Hardware per Hand Detection

Il circuito per Hand Detection presente sulla scheda del dispositivo con- siste in due resistenze di pull-up e pull-down dello stesso valore (R14 e R15 in figura 3.3, dove R13 indica lo spazio per una terza resistenza che `e stato lasciato libero), collegate agli estremi esterni all’alimentazione e al Ground del circuito gestite da pin di I/O del microcontrollore, e agli estremi inter- ni agli elettrodi per la mano destra (R14) e per la mano sinistra(R15) per ECG collegati anche agli ingressi dell’INA321; al nodo di collegamento della R15 con l’elettrodo sinistro, viene prelevato il segnale e mandato a un ADC

Figura 3.5: Lato della scheda con le componenti elettroniche per l’acquisizione e il filtraggio dei segnali.

del microcontrollore. In base alle prove effettuate sul circuito che saranno descritte successivamente, sono stati individuati i valori del segnale di Hand Detection corrispondenti alle situazioni di mancato contatto delle dita con gli elettrodi e al contatto corretto. Quando il circuito di Hand Detection viene alimentato dal microcontrollore, il circuito di acquisizione dell’ECG deve essere disattivato a causa di disturbi sul segnale, pertanto l’accensione e spengimento dei due circuiti viene gestito dal microcontrollore.

La scelta di questo circuito `e stata effettuata successivamente allo studio di due possibili metodi di realizzazione, la differenza tra i due metodi proposti sta nel numero di resistenze utilizzate e nei loro valori: un circuito viene realizzato con tre resistenze di valori diversi, l’altro circuito `e realizzato con due resistenze dello stesso valore.

• Metodo con tre resistenze Questo circuito viene proposto in un appli- cation report di Texas Instruments (TI) disponibile all’indirizzo web: www.ti.com/lit/an/slaa486a/slaa486a.pdf , l’applicazione consigliata `e

su un kit per l’acquisizione di segnale ECG proposto da TI, qui sosti- tuito con il dispositivo in esame. Lo schema circuitale di questo metodo `

e quello di figura 3.6. I valori scelti per le tre resistenze collegate agli

Figura 3.6: Schema circuitale del metodo di hand detection con tre resistenze.

elettrodi (Pads), sono tali da risultare molto maggiori del valore della resistenza tipica del corpo umano, stimata tra i 100KΩ e i 300KΩ. In condizioni di contatto questa `e collegata ai due elettrodi e offre alla corrente un percorso a minor impedenza rispetto alle tre resistenze; la corrente dunque fluisce attraverso il corpo umano causando un aumen- to nella tensione all’elettrodo sinistro (Left Pad ), che viene rilevata e inviata a un canale dell’ADC del microcontrollore, che controlla an- che alimentazione e ground attraverso dei pin di I/O. Teoricamente il circuito di hand detection e quello di rilevamento del segnale ECG non possono essere alimentati contemporaneamente a causa di distur- bi che si presenterebbero sul segnale. Per questo motivo, nel software proposto da TI, l’accensione del circuito di hand detection avviene a intervalli regolari, dopo che il circuito per acquisizione di ECG `e stato spento, e la determinazione della presenza di contatto, avviene confron- tando il segnale acquisito all’elettrodo sinistro con dei valori soglia di tensione valutati tramite misurazioni sperimentali. Se il contatto viene riconosciuto, viene riattivato il circuito per ECG e prima della verifica successiva passa un altro intervallo di tempo, altrimenti, viene effettua- ta una verifica di contatto a intervalli di tempo pi`u brevi. Con questo circuito a tre resistenze, `e necessario quindi un controllo a livello del

firmware per l’attivazione e disattivazione dei circuiti di hand detection e ECG.

• Metodo con due resistenze: Questo metodo, proposto da TI in un ap- plication report disponibile all’indirizzo web:

www.ti.com/lit/an/sbaa196a/sbaa196a.pdf, propone l’applicazione con una famiglia di dispositivi per il rilevamento di ECG che hanno inte- grata la circuiteria per hand detection, anche in questo caso, la parte elettronica per il rilevamento del segnale ECG `e sostituita dal dispo- sitivo. In figura 3.7 `e schematizzato il circuito proposto, che vede due resistenze di pull-up e pull-down Rp, e la Rin che rappresenta la re- sistenza del corpo umano in caso di contatto con gli elettrodi, i nodi della figura; AVDD e AVSS sono le linee di alimentazione che nel caso in esame sono rispettivamente Vcc e ground. Con questa conformazione circuitale, al peggiorare del contatto paziente-elettrodi, l’impedenza di ingresso vista dal circuito per ECG cresce e il segnale di alimentazione diventa dominante, fino ad andare direttamente sulle linee di ingresso del front-end, segnalando il distacco completo. In questo caso, la cor-

Figura 3.7: Schema circuitale del metodo di hand detection con due resistenze.

rente creata dalle resistenze di pull-up e pull-dowon, unita alla corrente sulla Rin, si aggiunge all’offset come determinato nella formula 3.1:

Vof f set =

 AV DD − AV SS 2Rp+ Rin



(3.1)

Il metodo delle due resistenze pu`o essere applicato sia in AC che in DC, con effetti leggermente diversi sul segnale: il metodo DC pu`o esse- re utilizzato facilmente ma introduce un ulteriore offset sulla tensione misurata del segnale, mentre il metodo AC richiede un filtraggio digi- tale del segnale per rimuovere componenti del rumore introdotte dal circuito di eccitamento, ma permette di monitorare in maniera pi`u precisa la bont`a del contatto paziente-elettrodi, poich´e la tensione del segnale risultante segue in modo quasi esponenziale l’impedenza vista dal front-end per ECG. Il circuito di hand detection descritto, pu`o quindi, in teoria, essere alimentato contemporaneamente al circuito di misurazione dell’ECG senza introdurre eccessivo disturbo sul segnale, ma a seconda che sia utilizato in modalit`a AC o DC richiede degli accorgimenti di progettazione o elaborazione del segnale.

Nel capitolo successivo verranno descritti il protocollo e lo svolgimento delle prove effettuate sulla scheda che hanno portato all’individuazione del circuito a due resistenze come miglior scelta progettuale.