INDICE1. INTRODUZIONE……………………………………………………………

…………………………31.1 OBIETTIVI…………………………………………………………………………………………

……………………………..51.2 STRUTTURA GENERALE DEL

PROGETTO……………………………………………………………….6

2. E-HEALT APPLICATION:DEFINIZIONE E OBIETTIVI……………8

2.1 DEFINIZIONE E-HEALT………………………………………………………………………………………………8

2.2 PUNTI CRITICI…………………………………………………………………………………………………………………9

2.3 ASPETTO MEDICO LEGALI………………………………………………………………………………………….10

2.4 OBIETTIVI DELLA TELEMEDICINA………………………………………………………………………..10

3. PANORAMICA DELLA CRESCITA DEMOGRAFIICA……………………12

3.1 CRESCITA DEMOGRAFICA………………………………………………………………………………………….12

3.2 SITUAZIONE DEMOGRAFICA IN ITALIA…………………………………………………………..13

4. MONITORAGGIO DEI SEGNALI VITALI : BODYGATEWAY..15

4.1 BODYGATEWAY E IL SISTEMA BADANTE VIRTUALE……………………………………15

4.2 ASPETTI TECNICI…………………………………………………………………………………………………………..17

4.3 PARAMETRI RILEVATI………………………………………………………………………………………………….23

1

4.4 POSSIBILI SVILUPPI FUTURI……………………………………………………………………………………30

4.5 CONNESSIONE UTILIZZATA DAL SENSORE……………………………………………………..31

5. MONITORAGGIO VECCHIO DISPOSITVO :BIOHARNESS…….34

5.1 ANALOGIE E DIFFERENZE………………………………………………………………………………………….34

5.2 CARATTERISTICHE-ASPETTI TECNICI………………………………………………………………….35

5.3 PARAMETRI RILEVATI………………………………………………………………………………………………….36

6. BLUETOOTH O ZIGBEE……………………………………………………………………….40

6.1 QUALE CONNESSIONE WIRELESS UTILIZZARE?..........................................406.2 BLUETOOTH VS

ZIGBEE……………………………………………………………………………………………..41

6.3 DIFFERENZE TRA I DUE TIPI DI CONNESSIONE………………………………………….42

7. TEST DI CONFRONTO IN LABORATORIO (INRCA)……………….43

7.1 BODYGATEWAY VS BIOHARNESS…………………………………………………………………………..43

7.2 TEST DI CONTROLLO PER LA MISURAZIONE DELL’ECG……………………………….44

7.3 TEST DI CONTROLLO PER LA FREQUENZA CARDIACA………………………………..48

7.4 TEST DI CONTROLLO PER LA FREQUENZA RESPIRATORIA………………………52

7.5 TEST DI CONTROLLO PER LA POSTURA……………………………………………………………….53

7.6 TEST DI CONTROLLO SU PAZIENTE TACHICARDICO…………………………………….54

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8. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI………………………………………………56

8.1 CONCLUSIONI…………………………………………………………………………………………………………………56

8.2 SVILUPPI FUTURI……………………………………………………………………………………………………………59

1. INTRODUZIONE

Sin dalla metà del XIX secolo, con la nascita dei nuovi strumenti di comunicazione elettronica, i medici hanno utilizzato la tecnologia per scambiarsi informazioni di tipo clinico.

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Solo negli ultimi anni, però, un repentino avanzamento tecnologico sta cambiando il modo in cui le persone si mettono in relazione, comunicano e vivono; tecnologie usate solo raramente un decennio fa, come Internet, la posta elettronica, la video-teleconferenza e la realtà virtuale condivisa, stanno diventando strumenti familiari anche in ambito sanitario.

La medicina è tra quelle aree sulle quali l’impatto di queste nuove tecnologie potrebbe essere maggiore. I mezzi di comunicazione distribuita forniscono infatti un canale di diffusione sempre più accessibile per un segmento crescente di popolazione e , rispetto alle tecniche convenzionali, offrono un livello più elevato di interattività e un migliore adattamento dell’informazione alle esigenze individuali.La “medicina elettronica” o E-Health , frutto dell’integrazione delle tecniche di telemedicina con Internet e con la realtà virtuale condivisa, è il prossimo e il più logico passo.Difatti la telemedicina, cioè l’applicazione delle tecnologie telematiche al settore della sanità, è in grado di soddisfare il bisogno sempre crescente di effettuare sempre controlli a distanza delle condizioni fisiche del paziente.La teleraccolta d’informazioni per la diagnosi , il teleconsulto, la possibilità di attivare presidi sanitari efficaci anche in zone disagiate e lontane dalle strutture ospedaliere, sono esempi della potenzialità del servizio che la telemedicina mette a disposizione degli operatori pubblici e privati; questi risultati sono stati raggiunti attraverso l’impiego delle più moderne tecnologie.Negli ultimi anni, l’evoluzione dell’ingegneria e dell’informatica , abbinate all’applicazione delle più avanzate tecniche di telecomunicazione, ha reso possibile la miniaturizzazione delle apparecchiature diagnostiche.Ciò ha permesso, nel rispetto di standard di affidabilità molto alti, di rendere gli apparecchi facili da trasportare e da usare.Grazie all’applicazione di queste tecnologie, il medico può ora seguire il paziente anche da lontano e quest’ultimo può contare su un presidio continuo e , quindi, su tempestivi interventi.La telemedicina permette il trasferimento d’informazioni mediche ( grafiche, in video, in voce, etc…) tra sedi distanti tra loro, con pazienti, medici e altri

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addetti ai sistemi sanitari, con ambulatori, ospedali, università, medici di medicina generale per diagnosi , trattamenti , consulti ed educazione continua.

La riduzione delle dimensioni e del peso delle apparecchiature sanitarie consente, ad esempio, di disporre di elettrocardiografi a basso costo , delle dimensioni di una calcolatrice tascabile, a dodici derivazioni con monitor e memoria, capaci di trasmettere l’elettrocardiogramma attraverso un comune telefono di casa o cellulare; altri modelli, più semplici hanno le dimensioni di una carta telefonica e altri ancora , grandi come una moneta , possono trasmettere, grazie alle connessioni WPAN( Wireless personal area Network), un segnale elettrocardiografico continuo, senza limiti spaziali.

1.1 Obiettivi

In questa tesi saranno analizzate le diverse caratteristiche dei biosensori Wireless, BodyGateWay-STm e Bioharness-Zephyr, utilizzati nella sperimentazione del Progetto di Badante Virtuale in un contesto di ambiente intelligente (A. A. L).Sarà effettuata un’analisi comparativa per studiare l’efficienza di questi dispositivi in ambito domestico, vedere quanto la loro misurazione è precisa e quanto essi risultino di facile utilizzo da parte dell’utente, affinché i dati possono essere trasmessi via telematica a un esperto o alla famiglia. Il loro impiego in un contesto di A. A .L. (Ambient Assisted Living) servirà per definire i diversi stadi della vita quotidiana di una persona debole e/o anziana basata sulla combinazione dei parametri fisiologici con conseguente emissione di allarmi in caso di condizioni critiche.

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L’obiettivo è quello di definire per mezzo di questi sensori l’individuazione di scenari fondamentali nell’applicazione di telemedicina in un contesto domestico e vedere il beneficio che otteniamo:

- La comunicazione bidirezionale con il care giver/tutor permette al paziente di essere aggiornato sugli eventi di interesse immediato e ricevere eventuali allarmi suggerimenti e consigli.

- Il monitoraggio continuo dà una visione completa dei dati fisiologici e consente di valutare lo stato complessivo del paziente , migliorare la comprensione da parte dei medici sulle condizioni e stile di vita dello stesso.

1.2 Struttura Generale Del Progetto

La parte funzionale della struttura generale è stata costruita pensando alle seguenti unità fondamentali:

Sensore “BodyGateWay – St” (Bluetooth): Un dispositivo multiparametrico indossabile e non invasivo, in grado di fornire numerose informazioni riguardanti i parametri vitali dell’anziano.

Sensori Ambientali: Particolari sensori posizionati all’interno dell’ambiente domestico in grado di stabilire il contesto in cui il soggetto si muove.

Sistema Interpretativo(Decision Maker):Si avvale di una serie di algoritmi di Intelligenza Artificiale per riconoscere gli scenari in base alla combinazione dei dati ambientali, vitali e statistici. E’ in grado di analizzare ed interpretare i valori prelevati in un preciso istante e mappare quest’ultimi all’interno di uno scenario definito in precedenza; genera diverse tipologie di allarme e rivelazione temporale; associa ad

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ogni allarme azioni diverse da compiere o suggerimenti utili o necessari da comunicare alla persone vicine e lontane.

Data Base: E’ strutturato in modo da consentire la memorizzazione in tempo reale delle informazioni provenienti dei Sensori di raccolta dei Segnali Vitali e Ambientali (quest’ultimi simulati in java); registra inoltre gli spostamenti dell’anziano all’interno del proprio ambiente, che nella nostra ipotesi è la casa, quindi memorizza i movimenti tra una stanza e l’altra, le attività svolte in corrispondenza di un preciso momento della giornata ed i parametri vitali.

Interfaccia Utente – Talking Head: La Badante Virtuale – Talking Head. Si tratta di una figura virtuale animate, parlante ed espressiva , che funge da interfaccia con la persona . L’interazione con l’utente avviene in questo caso in modalità vocale.

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SCHEMA FUNZIONALE

2. E-HEALTH APPLICATION:DEFINIZIONE E OBIETTIVI

2.1 Definizione di “E-Health”:

Quando si parla di “E-Healt Application”, oggi ci si riferisce ad una scienza, ad una disciplina, conosciuta meglio con il termine di Telemedicina.

La definizione di Telemedicina non è mai stata univoca ma si è evoluta nel corso della storia.In letteratura ne esistono diverse formulazioni, tutte percorse dall’idea di base che sia l’informazione a spostarsi e non il paziente.

L’OMS (Organizzazione mondiale della sanità) adotta nel 1997 la seguente definizione: “la telemedicina è l’erogazione di servizi sanitari, quando la distanza è un fattore critico, per cui è necessario usare, da parte degli operatori, le tecnologie dell’informazione e delle telecomunicazioni al fine di scambiare informazioni utili alla diagnosi, al trattamento ed alla prevenzione delle malattie”.

La telemedicina quindi:

pone al proprio centro il paziente ed il suo stato di salute; implica la presenza ed il coinvolgimento di operatori sanitari;

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è irrealizzabile senza tecnologie moderne di comunicazione in grado di garantire la trasmissione di informazioni corrette, sicure e quindi di qualità.

La telemedicina, in sintesi, non è da intendersi come una nuova disciplina medica, ma come una nuova modalità di fare ciò che si è sempre fatto, in termini di assistenza e di cura al cittadino ed al paziente. Le nuove tecnologie della comunicazione permettono quindi di abbattere tempi e distanze.

2.2 Punti Critici

La telemedicina impatta in maniera drastica e decisiva sui processi interni e sui rapporti tra diverse strutture e diverse professionalità. Ciò crea ovviamente notevoli problemi innanzitutto da un punto di vista prettamente “culturale” ed organizzativo.

Uno dei motivi per il quale la telemedicina ha trovato difficoltà nell’essere utilizzata è la diffidenza di una parte del mondo medico, diffidenza analoga a quella che molte persone hanno avuto nei confronti dell’informatica in generale. I problemi legati ad un giusto approccio “culturale” possono essere tuttavia risolti attraverso un continuo processo formativo e di qualificazione degli operatori sanitari. Molto più complesso è invece affrontare i cambiamenti organizzativi necessari ad implementare esperienze attraverso la telemedicina, in modo realmente efficace.Se l’introduzione di una applicazione della telemedicina non viene infatti adeguatamente accompagnata da una completa revisione delle organizzazioni sanitarie coinvolte, tale introduzione rischia di tramutarsi in un costo aggiuntivo, ed un fallimento dal punto di vista clinico.

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2.3 Aspetti Medico LegaliLa trasmissione dei dati clinici personali del paziente deve avvenire attraverso sistemi e strumenti in grado di garantire la qualità del dato ricevuto (ovvero garantire che ciò che viene ricevuto sia identico a ciò che viene trasmesso) e la sua riservatezza, ovvero garantire che i dati trasmessi non possono essere “intercettati” da estranei e di conseguenza interpretati.Aspetto fondamentale è costituito quindi da una confidenzialità dei dati, ovvero la protezione della privacy dei pazienti.

2.4 Obiettivi della telemedicina

Oltre ad avere utilità nel campo strettamente clinico/didattico, la telemedicina può contribuire all’ottimizzazione della gestione del sistema sanitario, mediante vaste applicazioni di tipo amministrativo.Attraverso la creazione di una rete telematica di strutture sanitarie è possibile, infatti, ottenere informazioni sulla disponibilità dei posti letto, sull’accesso alle liste di prenotazione troppo spesso caratterizzate da ritardi esagerati, sulla gestione delle cartelle cliniche, con gli adeguati accorgimenti per la tutela della privacy, dei referti medici etc…Questo si traduce in un sensibile miglioramento sia della qualità dei servizi per il cittadino, che si sente più garantito, sia delle condizioni di lavoro del personale, che accede più facilmente alle informazioni. Non un ultimo, nell’ottica di una congrua riorganizzazione del Sistema Sanitario,l’utilizzo delle tecnologie informatiche, snellendo le procedure e migliorando i servizi offerti, contribuisce a garantire anche un contenimento della spesa sanitaria.

Tra i principali obiettivi di questa scienza troviamo:

Migliorare la qualità di vita dei pazienti,consentendo loro di essere curati a domicilio o comunque il più possibile vicino alla loro abitazione.

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Disponibilità di specialisti indipendentemente dal luogo in cui abiti il paziente, migliorando l’assistenza anche in quelle comunità territorialmente sparse.

Accrescimento della qualità delle decisioni del medico mettendo a sua disposizione, in modo semplice e veloce, le informazioni esistenti relative al paziente.

Fornire al paziente un servizio migliore e anche maggiori informazioni sulla stato della sua salute.

Incrementare l’efficienza e la produttività del servizio sanitario riducendo il lavoro amministrativo superfluo, quale ad esempio la ribattitura di informazioni già presenti in forma elettronica e distribuendo in modo organico i compiti tra le istituzioni ed il personale sanitario.

Curare il rispetto del programma terapeutico e rilevare assiduamente ogni variazione fisico e clinico che possa richiedere una modifica nella terapia del paziente.

Indurre nel paziente un atteggiamento positivo ed indipendente Garantire sicurezza e privacy nello scambio di informazioni mediche

di ogni singolo paziente. Garantire una tempestiva ed efficace assistenza diagnostica e

terapeutica soprattutto nei casi di urgenza. Ridurre i tempi di ricovero dei pazienti ed il pendolarismo casa-

medico-ospedale.

3. PANORAMICA DELLA CRESCITA

DEMOGRAFICA

3.1 Crescita Demografica

Siamo tutti consci che la popolazione del mondo occidentale ha un rapporto inversamente proporzionale tra giovani ed anziani e che questo rapporto cresce velocemente a favore dell’età.

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In termini pratici si vive più a lungo, si ha numero maggiore di over 60 attivi, ma si ha anche un incremento di individui colpiti dagli “acciacchi” dell’età.

E’ un processo irreversibile che nei prossimi decenni tenderà ad aumentare. Ne siamo consapevoli e sappiamo anche che bisogna, in qualche modo, alleviare il peso economico sociale e garantire un’assistenza dignitosa a chi ne ha bisogno. E’ uno dei messaggi proposti dall’OMS sul tema della salute degli anziani

Un argomento che acquista sempre di più importanza in una società, come la nostra, che sta vivendo una sorta di ‘rivoluzione demografica’: nel 2000 nel mondo c’erano circa 600 milioni di persone con più di 60 anni,nel 2025 ce ne saranno all’incirca 1,2 miliardi e nel 2050 circa 2 miliardi. Inoltre le donne vivono più a lungo virtualmente in tutte le società. Di conseguenza nella fascia di popolazione molto anziana il rapporto fra donne e uomini e 1 a 2. In Europa come in altre regioni ricche, una persona su 5 a più di 60 anni.

Questo rapporto scende a 1 su 20 in Africa ma, come in altri paesi in via di sviluppo, il processo di invecchiamento della popolazione è molto più rapido rispetto ai paesi sviluppati, quindi c’è meno tempo per far fronte alle conseguenze dell’aumento della popolazione anziana, fra cui l’aumento della frequenza di patologie croniche tipicamente legate all’invecchiamento.

Infatti, l’invecchiamento della popolazione è tipicamente accompagnato da un aumento del carico delle malattie non trasmissibili, come quelle cardiovascolari, il diabete, la malattia di Alzheimer e altre patologie neurodegenerative, tumori, malattie polmonari croniche ostruttive e muscolo scheletriche. Come conseguenza, la pressione sul sistema sanitario mondiale aumenta. Le malattie croniche impongono alla popolazione anziana un peso elevato in termini di salute ed economico a causa proprio della lunga durata di queste malattie, della diminuzione della qualità della vita e dei costi per le cure.

3.2 La Situazione Demografica in Italia12

Secondo le stime Istat, nel 2001 in Italia il numero di ultra65enni ammontava circa a 10 milioni e mezzo di persone ( il 18% della popolazione italiana), nel 2006 si stima che questo numero lieviti fino ad arrivare a circa 11 milioni e mezzo di persone.

Secondo il rapporto “Stato di salute e prestazioni sanitarie nella popolazione anziana” del Ministero della Salute. La popolazione anziana oggi in Italia determina il 37% dei ricoveri ospedalieri ordinari e il 49% delle giornate di degenza e dei relativi costi stimati.

Sebbene il rischio di malattie aumenti con l’età, i problemi di salute non sono una conseguenza inevitabile dell’invecchiamento. Infatti se per molte di queste patologie non si conoscono misure preventive efficaci, per altre invece già sono note. Fra queste c’è l’adozione di un sano stile di vita che include una regolare attività fisica, una sana alimentazione evitando il fumo.

Inoltre misure di prevenzione includono anche indagini cliniche per la diagnosi precoce. Come nel caso dello screening per il tumore del seno, della cervice uterina e del colon retto, del diabete e le relative complicazioni e della depressione.

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4. MONITORAGGIO DEI SEGNALI VITALI:14

IL SENSORE BODYGATEWAY-STMicroelectronics

4.1 BodyGateWay e il Sistema Badante Virtuale

Il sensore indossabile “BodyGateWay-STMicroelectronics” è parte fondamentale del sistema illustrativo Badante Virtuale. Molte delle procedure eseguite, molte delle misure adottate e dei protocolli-software attivati dal sistema per garantire sicurezza e assistenza, dipendono strettamente dalle informazioni provenienti dal dispositivo BodyGateWay.

Il sensore di Parametri Vitali “BodyGateWay-ST”

Per parlare di uno buono stato di salute di una persona anziana si fa riferimento ad un corretto funzionamento del cuore, quindi ad un elettrocardiogramma (ECG) che abbia valori nella norma, ad una frequenza respiratoria in condizioni di riposo con valori normali, ad una pressione arteriosa che abbia dei valori anch’essa nella media,soprattutto quando prendiamo in considerazione persone anziane.

Per far fronte a tutte queste problematiche, nel sistema informativo di Badante Virtuale si è tenuto conto di quali parametri vitali provenienti dal BodyGateWay potevano essere significativi per poter determinare una buona condizione fisica da parte dell’anziano.

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Anziano Sensore-BodyGateWay-ST Badante Virtuale

Utilizzo del sensore “BodyGateWay” Nel Progetto

La necessità è stata quella di utilizzare un dispositivo multiparametrico indossabile, non invasivo, leggero , affinché potessero essere utilizzate le informazioni,in tutto l’arco della giornata, provenienti dal dispositivo per poter monitorare lo stato di buona salute di un essere umano. Il dispositivo “BodyGateWay-STMicroelectronics” ci permette di effettuare questa analisi in quanto è in grado di fornire i seguenti parametri vitali:

Frequenza Cardiaca(BPM) Elettrocardiogramma(ECG) Frequenza Respiratoria(BR) Postura del Corpo Accelerazione del Corpo nei Movimenti

4.2 Aspetti Tecnici

Il “BodyGateWay-STMicroelectronics” è un dispositivo multiparametrico, indossabile e non invasivo che utilizza delle patch ed accelerometro per la

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rilevazione di 4 parametri vitali (frequenza cardiaca, frequenza respiratoria, postura e attività motoria).

Le Due Facce delle Patch

E’ importante introdurre il concetto di monitoraggio combinato per poter fare un’analisi completa del device.

Per monitoraggio combinato intendiamo la messa in atto di sistemi di controllo di fenomeni biologici di varia natura (funzione cardiaca a riposo, sottosforzo, funzione respiratoria, postura); nel nostro caso parliamo di un monitoraggio parametrico combinato in quanto il sensore è in grado le diverse misurazioni di tutti i parametri sopracitati nello stesso arco di tempo.

Il BodyGateWay è stato progettato affinché il suo utilizzo possa abbracciare diversi campi:

Allenamento Sportivo Home care Riabilitazione Ricerca Wellness

Le parti fondamentali che costituiscono il dispositivo sono:

PATCH E DEVICE WINDOW BGT

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ECG

BodyGateWay : Parti Fondamentali

Parti Costituenti del BodyGateWay

Il device costituisce la parte fondamentale dello strumento, è un sensore multiparametrico il quale deve essere capace di rilevare, memorizzare e trasmettere i dati in tempo reale.

Il suo peso è minimo e le sue misure sono ridotte per facilitare i movimenti dello stesso e della persona ; affinché esso possa essere applicato a qualsiasi soggetto di qualsiasi età, dal neonato all’anziano.

Nella progettazione del BodyGateWay si è posta particolare attenzione nello studio delle sue dimensioni per renderlo il più possibile maneggevole e facilmente utilizzabile, senza compromettere alcun movimento all’utente. I dati raccolti dal device sono trasmessi alla postazione di controllo in bluetooth.

Per quanto riguarda la trasmissione dei dati mediante Bluetooth ci riferiamo ad una specifica industriale per reti personali senza fili (WPAN: Wireless Personal Area Network). Il bluetooth cerca i dispositivi entro un raggio di qualche decina di metri, tali dispositivi sono coperti dal segnale e li mette in comunicazione tra loro.

Il BodyGateWay consta di una batteria, la quale ha un’autonomia che va dalle 8 alle 10 ore; il dispositivo è facilmente ricaricabile mediante caricabatterie e AC/DC adattatore medico:

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CARICABATTERIE AC/DC ADATTATORE MEDICO

Il dispositivo è stato progettato per:

Per inviare più parametri contemporaneamente; Per lavorare con basse tensioni elettriche; Non contiene parti meccaniche che potrebbero compromettere il

funzionamento;

Le parte posteriore del dispositivo è composta dai seguenti elementi :

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Faccia Posteriore

La parte superiore del dispositivo è composta dai seguenti elementi :

Faccia Anteriore

SCHEMA A BLOCCHI HARDWARE

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SCHEMA A BLOCCHI SOFTWARE

SCHEMA COMPONENTI

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FUSION

SCHEMA COMPONENTI SCHEDA ELETTRONICA

Le Funzioni Delle Patch nel Device

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BATTERIA

SCATOLA SUPERIORE DI PLASTICA

SCATOLA POSTERIORE DI PLASTICA

SCHEDA ELETTRONICA

CONNETTORI A SCATTO

CONNETTORI A SCATTO INTERRUTTORE

MAGNETICO

1 LED 2 LED

Dalla figura si evince che la funzione che occupano le patch è di notevole importanza in quanto sono l’ interfaccia tra l’uomo ed il dispositivo, dove avviene l’acquisizione del segnale mediante gel conduttivo posto nella faccia posteriore del cerotto.

Le patch sono costituite da :

Elettrodi per l’acquisizione del segnale elettrico del cuore Elettrodi bioz (bioimpedenze) per l’acquisizione della frequenza

respiratoria

4.3 I Parametri Vitali rilevati

Da come abbiamo detto precedentemente il BodyGateWay offre la possibilità di avere a disposizione una vasta gamma di parametri biomedici principali, più molti altri che permettono di graficare diverse forme d’onda . Il tutto è possibile mediante l’utilizzo di un dispositivo semplice, leggerissimo ed indossabile.

I parametri rilevati sono i seguenti :

Elettrocardiogramma Frequenza cardiaca Frequenza respiratoria Postura Accelerazione del corpo

Acquisizione del Segnale : dal Sensore ai dati Grezzi

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Uno dei parametri rilevati è l’Elettrocardiogramma (ECG) che registra l’attività del cuore.

Il sensore registra il valore di ECG a riposo e sottosforzo. Nel primo caso, per mezzo dell’analisi dei valori, si possono evidenziare patologie delle coronarie, alterazioni del ritmo cardiaco e della conduzione dell’impulso elettrico.

Con i valori dell’ECG sottosforzo è invece possibile ottenere un tracciato dinamico in grado di evidenziare cardiopatie latenti, nonché di stabilire i limiti di attività fisica per i pazienti affetti da scompensi coronarici.

E’ di notevole importanza conoscere il funzionamento dello strumento per poter individuare eventuali rumori riscontrati nella misurazione. Le principali cause di rumore sono gli artefatti da movimento che provocano, a livello di rilevazione del segnale, irregolarità di tracciato.

TRACCIATO REGOLARE TRACCIATO AFFETTO DA RUMORE

La rilevazione dell’ Ecg avviene mediante l’utilizzo di un sistema di misurazione a due terminazioni/cavo paziente.

La tensione, in primo luogo, viene filtrata con un filtro passa alto con una frequeza di taglio a 2 Hz ed un guadagno × 4.7 dall’ingresso INA,poi viene filtrata con un filtro passa basso del primo ordine con una frequenza di taglio a 100 Hz e guadagno ×100, poi con un filtro passa basso del secondo ordine con una frequenza di taglio a 100 Hz e guadagno × 1.56.

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Il guadagno nominale totale è 4.7×100×1.56=733,esso è ottenuto dal filtraggio del segnale. I dati sono campionati a 128 Hz con 12 bits significativi, i valori digitali vanno da 0 a 4095. Il sistema consta di un’alimentazione a 2.8 V ed il segnale differenziale in ingresso è incentrato nell’intorno dello 0, mentri i segnali amplificati a 1.4 V.

Elaborazione dei Dati Grezzi:

Pulizia del segnale ECG

I dati grezzi dell’ ECG, ottenuti dal sensore vengono poi filtrati passa alto per poter rimuovere la linea base errante; il filtro passa alto ha una frequenza di taglio a 0.6 Hz. Può essere presente un’interferenza dell’alimentazione, che può essere eliminata attraverso un filtro di Notch, passa banda a 50 Hz e 60 Hz.

Affidabilità del segnale ECG

Le situazioni anomale vengono rilevate in modo che l’ECG possa essere disabilitato per non introdurre all’interno del sistema materiale inutile.

Il rumore ad alta frequenza viene rilevato sopra agli 80 Hz : rumore dei muscoli, attrito elettrostatico, bassa qualità di contatto degli elettrodi etc….

La rilevazione dell’ lead-off può essere identificato in quanto l’output ADC (trasformazione da analogico a digitale) è saturato dopo un lungo tempo di alto e basso, questo è conosciuto come detenzione DC lead-off . Possibili fonti : forti movimenti, bassa qualità del contatto degli elettrodi dopo lungo tempo etc…

Rilavamento dell’interferenza dell’alimentazione.

Segnale ECG

Il segnale ECG è regolato con un filtro passo basso e da una frequenza di taglio a 40 Hz. L’algoritmo di compressione può essere utilizzato per comprimere i dati e renderli più leggeri , affinchè essi possano essere trasmessi via radio.

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Frequenza Cardiaca (HR)

Dapprima il segnale è filtrato con un filtro non lineare a banda stretta, che esalta il piccho QRS. I picchi vengono individuati con un meccanismo a soglia, si valuta quindi la distanza picco- picco ed infine dalla media si rilevano i BPM. Il meccanismo a soglia è utilizzato per l’individuazione del battito cardiaco. Il segnale dell’ ECG è anche filtrato con un filtro lieve che serve per conservare la forma dell’onda P, il picco QRS e l’onda T, così che la morfologia del battito cardiaco può essere visto come tale così da consentire un’accurato riconoscimento del modello automatico/manuale.

I battiti normali sono utilizzati per il calcolo della frequenza cardiaca (HR). I battiti anormali possono essere ulteriormente classificati.

Calcolo Frequenza Cardiaca

L’algoritmo di individuazione dei battiti cardiaci è quello di Pan-Tompkins.Il calcolo della frequenza cardiaca viene effettuato facendo la media tra la distanza dei picchi.

HR[BPM] = 60 × Frequenza di Campionamento/Guadagno della distanza RR

R-R Variabilità

E’ la deviazione standard della distanza dei picchi R-R : la radice quadrata della media del quadrato della differenza rispetto alla distanza media.

√ avg [(RR−avg [RR ]¿¿¿2 )]

Frequenza Respiratoria

La Frequenza Respiratoria da un’informazione precisa sugli atti respiratori compiuti da una persona in un minuto. Essa viene rilevata sfruttando un siestema di BIOZ (Bioimpedenza),che anch’essa una misurazione non invasiva.

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Bioz(bioimpedenza) : una corrente di 350 µA viene iniettata a 50 KHz; viene amplificata con un guadagno nominale di × 34.4 e filtrata con un filtro passa-basso con frequenza di taglio a 100 Hz, questo è il segnale base ZO; si applica anche un filtro passa alto con guadagno ×15 e una frequenza di taglio a 0.02 Hz, questa è la variazione del segnale DZ.

ZO e DZ sono campionati a 128 Hz con 12 bits significativi, i valori digitali vanno da 0 a 4095.

TRACCIATO REGOLARE BIOZ TRACCIATO AFFETTO DA RUMORE

(BATTITO CARDIACO)

Pulizia BIOZ

I dati grezzi corrispondenti alla Bioimpedenza (DZ) vengono filtrati passa basso da tre filtri consecutivi e sottocampionati.

Frequenza Respiratoria (BR)

I respiri vengono identificati confrontando le variazioni veloci rispetto a quelle lente della linea di base. Gli intervalli di apnea sono identificati scartando i falsi positivi.

Per il momento con questo metodo vengono identificati solo gli atti respiratori legati ai respiri profondi,misurando le oscillazioni.

Nella misurazione della frequenza respiratoria ci sono dei fattori che possono influenzarla scostando il valore atteso:

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L’attività fisica – in particolare le attività ripetitive, che provocano l’espansione e la contrazione della gabbia toracica; tra queste la sollevazione di un sacco da terra;

La costituzione fisica di un soggetto, e il ritmo di respirazione naturale; L’azione di respirazione. La respirazione è una combinazione di azioni

apicale e diafframatica. La respirazione apicale è guidata dall’espansione della gabbia toracica. L’inalazione è guidata dalla contrazione del diaframma verso il basso;

Il battico cardiaco.

L’ accellerometro

ACC accelerometro; il sottosistema digiale viene connesso alla SPI dell’ unità del microcontrollore ( serial peripheral interface), essa non è altro che un sistema di comunicazione tra un microcontrollore e altri circuiti integrati o con altri microcontrollori ).

L’accellerometro è un trasduttore che converte un’accelerazione lineare in una grandezza elettrica secondo un legame noto. La massa contenuta nell’accelerometro si muove rispetto al contenitore per effetto di una forza inerziale. Anche in assenza di movimento l’accelerometro misura la componente dell’accelererazione di 24 gravità lungo l’asse di misura.

MISURA ACC. SUI TRE ASSI MISURA ACC. SUI TRE ASSI

(CORPO NON IN MOVIMENTO) (CORPO IN MOVIMENTO)

L’accelerometro lavora su un’ampia scala selezionabile a +/-2g sui tre assi XYZ ( tre assi acceleromentrici) . Contiene un filtro passa basso con frequenza di taglio a 32 Hz.

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I dati sono campionati a 32 Hz con 16 bits ( sono presenti solo 8 bit significativi), i dati digitali vanno da 0 a 65535. Ogni asse ha un piccolo offset, differenza rispetto a un valore di riferimento e una variazione di guadagno.

Ogni dispositivo necessità di una calibrazione dei segnali in ingresso (Fequenza Cardiaca, Frequenza Respiratoria, ECG, Accelerometro).

Vettore Gravità

Le componenti del vettore gravità sono estratte da un filtraggio passa-basso ( semplice media nel lungo intervallo di tempo ).

Il modulo del vettore viene poi calcolato ed è pari a Gx2+Gy2+Gz2=g2.

Attività del Corpo (AL)

Si ricava dai tre assi accelerometrici (XYZ), filtrando passa-basso per identificare ed eliminare il rumore, sottraendo il vettore gravità e mediando il residuo sul secondo, il risultato viene poi normalizzato affinchè non si superi un certo valore massimo, dal vettore gravità si ricava poi anche la posizione del corpo; il sensore impara da solo quale è la verticale, il tutto quando cammini. Parliamo di auto-calibrazione del dispositivo,che impara autonomamente la posizione del corpo.

Posizione del Corpo

Il prodotto scalare del vettore corrente con il vettore verticale da un valore proporzionale al coseno dell’angolo del corpo rispetto alla verticale.

L’angolo viene quantizzato con due bits:

0 = verticale/in piedi; 1-2 = inclinato/seduto; 3 = orizzontale/disteso

4.4 Possibili sviluppi futuri

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L’intenzione è quella di introdurre all’interno del “BodyGateWay” un altro importante parametro vitale : la Temperatura Corporea.

La misura della temperatura cutanea è tuttavia utile per lo scambio di infomazioni con la Badante Virtuale, in quanto da essa si determinano numerose patologie o infezione corporee, come ad esempio, un’infiammazione comporta un’innalzamento vertiginoso della Temperatura corporea.

4.5 Aspetti di generali sulla comunicazione del BGW

PC connessione bluetooth BGW

Dallo schema si evince che il BodyGateWay utilizza una connessione di tipo Bluetooth per mettersi in comunicazione con il Pc.

Nel progetto informatico di Badante Viruale, il sistema di intelligenza artificiale utilizzato, è un normalissimo PC (Personal Computer) che si mette in comunicazione con il BodyGateWay per poter attivare lo scambio di informazioni utili e necessarie a riconoscere le situazioni di rischio.

La connessione device-Pc non si innesca autonomamente ma deve essere attivata dall’utente manualmente, utilizzando i software elaborati della STMicroelectronics. Analogo procedimento per la disconnesione del dispositivo.

Nel caso in cui caso in cui abbiamo una perdita di aderenza delle patch con annessa perdita di segnale il BodyGateWay registrerà un segnale piatto, nell’intorno dello 0, sia sulla ddp del tracciato elettrocardiografico , sia sulla

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BIOZ (bioimpedenza) per la rilevazione della frequenza respiratoria e sia sui tre assi accellerometrici (XYZ).

BodyGateWay e la connessione Bluetooth

Come abbiamo già detto in precedenza il dispositivo utilizza la connessione bluetooth per il trasferimento dei dati;

PC BLUETOOTH BODYGATEWAY

La figura dimostra come il BodyGateWay utilizza un collegamento Wireless con il PC di tipo Bluetooth.

Il Bluetooth è una specifica industriale per le reti personali senza fili (WPAN : Wireless Personal Area Network ) . Fornisce un metodo standard, economico e sicuro per scambiare informazioni tra i dispositivi diversi attaverso una frequenza radio sicura a corto raggio. Bluetooth cerca i dispositivi entro un raggio di qualche decina di metri, tali dispositivi sono coperti dal segnale e li mette in comunicazione tra loro.

Nella realizzazione di questa rete ci si è soffermati in particolar modo a creare un protocollo standard : IEEE 802.15.1, capace di far comunicare periferiche di diversa natura con un corto raggio d’azione, con bassi costi di produzione e con bassi costi di utilizzo.

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Caratteristiche dello Standard IEEE 802.15.1

Nel 2003 nasce il protocollo standard di connessione Bluetooth che tutto’ora viene da noi utilizzato, esso rispecchia i seguenti requisiti :

La connessione deve riuscire a tramettere dati sincroni e asincroni quindi sia traffico dati che traffico locale;

Per poter essere disponibile su ogni dispositivo, la trasmittente radio deve essere di dimensioni ridotte e deve operare a bassa potenza;

Per avere una rapida diffusione su qualsiasi tipo di supporto, il sistema deve averi bassi costi di produzione.

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5. MONITORAGGIO PARAMETRI VITALI

VECCHIO DISPOSITIVO: BIOHARNESS

5.1 Analogie e differenze

Il dispositivo utilizzato precedentemente all’interno del Sistema Badante Virtuale per la determinazione dei Parametri Fisiologici è il :

Bioharness – Zephyr

Una prima differenza sostanziale che si evince dalla figura è l’utilizzo ,da parte del Bioharness, di una speciale cintura elastica realizzata in materiale “Smart Fabric” sviluppata e brevettata dalla Zphyr.

La cintura è data in dotazione con lo strumento ed è a disposizione in tre diverse misure a seconda delle esigenze del paziente:

Small : da 26” a 32.5”; Medium : da 32” a 39”; Large : da 39” a 45.5”.

L’utilizzo di questa è molto importante per una corretta misurazione dei parametri e posizionamento degli elettrodi della cintura , per questo motivo la posizione e la cura di questi non devono essere trascurati.

Il dispositivo è leggero , non invasivo e multiparametrico.Anch’esso sfrutta il metodo del monitoraggio combinato per la rilevazione di più parametri

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fisiologici contemporaneamente; affinchè si possa effettuare una corretta analisi dei parametri del paziante attribuendogli uno buono stato di salute.

5.2 Caratteristiche-Aspetti Tecnici

Il suo peso è di 35 grammi, le sue dimensione sono 80 × 40 × 15. Lo strumento ha una capacità di memorizzare di ben 480 ore di attività; la batteria ha un’autonomia di circa 8 ore.

Per quanto riguarda le frequenze utilizzabile dal device sono diverse e sono a seconda delle esigenze e del paese in cui vengono utilizzate in accordo con le normative di regolamentazione ISM (1)(869-929 MHz); inoltre esso è conforme alla comma 15 delle norme della FCC (per il controllo delle radio-frequenze in America).

Utilizza una connessione per la trasmissione dei dati di tipo Bluetooth IEEE 802.15.1 , caratteristiche tipiche per lo standard di questo tipo di connessione Wireless.

l campi di utilizzo del dispositivo sono :

Allenamento Sportivo Ricerca Wellness Home Care Attività a rischio (militari,esplorazione etc…..) Attività subacquee, in quanto esso è impermeabile fino ad una profondità

di 5 metri.

I parametri misurati dallo stesso sono:

Frequenza Cardiaca 25-240 BPM Frequenza Respiratoria 3-70 BRM Posizione Postura +/- 90° Accelerazione sui tre assi accelerrometrici (XYZ) ECG ( Eettrocardiogramma) Tempratura cutanea ° C

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5.3 Rilevazione Parametri Vitali

Frequenza Cardiaca-ECG

Essa viene rilevata analogamente al BodyGateWay, mediante l’utilizzo di elettrodi interposti nella cinta che registrano l’attività elettrica del cuore studiando la ddp (differenza di potenziale) nel tempo.

Frequenza Respiratoria

Il sensore utilizzato per la rilevazione della frequenza Respiratoria , è predisposto, nella cinta indossabile, di due sensori piezoelettrici che convertono una forza impressagli in un segnale elettrico. Il sensore è quindi incapsulato e fissato nella fascia toracica che si trova in corrispondenza dell’estremità inferiore dello sterno.

La proprietà degli algoritmi di rilevamento della respirazione della Zphyr è in grado di misurare ogni singolo respiro. La rilevazione di esso avviene all’incirca ogni 30/45 secondi, necessari per l’attivazione del device.

Accelerometro

L’accelerometro è anche parte integrante del Bioharness è un trasduttore che converte l’accelerazione di un corpo in segnale elettrico. Lo spostamento della massa viene rilevato da trasduttori di tipo estensimetrico o capacitativi.

Temperatura

La misurazione della temperatura corporea costituisce un altro parametro importante; è utilizzato un sistema a infrarossi per avere una risposta veloce accurata e molto precisa.

I fattori che possono influenzare la misurazione della temperatura corporea sono:

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1) La sudorazione che è un naturale meccanismo di termoregolazione quando la temperatura aumenta notevolmente;

2) Formazione di condensa sulla finestra del sensore ;3) I fattori ambientali quali la temperatura ambiente, l’umidità, il vento e il

calore irradiato dal sole;4) La circolazione sanguigna locale;5) La sudorazione locale.

Per la trasmissione dati utilizza un metodo “StreamDataPacket”,che utilizza un meccanismo di trasferimento”request/response”,real time.

L’attivazione del device avviene manualmente, mentre la disattivazione della connesione dello stesso avviene automaticamente se al disposivo non arrivano dati in un arco di 3 secondi.

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Caratteristiche BodyGateWay Bioharness

DURATA BATTERIA 8-10 ORE 8 ORE

CONNESSIONE RADIO FREQUENZA-BLUETOOTHRADIO FREQUENZA-BLUETOOTH

ECG ELETTRODI-DDP ELETTRODI-DDP

MISURA FREQUENZA CARDIACA ALGORITMO PAN-TOMPKINS ALGORITMO CALCOLO HR

MISURA FREQUENZA RESPIRATORIA BIOZ (BIOIMPEDENZA) PIEZOELETTRICI

ACCELEROMETRO PIU' O MENO 2g TRIASSIALE(XYZ)

PIU' O MENO 2g TRIASSIALE(XYZ)

POSTURA VETTORE GRAVITA' INCLINOMETRO

TEMPERATURA NON RILEVATA METODO IR(INFRAROSSI) In questa tabella si vogliono evidenziare i molteplici aspetti tecnici del BodyGateWay e del Bioharness, dai metodi di misurazione dei più’ importanti parametri vitali al peso , dimensioni, connessione etc……

6. BLUETOOTH O ZIGBEE

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6.1 Quale connessione wireless utilizzare ?

Nella progettazione di dispositivi per la trasmissione dati senza fili, come nel BodyGateWay e Bioharness, si è soliti utilizzare il protocollo di connesione standard Bluetooth.

Grazie all’ Università ho avuto l’occasione di partecipare al Workshop per la longevità attiva, che si è tenuto in Ancona e nel quale si è presentato il Progetto Europeo Jade, con lo scopo di realizzare , nelle Marche, un centro tecnologico per l’anziono, conferendogli autonomia mediante nuove tecnologie.

Le motivazioni per cui ho introdotto questo argomento all’interno della mia tesi sono molteplici :

1) Prima partecipazione ad un meeting a livello Europeo;2) Presentazione del progetto informatico di “ Virtual Caregiver”;

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1

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3) Sono venuto a conoscenza di una nuova tipologia di connessione WPAN o Wireless, capace di trasmettere i dati molto velocemente , migliorare la qualità degli stessi in qualsiasi luogo e diminuendo il consumo di batteria dei dispositivi : il ZIGBEE .

BLUETOOTH E ZIGBEE sono due network che funzionano su reti Wireless Personali. Servono a scambiare file o informazioni tra dispositivi che sono connessi alla rete, come tra il BodyGateWay e il Personal Computer (PC).

Bluetooth e ZigBee hanno tecnologie di funzionamento totalmente diverse, soprattutto dal punto di vista tecnico, prima fra tutte la velocità di trasmissione dei dati

6.2 Bluetooth VS Zigbee

Bluetooth e ZigBee hanno molto in comune. Entrambi sono tipi di IEEE 802.15 “ Wireless Personal Area Network”. Entrambi vengono utilizzati nella banda di frequenza di 2.4 GHz senza licenza e usano entrambi fattori di forma ridotti e a bassa potenza.

I protocolli ZigBee definiscono un tipo di rete di sensori per applicazioni residenziali e commerciali, quali riscaldamento, aria condizionata e controllo dell'illuminazione.

Il Bluetooth, come probabilmente sapete, elimina i cavi tra i prodotti elettronici e gli accessori, come ad esempio tra computer e stampanti, o tra telefonini e auricolari.

Gli utenti Bluetooth con palmari o computer portatili possono scambiare file, biglietti da visita e appuntamenti del calendario. Bluetooth è più orientatato verso la mobilità degli utenti e l'eliminazione dei cavi a corto raggio; ZigBee punta di più sull'automazione su grande scala e sul telecomando.La versione recentemente ratificata di Bluetooth, migliora le sue funzioni in modo significativo, e apparirà nei prodotti a partire dal prossimo anno.

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Il Bluetooth funzionava già bene, ma non per quanto riguarda la velocità. Perciò, ora che le reti W-Fi girano a 5Mbit / s, un Bluetooth da 700 kbit / s può essere limitante e anche un po’ frustrante. La nuova versione di Bluetooth ha aumentato la velocità a 3 Mbit/s.

6.3 Differenze tecniche tra Bluetooth e ZigBee

I primi prodotti ZigBee sono ora in fase di test di interoperabilità, I rapporti di settore indicano che, alla fine, ZigBee può essere integrato in telefoni cellulari tramite chip dual-function ZigBee-Bluetooth per il controllo a distanza di quasi qualsiasi prodotto e per l'acquisto di oggetti da distributori automatici.

Differenze tecniche tra i due protocolli.

Per quanto riguarda la tecnica di modulazione, il Bluetooth usa Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), mentre ZigBee usa il Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Passando al protocollo della dimensione dello stack, Bluetooth ha 250 kbyte, ZigBee solo 28 kbyte.

La batteria con Bluetooth è destinata a frequenti ricariche, mentre con ZigBee non va ricaricata e dura fino a 10 anni. La massima velocità di rete per il Bluetooth è di 1 Mbit / s, mentre per ZigBee è di 250 kbit / s. La portata di rete per il Bluetooth va da 1 a 100 metri, a seconda della classe radio, mentre per ZigBee è fino a 70m.

Infine, la tipica rete join tempo del Bluetooth è di 3 secondi, mentre per ZigBee di appena 30 millisecondi. Una bella differenza tra Bluetooth e ZigBee!

7.TEST DI CONFRONTO IN LABORATORIO(INRCA)

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7.1 BodyGateWay VS Bioharness

In questo capitolo andiamo a studiare il principale obiettivo della mia tesi, ovvero le motivazioni che mi hanno spinto a sostituire il Bioharness con il BodyGateWay all’interno del progetto informatico di Badante Virtuale, in base a dei test che ho effettuato in laboratorio-INRCA (Istituto Nazionale di Ricerca per Anziani).

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Nell’esperienza maturata nell’Istituto di Ricerca, grazie alla collaborazione di medici ed infermieri, mi sono cimentato ad effettuare numerosi test con entrambi i dispositivi indossabili, Bioharness e BodyGateWay, per controllare il grado di affidabilità di monitoraggio combinato dei seguenti parametri vitali :

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ECG (elettrocardiogramma) Frequenza Cardiaca Frequenza Respiratoria Postura

L’ attendibilità di monitoraggio dei segnali vitali sopraindicati è stata studiata per mezzo delle seguenti prove :

1. ECG a riposo e sottosforzo2. Controllo HR (Frequenza Cardiaca) a riposo e sottosforzo 3. Controllo BR (Frequenza Respiratoria) a riposo e sottosforzo4. Controllo Postura.

7.2 ECG a riposo e sottosforzo

Per garantire l’ affidabilità del tracciato elettrocardiografico rilevato dai biosensori Wireless e controllare quanto essi discostano da un comune elettrocardiografo, ho effettuato test a riposo e sottosforzo.

La motivazione che mi ha spinto a effettuare prove a riposo e sottosforzo è stata quella di vedere se la modulazione del tracciato cambia a seconda dell’attività che si svolge.

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ECG A RIPOSO

ECG SOTTOSFOZO

Le distanze di ogni picco (R-R) sono più lunghe se si è in una condizione di riposo, sono più brevi se si sottopone il paziente ad un’attività fisica di un certo intervallo di tempo. Indubbiamente sono constatazioni che non devono essere trascurate prima di rendere un prodotto commercializzabile, in quanto i dispositivi devono essere in grado di registrare le situazioni di rischio, come aritmie , extra sistoli, tachicardie, etc.

PROVE A RIPOSO ( ELETTROCARDIOGRAFO E BODYGATEWAY )

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ESEMPIO DI SCOMPENSO CARDIACO:

EXTRASISTOLE

Esecuzione ecg a riposo con BodyGateWay

Esecuzione ecg a riposo con elettrocardiografo comune

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PROVE ECG SOTTOSFORZO ( BodyGateWay e elettrocardiografo )

Esecuzione ecg sottosforzo con BodyGateWay

Esecuzione ecg sottosforzo con elettrocardiografo comune

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Non ho potuto inserire le prove relative agli ecg effettuati con il Bioharness in quanto il software che avevo a disposizione in laboratorio, relativo alla ricostruzione del tracciato elettrocardiografico, non era aggiornato; di conseguenza non ho potuto scaricare le immagini relative ad esso.

7.3 Test Di Controllo per la Frequenza Cardiaca ( HR )

Per il controllo dell’attendibilità di misurazione della frequenza cardiaca (battiti del cuore al minuto ), ho effettuato delle prove a riposo e sottosforzo , come nell’ecg.

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Misura Hr pulsossimetro

Misura Hr con il BODYGATEWAY

Controllo Frequenza Cardiaca

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Misurazione Hr

Con il Bioharness

La linea rossa equivale alla Frequenza Cardiaca il cui valore è espresso in ordinata

In questo intervallo il BGW registra 77 bpm

TEST DI CONGONI

Il test di Conconi, che prende il nome dal medico che lo ha ideato, Francesco Congoni , è un test di medicina sportiva che mira a misurare la soglia aerobica e la soglia anaerobica di uno sportivo. Queste soglie sono misurate in termini di frequenza cardiaca.

Il test misura le variazioni di frequenza cardiaca al variare del carico di lavoro. Tipicamente viene misurata in laboratorio (su tapis roulant) o in pista. Lo sportivo deve fare uno sforzo di intensità crescente e vengono rilevati i valori di velocità e di frequenza cardiaca. Tutti i punti vengono poi messi su un grafico.

Se il test viene eseguito correttamente, il grafico mostrerà un punto di flesso che indicherà, con una certa precisione, la soglia anaerobica. Infatti la frequenza cardiaca cresce in modo lineare fino ad un certo punto, oltre il quale cambia inclinazione. Il test può continuare fino alla rilevazione della soglia anaerobica.

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Nel medesimo lasso di tempo il pulsossimetro registra 77 bpm

La prova è stata effettuata solo con il Bioharness. Non è stato possibile effettuarla con il BodyGateWay per motivi tecnici.

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Esecuzione del test di Congoni che ho effettuato in laboratorio

Dal grafico si evidenziano in tre colorazioni diverse, le tre spezzate di :

Frequenza Cardiaca Frequenza Respiratoria Attività

Nel tratto della spezzata verticale, il paziente è entrato nella regione di sottosforzo :

HR (140) BR (40) AL (30)

Ho deciso di effettuare questo test per studiare l’efficacia di questi apparecchi indossabili.

Vedere quanto essi siano precisi nella rilevazione dei parametri vitali di una persona che si sottopone a vari sforzi durante l’arco di una giornata.

7.4 Test di Controllo della Frequenza Respiratoria51

Per Frequenza Respiratoria (HR) intendiamo gli atti respiratori compiuti da un soggetto in un minuto.

Le prove sono state effettuate con entrambi i dispositivi.

Misurazione Br con il BodyGateWay

Il tratto di spezzata che ho messo in evidenzia nel grafico rappresenta il numero di atti respiratori riferiti ad un certo istante di tempo.

Il test di controllo per vedere la precisione del BodyGateWay l’ho eseguito, conteggiando manualmente gli atti respiratori che avevo in un minuto, nello stesso istante di tempo.

In maniera analoga ho studiato l’attendibilità della misurazione della frequenza respiratoria con il Bioharness.

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Nell’intervallo di tempo cerchiato si registrano 16 atti al minuto

Misurazione Effettuata con il Bioharness

7.5 Test di Controllo Postura

Le prove per studiare l’affidabilità di misurazione della postura sono state effettuate manualmente con entrambi i dispositivi.

Per lo studio della posizione del corpo con il BodyGateWay ho fatto riferimento alla seguente scala di valori :

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Nel medesimo istante di tempo si registrano 16 atti al minuto

La postura è la posizione del corpo in un certo spazio e la relativa relazione tra i segmenti corporei.

Per il Bioharness sono state eseguite prove analoghe.

7.6 Test di Controllo effettuato su paziente

tachicardico

E’ stato inserito tale esempio per evidenziare le capacità di questi dispositi indossibili di registrare casi clinici.

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In piedi

seduto

sdraiato

Da come si evince dalla figura accanto, la linea rossa che fa riferimento alla frequenza cardiaca ha valori in ordinata che vanno dagli 80 ai 100 atti al minuto .

Dall’andamento della spezzata relativa all’HR, possiamo dedurre che il soggetto preso in considerazione è affetto da ritmo tachicardico sinusale.

Difatti il soggetto che ha eseguito la prova è affetto da un ritmo tachicardico sinusale.

Con quest’ultimo test chiudo la parte della mia tesi dedicata per intero alla sperimentazione in laboratorio dei due device : BodyGateWay e Bioharness.

Continuerò le analisi critiche in merito al grado di affidabilità di misurazione di questi sensori nel prossimo capitolo , dedicato alle conclusioni ed ai possibili sviluppi futuri.

8. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

8.1 Conclusioni

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In questa tesi sono state analizzate le nuove tecniche di rilevazione dei parametri fisiologici mediante Biosensori Wireless : BodyGateWay e Bioharness.

In un epoca dove l’informatica e l’ingegneria sono in continua evoluzione, non poteva mancare la progettazione di questi nuovi dispositivi, capaci di monitorare lo stato di salute di soggetti senza l’utilizzo di collegamenti fisici.

E’ stata studiata l’efficienza di misurazazione di questi dispositivi affinchè possano essere da supporto a progetti Europei di Telemedicina come A.A.L e Badante Virtuale.

Nei primi capitoli sono stati stati evidenziati tutti i benifici che la telemicina e l’e-healt apportano al sistema sanitario. E’ importante sottolineare che entrambe le discipline pongono al centro dei propri obiettivi il paziente e il suo stato di salute con l’impiego di operatori sanitari. Il tutto è irrealizzabile se noi non avessimo a disposizione questi device, con tecnologia WPAN (Wireless Personal Area Network), in grado di monitore e trasferire informazioni via telematica.

Il progetto A.A.L ( Ambient Assisted Living ) mira a migliorare la qualità della vita delle persone anziane, conferendogli la massima autonomia in ambito domestico. Il sistema interpretativo di Badante Virtuale pone al centro dei suoi obiettivi l’individuazione di tutti gli scenari “allarmanti “ che l’anziano può vivere nella propria routine giornaliera.

Lo stato di salute dell’anziano viene mappato da particolari sensori multiparametrici indossabili (BodyGateWay e Bioharness), capaci di monitorare segnali vitali( Frequenza Cardiaca, Frequenza Respiratoria, ECG,etc..) in base ai quali è possibile studiare condizioni di normalità o situazioni di rischio, in cui è necessario l’intervento di familiari o persone specializzate (medici , operatori sanitari,etc…..).

Nei capitoli conclusivi ho inserito i test di confronto, effettuati in laboratorio,tra i due device sopracitati , per vedere quanto essi forniscano una lettura attendibile e accurata.

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I parametri analizzati sono :

Ecg Frequenza Cardiaca Frequenza Respiratoria Postura

Nell’esecuzione dell’ECG con il BodyGateWay e il Bioharness ho riscontrato molti punti a favore ma molti a sfavore. I dispositivi indossabili effettuano un tracciato a una sola derivazione , dove risulta difficile registrare tutte le anomalie del cuore.

La prima critica mossa dal dottor Antonicelli, primario di cardiologia dell’Inrca di Ancona , riguarda l’assenza della carta millimetrata con annessi voltaggi e tarature nei software utilizzati da questi device ( BGW e Bioharness ) , utili nella rilevazione di eventuali scompensi cardiaci; come la distanza di ripetizione picco-picco ( R-R ) del complesso QRS.

Al contempo, il ruolo rivestito dai biosensori nella telemedicina è di necessaria importanza in quanto il loro utilizzo durante l’esecuzione dell’ecg, non necessita di collegamenti fisici, come il cavo paziente e gli elettrodi.

Nei test di comparazione effettuati a riposo, il BodyGateWay è stato in grado di registare un’ extra-sistole, captata da un comune elettrocardiografo. Nelle prove a sforzo, ottima l’amplificazione e i filtraggi del segnale nell’eliminazione del rumore ( artefatti da movimento , alimentazione ,etc….). Il tutto grazie a una scelta mirata delle frequenze di cutoff (frequenza di taglio usata nei filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda,etc….) e guadagni nominali utilizzati nella ricostruzione del tracciato da parte degli amplificatori per strumentazione.

Un grande difetto del BodyGateWay è la perdita di aderenza delle patch in un paziente sottoposto a esercizio fisico o con peluria, che comporta la dimuizione di acquisizione del segnale dopo alcuni minuti. D’altra parte penso che sia una lacuna temporanea in quanto il biosensore che avevo a disposizione è solo un prototipo della STMicroelectronics, che sta progettando in continuazione nuovi device fino al raggiungimento del prodotto che andrà in commercio.

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Considerando ora le prestazioni del Bioharness riguardanti il tracciato elettrocardiografico, ho constatato che durante un semplice esercizio fisico, presenta una notevole quantità di rumore nell’elaborazione del segnale. La causa di ciò è la scelta poco consona nell’uso di filtri; con conseguente adozione di frequenze di taglio e guadagni nominali nelle ampificazioni da parte della Zephyr-Bioharness.

Un deficit del Bioharness è legato all’utilizzo di cinture elastiche che hanno misurazioni standard ( small, medium, large ). Infatti nella prova da me effettuata in laboratorio avevo difficoltà nella scelta più giusta della taglia in quanto mi trovavo in una misurazione intermedia tra small e medium; fattore deteminante nella accuratezza di acquisizione del segnale.

Riguardo la misurazione della Frequenza Cardiaca (HR) e Respiratoria (BR) entrambi i biosensori hanno dato buoni risultati sull’attendibilità dei valori da loro registrati, sia a riposo che sottosforzo. L’unica nota negativa è la fornitura di dati analogici da parte del BodyGateWay, solo perché il software da esso utilizzato è in via di sperimentazione; a differenza del Bioharness che elabora dati digitali.

L’ultimo parametro confrontato è la stima della postura che in entrambi i device è ottima. Una differenza sostanziale è che il BodyGateWay impara la posizione verticale nel tempo, mentre il Bioharness si basa su piani e assi di riferimento prestabiliti dalla casa produttrice, ciò potrebbe comportare un’imprecisione di misura in un paziente che presenta un ventre sporgente.

Grazie alla partecipazione ad un meeting ( Progetto Jade ) ho potuto constatare, rivolgendomi ad esperti, le ultime due osservazioni; la prima riguarda la scarsa manualità di questi dispositivi, se utilizzati da persone anziane, che hanno poco confidenza con il mondo Hi-Tech; la seconda sulla scelta delle reti di connessioni utilizzate da questi device in quanto stanno nascendo nuovi tipi di reti Wireless ( Zigbee ) che hanno un maggior raggio di azione e hanno minor consumo di autonomia della batteria.

Concludo il discorso esponendo le motivazioni che mi hanno spinto a sostituire il Bioharness con il BodyGateWay. Una prima causa è la minor invasità del

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cerotto rispettto alla fascia in quanto quest’ultima risulta di difficile applicazione se indossata da un anziano; un secondo motivo sono stati i risultati ottenuti dai test, studiati in base alle esigenze degli esperti, dove si è verificata una predominanza del BodyGateWay sul Bioharness per quanto riguarda l’esecuzione dell’ecg. Il tracciato elettrocardiografico di quest’ultimo risulta essere affetto da una grande quantità di rumore dovuta agli artefatti da movimento, come quanto era già stato detto in precedenza.

8.2 Sviluppi futuri

Il mio professore e il primario di Cardiologia il dott. Antonicelli sono intenzionati a continuare il mio lavoro.

Il dottore sta portando avanti un progetto, che ha come tema : “ La dimissione precoce per malati terminali o pazienti che devono essere sottoposti a cure, i quali non necessitano del ricovero”; quest’ultimi vanno solo ad occupare posti letto , privandoli a chi ne ha veramente bisogno.

Per portare avanti questo lavoro è di estrema importanza l’utilizzo dei biosensori Wireless, utili per il monitoraggio dei segnali vitali e conseguente invio dei dati via telematica, grazie alla telemedicina.

Il problema che io ho iniziato a studiare e che spero continui ad essere risolto da altri è l’attendibilità e accuratezza di questi dispositivi nella rilevazione dei parametri vitali. Un prodotto prima di essere inserito nel mercato deve garantire un corretto funzionamento, ma non sempre purtroppo è così.

Noi non possiamo utilizzare questi device in un contesto di telemedicina se poi i dati che elaboriamo non sono veritieri; quindi si stà provvedendo alla sperimentazione di diversi sensori per vedere quali tra lori risulti più idoneo affinchè possa essere introdotto all’interno del progetto di Badante Virtuale e all’interno del progetto del Dott. Antonicelli.

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BIBLIOGRAFIA

Manuale di Telemedicina di Parati e Antonicelli

Tesi di Francesca Gullà- “Studio di scenari di riferimento per applicazione di E-healt in un contesto di Ambient Assisted Living”.

Materiale confidenziale fornito dall STMicroelectronic per la parte riguardante gli aspetti tecnici e la sensoristica utilizzata nel BodyGateWay.

Nozioni apprese nel meeting informatico (Progetto Jade).

Tesi di Daniele Regno- “Studio e Progettazione di un sistema informativo, innovattivo e completo, per “Ambient Assisted Living”.

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Watson E. – Bioharness Bluetooth API Guide : Zephyr-tecnology itd , Thuesday, 15 January 2008.

Sitografia : Wikipedia e forum di medicina applicata- telemedicina- biosensoristica.

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