ITMI20130104A1 - Dispositivo, sistema e metodo per la rilevazione e il trattamento di segnali di battito cardiaco - Google Patents

Description

"Dispositivo, sistema e metodo per la rilevazione e il trattamento di segnali di battito cardiaco"

La presente invenzione si riferisce ad innovativi dispositivi, sistemi e metodi per la rilevazione del battito cardiaco.

Sono noti sistemi di rilevazione del battito cardiaco (detti anche sistemi di rilevazione BVP=Blood Volume Pulse) che funzionato per via ottica. Tali sistemi impiegano solitamente un emettitore di luce che per riflessione o trasparenza illumina un adatto ricevitore dopo che la luce emessa ha colpito o attraversato una zona del corpo.

In sostanza, tali monitor di frequenza cardiaca sono sistemi di rilevamento in grado di misurare il modo in cui il volume ematico cambia nel tempo in una specifica zona del corpo.

In genere, i dispositivi a riflessione sono appoggiati su una zona del corpo, come ad esempio il polso, dove si ha una variazione della quantità di luce riflessa a seconda del flusso sanguigno superficiale in tale zona. I dispositivi a trasparenza sono invece applicati in prossimità di parti relativamente sottili del corpo (come ad esempio le dita o il lobo dell’orecchio), così che la luce possa attraversarle e rilevare la variazione di luce passante a causa del flusso sanguigno in tale parte.

Entrambi i sistemi sono però soggetti a disturbi del segnale utile, ad esempio a causa sia delle condizioni di illuminazione ambientale sia dal movimento del soggetto sottoposto a misura.

Ad esempio, il sensore opera in contatto con un mezzo deformabile - la pelle - in cui scorre il sangue. Tale mezzo à ̈ soggetto a deformazione meccanica che corrompe la misurazione aggiungendo segnale indesiderato, vale a dire rumore.

I dispositivi a riflessione sono più pratici per un uso prolungato, ma la variazione di luce riflessa prodotta dalle variazioni di flusso sanguigno a seguito del battito cardiaco à ̈ molto piccola e, inoltre, in genere affetta da un elevato rumore.

Ad esempio, sebbene il polso sia una delle posizioni più comode per indossare un sensore del battito a riflessione, il rumore sul segnale, creato dal movimento dei tessuti sottostanti il sensore a seguito, ad esempio, del movimento dell’arto, del polso o delle dita, à ̈ uno dei maggiori limiti alla rilevazione ottica del battito in tale zona. Anche l’atto di muoversi e camminare produce spostamenti relativi fra sensore e tessuti che producono ulteriori disturbi di notevole entità.

Nella tecnica sono state proposte svariate soluzioni per tentare di migliorare il rapporto segnale/rumore nella rilevazione a riflessione, cercando di filtrare i vari disturbi sovrapposti al segnale utile.

Ad esempio, à ̈ stato proposto l’uso di sensori di movimento disposti solidali al sensore ottico per rilevare movimenti di ampiezza relativamente elevati del corpo al quale à ̈ applicato il sensore. Tale rilevazione non fornisce però dati sullo spostamento relativo fra sensore e il sottostante tessuto ed à ̈ solitamente impiegata per inibire la lettura del sensore ottico in presenza di movimenti eccessivi del soggetto e che si presuppone a priori possano far sorgere disturbi elevati e non filtrabili con efficacia. In caso di attività fisica prolungata, il sensore rimane però spento a lungo e proprio quando à ̈ più interessante la rilevazione del battito cardiaco.

E’ anche stato proposto di impiegare due sorgenti di luce con adatta lunghezza d’onda diversa. La prima lunghezza d’onda à ̈ scelta fra quelle che non sono assorbite dall’ossiemoglobina (ad esempio il rosso), mentre la seconda lunghezza d’onda à ̈ scelta fra quelle che sono meglio assorbite dall’ossiemoglobina (ad esempio il verde). Si ha così un primo segnale maggiormente correlato al movimento dei tessuti e un secondo segnale maggiormente correlato al flusso sanguigno. Il filtraggio del rumore viene quindi eseguito sottraendo opportunamente il primo segnale al secondo segnale, così da mitigare l’effetto dei movimenti relativi fra tessuti e sensore. Un tale sistema à ̈ ad esempio descritto in EP2462866.

Un filtraggio di questo tipo fornisce in uscita un segnale con rumore ridotto. Tuttavia, molto spesso il rapporto segnale rumore à ̈ ancora molto sfavorevole. Inoltre, non sempre la risposta alla specifica lunghezza d’onda scelta rimane costante con il passare del tempo e/o al cambio del soggetto che viene sottoposto alla misura.

Anche metodi misti forniscono risultati non del tutto soddisfacenti. Ad esempio, il rumore à ̈ molto forte sia quando si corre che quando si à ̈ al computer (muovendo le dita). Nel primo caso gli accelerometri sono più utili per l’eliminazione del rumore mentre nel secondo caso à ̈ preferibile sfruttare il sistema a due lunghezze d’onda. L’impiego contemporaneo di entrambe le modalità come proposto nella tecnica nota (ad esempio, come descritto sempre in US2012150052) compensa però solo alcune sorgenti di rumore e non fornisce ancora un rapporto segnale rumore soddisfacente per applicazioni speciali o con il soggetto libero di effettuare una qualunque attività quotidiana. Inoltre, i due sistemi possono interferire fra loro peggiorando la rilevazione.

Uno scopo generale della presente invenzione à ̈ fornire un sistema che permetta di ottenere una rilevazione soddisfacente del battito cardiaco anche in presenza di disturbi causati da varie fonti. Un ulteriore scopo à ̈ fornire un innovativo sistema di trattamento dei segnali di battito cardiaco. In vista di tali scopi si à ̈ pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un dispositivo rilevatore del battito cardiaco comprendente almeno un gruppo sensore ottico a riflessione da appoggiare sulla pelle di un soggetto, il gruppo sensore essendo dotato di un emettitore di luce e di un corrispondente ricevitore di luce che converte la luce riflessa dalla pelle in un segnale elettrico, caratterizzato dal comprendere filtri ottici elettricamente regolabili accoppiati all’emettitore, al ricevitore o ad entrambi per selezionare a comando una voluta lunghezza d’onda della luce.

Si à ̈ inoltre pensato di realizzare un sistema per la rilevazione e il trattamento di dati fisiologici, comprendente almeno un dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti connesso attraverso una interfaccia senza fili ad una unità di elaborazione e trasmissione di dati che riceve i dati dal dispositivo e li elabora.

Si à ̈ anche pensato di realizzare un metodo per aumentare il rapporto segnale-rumore di un segnale elettrico di rilevazione del battito cardiaco per via ottica mediante almeno un gruppo sensore ottico a riflessione, comprendente il differenziare gli effetti di almeno due lunghezze d'onda di luce mediante filtri ottici elettricamente regolabili ed elaborare i corrispondenti segnali ricevuti dall’almeno un gruppo ottico a riflessione per ricavare il segnale elettrico rappresentativo del battito cardiaco.

Come sarà evidente dalla descrizione e dai disegni, secondo l’invenzione un dispositivo rilevatore o monitor della frequenza cardiaca può comprendere un sistema sensore in contatto con la pelle e che comunica con un sistema di elaborazione centrale. Il sistema remoto può comprendere uno o più sistemi ottici di rilevamento per misurare le variazioni di volume ematico sfruttando i principi fisici di assorbimento e fluorescenza. I sistemi ottici possono comprendere:

-uno o più emettitori di luce a banda larga (ad esempio LED);

-uno o più ricevitori di luce a banda larga (ad esempio fotodiodo o fototransistor) e

-uno o più monocromatori sintonizzabili accoppiati agli emettitori di luce, ai ricevitori di luce o ad entrambi, per selezionare una certa lunghezza d'onda.

Il monitor di frequenza cardiaca può anche comprendere uno o più di:

-uno o più sistemi di rilevamento ottici collocati ad una distanza fissa lungo la direzione del flusso sanguigno per stimare il tempo di propagazione del sangue;

-un sistema di rilevamento elettrico comprendente due o più elettrodi in contatto con la pelle per misurare la risposta galvanica della pelle, e -un sistema di rilevamento meccanico per misurare l'accelerazione nelle tre dimensioni e l’orientamento del sistema.

Il monitor di frequenza cardiaca può anche prevedere che l'uno o più monocromatori consentano al sistema di rilevazione ottica di lavorare sia in modalità assorbimento sia in modalità fluorescenza a due o più lunghezze d'onda.

Sempre secondo l’invenzione un metodo per massimizzare il rapporto segnale-rumore del segnale di volume ematico, può comprendere i passi di: -differenziare gli effetti delle due (o più) lunghezze d'onda in modalità assorbimento e in modalità fluorescenza sui segnali dei sistemi di rilevazione ottica;

-sintonizzare dinamicamente le due (o più) lunghezze d'onda al fine di massimizzare i livelli di segnale dei sistemi ottici di rilevamento.

Inoltre il metodo può comprendere uno o più dei seguenti passi i passi di: -integrare gli effetti della modalità assorbimento e della modalità fluorescenza sui segnali dei sistemi ottici di rilevamento;

-integrare i segnali dai sistemi di rilevamento ottici con il segnale del sistema di rilevamento elettrico;

-rimuovere l'effetto della deformazione del mezzo sul tempo di propagazione del sangue, e

-rimuovere l'effetto della deformazione del mezzo data da altri effetti meccanici che sono contenuti nel segnale proveniente dal sistema di rilevamento meccanico.

Il monitor della frequenza cardiaca può anche comprendere un sistema remoto in contatto con la pelle di un utilizzatore e che comunica con un sistema di elaborazione centrale.

Il sistema remoto può comprendere inoltre uno o più dei seguenti elementi: -un processore remoto;

-un sistema di rilevamento accoppiato al processore remoto;

-una memoria remota accoppiato al processore remoto;

-un generatore di segnali di clock accoppiato al processore remoto;

-una interfaccia utente remota accoppiata al processore remoto;

-un ricetrasmettitore remoto accoppiato al processore remoto;

-una antenna remota accoppiata al ricetrasmettitore remoto e

-una batteria remota accoppiata al processore remoto, al sistema di rilevamento, alla memoria remota, al generatore di segnale di clock, e al ricetrasmettitore remoto.

Il sistema di elaborazione centrale può comprendere:

-un processore centrale;

-una memoria centrale accoppiata al processore centrale;

-un ricetrasmettitore centrale accoppiato al processore centrale, e

-una antenna centrale collegata al ricetrasmettitore centrale.

La detta memoria centrale può comprendere inoltre un programma di istruzioni eseguibili sul processore centrale, le istruzioni comprendendo: -un algoritmo per massimizzare il rapporto segnale-rumore del segnale di volume ematico ricevuto dal sistema remoto, e

-un algoritmo per elaborare il segnale ottimizzato di volume ematico per determinare un segnale di pulsazione in base al rilevamento del valore di picco.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriveranno di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta uno schema a blocchi di un primo dispositivo di rilevazione a riflessione realizzato secondo i principi della presente invenzione;

-figura 2 rappresenta un grafico di segnali rilevati da un apparato secondo l’invenzione;

-figura 3 rappresenta uno schema a blocchi di un secondo dispositivo di rilevazione a riflessione realizzato secondo i principi della presente invenzione;

-figura 4 rappresenta un ulteriore grafico di segnali rilevati da un apparato secondo l’invenzione;

-figura 5 rappresenta uno schema a blocchi di un possibile sistema di elaborazione a distanza dei dati rilevati dai sensori secondo l’invenzione; -figura 6 rappresenta una vista schematica di un sistema di braccialetto di rilevazione e di terminale portatile intelligente per una elaborazione (o una prima elaborazione) dei segnali rilevati.

Con riferimento alle figure, in figura 1 à ̈ mostrato un primo rilevatore a riflessione secondo l’invenzione per la rilevazione del battito cardiaco. Tale rilevatore, indicato genericamente con 10, comprende un emettitore di luce 11 (ad esempio un emettitore a diodo LED) e un corrispondente ricevitore 12 (ad esempio un fotodiodo o fototransistor) che riceve la luce dell’emettitore 11 dopo la riflessione sulla pelle 13 del soggetto sottoposto a rilevazione del battito cardiaco. Vantaggiosamente, come sarà chiaro nel seguito, il rilevatore o dispositivo 10 può essere posizionato sulla parte dorsale del polso, come ad esempio un orologio.

Il ricevitore 12 converte la luce ricevuta in un segnale elettrico inviato ad un blocco elettronico di elaborazione 14 il quale emette un corrispondente segnale 15 (detto anche segnale BVP=Blood Volume Pulse) che à ̈ funzione del battito cardiaco del soggetto. Il blocco 14 può essere una combinazione di circuito analogico di amplificazione e di dispositivo programmabile a microprocessore per l’elaborazione di segnale, come à ̈ facilmente immaginabile dal tecnico esperto alla luce della descrizione qui fatta.

Vantaggiosamente, l’emettitore 11 emette luce in un ampio spettro (ad esempio luce bianca) e il dispositivo 10 comprende un filtro ottico regolabile 16 e/o un filtro ottico regolabile 17 disposti rispettivamente davanti al trasmettitore 11 e al ricevitore 12. Tali filtri ottici sono comandabili dal blocco di elaborazione 14 per essere sintonizzati su una voluta lunghezza d’onda di filtraggio della luce inviata e/o riflessa.

Vantaggiosamente, tali filtri ottici comprendono i cosiddetti “monocromatori†e permettono di selezionare dinamicamente una specifica lunghezza d’onda a partire da luce ad ampio spettro. In particolare, à ̈ stato trovato vantaggioso l’impiego di in sé noti monocromatori sintonizzabili di Fabry-Perot, i quali possono essere facilmente miniaturizzabili.

Sempre vantaggiosamente, il dispositivo può comprendere un circuito 18 di alimentazione dell’emettitore 11 che à ̈ controllato dal blocco di elaborazione 14 per regolare ad un voluto valore la luminosità di emissione dell’emettitore 11.

Per i motivi che saranno chiariti nel seguito, il dispositivo 10 può anche comprendere un noto accelerometro 19 che invia segnali di movimento al blocco di elaborazione 14. Vantaggiosamente, l’accelerometro à ̈ scelto per misurare l’accelerazione nelle tre dimensioni e l’orientamento del sistema.

Come à ̈ noto, l’ossiemoglobina presente nel sangue assorbe determinate lunghezze d’onda. Tale fenomeno à ̈ noto come “assorbimento†.

Inoltre, l’ossiemoglobina riemette parte dell’energia assorbita sotto forma di luce ad un lunghezza d’onda diversa da quella assorbita. Questo fenomeno à ̈ noto come “fluorescenza†.

Grazie all’impiego di filtri regolabili, à ̈ possibile configurare il sistema al fine di sfruttare prima l’uno poi l’altro fenomeno. Nella prima modalità si fornisce la lunghezza d’onda che massimizza l’assorbimento e si “osserva†tramite il ricevitore 12 la stessa lunghezza d’onda. Nella seconda modalità si fornisce la lunghezza d’onda che massimizza la fluorescenza e si osserva tramite il ricevitore 11 la lunghezza d’onda di fluorescenza caratteristica dell’ossiemoglobina (lunghezza d’onda che à ̈ sempre maggiore di quella incidente per ragioni di bilancio energetico).

Mettendo insieme il segnale letto dal ricevitore nelle due diverse modalità di “assorbimento†e di “fluorescenza†, si riesce a migliorare il rapporto segnale/rumore.

Inoltre, grazie alla regolabilità dei filtri à ̈ possibile adattare la lunghezza d’onda di fluorescenze e/o di assorbimento alle caratteristiche della pelle del soggetto sottoposto a rilevazione (ad esempio età, livello di abbronzatura, carnagione, presenza di grasso, presenza di pelo).

Infatti, la pelle interposta tra rilevatore e ossiemoglobina crea delle interferenze ottiche che possono alterare la luce emessa e/o ricevuta. Pertanto, si à ̈ trovato opportuno andare a cercare, possibilmente ogni volta che il dispositivo viene acceso, le lunghezze d’onda che massimizzano l’ampiezza del segnale BVP, in funzione delle caratteristiche della pelle, sia nella modalità di fluorescenza che in quella di assorbimento.

Ad esempio, pelli estremamente chiare favoriscono la penetrazione della luce perciò, in modalità assorbimento, lunghezze d’onda vicine alla banda UV sono efficacemente utilizzabili. Al contrario, pelli abbronzate o scure non permettono a piccole lunghezze d’onda di raggiungere il ricevitore se non per intensità che pregiudicano la durata della batteria.

Situazione simile nella modalità fluorescenza, per la quale si ha una risposta massima dell’ossiemoglobina stimolando nella banda del violettoblu e rilevando nella banda dell'arancio.

In altre parole, durante il funzionamento il blocco di elaborazione 14 può sintonizzare i filtri su lunghezze d’onda considerate adatte per il rilevamento del battito con il metodo ad “assorbimento†(ad esempio, nell’intorno di 530-580 nm per pelli scure e 410-450 nm per pelli estremamente chiare), e acquisire il corrispondente segnale riflesso e captato dal ricevitore 12. Il blocco di elaborazione 14 può anche sintonizzare i filtri su una lunghezza d’onda considerata adatta per il rilevamento del battito con il metodo a “fluorescenza†(ad esempio, nell’intorno di 410-450 nm per il filtro di emissione e 590-630 nm per quello di ricezione), e acquisire il corrispondente segnale di fluorescenza captato dal ricevitore 12. Sovrapponendo i due segnali ricevuti (compensando opportunamente il ritardo temporale fra le due misure) à ̈ possibile ottenere un segnale BVP di più elevata ampiezza rispetto al rumore di fondo.

Inoltre, durante le due misure (oppure, vantaggiosamente, durante una fase di calibrazione che può avvenire all’accensione del dispositivo dopo l’applicazione sulla pelle, oppure ciclicamente durante il funzionamento) il dispositivo può variare la lunghezza d’onda del filtro nell’intorno delle lunghezze d’onda stabilite di base per fluorescenza e assorbimento cercando di massimizzare il picco di segnale ricevuto nelle due modalità. Ottenuta le lunghezze d’onda per le quali si ottiene il segnale maggiore, il dispositivo può impiegare tali lunghezze d’onda per le successive misure, fino alla successiva calibrazione.

Ripetendo periodicamente la calibrazione durante il funzionamento del dispositivo si possono compensare anche le variazioni di condizioni della pelle (ad esempio, la variazione di abbronzatura, la sudorazione o un cambio di temperatura) che possono influenzare la misurazione.

Come ulteriore vantaggio, si possono anche compensare i disturbi sul segnale dovuti a movimenti relativi fra pelle e dispositivo, ad esempio causati da movimenti del soggetto o da movimenti (ad esempio movimento delle dita) dei muscoli e dei tendini della zona di corpo sulla quale à ̈ posto il sensore. Infatti, à ̈ possibile sintonizzare il filtro (o i filtri, nel caso di dispositivo con entrambi i filtri) in modo che la luce emessa dall’emettitore 11 sia caratterizzata da una lunghezza d’onda meno sensibile allo scorrere del sangue ma più a movimenti cutanee e sottocutanei (come ad esempio la luce di lunghezza d’onda 650-750 nm). Il corrispondente segnale captato dal rilevatore 12 potrà essere impiegato dal blocco di elaborazione 14 come segnale di rumore da sottrarre dal segnale elettrico ottenuto dalla rilevazione del segnale BVP, tramite filtro numerico adattativo, così da eliminare una importante componente di rumore.

Il filtraggio può anche avvenire per selezionare luce verde o rossa per gli usi sostanzialmente di tecnica nota o anche filtrare (impiegando adatti emettitori) nel campo dell’infrarosso, ecc.

Vantaggiosamente, il rilevatore 10 può anche impiegare il segnale fornito dall’accelerometro 19 per compensare disturbi dovuti ad ampi movimenti del dispositivo (ad esempio, causati da attività fisica del soggetto). Il segnale dell’accelerometro può essere fornito al blocco 14 per realizzare un filtro numerico adattativo che interviene in caso di forti accelerazioni (ad esempio quando si corre).

Il segnale dell’accelerometro 19 può anche essere impiegato per inibire l’emissione del segnale di BVP da parte del dispositivo quando l’accelerazione rilevata à ̈ sopra una soglia che à ̈ stata prestabilita come corrispondente a una fonte di rumore da movimento che à ̈ eccessiva per la sicura compensazione del rumore sulla BVP rilevata dal sistema ottico. Per ridurre il rumore sul segnale in uscita, il dispositivo 10 può anche vantaggiosamente agire sulla intensità luminosa della luce emessa dal sensore 11. Tuttavia, nel caso di dispositivi alimentati a batteria una maggiore intensità luminosa può incidere negativamente sulla durata della carica della batteria.

In figura 2 à ̈ mostrato un grafico che riporta schematicamente la relazione fra luce E emessa dell’emettitore (asse X) e ampiezza del segnale ricevuto R (asse Y).

Come si vede dal grafico, esiste in sostanza una relazione lineare fra luce emessa e luce riflessa misurata dal ricevitore. Il segnale di rumore BR (Background Reflection, nel quale si può anche comprendere la luce ambiente eventualmente captata dal sensore) e il segnale BPR (Blood Pulse Reflection) incrementano perciò entrambi con l’aumentare dell’intensità luminosa di emissione E. La pendenza delle due rette sul grafico che individuano la curva di riflessione della luce può variare da persona a persona.

Tutto ciò significa che data una certa luce emessa E, una prima persona può avere una certa dR (vale a dire una certa ampiezza dR di variazione periodica di luce riflessa che porta l’informazione di pulsazione sanguigna). Una seconda persona può avere per la stessa E un valore dR minore o maggiore del valore dR della prima persona.

Se viene stabilito un valore dRmin (vale a dire un valore minimo di segnale ricevuto utile) sarà opportuno che l’emettitore venga comandato dal blocco 14 per avere in ogni caso una emissione E che permetta di avere il segnale dR sopra il valore dRmin. Sebbene sia possibile emettere costantemente una luce ad un valore (ad esempio, 1000mcd) che sicuramente renda sempre verificata tale condizione, una simile soluzione può portare ad un inutile consumo prematuro della alimentazione a batteria.

Vantaggiosamente, à ̈ invece preferibile che il segnale dR sia sempre solo appena sopra il valore dRmin. Si ha perciò un valore di E, che può essere chiamato Eopt (cioà ̈ E ottimale), che soddisfa tale condizione e che potrà essere diverso per diversi soggetti o per diverse condizioni del soggetto. Tutto ciò à ̈ mostrato a titolo di esempio in figura 2 (dove Eopt1 e Eopt2 danno luogo allo stesso dR1=dR2=dRmin per due persone di esempio). Il blocco 14 potrà perciò vantaggiosamente variare l’emissione E attraverso l’alimentatore 18 come sopra detto per mantenere il segnale dR appena sopra dRmin (eventualmente con un piccolo margine di sicurezza) così da ottimizzare l’ampiezza del segnale utile massimizzando nel contempo la durata della batteria.

Si ottiene così anche la possibilità di impiegare emettitori (LED) ad alta luminosità anche in sistemi a batteria, impiegando le emissioni di luce più elevate solo in caso di necessità e solo per il tempo necessario.

L’alimentazione delle sorgenti può essere anche realizzata impulsiva e/o alternata fra gli emettitori, sia per ridurre il consumo di batteria sia per potere condividere fra gli emettitori parte o tutto il circuito di pilotaggio. In figura 3 à ̈ mostrata una seconda realizzazione di un rilevatore secondo l’invenzione. In tale seconda realizzazione, indicata genericamente con 110, vengono impiegati due rilevatori o dispositivi 10 come sopra descritti, indicati come 10a e 10b le cui uscite 15a e 15b di segnale BVP sono ulteriormente elaborate da un blocco di elaborazione e confronto 120.

I due rilevatori 10a e 10b sono disposti con i corrispondenti gruppi ottici (formati da emettitore 11, ricevitore 12 ed eventuali filtri ottici 16 e/o 17) posti genericamente lungo la direzione principale di flusso del sangue nella parte del corpo dove viene posizionato il dispositivo 110. Ad esempio, nel caso di posizionamento su un arto la direzione sarà lungo l’asse dell’arto stesso. In particolare, nel caso di posizionamento su un polso, la direzione potrà vantaggiosamente essere quella gomito-mano.

La distanza fra i due gruppi ottici potrà essere di qualche centimetro o anche meno, anche a seconda della sensibilità del rilevatore e della posizione scelta sul corpo.

Grazie all’uso dei due dispositivi 10a e 10b si avranno due segnali 15a e 15b leggermente sfasati fra loro (dipendentemente dalla distanza reciproca) come mostrato schematicamente in figura 4.

Attraverso il calcolo della correlazione al variare del tempo dei due segnali, condotta dal blocco 120, à ̈ possibile calcolare il tempo “delta-t†di transito del sangue fra i due gruppi ottici.

Rilevando le variazioni di tale tempo (o della velocità apparente di spostamento del sangue fra i due gruppi ottici) à ̈ stato trovato possibile ottenere informazioni sul movimento dei tessuti sotto e fra i due gruppi ottici. In altre parole si à ̈ trovato che tali movimenti possono variare la lunghezza dei vasi sanguigni e quindi alterare il valore di velocità rilevato o, meglio, il tempo di transito fra i due gruppi ottici (che sono a distanza fissa uno dall’altro).

Si può così ottenere una ulteriore informazione sul rumore prodotto dal movimento muscolare e che può essere sottratto al segnale BVP, ottenendo un segnale BVP migliore all’uscita 121 del blocco di elaborazione 120. Vantaggiosamente, il dispositivo 110 comprende anche un sistema di misura della conducibilità della pelle, preferibilmente nella zona ventrale del polso, la quale presenta una pronunciata attività elettrodermale.

Il sistema di misura della conducibilità (o dell’effetto galvanico della pelle) comprende vantaggiosamente due placche metalliche 122, 123 a contatto con la pelle della zona scelta e che sono connesse ad un blocco di misura 124 che rileva la resistenza elettrica fra le due placche.

La misura della resistenza può semplicemente avvenire facendo fluire attraverso la pelle una corrente di bassa o bassissima intensità. Un algoritmo di compensazione può anche essere utilizzato per controllare la corrente che fluisce attraverso la pelle in modo da bilanciare una linea base per il soggetto, prendendola come linea di zero. Per evitare fenomeni di polarizzazione e/o di elettrolisi, l’alimentazione sulle placche può anche essere periodicamente invertita. Inoltre, le placche possono essere ricoperte in argento per prevenire possibili danni alla pelle e degrado dell’elettrodo. L’inversione di polarità riduce drasticamente il rischio di deposizione di ioni Ag+ sugli strati esterni della pelle. Gli ioni che possono essere stati depositati sulla pelle si ricombinano con la superficie dell'elettrodo dopo ciascuna inversione di polarità.

Il valore di resistenza misurato dal rilevatore à ̈ presente sull’uscita 125 del blocco 124 e viene inviato ad un ulteriore blocco di elaborazione 126 il quale effettua una ulteriore elaborazione del segnale BPV 121 per ridurne ulteriormente il rumore impiegando le variazioni di conducibilità sull’uscita 125.

Infatti, à ̈ stato trovato che la variazione di conducibilità misurata sulla pelle nei dintorni del gruppo ottico ha un andamento simile alla BVP sommato al lento andamento della sudorazione. La variazione di conducibilità osservata simile alla BVP à ̈ dovuta in particolare all’onda di sangue che percorre i vasi superficiali e che tende a “strizzare†le ghiandole sudoripare, le quali rilasciano piccole quantità di fluido alla stessa frequenza del battito cardiaco.

Tale segnale à ̈ in genere molto piccolo e difficilmente impiegabile da solo per avere una indicazione del battito cardiaco, ma se esso viene integrato con il segnale rilevato per via ottica come sopra descritto, permette di migliorare ulteriormente il rapporto segnale/rumore del segnale BVP in uscita dal dispositivo secondo l’invenzione.

Anche se non mostrato in figura 1, tale sistema di misura della conducibilità può essere impiegato allo stesso modo anche per ridurre il rumore nel dispositivo 10 di figura 1, impiegando un blocco di elaborazione 125 al cui ingresso viene inviato il segnale 15 del blocco 14 (anziché il segnale 121 del blocco 120), come ora facilmente immaginabile dal tecnico.

Il lento variare della conducibilità della pelle può essere anche inviato all’esterno del dispositivo 110 (o del dispositivo 10 che impieghi un tale rilevatore di conducibilità) per essere impiegato per fornire ulteriori indicazioni fisiologiche sul soggetto, come à ̈ mostrato esemplificativamente con una linea tratteggiata 127 in figura 3.

Il dispositivo 110 può anche impiegare un accelerometro 19 come descritto per il dispositivo di figura 1. L’accelerometro à ̈ in tale caso vantaggiosamente connesso all’ultimo blocco di elaborazione 126 che à ̈ posto prima dell’uscita 128 del segnale BVP dal dispositivo. In entrambi i dispositivi 10 e 110, il segnale tridimensionale di accelerazione può essere anche inviato all’esterno per essere impiegato per fornire ulteriori indicazioni sul soggetto, come à ̈ mostrato esemplificativamente con le linee tratteggiate 20 e 129 in figura 1 e 3.

In figura 5 Ã ̈ mostrato schematicamente un vantaggioso sistema completo, indicato genericamente con 200, per la rilevazione e il trattamento dei dati fisiologici di un soggetto.

Il sistema 200 comprende un dispositivo remoto 201, il quale comprende a sua volta un rilevatore del tipo del rilevatore 10 o 110 qui descritto, i cui segnali BVP (15 o 128) e l’eventuale segnale di conducibilità 127 sono inviati ad una unità 202 di elaborazione e trasmissione dei dati.

Tale unità 202 à ̈ vantaggiosamente realizzata come unità a microprocessore opportunamente programmata e perciò comprende vantaggiosamente un processore 203, che riceve i segnali dal dispositivo 10, 110, una memoria di programma 204, una memoria dati 205 e una unità trasmittente 206, connessi al processore 203.

L’unità 202 può essere integrata nel dispositivo remoto 201 o essere tutta o in parte realizzata come dispositivo separato e può comprendere anche noti sistemi di immissione di comandi e di visualizzazione di dati e informazioni (ad esempio attraverso display touch-screen).

L’unità 202 può essere realizzata per comunicare (vantaggiosamente attraverso una connessione wireless o cellulare per la connessione con la rete Internet) con un server remoto 208 il quale può a sua volta essere in comunicazione con uno o più terminali 209.

In tale modo i dati fisiologici elaborati o pre-elaborati dal dispositivo 201 possono essere inviati (anche dopo ulteriore elaborazione da parte del server 208) ad un terminale remoto di visualizzazione e controllo 209. E’ così da esempio possibile un esame remoto di un soggetto che indossa il dispositivo 201. I dati elaborati dal server (o anche dal terminale remoto 209 dietro comando di un operatore) possono essere re-inviati all’unità 202 per una visualizzazione locale da parte, ad esempio, del soggetto stesso sottoposto a misura.

I segnali 15, 128 e 127 possono essere inviati direttamente all’unità 202 o passare attraverso una in sé nota interfaccia di comunicazione 207 (di tipo cablato o, vantaggiosamente, senza fili).

Nel caso di connessione senza fili, il rilevatore 10, 110, assieme alla opportuna interfaccia di comunicazione 207, possono essere integrati in un piccolo dispositivo indossabile (ad esempio a forma di orologio da polso) che comunica wireless con l’unità di elaborazione e comunicazione 202, da tenere in tasca o in mano.

In figura 6 à ̈ mostrato una vantaggiosa realizzazione del dispositivo 201 di figura 5. In tale realizzazione il rivelatore 10, 110 à ̈ realizzato in forma di dispositivo 210 da indossare al polso, con i sensori ottici disposti su una faccia destinata ad essere posta in contatto con la pelle quando il dispositivo viene allacciata al polso per mezzo di un cinturino 211. Preferibilmente, i sensori elettrici sono disposti sul cinturino stesso. Vantaggiosamente, attorno ai sensori ottici può essere previsto un anello di tenuta 212 che viene premuto contro la pelle e impedisce l’ingresso di luce ambiente e/o di umidità esterna nell’area sorvegliata dai sensori.

Il dispositivo da 210 comunica senza fili (ad esempio attraverso l’interfaccia 207 vantaggiosamente di tipo Bluetooth low energy) con un terminale intelligente (quale, vantaggiosamente, uno smartphone o un tablet) che, con una opportuna programmazione, ora facilmente immaginabile, realizza le funzioni di unità di elaborazione e comunicazione 202. Il terminale può a sua colta comunicare con la rete internet o cellulare in modalità wireless come sopra accennato, nel caso sia desiderata l’elaborazione o la visualizzazione remota dei dati.

L’immissione di comandi e la visualizzazione di informazioni in locale possono essere facilmente realizzate mediante uno schermo touchscreen 213 del terminale 202.

Una applicazione interessante del sistema mostrato nelle figure 5 e/o 6 può essere quella di segnalare al soggetto che indossa il dispositivo 210 e/o ad un operatore remoto mediante il terminale 209 vari parametri fisiologici quali lo stato di stress, il livello di attività e forma fisica, la qualità del sonno, il livello di eccitazione, ecc. Questi possono essere stabiliti in base ai segnali rilevati dal dispositivo 210. L’operatore può anche ricevere i dati da una molteplicità di rilevatori remoti indossati da più soggetti.

A questo punto à ̈ chiaro come si siano ottenuti gli scopi prefissati. Con i metodi e i dispositivi secondo l’invenzione à ̈ possibile ottenere segnali precisi ed affidabili sotto molte condizioni di disturbo. Ad esempio, à ̈ possibile cambiare la modalità operativa del sistema scegliendo il colore della luce in funzione delle condizioni esterne e della condizione e tipologia della pelle, cambiando anche fra assorbimento o fluorescenza.

Un monitor della frequenza cardiaca secondo l’invenzione può vantaggiosamente comprendere un sistema sensore in contatto con la pelle e che comunica con un sistema di elaborazione centrale. Inoltre, il sistema sensore può comprendere uno o più sistemi ottici di rilevamento per misurare le variazioni di volume ematico sfruttando i principi fisici di assorbimento e/o fluorescenza. I sistemi ottici comprendono vantaggiosamente uno o più emettitori di luce a banda larga (LED) e uno o più ricevitori di luce a banda larga e uno o più filtri monocromatori sintonizzabili, accoppiati agli emettitori di luce, ai ricevitori di luce o ad entrambi, per selezionare una certa lunghezza d'onda.

Grazie ai principi secondo l’invenzione, se si desidera à ̈ possibile rimuovere l’effetto della deformazione dei tessuti sul tempo di propagazione del sangue. La velocità di propagazione viene alterata in parte dal battito stesso ma in modo maggiore dallo stretching dei tessuti. Sfruttando opportunamente il segnale ottenuto mediante il sistema descritto à ̈ possibile rimuovere un’ulteriore componente di rumore. Inoltre, se à ̈ desiderato, à ̈ possibile rimuovere l’effetto del movimento “macroscopico†misurato dagli accelerometri. E’ anche possibile sfruttare efficacemente emettitori ad alta luminosità.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di realizzazioni applicanti i principi innovativi della presente invenzione à ̈ riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

Ad esempio, i vari blocchi di elaborazione sopra descritti come separati possono anche essere fra loro combinati in un unico blocco di elaborazione (ad esempio una unità a microcontrollore opportunamente programmata) come ora facilmente immaginabile dal tecnico esperto. Ad esempio, il blocco 14 del rilevatore 10 o dei due rilevatori 10a e 10b può anche essere realizzato con un unico blocco di elaborazione, che può comprendere anche il blocco 120 e, possibilmente, i blocchi 124 e 126. Vantaggiosamente, i vari blocchi possono essere realizzati mediante algoritmi che comprendono almeno uno fra: un algoritmo per controllare i sistemi di rilevamento ottici e ricevere segnali dai sistemi di rilevamento ottici durante la modalità di assorbimento; un algoritmo per controllare i sistemi di rilevamento ottici e ricevere segnali dai sistemi di rilevamento ottici durante la modalità di fluorescenza; un algoritmo per controllare il sistema di rilevamento della conducibilità elettrica della pelle e ricevere segnali dal sistema di rilevamento della conducibilità elettrica della pelle; un algoritmo per controllare il sistema di rilevamento dell’accelerazione (o movimento meccanico) e ricevere segnali dal sistema di rilevamento dell’accelerazione. Tali algoritmi possono essere realizzati con un adatto programma eseguibile dal processore contenuto nel dispositivo secondo l’invenzione, come à ̈ immaginabile dal tecnico esperto sulla base della presente descrizione. Vantaggiosamente, i filtri possono essere tutti filtri numerici adattativi. Nel caso di trasmissione remota può inoltre essere previsto un algoritmo per codificare segnali, ricevuti dal o dai sistemi di rilevamento, per la loro trasmissione tramite il ricetrasmettitore del dispositivo verso l’unità di elaborazione esterna, e un algoritmo per decodificare segnali ricevuti tramite il ricetrasmettitore dall’unità di elaborazione esterna. Ulteriori parti di programma possono gestire comandi di stato per controllare un emettitore di luce (ad esempio un LED) di stato su una interfaccia utente del dispositivo.

Grazie al sistema impiegante filtri selezionabili per le lunghezze d’onda della luce, à ̈ anche possibile impiegare, confrontare ed elaborare segnali ottenuti a più di due lunghezze d’onda (ad esempio blu, verde, infrarosso) per ottimizzare particolari aspetti della rilevazione.

Le varie soluzioni innovative secondo la presente invenzione e che sono descritte come inserite contemporaneamente nelle realizzazioni di esempio sopra riportate, possono anche essere impiegate separatamente in dispositivi e sistemi secondo l’invenzione o essere diversamente combinate.

Il dispositivo secondo l’invenzione (ad esempio nella sua forma di dispositivo 210) può anche comprendere ulteriori elementi utili ad un pratico funzionamento quali un emettitore di luce di stato tricromatico (LED) accoppiato al processore per indicare lo stato del sistema, e un pulsante accoppiato al processore remoto per interagire con il dispositivo di rilevamento. Lo stato indicato dall’indicatore di stato può essere almeno uno di: esaurimento della batteria, batteria in carica, modalità di acquisizione dati. Il dispositivo può anche comprendere una porta per la ricarica di una batteria interna.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo rilevatore del battito cardiaco comprende almeno un gruppo sensore ottico a riflessione (10) da appoggiare sulla pelle di un soggetto, il gruppo sensore essendo dotato di un emettitore di luce (11) e di un corrispondente ricevitore di luce (12) che converte la luce restituita dalla pelle in un segnale elettrico, caratterizzato dal comprendere filtri ottici elettricamente regolabili (16, 17) accoppiati all’emettitore, al ricevitore o ad entrambi per selezionare a comando una voluta lunghezza d’onda della luce.
2. 2. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i filtri ottici elettricamente regolabili (16, 17) comprendono monocromatori di Fabry-Perot.
3. 3. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un blocco di elaborazione (14) che riceve il segnale dal ricevitore di luce e comanda i filtri (16, 17) per selezionare alternativamente una modalità per misurare un primo segnale funzione della variazione di volume ematico sfruttando i principi fisici di assorbimento e una modalità per misurare un secondo segnale funzione della variazione di volume ematico sfruttando i principi fisici di fluorescenza, ed elaborare primo e secondo segnale per ottenere un segnale (15) rappresentativo della frequenza cardiaca.
4. 4. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un blocco di elaborazione (14) che riceve il segnale dal ricevitore di luce e comanda i filtri (16, 17) nel senso di ottimizzare l’ampiezza di segnale utile ricevuto.
5. 5. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere due gruppi sensori ottici (10a, 10b) disposti distanziati e connessi ad un blocco di elaborazione dei segnali (120) per stimare il tempo di propagazione del sangue fra i due gruppi, il blocco di elaborazione modificando il segnale rilevato dall’almeno un gruppo ottico in funzione di variazioni di tale tempo stimato.
6. 6. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema di rilevamento elettrico (122, 123, 124) per misurare la risposta galvanica della pelle e un blocco di elaborazione (126) che da tale misura ricava un segnale funzione del battito cardiaco e che integra tale segnale al segnale rilevato dall’almeno un gruppo ottico.
7. 7. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema (19) di misura dell’accelerazione del dispositivo e un blocco di elaborazione (14, 126) che in funzione di tale misura modifica il segnale rilevato dall’almeno un gruppo ottico.
8. 8. Un dispositivo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un alimentatore (18) per l’emettitore (11) dell’almeno un gruppo ottico il quale riceve comandi da un blocco (14) di elaborazione del segnale ricevuto dal ricevitore (12), per variare la luminosità dell’emettitore nel senso di mantenere il segnale utile ricevuto sopra una soglia minima predefinita.
9. 9. Un sistema per la rilevazione e il trattamento di dati fisiologici, comprendente almeno un dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti connesso attraverso una interfaccia senza fili (207) ad una unità (202) di elaborazione e trasmissione di dati e che riceve i dati dal dispositivo e li elabora.
10. 10. Un sistema secondo rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che l’unità (202) di elaborazione e trasmissione comunica con un terminale remoto (209).
11. 11. Un sistema secondo rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che l’unità (202) di elaborazione e trasmissione comunica con il terminale remoto (209) attraverso la rete internet.
12. 12. Un sistema secondo rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo à ̈ in forma di un dispositivo (210) da fissare al polso mediante un cinturino e che la detta unità (202) di elaborazione e trasmissione à ̈ uno smartphone o un tablet opportunamente programmato.
13. 13. Metodo per aumentare il rapporto segnale-rumore di un segnale elettrico di rilevazione del battito cardiaco per via ottica mediante almeno un gruppo sensore ottico a riflessione, comprendente il differenziare tramite filtro numerico adattativo gli effetti di almeno due lunghezze d'onda di luce mediante filtri ottici elettricamente regolabili ed elaborare i corrispondenti segnali ricevuti dall’almeno un gruppo ottico a riflessione per ricavare il segnale elettrico rappresentativo del battito cardiaco.
14. 14. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale le almeno due lunghezze d’onda sono scelte per avere una modalità assorbimento e una modalità fluorescenza sui segnali del gruppo di rilevazione ed i filtri sono regolati per sintonizzare dinamicamente le due (o più) lunghezze d'onda al fine di massimizzare i livelli di segnale del gruppo ottico.
15. 15. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale vengono impiegati due gruppi ottici distanziati per rilevare una differenza temporale fra i segnali ricevuti, stimare da essi un tempo di propagazione del sangue fra i due gruppi e modificare il segnale rilevato dall’almeno un gruppo ottico in funzione di variazioni di tale tempo stimato.
16. 16. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale viene ricavato un segnale di accelerazione nelle tre dimensioni e tale segnale viene sottratto al segnale rilevato dall’almeno un gruppo ottico tramite filtro numerico adattativo.
17. 17. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale viene misurata la risposta galvanica della pelle, viene da essa ricavato un segnale funzione del battito cardiaco e tale segnale viene integrato con il segnale rilevato dall’almeno un gruppo ottico.
18. 18. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale il segnale elettrico rappresentante il battito cardiaco à ̈ impiegato per stimare vari parametri fisiologici del soggetto quali lo stato di stress, il livello di attività e forma fisica, la qualità del sonno e/o il livello di eccitazione.