CAPITOLO 7
Conclusioni e Sviluppi Futuri
Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato la progettazione e realizzazione, a livello prototipale, di un sistema wireless miniaturizzato e impiantabile per la rilevazione di parametri fisiologici (pH e pressione) del tratto gastro-esofageo.
Per entrare in merito all’argomento trattato, è stata prima presentata una breve descrizione delle caratteristiche anatomiche del giunto esofago-gastrico, seguita da alcune informazioni sulla patologia di interesse (malattia da reflusso gastro-esofageo) e sulle relative terapie mediche.
Si è passato quindi allo studio della strumentazione tradizionale utile alla diagnosi della malattia, seguito da un’analisi dei dispositivi più innovativi e da una panoramica di carattere più generale sui vari utilizzi della telemetria in ambito biomedico.
Viene poi descritta le fase di sviluppo del prototipo finale, articolata in quattro passi fondamentali:
• è stato ripreso il lavoro di progettazione di un sistema di telemetria multicanale, svolto nel periodo di tesi dall’Ing.P.Valdastri; sono stati quindi realizzati diversi prototipi del sistema di trasmissione ed è stato progettato il sistema di ricezione, in seguito mantenuto anche per il prototipo finale; è stato necessario effettuare molte prove di laboratorio per ottimizzare alcuni parametri circuitali, per testare il funzionamento di diversi tipi di antenna in trasmissione e ricezione, per ottenere una trasmissione del segnale non corrotta da frequenze spurie e disturbi;
• oltre alle diverse prove di laboratorio, la fase di test del primo prototipo si è conclusa con una prova in vivo; è stato quindi progettato e realizzato un circuito per la rilevazione del pH, il cui funzionamento è stato sperimentato in
un primo momento separatamente dal modulo di telemetria, al fine di ottenerne la curva di calibrazione; poi il modulo di rilevazione del pH è stato accoppiato con quello di telemetria e sono seguite alcune trasmissioni in aria: il ricevitore è stato collegato tramite seriale al PC e il controllo dei dati ricevuti è stato possibile utilizzando una interfaccia utente realizzata con
Labview; con il primo test in vivo inizia la fase di sviluppo di un tipo di packaging adatto all’impianto, che rispetti le specifiche di biocompatibilità
consentendo anche un recupero del dispositivo elettronico per una eventuale sostituzione delle batterie o per un controllo del circuito in caso di mal funzionamento. Con questa parte di lavoro sono stati raccolti i primi dati sperimentali che hanno confermato il buon funzionamento del dispositivo; • a questo punto il lavoro è proseguito con la progettazione e realizzazione di
un nuovo prototipo del sistema, completamente scalato nelle dimensioni: alcune scelte progettuali e di layout testate nella fase precedente sono state mantenute; soprattutto si pone attenzione alle specifiche dimensionali: il prototipo viene miniaturizzato e i componenti sono stati individuati e scelti in modo da offrire ingombro minimo; in fase di realizzazione si è optato per un layout sviluppato con il software ORCAD su PCB bifaccia, in cui i parametri dimensionali sono stati limitati dall’utilizzo della macchina fresatrice presente fra le apparecchiature del laboratorio CRIM del Polo S.Anna Valdera, all’interno del quale è stato svolto questo lavoro di tesi; come specificato sopra, il circuito di ricezione progettato per il primo prototipo, è stato mantenuto; per quanto riguarda il circuito di trasmissione, poiché è stato scelto il componente rfPIC12F675F (mentre il sistema precedente sfruttava il rfPIC12C509AF), sono stati sviluppati e testati tipi di programmazione del microcontrollore che ne sfruttassero le caratteristiche, al fine di ottenere un buon risparmio energetico;
• anche con questo nuovo prototipo è stato possibile effettuare una seconda prova in vivo: in questo caso è stato progettato e realizzato un circuito per la rilevazione della pressione, dotato di sensore e parte di condizionamento del segnale; inoltre sono state effettuate diverse prove di packaging per ottenere il sistema di embedding più adatto allo scopo; tale esperimento è stato condotto in modo da far variare il parametro rilevato e poter registrare una curva di campioni a conferma del corretto funzionamento del modulo realizzato.
Trascurando i particolari moduli di rilevazione di pH e pressione, utilizzati per acquisire alcuni dati sperimentali e testare il funzionamento del prototipo, è stato realizzato un modulo di telemetria miniaturizzato e impiantabile con le seguenti caratteristiche:
• 3 canali di ingresso per l’acquisizione e trasmissione del segnale, in un range da 0 V a 3 V, con modulazione ASK;
• frequenza della portante pari a 433.92 MHz;
• dimensioni pari a 9 mm di larghezza e 17.8 mm di altezza; lo spessore risulta di circa 5.6 mm;
• massima velocità di conversione pari a 25 kSa/s, con una risoluzione di 10 bit;
• una memoria EEPROM di 128 byte e una SRAM di 64 byte;
• velocità di acquisizione che parte da un minimo di 26 campioni al secondo ad un massimo di 118 campioni al secondo; se poi si sfrutta la memoria disponibile a bordo, è possibile trasmettere a blocchi di 178 campioni, acquisiti con una velocità di circa 200 campioni al secondo;
• una potenza di trasmissione, con 3 V di alimentazione, pari a 5.623 mW ed una densità massima di potenza irradiata misurata e pari a Seq=30 mW/m2: un
valore che risulta molto inferiore al livello di riferimento della norma ICNIRP, fissato a 2.17 W/m2 per la frequenza di 433.92 MHz;
• per quanto riguarda la durata della batteria, bisogna considerare che la corrente assorbita dal modulo in trasmissione è circa pari a 10.7 mA e che la trasmissione di un byte avviene in 4.218 ms con un bit rate di 2400 bps, compatibile con lo standard EIA RS-232; si può quindi dare qualche stima, considerando di usare una batteria CR1025 da 3 V con capacità di 30 mAh: lasciando il modulo in sleep e trasmettendo tre campioni diversi (un byte di inizio trama e uno per il dato valido) ogni 30 s si trova una durata della batteria pari a 8 giorni, nel caso in cui si attivi il generatore di tensione di riferimento interna del comparatore, che consuma 100 µA di corrente; se invece si disattiva questo circuito, si può arrivare a una durata delle batterie pari a 27 giorni, a parità di campioni trasmessi; se poi il numero di campioni scende a uno, si può arrivare ad oltre 100 giorni, con la possibilità di realizzare monitoraggi a lungo termine;
• un modulo di ricezione alimentato a 5 V caratterizzato da una frequenza di ricezione di 433.92 MHz, banda passante a –3 dB pari a ±2 MHz, dimensioni di circa 38 mm x 12 mm x 5.5 mm, interfacciabile con il PC tramite la porta seriale e gestito tramite un pannello di controllo realizzato con Labview; • un sistema di embedding multistrato, biocompatibile, realizzabile a basso
costo ed in modo molto semplice, che consente di recuperare il modulo per poterlo utilizzare più volte in diversi esperimenti;
Per quanto riguarda il meccanismo di ON/OFF del modulo, per sfruttare il sensore magnetico TLE4913 di INFINEON Technologies, è stato ideato un particolare tipo di programmazione: l’uscita di tale sensore, variabile tra 0 V e la tensione di alimentazione,
in relazione all’avvicinamento o allontanamento di un magnete, non è stata collegata direttamente al pin di alimentazione del modulo in quanto appena il magnete viene allontanato, l’uscita commuta sul valore di 0 V; per mantenere l’uscita al livello della tensione di alimentazione, anche dopo l’allontanamento del magnete, si può accoppiare il TLE4913 con un flip-flop: tale soluzione è stata scartata per limitare le dimensioni del circuito.
Il prototipo realizzato risulta dunque molto flessibile e trova impiego in varie applicazioni di monitoraggio wireless di parametri fisiologici: oltre alla rilevazione di pH e pressione intra-esofagei, utili alla diagnosi della malattia da reflusso gastro-esofageo, accoppiandolo con diversi tipi di sensori è possibile acquisire i dati necessari in modo non invasivo, eliminando il fastidio di eventuali cateteri esterni e transcutanei.
Tali dati possono essere sfruttati per diversi scopi: rilevare nel lungo termine la variazione di concentrazione di un metabolita, tra valori normali e patologici, può essere sfruttato al fine di stabilire nuove terapie di cura; i sensori possono inoltre diventare parte di un meccanismo automatico di feedback, utile nei sistemi di drug delivery per mantenere la concentrazione di un metabolita entro un determinato range.
Un’altra applicazione interessante riguarda ad esempio il monitoraggio della estensione di un tendine durante il movimento della mano: applicando un piccolo magnete a una estremità del tendine in esame e un sensore lineare di campo magnetico al modulo di telemetria, è possibile rilevare e trasmettere un valore di campo proporzionale all’allungamento relativo del tendine.
