ITMI20071870A1 - Dispositivo per la rilevazione delle pulsazioni cardiache di un utilizzatore, applicabile a cicli in genere e ad attrezzi di allenamento fisico. - Google Patents

Description

DISPOSITIVO PER LA RILEVAZIONE DELLE PULSAZIONI CARDIACHE DI UN UTILIZZATORE, APPLICABILE A CICLI IN GENERE E AD ATTREZZI DI ALLENAMENTO FISICO,

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un dispositivo per la rilevazione delle pulsazioni cardiache di un utilizzatore, applicabile a cicli in genere e ad attrezzi di allenamento fisico.

Come è noto, nell’attività sportiva, la frequenza cardiaca è un indicatore di primaria importanza della qualità dell’allenamento.

Infatti l’attività sportiva è benefica per il circolo cardiovascolare solo se la frequenza cardiaca raggiunge una sufficiente intensità ed è viceversa pericolosa se la frequenza è eccessiva.

Per tali motivi, l’esercizio è efficace solo all’interno di una ben definita fascia, i cui valori, minimo e massimo, sono individuali e dipendono da vari fattori, fra cui l’età ed il livello di allenamento già raggiunto.

Una delle finalità più diffuse dell’attività fisica sportiva è il dimagrimento o in altre parole il consumo delle calorie introdotte in eccesso.

Anche a questo scopo è importante mantenere la frequenza cardiaca ai giusti livelli, altrimenti il risultato non viene raggiunto.

In particolare è importante che l’attività venga mantenuta per un tempo sufficiente a che l’organismo inizi a bruciare i grassi.

Altrimenti vengono utilizzati solo gli zuccheri e la riserva grassa non viene intaccata.

La frequenza cardiaca e la durata dello sforzo sono dunque i due parametri da tenere sotto controllo.

Attualmente per misurare la frequenza cardiaca, in campo sportivo, vengono utilizzati dei dispositivi di monitoraggio della frequenza cardiaca durante gli allenamenti che, tipicamente, prevedono l’utilizzazione di una fascia elastica da indossare sul torace, la quale supporta due elettrodi ed un dispositivo di rilievo del battito cardiaco costituito da un amplificatore elettronico che amplifica il segnale generato dalla massa muscolare cardiaca pulsante.

Un rivelatore di picco individua il massimo dell’attività cardiaca ad ogni ciclo e si determina così l’istante in cui il cuore batte.

Un trasmettitore radio a breve raggio emette un impulso ad ogni battito cardiaco.

Un dispositivo ricevente, collocato a breve distanza, al massimo ad un metro, è in grado di conteggiare il tempo fra un battito e l’altro e determinare la frequenza cardiaca.

Questo tipo di soluzione richiede, innanzitutto, un preciso posizionamento della fascia cardiaca in quanto, se gli elettrodi non sono posizionati correttamente nella zona precordiale, il segnale può non essere rilevato o essere discontinuo e la misura può essere errata o addirittura fallire.

Inoltre, se il contatto fra elettrodi e pelle non è buono, il segnale può non essere rilevato correttamente.

Inoltre, il sudore abbondante, i peli, le irregolarità della superficie della pelle, gli scivolamenti della fascia a causa del movimento, gli indumenti indossati che interferiscono con la fascia sono tutti elementi che concorrono a rendere critico il contatto ed invalidare la misura.

Indossare la fascia toracica genera comunque un certo fastidio, che può spingere molti utilizzatori a non gradire l’uso della fascia e con il tempo a limitarne l’impiego.

In particolare, le signore con seno abbondante in genere evitano l’uso della fascia toracica per l’inevitabile disagio che produce.

Il compito che si propone il trovato è quello di risolvere i problemi in precedenza esposti, realizzando un dispositivo in cui sia possibile utilizzare una metodologia che viene utilizzata solo per le attività in palestra, ma che, attualmente, non è possibile utilizzare su attrezzature in movimento, in quanto si incontrerebbero notevoli difficoltà tecniche intrinseche che debbono essere superate.

Nell’ambito del compito sopra esposto, uno scopo particolare del trovato è quello di realizzare un dispositivo che sia in grado di sopperire alle difficoltà derivanti dalla corretta individuazione dei segnali corrispondenti al battito cardiaco, rendendo il quadro generale facilmente monitorabile.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo che, per le sue peculiari caratteristiche realizzative, sia in grado di assicurare le più ampie garanzie di affidabilità e di sicurezza nell’uso.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo che sia facilmente ottenibile e che, inoltre sia competitivo da un punto di vista economico.

Il compito sopra esposto, nonché gli scopi accennati ed altri che meglio appariranno evidenziati in seguito, vengono raggiunti da un dispositivo per la rilevazione delle pulsazioni cardiache su cicli in genere, su attrezzi di allenamento fisico liberamente mobili unitamente all’utilizzatore, secondo il trovato, caratterizzato dal fatto di comprendere elettrodi che costituiscono mezzi di contatto con le mani dell’utilizzatore e che sono operativamente connessi ad almeno un cardiofrequenzimetro; tali elettrodi sono posizionati su un elemento di governo direzionale del ciclo o attrezzo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’oggetto del presente trovato risulteranno maggiormente evidenziati attraverso un esame della descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un dispositivo per la rilevazione delle pulsazioni cardiache su cicli in genere, su attrezzi di allenamento fisico liberamente mobili, unitamente all’utilizzatore, illustrato a titolo indicativo e non limitativo, con l’ausilio dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 rappresenta uno schema a blocchi del dispositivo; la figura 2 evidenzia schematicamente un manubrio con gli elettrodi;

le figure 3 e 4 rappresentano schematicamente una manopola, ad esempio sul lato destro, vista superiormente e dalla faccia inferiore.

Con particolare riferimento ai simboli numerici delle suddette figure, il dispositivo per la rilevazione delle pulsazioni cardiache su cicli in genere e su attrezzi mobili di allenamento fisico, secondo il trovato, comprende un manubrio 1 o altro idoneo mezzo di governo direzionale del ciclo o dell’attrezzo su cui il dispositivo è applicato, il quale comprende due manopole 2a e 2b rispettivamente posizionate agli estremi opposti.

Le manopole possono essere direttamente previste sul manubrio o possono anche essere applicate dopo la vendita.

Vantaggiosamente, secondo la forma di realizzazione illustrata in figura 1 , le manopole possono essere connesse a due fermamani 2c e 2d che hanno lo scopo di fermare le mani del ciclista e di costituire un punto di presa e di appoggio.

Inoltre nella realizzazione preferita del dispositivo, su una delle manopole viene posizionato un visualizzatore o display 21, che dà la possibilità di monitorare la frequenza cardiaca ed altri dati eventualmente rilevabili dal dispositivo.

Le manopole sono dotate di elettrodi che consentono di mettere la pelle dell’utilizzatore in contatto elettrico con degli opportuni circuiti che sono in grado di captare, amplificare, condizionare ed elaborare il segnale cardiaco presente nelle mani.

Nella versione preferita, vengono previsti elettrodi superiori, rispettivamente, sinistro e destro 3a e 3b, che vengono a costituire l’elettrodo di riferimento, nonché elettrodi inferiori sinistro e destro, rispettivamente, 3c e 3d, che vengono a realizzare l’elettrodo attivo.

Gli elettrodi sono in gomma od in materia plastica conduttiva costampata su una base metallica in acciaio inossidabile.

I due elettrodi di riferimento sono elettricamente connessi tra loro con dei cablaggi, indicati con Ibis, che consentono la connessione, come meglio verrà chiarito in seguito, alla sezione di amplificazione ed hanno la funzione di minimizzare i disturbi che deteriorano in modo significativo i segnali elettrocardiografici.

Ad ogni elettrodo sono collegati uno o più cablaggi, costituiti da fili elettrici isolati che attraversano internamente il tubolare del manubrio.

In tale modo, i circuiti interessati alla misura sono collegati elettricamente in modo appropriato.

I circuiti di misura, nello stadio di ingresso, sono dotati di dispositivi di protezione da scariche elettrostatiche (ESD), genericamente indicati con 5, in modo da non essere soggetti a rotture o ad errori di misura, nel caso in cui si verifichino scariche in seguito al caricamento elettrostatico per sfregamento durante il moto, quando l’utente indossa indumenti di materiale sintetico, scarpe isolate e simili.

Sono previsti un preamplificatore 6 ed un precondizionatore 7 che, tramite idonei filtri, eliminano alcune fonti di disturbo del segnale.

In particolare, si elimina la componente di polarizzazione in bassa frequenza che si forma per cause elettrochimiche nel punto di contatto tra pelle ed elettrodi e che in generale ha un livello molto superiore a quello del segnale e tenderebbe a saturare gli stadi di amplificazione successivi, rendendo impossibile la misura.

E’, inoltre, previsto un circuito di sbilanciamento dell’ingresso deH’amplificatore, indicato con 4, che ha la funzione di rilevare se l’utilizzatore ha le mani appoggiate sugli elettrodi.

Con questo dispositivo, poiché l’utente dal punto di vista elettrico è equivalente ad una resistenza del valore di alcune centinaia di ohm squilibrando il circuito di ingresso con resistenze di valore molto più alto, si può ottenere che il contatto del corpo dell’utente sia sufficiente a compensare lo squilibrio e a riportare l’uscita deH’amplificatore nella fascia di valori normali per il dispositivo.

Questo circuito è di particolare importanza perché permette di discriminare quando le mani sono applicate e quando non lo sono e quindi di evitare di processare inutilmente un segnale non significativo.

Inoltre essendo fondamentale il risparmio energetico, per dare al dispositivo alimentato a pile la maggiore autonomia possibile, nella versione preferita la condizione di mani staccate attiva un circuito di spegnimento controllato 15.

Quest’ultimo, dopo un tempo definito, porta il dispositivo in uno stato di bassissimo consumo, quando la misura della frequenza non è possibile, ad esempio quando la bicicletta non è utilizzata.

Quando le mani non sono applicate, sul dispay compare l’orologio per un certo tempo, poi si spegne tutto il circuito ad eccezione del circuiti di identificazione delle mani appoggiate 15 e del preamplificatore 6, in quanto tali dispositivi hanno un consumo ininfluente.

Il circuito di accensione e di spegnimento 15 nella versione di base è costituito fondamentalmente da un relè allo stato solido che, quando è comandato, interrompe l’erogazione della corrente proveniente dall’alimentatore 16, il quale è vantaggiosamente connesso ad una batteria 17 che, preferibilmente, è direttamente inserita nel manubrio 11.

A valle del preamplificatore e del precondizionatore 6 e 7 è previsto un successivo stadio di amplificazione 8, che porta il segnale a livelli compatibili con le elaborazioni successive.

Inoltre è previsto uno stadio di filtraggio 9 passabasso, che elimina le componenti armoniche esterne alla banda significativa del segnale, (cioè sopra i 40 Hertz, se non si hanno intenti diagnostici) e quindi certamente inutili e nocive, provenienti da altri fenomeni di disturbo ed interferenza, come i disturbi ambientali o derivanti da attività muscolare.

La frequenza di taglio del filtro è la più bassa possibile compatibilmente con l’effettivo riconoscimento del segnale ed il profilo del filtro è molto ripido.

E’ opportuno ricordare che una funzione primaria di questo filtro è il cosiddetto antialiasing ovvero l’eliminazione delle frequenze multiple di quella con cui il segnale successivamente sarà campionato durante la conversione da analogico a digitale, necessaria per le successive elaborazioni effettuate dal microprocessore del sistema.

L’assenza di antialiasing genererebbe artefatti difficilmente identificabili, per l’apparire di segnali spuri a frequenza pari alla differenza fra la frequenza di campionamento e quella dei disturbi interferenti.

Dopo amplificazione e filtraggio, il segnale è convertito tramite un convertitore digitale 10 e portato al successivo livello di elaborazione digitale.

Il processo di conversione può essere ottenuto con una qualunque delle numerose tecniche di conversione disponibili e largamente adottate nel settore elettronico.

E’ importante che tale segnale abbia una risoluzione di almeno 8 bit ed una frequenza di campionamento di almeno 250 campioni/secondo.

Un microprocessore 11, corredato di adeguata memoria di programma 12 e di lavoro (RAM) 14, si occupa di acquisire i segnali digitalizzati, di inserirli in memoria e di eseguire le elaborazioni successive, allo scopo di identificare i punti salienti del segnale che consentono di riconoscere con certezza il riflesso elettrico del battito cardiaco e quindi costruire la sequenza numerica dei tempi trascorsi tra i battiti stessi e di qui con calcolo semplice misurare la frequenza.

Il processo in precedenza segnalato viene effettuato tramite un algoritmo inserito in un gruppo 13 che provvede a elaborare la rilevazione.

La frequenza cardiaca rilevata verrà visualizzata su un display 21 che, nella versione preferita, è molto semplice, in grado di visualizzare un solo dato numerico ed alcune icone esplicative.

Il dato numerico sarà, quando è possibile, la frequenza cardiaca oppure, quando non è possibile per le mani staccate, disturbi eccessivi e così via o per richiesta dell’utente, l’orologio.

Nella versione minimale questi dati sono accompagnati da icone rappresentanti la frequenza cardiaca oppure l’orologio ed inoltre l’indicatore di carica delle batterie.

Il display 21, nella realizzazione preferita, sarà alloggiato nella parte terminale verso l’esterno di una delle due manopole che fungerà anche da fermamano e da punto di presa per i ciclisti, in particolare momenti di sforzo.

In una forma di realizzazione preferita, potrà essere inserito un trasmettitore 22 che emetterà un segnale radio di caratteristiche standard, identico a quello emesso dalle fasce toraciche, in modo da rendere il dispositivo adatto ad interfacciarsi con i dispositivi già in commercio che si collegano alle fasce toraciche, agevolando però gli utenti dal punto di vista funzionale, come in precedenza spiegaio.

Il circuito elettronico dovrà contenere mezzi di collegamento e di pilotaggio 20 del visualizzatore, realizzato secondo la tecnologia prescelta, che in ogni caso sarà caratterizzata da un basso consumo.

In particolare, nella realizzazione base, si utilizza la tecnologia LCD monocromatica priva di retroilluminazione.

Eventualmente è possibile prevedere un collegamento a sensori di varia natura, indicati con 23 e 24 e costituiti da rilevatori di velocità, rilevatori di pendenza e così via, che potranno arricchire l'insieme di informazioni per l’utente.

Ad esempio è anche possibile rilevare il consumo calorico, la temperatura, la distanza percorsa ed altri parametri di interesse per fornire un quadro fisiologico completo dell’allenamento eseguito.

In generale, questi parametri saranno ottenuti mediante appositi sensori presenti nelle configurazioni estese del dispositivo.

Saranno necessari dei mezzi di scelta per segnalare al dispositivo la necessità di visualizzare l’uno o l’altro di questi parametri, oppure per introdurre informazioni e rilevamenti, ad esempio per sincronizzare l’ora del giorno.

In una forma di realizzazione preferita, saranno previsti pulsanti, genericamente indicati con 18 e 19, che possono essere inseriti direttamente nella manopola e opportunamente protetti dalle avversità ambientali e simili.

Lo speciale algoritmo che consente di misurare la frequenza cardiaca a partire dal segnale campionato ha il suo punto focale nella identificazione di un tratto di segnale di caratteristiche congruenti con la morfologia tipica del segnale cardiaco e di individuarne e conteggiarne le ricorrenze nel flusso continuo di dati che proviene dall’utente.

Il numero di ricorrenze, in un determinato intervallo di tempo, (tipicamente in un minuto) o la misura del tempo intercorso tra due successive ricorrenze forniscono le due tipiche misurazioni di frequenza cardiaca e cioè frequenza media e frequenza istantanea.

Esistono poi varie tecniche di mediazione dei dati grezzi così misurati, ognuna mirata all’accentuazione di una caratteristica del dato interessante per un’applicazione o indagine specifica.

In certi casi, interessa una media sul tempo definito fisso. In altri casi, si effettua una media mobile sugli ultimi campioni, ed in altri si scartano alcuni valori con opportuni criteri e si mediano i rimanenti.

Nel caso in esame interessa la media mobile su un numero di complessi relativamente alto da 10 a più di 20 per evitare l’influenza di eventi episodici non significativi che possono far variare repentinamente la frequenza per breve tempo e soprattutto per mediare gli eventuali errori di identificazione che possono presentarsi a causa dei molti artefatti caratteristici della situazione.

Il punto importante è l'identificazione del segnale che, con paziente a riposo e collaborativo o con forte segnale ricavato dalla zona precordiale, può essere sostanzialmente ottenuto rilevando il picco del segnale e misurando il tempo intercorrente tra due picchi consecutivi.

In certi casi, si fa seguire l’identificazione da un silenziamento di durata opportuna, durante il quale si esclude che possa presentarsi un altro segnale cardiaco e che ha lo scopo di evitare che eventuali disturbi o artefatti possano falsare la misura.

Si apre poi una finestra di osservazione per un tempo correlato alla frequenza istantanea misurata, generalmente due terzi del tempo tra un battito e l’altro e la si chiude al sopraggiungere del picco successivo.

All’interno di questa finestra, dovrebbe con certezza cadere il battito cardiaco successivo a quello rilevato in precedenza, poiché, a parte fenomeni spuri come extrasistoli, fisiologicamente la frequenza cardiaca non può variare più di quanto definito da questa finestra.

Questo metodo può entrare in crisi quando il segnale è molto piccolo o quando esistono molti disturbi ed artefatti di entità rilevante.

Questo fenomeno in effetti può accadere quando si opera nelle condizioni previste da questo dispositivo.

Il metodo tradizionale non viene escluso ma affiancato, quando è necessario, da un metodo statistico che usa l’autocorrelazione del segnale campionato.

Il principio è basato sul fatto che il segnale cercato ha caratteristiche di periodicità che non sono proprie dei disturbi che prevalentemente lo mascherano, i quali sono per lo più transitori o di natura randomica.

L’autocorrelazione tra tratti consecutivi del segnale di adeguata lunghezza consente di quantificare le somiglianze tra questi tratti e di aumentare l'affidabilità della misura.

All’inizio del ciclo di riconoscimento, perciò, si seleziona un tratto di segnale di lunghezza tale da contenere con certezza almeno un battito cardiaco.

Normalmente un secondo è sufficiente, se si escludono casi di bradicardia; poi si effettua una serie di autocorrelazioni consecutive tra il template ed il tratto di segnale successivo, facendo scorrere ogni volta i due tratti di un campione, l’uno rispetto all’altro.

in questo modo si ottiene un profilo di verosimiglianza, costituito dalla successione dei valori delle correlazioni.

I picchi di questa successione saranno a distanza temporale uguale a quella fra i battiti cardiaci e saranno utilizzabili per la misura della frequenza; poiché il calcolo è piuttosto pesante, l’uso del primo metodo può ridurre la lunghezza del tratto in cui va applicato il secondo, riducendo fortemente il bisogno di potenza di calcolo.

Da quanto sopra illustrato si rileva che il trovato raggiunge gli scopi proposti.

In particolare si sottolinea il fatto che viene messo a disposizione un dispositivo particolarmente pratico e funzionale che consente di rilevare le pulsazioni cardiache, senza dovere ricorrere all’utilizzazione della tradizionale fascia toracica.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo.

Inoltre tutti i particolari costruttivi potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Il presente dispositivo naturalmente potrà essere utilizzato applicando lo stesso a volanti, cloches e leve di comando montati su automobili, motocicli, imbarcazioni, aerei e ad eventuali altri mezzi di trasporto.

In pratica i materiali impiegati, purché compatibili con l’uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno essere qualsiasi, secondo le esigenze.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la rilevazione delle pulsazioni cardiache dell’utilizzatore applicabile a cicli in genere e ad attrezzi di allenamento fisico mobili, caratterizzato dal fatto di comprendere elettrodi che fungono da mezzi di contatto con le mani dell’utilizzatore ed operativamente connessi ad almeno un cardiofrequenzimetro, detti elettrodi essendo posizionati su un elemento di governo direzionale del ciclo o attrezzo.
2. 2. Dispositivo, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere due manopole accoppiabili ai lati dell’elemento di governo e supportanti, ciascuna, uno o più elettrodi atti a fungere da elettrodi di segnale e di riferimento.
3. 3. Dispositivo, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette manopole sono connesse a fermamani.
4. 4. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di protezione dalle cariche elettrostatiche connesso ai cablaggi fuoriuscenti da detti elettrodi.
5. 5. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un preamplificatore ed un precondizionatore, dotati di filtri per eliminare fonti di disturbo.
6. 6. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito di sbilanciamento dell’ingresso deH’amplificatore che funga da elemento di rilevazione della presenza delle mani sugli elettrodi.
7. 7. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il circuito di rilevazione del contatto delle mani è operativamente connesso con un circuito di spegnimento controllato.
8. 8. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il circuito di spegnimento controllato controlla una batteria di alimentazione.
9. 9. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la batteria di alimentazione è posizionata nell’elemento di governo costituito da un manubrio o nel fermamani o in parti costituenti la manopola.
10. 10. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere, a valle del precondizionatore, un successivo stadio di amplificazione seguito da uno stadio di filtraggio passa-basso.
11. 11. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo stadio di filtraggio passa-basso è operativamente connesso ad un convertitore in digitale.
12. 12. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il convertitore in digitale è operativamente associato ad un microprocessore dotato di memorie di programma e di lavoro e connesso con un visualizzatore.
13. 13. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in tutto o in parte i filtraggi per l’eliminazione di disturbi sono effettuati digitalmente dal microprocessore con l’esecuzione di apposito programma.
14. 14. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il visualizzatore è posizionato sul manubrio, sulle manopole, su uno specchietto retrovisore o su dispositivo separato indossato dall’utilizzatore.
15. 15. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un trasmettitore del segnale o dei dati elaborati.
16. 16. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per il collegamento ed il pilotaggio del visualizzatore.
17. 17. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere sensori di varia tipologia, operativamente collegabili al microprocessore.
18. 18. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere pulsanti di azionamento, operativamente associati al microprocessore per il pilotaggio del visualizzatore e per la definizione delle modalità operative del dispositivo.
19. 19. Dispositivo, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo stesso può essere utilizzato applicando lo stesso a volanti, cloches e leve di comando montati su automobili, motocicli, imbarcazioni, aerei e ad eventuali altri mezzi di trasporto.
20. 20. Dispositivo per la rivelazione delle pulsazioni cardiache dell’utilizzatore su cicli in genere e su attrezzi mobili di allenamento fisico, secondo una o più rivendicazioni precedenti, il tutto come più ampiamente descritto ed illustrato, per gli scopi specificati.