cambia per un prefissato numero di volte.

La tabella seguente mostra un possibile criterio di funzionamento del metaclassificatore 28 nella situazione semplificata in cui l'uscita dell'unit? decisionale 27 pu? assumere solo un primo valore A e un secondo valore B, e i cui la soglia di commutazione (valore massimo di conteggio dei rispettivi contatori) ? pari a 4:

TABELLA 1

Come si nota, nella situazione semplificata mostrata, il metaclassificatore 28 fornisce in uscita il primo valore A fino a quando il contatore del secondo valore B non raggiunge il valore 4.

In pratica, il metaclassificatore 28 contribuisce ad ridurre il numero di falsi positivi, evitando di fornire in uscita valori non stabili e riducendo le transizioni del dispositivo di monitoraggio 1.

Il dispositivo di monitoraggio 1 quindi ? in grado di rilevare lo stato di salute sulla base di semplici calcoli, senza richiedere capacit? di elaborazione o capacit? di memoria elevate, dato che non richiede di memorizzare un elemento numero di campioni o di variabili associate.

Infatti, la valutazione dei parametri cardiaci e di movimento in modo attivato, consente di identificare un piccolissimo numero di istanti temporali, legati all'evento monitorato, che possono essere elaborati, mediante operazioni matematiche particolarmente semplici, da unit? funzionali a loro volta molto semplici, e memorizzati temporaneamente in piccoli elementi di memoria.

Ci? fa s? che il dispositivo di monitoraggio 1 possa avere dimensioni molto ridotte e richiedere bassa potenza di funzionamento. Esso pu? quindi essere racchiuso in un singolo incapsulamento in modo da formare un singolo chip e pu? quindi essere inglobato in un dispositivo portatile a basso consumo, pur fornendo risultati affidabili.

Ad esempio, l'implementazione del dispositivo di monitoraggio 1 pu? prevedere l'uso di un pico-controllore con gruppo di istruzioni dedicato all?applicazione, che porta a una occupazione di area di silicio di circa 7K gate (7 mila porte logiche) e quindi con un vantaggio di area considerevole rispetto all'uso di un microcontrollore general-purpose che, nella versione pi? piccola attualmente presente sul mercato hanno un'occupazione di area di 25K gate.

Inoltre, il dispositivo di monitoraggio 1 pu? essere incorporato in un calcolatore personale, come descritto sopra con riferimento alla figura 8. In questo caso, con opportuna taratura, appoggiando un dito di una mano sulla piazzola 12A e un dito dell'altra mano sulla piazzola 12B del calcolatore personale 200, il rilevatore ECG 15 pu? acquisire la tensione Vd fra le dita, consentendo l'acquisizione dei parametri cardiaci HR, QRS; il segnale di movimento in questo caso consente di verificare se il calcolatore personale 200 ? fermo o in movimento.

La figura 17 mostra una differente forma di realizzazione del dispositivo di monitoraggio, indicato qui con 80. In figura 17, parti uguali al dispositivo di monitoraggio 1 di figura 6 sono indicate dagli stessi numeri di riferimenti e non verranno descritte.

In dettaglio, nel dispositivo di monitoraggio 80, il rilevatore ECG 15 ? esterno alla seconda piastrina 5 e una rete di adattamento 81 ? disposta fra il rilevatore ECG 15 e il convertitore analogico-digitale ECG 20.

Inoltre, il dispositivo di monitoraggio 80 di figura 17 ? accoppiato ulteriormente a una pluralit? di sensori aggiuntivi, quale un sensore di temperatura 46, un sensore di pressione 47 e un magnetometro 48, utili per ridurre le influenze dell'ambiente esterno sulle misure dei segnali acquisiti.

In particolare, il sensore di temperatura 46 pu? fornire un segnale di temperatura T utilizzabile dal sensore MEMS 16, ed in particolare dai circuiti di amplificazione associati, per modificare il livello di amplificazione in base alla temperatura, in modo di per s? noto.

Analogamente, il sensore di pressione 47 e il magnetometro 48 sono utili per fornire rispettivamente un segnale di pressione Pr e un segnale di campo magnetico B (ad esempio, in assenza di altre sorgenti, il campo magnetico terrestre).

Ad esempio, il segnale di pressione Pr pu? essere usato dall'unit? decisionale 27 per valutare se il paziente ? in movimento, dato che la pressione ? funzione dell'altitudine. In questo caso, in particolare, il segnale di pressione Pr pu? essere utilizzato per capire se il paziente sta salendo o scendendo le scale in un edificio ed attivare la misura subito dopo tale identificazione e/o effettuare verifiche pi? complesse, come indicato sotto.

In alternativa, il segnale di pressione Pr pu? essere utilizzato per abilitare il dispositivo di monitoraggio 80 alla misura dello stato di salute ad alta quota.

Il segnale di campo magnetico B pu? essere utilizzato per dare un'indicazione sulla direzione di movimento, come ad esempio descritto nell'articolo "Human Activity Recognition Using Inertial/Magnetic Sensor Units? di Kerem Altun, B. Barshan, DOI:10.1007/978-3-642-14715-9_5, Corpus ID: 8728793; pubblicato in HBU 2010, Engineering, Computer Science.

Si noti che i sensori di temperatura 46, il sensore di pressione 47 e il magnetometro 48 potrebbero essere, almeno in parte, integrati nel chip 10.

In modo non mostrato, potrebbe essere presente un metaclassificatore, analogo al metaclassificatore 28 di figura 6.

La figura 18 mostra uno schema di una differente forma di realizzazione di una unit? di estrazione caratteristiche, indicata con 90.

L'unit? di estrazione caratteristiche 90 comprende una pluralit? di moduli di estrazione di caratteristiche, alcuni destinati a determinare gli eventi di trigger, altri destinati a determinare le caratteristiche attivate, come spiegato in dettaglio qui sotto.

L'unit? di estrazione caratteristiche 90 ? configurata per operare sul segnale ECG S1, su uno o pi? dei segnali di movimento filtrati M' e/o su un generico segnale, quale il segnale di pressione Pr, il segnale di campo magnetico terrestre B e il segnale di temperatura T del dispositivo di monitoraggio 80 di figura 17. In figura 18, il segnale di ingresso di cui si desidera estrarre le caratteristiche ? quindi indicato genericamente con Sg.

Inoltre, dato che il rilevamento di alcune caratteristiche pu? essere attivato da diversi eventi di trigger, in questo caso il generico evento di attivazione ? indicato genericamente con St.

In dettaglio, l'unit? di estrazione caratteristiche 90 comprende una o pi? dei seguenti moduli:

un modulo di calcolo media (?mean?) 91, configurato per calcolare la media del valore del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un valore di media ? che pu? essere salvato in una cella di una unit? di memoria temporanea 120, ad esempio una RAM; un modulo di calcolo varianza 92, configurato per calcolare la varianza del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St, secondo l'equazione:

in cui D ? la durata della finestra di valutazione (distanza temporale fra i due eventi di attivazione St), fornita da un apposito modulo, come descritto sotto. Tale modulo fornisce in uscita un valore di varianza ? che pu? essere salvato in due celle dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di calcolo energia 93, configurato per calcolare l'energia del segnale di ingresso Sg all'interno di una finestra delimitata fra due eventi di attivazione St (o di durata prefissata a partire da un evento di attivazione St); l'energia ? definita come la somma dei quadrati dei valori del segnale di ingresso Sg all'interno della finestra. Tale modulo fornisce in uscita un valore di energia E che pu? essere salvato in una cella dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di calcolo valore picco-picco (?peak-topeak?) 94, configurato per calcolare la differenza fra il valore massimo e quello minimo del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un valore picco-picco P-P che pu? essere salvato in una cella dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di rilevamento dell'attraversamento dello zero positivo (?positive zero-crossing?) 95, configurato per rilevare quando il segnale di ingresso Sg da negativo diventa positivo. Tale segnale costituisce un evento di attivazione, indicato con PZRT, e viene fornito ad altri moduli, quando previsto;

un modulo di rilevamento dell'attraversamento dello zero negativo (?negative zero-crossing?) 96, configurato per rilevare quando il segnale di ingresso Sg da positivo diventa negativo. Tale segnale costituisce un evento di attivazione, indicato con NZRT, e viene fornito ad altri moduli, quando previsto;

un modulo di calcolo del numero di attraversamenti dello zero negativo 97, configurato per calcolare il numero di attraversamenti negativi, ad esempio in un intervallo di tempo determinato a partire dal ricevimento di un evento di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita il numero degli attraversamenti negativi, chiamato valore di conteggio negativo NC, che pu? essere salvato in una cella della unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di rilevamento di picco 98, configurato per rilevare quando il segnale di ingresso Sg assume valore massimo o minimo. Tale segnale costituisce un evento di attivazione, indicato con PKT, e viene fornito ad altri moduli, quando previsto;

un modulo di calcolo di picco 99, configurato per calcolare il numero di picchi del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un numero di picchi NP che pu? essere salvato in celle dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di rilevamento di picco positivo 100, configurato per rilevare quando il segnale di ingresso Sg assume valore massimo. Tale segnale costituisce un evento di attivazione, indicato con MPT, e viene fornito ad altri moduli, quando previsto;

un modulo di calcolo di picchi positivi 101, configurato per calcolare il numero di picchi positivi del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un numero di picchi positivi NPP che pu? essere salvato in celle dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di calcolo di picchi negativi 102, configurato per calcolare il numero di picchi negativi del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un numero di picchi negativi NPN che pu? essere salvato in celle dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di rilevamento di minimo 103, configurato per rilevare il valore minimo del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un valore minimo m che pu? essere salvato in celle dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di rilevamento di massimo 104, configurato per rilevare il valore massimo del segnale di ingresso Sg fra due eventi di attivazione St. Tale modulo fornisce in uscita un valore massimo M che pu? essere salvato in celle dell'unit? di memoria temporanea 120;

un modulo di calcolo di durata 105, configurato per calcolare la durata (come numero di impulsi di orologio forniti dal circuito d'orologio 29 o come numero di campioni del segnale di ingresso Sg) fra due eventi di attivazione St; e

un modulo di generazione di orologio 106, configurato per generare un evento di attivazione CKT, utilizzabile da altri moduli di generazione di caratteristiche o dall'unit? decisionale 27 (figura 6 o 17).

Utilizzando alcuni dei moduli 91-106 descritti sopra, il dispositivo di monitoraggio pu? essere configurato per il calcolo di altri parametri cardiaci di un paziente, fra i quali (si veda la figura 2): l'ampiezza dell'onda P; l'ampiezza dell'onda R; l'ampiezza dell'onda Q; l'ampiezza dell'onda T; l'intervallo PQ o l'intervallo PR, per i quali esistono valori normali di riferimento (si veda ad esempio la Tavola 1 dell'articolo: ?QRS Detection and Heart Rate Variability Analysis: A Survey?, Rami J. Oweis, Basim O. Al-Tabbaa, Biomedical Science and Engineering, 2014, Vol. 2, No. 1, 13-34, DOI:10.12691/bse-2-1-3.

Il dispositivo di monitoraggio qui descritto presenta numerosi vantaggi.

In particolare, esso permette l'integrazione di funzioni di valutazione dello stato di salute in piastrine disposte in una singolo incapsulamento, con consumo ridotto. In questo modo, il dispositivo presenta piccole dimensioni e lunga durata (autonomia); esso pu? essere realizzato come apparecchio stand-alone o pu? essere utilizzato in apparecchi elettronici portatili di piccole dimensioni, ad esempio pu? essere associato ad un calcolatore personale, come discusso sopra.

Esso consente di eliminare o almeno ridurre considerevolmente artefatti del segnale cardiaco acquisito pur con una struttura semplice e di piccole dimensioni.

Risulta infine chiaro che al dispositivo e al metodo di monitoraggio qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate. Ad esempio, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni.

Alcune funzioni, qui descritte in termini analogici, potrebbero essere implementate da corrispondenti componenti digitali, e viceversa.

La valutazione dello stato di movimento/riposo pu? includere situazioni complesse, quali:

1. valutazione dell'attivit? eseguita da un paziente sulla base dei segnali di movimento XL, con misura effettuata durante o dopo un movimento specifico (se non genera artefatti); e

2. valutazione dei segnali di rotazione forniti dal giroscopio integrato da parte di una ulteriore unit? decisionale per l'identificazione dell'attivit? in corso e misura durante o dopo un movimento specifico.

Inoltre, sebbene il dispositivo di monitoraggio descritto si basi sulla determinazione di parametri cardiaci rilevati in finestre mobili determinate dagli eventi di attivazione, ? possibile prevedere unit? ausiliarie di determinazione di parametri cardiaci operanti su finestre temporali fisse. In questo caso, le unit? di determinazione dei parametri cardiaci su finestre mobili e fisse possono essere abilitate alternativamente, ad esempio tramite un comando esterno, o essere attive in parallelo. In questo secondo caso, l'unit? decisionale 27 pu? prevedere fasi di confronto dei parametri, scartando i risultanti nel caso che essi presentino valori molto differenti.

I parametri ricavati possono essere forniti direttemente all'esterno per elaborazioni pi? sofisticate. In questo caso, l'unit? di elaborazione 18 pu? mancare.

Claims (18)

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo (1; 80) di monitoraggio dello stato di salute, comprendente una piastrina di materiale semiconduttore (5) integrante:

un sensore di potenziale elettrico (15), configurato per rilevare variazioni di potenziale presenti sul corpo di un essere vivente e associate ad un ritmo cardiaco e per generare un segnale cardiaco (S1); e

un'unit? di determinazione di parametri cardiaci (25), configurata per ricevere il segnale cardiaco e determinare parametri cardiaci indicativi di uno stato di salute,

in cui l'unit? di determinazione di parametri cardiaci ? configurata per rilevare eventi di attivazione e per determinare caratteristiche del segnale cardiaco in finestre temporali definite dagli eventi di attivazione.

2. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre una unit? decisionale (18), configurata per ricevere i parametri cardiaci e generare un segnale di salute sulla base di un confronto con valori di soglia.

3. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i parametri cardiaci comprendono frequenza cardiaca e complesso QRS.

4. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione precedente, in cui gli eventi di attivazione comprendono il superamento di soglie e l'unit? di determinazione di parametri cardiaci (25) comprende un modulo (59, 62) di rilevamento della distanza temporale fra due eventi di attivazione superanti le soglie.

5. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione precedente, in cui l'unit? di determinazione di parametri cardiaci (25) comprende un'unit? di rilevamento di frequenza cardiaca (60-62, 65-72), l'unit? di rilevamento di frequenza cardiaca essendo configurata per:

a) inizializzare (65) un primo contatore configurato per fornire un valore di conteggio;

b) ricevere (65) un campione (C(n)) del segnale cardiaco (S1), il campione avendo un valore;

c) verificare (66) se il valore del campione ? un valore di picco;

d) incrementare (67) il primo contatore e ripetere i passi b) e c) in caso che la verifica c) dia esito negativo;

e) verificare (70) se il valore del campione supera una soglia di frequenza cardiaca in caso che la verifica c) dia esito positivo;

f) acquisire (71) il valore di conteggio del primo contatore come informazione di frequenza cardiaca in caso che la verifica e) dia esito positivo;

g) incrementare (67) il primo contatore e ripetere i passi b)-e) in caso che la verifica e) dia esito negativo.

6. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui l'unit? di determinazione di parametri cardiaci (25) comprende inoltre un'unit? di rilevamento del complesso QRS (56-59, 65-72), l'unit? di rilevamento del complesso QRS essendo configurata per:

h) ricevere il segnale cardiaco (S1);

i) filtrare (56) il segnale cardiaco mediante un filtro passa alto per ottenere un segnale filtrato (S1'); j) inizializzare (65) un secondo contatore configurato per fornire un valore di conteggio;

k) acquisire (65) un campione (C(n)) del segnale filtrato avente un valore;

l) verificare (66) se il valore del campione del segnale filtrato ? un valore di picco;

m) incrementare (67) il secondo contatore e ripetere i passi k)-l) in caso che la verifica l) dia esito negativo;

n) verificare (70) se il valore del campione del segnale filtrato supera una soglia QRS in caso che la verifica l) dia esito positivo;

o) acquisire (71) il valore di conteggio del secondo contatore come informazione di frequenza cardiaca in caso che la verifica n) dia esito positivo;

p) incrementare (67) il secondo contatore e ripetere i passi k)-n) in caso che la verifica e) dia esito negativo.

7. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui inizializzare (65) comprende azzerare il valore di conteggio.

8. Dispositivo di monitoraggio salute secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-7, comprendente inoltre un sensore di movimento MEMS (16) e una unit? di determinazione di parametri di movimento (26) accoppiata al sensore MEMS e alla unit? decisionale (18),

in cui il sensore di movimento MEMS (15) ? configurato per generare un segnale inerziale;

l'unit? di determinazione di parametri di movimento (26) ? configurata per rilevare parametri di movimento del segnale inerziale; e

l'unit? decisionale (18) ? configurata per ricevere i parametri di movimento, rilevare una condizione di movimento o una condizione di riposo dai parametri di movimento e generare un segnale di movimento in caso di rilevamento della condizione di movimento e fornire un'informazione di stato di salute sulla base dei parametri cardiaci in caso di rilevamento della condizione di riposo.

9. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione precedente, in cui sensore di movimento MEMS (15) ? un accelerometro e/o un giroscopio ed ? integrato in una ulteriore piastrina (4) accoppiata alla piastrina di materiale semiconduttore (5).

10. Dispositivo di monitoraggio salute secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unit? di determinazione di parametri cardiaci (25) e l'unit? decisionale (18) comprendono un machine learning core.

11. Dispositivo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione precedente, in cui il machine learning core (18) ? configurato per ricevere un segnale di ingresso (Sg) e comprende almeno uno dei seguenti moduli di rilevamento di eventi di attivazione:

a) un modulo di rilevamento dell'attraversamento di zero positivo (95), configurato per rilevare quando il segnale di ingresso da negativo diventa positivo;

b) un modulo di rilevamento dell'attraversamento di zero negativo (96), configurato per rilevare quando il segnale di ingresso da positivo diventa negativo;

c) un modulo di rilevamento di picco (98), configurato per rilevare quando il segnale di ingresso assume valore massimo o minimo;

d) un modulo di rilevamento di picco positivo (100), configurato per rilevare quando il segnale di ingresso assume valore massimo; e

e) un modulo di generazione di orologio (106), configurato per generare un evento di orologio (CKT),

e almeno uno dei seguenti moduli di rilevamento di caratteristiche attivate:

f) un modulo di calcolo media (91), configurato per calcolare una media di valori del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

g) un modulo di calcolo varianza (92), configurato per calcolare una varianza del segnale di ingresso fra due eventi di attivazione;

h) un modulo di calcolo energia (93), configurato per calcolare un'energia del segnale di ingresso all'interno di una finestra delimitata fra due eventi di attivazione o di una finestra di durata prefissata a partire da un evento di attivazione;

i) un modulo di calcolo valore picco-picco (94), configurato per calcolare la differenza fra un valore massimo e un valore minimo del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione o in una finestra di durata prefissata a partire da un evento di attivazione;

j) un modulo di calcolo numero di attraversamenti di zero negativo (97), configurato per calcolare un numero di attraversamenti negativi in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione o in una finestra di durata prefissata a partire da un evento di attivazione;

k) un modulo di calcolo di picco (99), configurato per calcolare un numero di picchi del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione St;

l) un modulo di calcolo di picchi positivi (101), configurato per calcolare un numero di picchi positivi del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

m) un modulo di calcolo di picchi negativi (102), configurato per calcolare un numero di picchi negativi del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

n) un modulo di rilevamento di minimo (103), configurato per rilevare un valore minimo del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

o) un modulo di rilevamento di massimo (104), configurato per rilevare un valore massimo del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione; e

p) un modulo di calcolo di durata (105), configurato per calcolare una durata del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione.

12. Apparecchio elettronico comprendente il dispositivo di monitoraggio salute (1; 80) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, e comprendente elettrodi (8A, 8B) di rilevamento del segnale cardiaco.

13. Apparecchio elettronico secondo la rivendicazione precedente, comprendente un calcolatore personale (200) includente un primo ed un secondo tasto (12A, 12B) formanti gli elettrodi di rilevamento del segnale cardiaco.

14. Metodo di monitoraggio salute mediante un dispositivo di monitoraggio salute integrato in una piastrina di materiale semiconduttore, il metodo comprendendo:

rilevare variazioni di potenziale elettrico presente sul corpo di un essere vivente e associata ad un ritmo cardiaco;

generare un segnale cardiaco;

determinare parametri cardiaci indicativi di uno stato di salute sulla base del segnale cardiaco;

in cui determinare parametri cardiaci comprende rilevare eventi di attivazione e rilevare caratteristiche del segnale cardiaco in finestre temporali definite dagli eventi di attivazione.

15. Metodo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre la fase di ricevere i parametri cardiaci e generare un segnale di salute sulla base di un confronto con valori di soglia.

16. Metodo di monitoraggio salute secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui generare un segnale cardiaco comprende generare un segnale digitale includente una successione di campioni e rilevare parametri cardiaci comprende rilevare la frequenza cardiaca, in cui rilevare la frequenza cardiaca comprende:

ricevere i campioni del segnale cardiaco;

rilevare un primo superamento di una prima soglia del segnale cardiaco da parte di un primo campione di picco della successione di campioni;

inizializzare un primo contatore al rilevamento del primo superamento;

incrementare il contatore al ricevimento di campioni successivi al primo campione di picco;

rilevare un secondo superamento della prima soglia del segnale cardiaco da parte di un secondo campione di picco della successione di campioni;

acquisire un valore di conteggio del primo contatore al rilevamento del secondo superamento.

17. Metodo di monitoraggio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 14-16,

generare un segnale inerziale mediante un sensore di movimento MEMS;

rilevare parametri di movimento del segnale inerziale; e

rilevare una condizione di movimento o una condizione di riposo a partire dai parametri di movimento;

generare un segnale di movimento in caso di rilevamento della condizione di movimento; e

fornire un'informazione di stato di salute sulla base dei parametri cardiaci in caso di rilevamento della condizione di riposo.

18. Metodo di monitoraggio salute secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 14-17, comprendente:

ricevere un segnale di ingresso (Sg);

rilevare almeno uno dei seguenti eventi di attivazione del segnale di ingresso:

a) rilevare quando il segnale di ingresso da negativo diventa positivo e generare un evento di attraversamento di zero positivo;

b) rilevare quando il segnale di ingresso da positivo diventa negativo di attraversamento di zero negativo;

c) rilevare quando il segnale di ingresso assume valore massimo o minimo e generare un evento di picco;

d) rilevare quando il segnale di ingresso assume valore massimo e generare un evento di massimo; e

e) generare un evento di orologio CKT,

e rilevare almeno una delle seguenti caratteristiche del segnale di ingresso:

f) calcolare la media di valori del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione St;

g) calcolare la varianza del segnale di ingresso fra due eventi di attivazione;

h) calcolare l'energia del segnale di ingresso all'interno di una finestra delimitata fra due eventi di attivazione o di una finestra di durata prefissata a partire da un evento di attivazione;

i) calcolare la differenza fra il valore massimo e il valore minimo del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione o in una finestra di durata prefissata a partire da un evento di attivazione;

j) calcolare il numero di attraversamenti negativi in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione o in una finestra di durata prefissata a partire da un evento di attivazione;

k) per calcolare il numero di picchi del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

l) calcolare il numero di picchi positivi del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

m) calcolare il numero di picchi negativi del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione St

n) rilevare il valore minimo del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

o) rilevare il valore massimo del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione;

p) calcolare la durata del segnale di ingresso in una finestra delimitata fra due eventi di attivazione.