1 Ecocardiografia: stato dell’arte 9

Indice

1 Ecocardiografia: stato dell’arte 9

1.1 Breve storia dell’ecografia . . . . 9

1.2 La strumentazione ecocardiografica . . . . 11

1.2.1 Generazione degli ultrasuoni . . . . 11

1.2.2 I trasduttori Ultrasonici . . . . 13

1.2.3 Struttura di uno strumento ecocardiografico . . . . 14

1.3 L’immagine ecocardiografica . . . . 16

1.3.1 Formati A-Mode, B-Mode, M-Mode . . . . 16

1.3.2 Cenni sull’ecocardiografia Doppler . . . . 18

1.4 L’esame ecocardiografico . . . . 20

1.5 Le moderne macchine ecocardiografiche . . . . 21

1.5.1 Ecocardiografi portatili . . . . 21

1.5.2 Classificazione dei vari tipi di ecocardiografi portatili . . . . 23

2 Monitoraggio clinico tramite sistemi indossabili: descrizione ed applicazioni del progetto 27 2.1 Introduzione . . . . 27

2.2 Cenni sui dispositivi indossabili realizzati . . . . 29

2.3 Specifiche funzionali del progetto . . . . 31

2.4 Possibili applicazioni cliniche . . . . 34

INDICE

3 Gli Ultrasuoni 36

3.1 Generazione degli echi . . . . 36

3.2 Attenuazione nei tessuti . . . . 42

3.3 Caratteristiche del fascio ultrasonoro . . . . 45

3.4 Risoluzione del fascio ultrasonico . . . . 48

3.5 Focalizzazione del fascio . . . . 51

3.6 Effetti biologici degli ultrasuoni . . . . 54

4 I trasduttori ultrasonici 57 4.1 Introduzione . . . . 57

4.2 Relazioni costitutive . . . . 58

4.3 Il Polivinildenfluoruro - PVDF . . . . 62

4.4 Cenni sul trasduttore polimerico utilizzato . . . . 64

5 Descrizione del progetto: aspetti circuitali 67 5.1 Introduzione . . . . 67

5.2 Funzionamento del dispositivo . . . . 69

5.3 Trasmettitore . . . . 69

5.3.1 Alimentatore di alta tensione . . . . 69

5.3.2 Impulsatore . . . . 72

5.4 Ricevitore . . . . 75

5.4.1 Stadio Preamplificatore . . . . 76

5.4.2 Amplificazione e filtraggio . . . . 77

5.5 Cenni sull’impulsatore/ricevitore PANAMETRICS 5052PR . . . . 82

5.5.1 Descrizione dello strumento . . . . 82

5.5.2 Utilizzo del’impulsatore/ricevitore . . . . 86

5.6 Test finale del dispositivo . . . . 88

4

6 Prove sperimentali ed acquisizione dei dati 89

6.1 Introduzione . . . . 89

6.2 Strumentazione utilizzata . . . . 90

6.2.1 La scheda di acquisizione dati ”National Instruments” . . 90

6.2.2 Il software LabVIEW

. . . . 92

6.3 Algortimi labVIEW implementati . . . . 96

6.4 Prove sperimentali . . . . 99

6.4.1 Test del dispositivo su ”phantom” . . . . 99

6.4.2 Test del dispositivo sull’uomo . . . . 99

A Procedimento realizzativo del dispositivo I

A.1 Progettazione software . . . . I

A.2 Procedimento di etching . . . III

Introduzione

La malattie cardiovascolari (Cardio Vascular Disease CVD) costituiscono la causa principale di mortalit` a in Europa nei maschi oltre i 45 anni e nelle fem- mine oltre i 65 anni; inoltre ad esse ` e attribuita un’alta quota della morbilit` a generale e dell’invalidit` a dell’et` a media costituendo uno dei maggiori oneri per i servizi sanitari dei paesi occidentali. La rapidit` a e l’appropriatezza della pro- gnosi costituiscono un vantaggio considerevole che diminuisce l’incidenza di mortalit` a ed invalidit` a oltre che ridurre i costi dell’assistenza medica. Gli stru- menti utilizzati come screening preventivo in cardiologia, quali l’ECG basale, da sforzo, ed holter, non riescono a fornire una specificit` a elevata, per cui si ricorre molto spesso all’ecocardiografia come esame elettivo anche per rispon- dere a quesiti clinici semplici come valutare la presenza o meno di ipertrofia ventricolare sinistra, disfunzione ventricolare sinistra, versamento pericardico, etc.

Solo negli ultimi anni, per` o, ` e stato possibile eseguire l’esame ecocardiogra- fico in luoghi diversi dal laboratorio di cardiologia, grazie all’implementazione di macchinari ecocardiografici portatili. Tali esami, per` o, prevedono sempre l’utilizzo dello strumento diagnostico da parte di un operatore qualificato, il che aumenta notevolmente i costi di utilizzo di una tale metodologia diagnostica come screening preventivo.

L’introduzione di un sistema ecocardiografico indossabile, che non preve-

da la presenza dell’operatore per tutta la durata dell’esame ne allargherebbe

notevolmente la portata operativa. Oggetto di questa tesi ` e la progettazio-

ne e la realizzazione di un dispositivo ecocardiografico di dimensioni ridotte

che permetta di effettuare l’esame ecocardiografico per un periodo prolunga- to senza la presenza di un operatore. L’idea ` e quella di poter disporre di un apparecchiatura di semplice impiego che possa rivelare il maggior numero di informazioni possibili sulla morfologia e sul funzionamento del cuore, relegando le metodologie pi` u sofisticate e costose ai quadri patologici pi` u impegnativi.

Il dispositivo realizzato sar` a in grado di inviare treni di impulsi ultrasonori e ricevere gli echi delle interfacce tessutali. L’obiettivo ` e individuare il movimento di una parte della parete cardiaca sinistra e valutarne il profilo nel tempo.

Nel capitolo 1 viene discussa la tecnica ecocardiografica analizzando il fun- zionamento di principio dei macchinari e delle sonde utilizzate nei moderni esa- mi diagnostici e le varie modalit` a di visualizzazione dei risultati. Vengono infine elencate le macchine ecocardiografiche portatili attualmente in commercio ed i loro principali utilizzi nella diagnosi medica.

Il capitolo 2 descrive il concetto di ”monitoraggio della salute tramite siste- mi indossabili” ovvero la possibilit` a di monitorare lo stato di salute del soggetto in esame tramite sensori inseriti direttamente nei tessuti (”fabric sensor”), le cui applicazioni hanno aperto nuove prospettive nel campo della prevenzione, della riabilitazione e della telemedicina. Vengono presentati anche in questo caso i principali dispositivi realizzati, e viene individuata la ”mission” del di- spositivo oggetto di questo lavoro: ovvero il monitoraggio dello stato funzionale del cuore per un certo numero di ore ed un suo possibile utilizzo nella diagnosi della cardiopatia ischemica.

Il capitolo 3 presenta la teoria di base dell’indagine medica mediante ultra- suoni, analizzando i principi fisici che sono alla base della generazione e della propagazione delle onde ultrasonore, l’interazione che tali onde hanno con i tessuti biologici e gli effetti che possono provocare.

Nel capitolo 4 si analizza brevemente il trasduttore ultrasonoro utilizzato, dando cenni sulle propriet` a dei materiali piezoelettrici ed in particolare del PVDF, materiale utilizzato per creare tale sensore, descrivendone inoltre e la tecnica costruttiva.

Il capitolo 5 tratta in dettaglio l’elettronica realizzata, gli schemi di princi-

pio del dispositivo e le soluzioni circuitali adottate per rispettare le specifiche di progetto: un alimentazione a batteria e dunque un basso consumo di po- tenza che ne permetta il funzionamento per molte ore; un ridotto ingombro che consenta la facile trasportabilit` a del dispositivo; gli accorgimenti necessari per la sicurezza, isolamento elettrico del traduttore e limitatzione dell’energia meccanica trasferita entro i limiti previsti per le apparecchiature diagnostiche ad ultrasuoni.

Nel capitolo 6 vengono presentati i test effettuati ed i risultati sperimentali

ottenuti. Viene descritto brevemente il software di acquisizione utilizzato e gli

algoritmi di elaborazione implemementati, con uno sguardo rivolto ai possibili

miglioramenti e sviluppi futuri.