1.2 Stato dell’arte . . . . 10

Indice

1 Smart Wearable Systems 8

1.1 I vantaggi di una tecnologia indossabile . . . . 8

1.2 Stato dell’arte . . . . 10

1.2.1 Mamagoose pajama . . . . 10

1.2.2 LifeShirt System . . . . 10

1.3 Sviluppi futuri . . . . 12

1.3.1 I Polimeri Elettroattivi . . . . 12

1.3.2 Il progetto WEALTHY . . . . 13

1.4 Limiti dei sistemi esistenti . . . . 15

2 Il Trasduttore e i Segnali Acquisiti 17 2.1 La Piezoelettricit` a . . . . 17

2.2 PVDF: Caratteristiche principali . . . . 18

2.3 Cenni di Fisica Acustica . . . . 20

2.4 Il Trasduttore e la sua Collocazione . . . . 22

3 Il Microcontrollore 27 3.1 Scelta del microcontrollore . . . . 27

3.2 Il PIC18F2550: caratteristiche salienti . . . . 28

INDICE

3.3.2 L’Oscillatore Interno . . . . 32

3.3.3 L’Oscillatore Secondario . . . . 33

3.3.4 Power-Managed Modes . . . . 33

3.4 L’Organizzazione della Memoria . . . . 34

3.4.1 La Program Memory . . . . 34

3.4.2 La Data Memory . . . . 37

3.4.3 La Data EEPROM Memory . . . . 41

3.5 Il Moltiplicatore Hardware . . . . 41

3.6 Le Porte I/O . . . . 42

4 Il Canale Ultrasonico 44 4.1 Idea di base . . . . 44

4.2 Il Front-End . . . . 46

4.2.1 L’Amplificatore Operazionale AD8044 . . . . 46

4.2.2 Lo Stadio Amplificatore . . . . 47

4.2.3 Il Circuito Sagomatore Invertente . . . . 49

4.2.4 Il Trigger di Schmitt . . . . 51

4.3 Acquisizione Con il PICmicro . . . .

53 4.3.1 Il Timer0 . . . . 56

4.3.2 la Routine di Interruzione U.S. . . . . 58

4.3.3 La Routine di Overflow . . . . 60

5 Il Canale di Acquisizione a Bassa Frequenza 61 5.1 Idea di base . . . . 61

5.2 Il Front-End . . . . 62

5.2.1 Il preamplificatore con AD620 . . . . 62

5.2.2 Richiami sul Campionamento . . . . 63

5.2.3 Il Filtro Antialiasing . . . . 66

5.2.4 Lo Stadio Finale . . . . 71

3

5.3 Acquisizione Con il PICmicro . . . .

71

5.3.1 Il Modulo di Conversione Analogico-Digitale . . . . 71

5.3.2 La Routine di Interruzione ADC . . . . 78

6 Il modulo del Microcontrollore e la Trasmissione Dati 80 6.1 Il modulo del microcontrollore . . . . 80

6.1.1 La Routine Switch . . . . 82

6.2 La Comunicazione Seriale . . . . 85

6.2.1 Comunicazione Seriale Asincrona . . . . 85

6.2.2 Lo Standard EIA RS232C o V.24 . . . . 86

6.2.3 L’Adattatore di Livelli MAX232 . . . . 89

6.2.4 Il Modulo EUSART del PIC18F2550 . . . . 90

6.2.5 La Subroutine Trasmetti . . . . 92

6.3 La Comunicazione Wireless . . . . 93

6.3.1 Lo standard ZigBee . . . . 94

6.3.2 Il modulo XBee

di MaxStream Inc. . . . 101

7 Acquisizione sul PC e Prove Sperimentali 104 7.1 Il Software LabView

. . . 104

7.2 Il Programma di Acquisizione su PC . . . 105

7.3 Prove Sperimentali . . . 111

7.3.1 Prove sul Canale Ultrasonico . . . 112

7.3.2 Prove sul Canale a Bassa Frequenza . . . 116

A Appendice I

A.1 Il Programma Assembler . . . . I

Introduzione

Recentemente, grazie agli sviluppi sempre pi` u consistenti in campo tecnologico, si ` e aperta una nuova frontiera per l’elettronica: lo sviluppo di sistemi indos- sabili intelligenti. Si tratta di una vera e propria rivoluzione le cui applicazioni sono molteplici e spaziano in tutti i settori. In particolare grande interesse ` e rivolto all’ambito biomedicale, dove questi sistemi potrebbero essere impiegati per il monitoraggio di specifici parametri vitali, d’ausilio al personale medico nella valutazione, a medio e lungo termine, del quadro clinico di un paziente affetto da patologie croniche. Lo sviluppo di simili sistemi potrebbe portare negli anni a notevoli miglioramenti nella qualit` a di vita di queste persone, dal momento che molte patologie con esiti mortali, o comunque invalidanti, po- trebbero essere tempestivamente rilevate e trattate, riducendone cos`ı l’impatto sui soggetti. In questo contesto le patologie a carico del sistema cardiocircola- torio, che risultano essere il primo fattore di mortalit` a in Europa tra i maschi sopra i 45 anni e le femmine oltre i 65, rappresentano forse l’esempio principe di quanto sopra detto, poich` e tali malattie potrebbero essere costantemente monitorate, nei pazienti di media gravit` a, in ambiente extra-ospedaliero. Inol- tre vi sono casi, in letteratura medica, in cui gli esami ospedalieri dimostrano di fallire nell’individuazione di patologie, come le aritmie cardiache, il cui ma- nifestarsi non ` e sempre individuabile nell’ambito di una visita di breve durata.

In tutti questi casi la possibilit` a di avere un dispositivo di monitoraggio da in-

dossare costantemente pu` o rivelarsi determinante. Naturalmente, affinch` e ci` o

possa avvenire, questi sistemi devono essere: minimamente invasivi, alimen-

tabili a batteria, quindi richiedere un consumo molto contenuto e capaci di

funzionare senza alcuna interazione da parte dell’utilizzatore, di qui l’aggettivo di “intelligenti”.

L’oggetto di questo lavoro di tesi ` e la progettazione e lo sviluppo di un sistema indossabile che, a partire da un unico sensore che lavora in diverse modalit` a, sia in grado di acquisire segnali cardio-respiratori e di trasmetterli via wireless ad una stazione ricevente per una loro successiva elaborazione.

Nel capitolo 1 viene fornito un quadro d’insieme sul mondo delle tecnologie indossabili e in particolare sulle possibili loro applicazioni in campo biomedico, presentando lo stato dell’arte dei sistemi “wearable”nell’ambito del monitorag- gio clinico del sistema cardio-respiratorio. Viene illustrato, con alcuni esempi, ci` o che fino ad ora ` e stato fatto evidenziandone i limiti che pongono le basi per questo lavoro di tesi. Viene, infine, fornito uno schema a blocchi del dispositivo da noi progettato e realizzato.

Il capitolo 2 offre una descrizione del sensore che il sistema deve sfruttare, descrivendo i principi fisici che concorrono alla formazione dei segnali da esso rilevati. Viene descritta la sua collocazione sul paziente e vengono discussi i segnali che il nostro sistema dovr` a essere in grado di acquisire.

Nel capitolo 3, dopo aver spiegato i motivi che hanno portato alla scelta del microcontrollore PIC18F2550, se ne illustrano le caratteristiche salienti. Viene dato uno sguardo all’architettura interna, enfatizzando soprattutto le novit` a rispetto alle serie precedenti, novit` a che riguardano l’oscillatore e le possibili sorgenti selezionabili per il clock del controllore, oltrech` e l’organizzazione della memoria, con i suoi possibili modi di indirizzamento.

Nei capitoli 4 e 5 vengono descritti i 2 canali di acquisizione gestiti dal

nostro sistema. In essi vengono richiamate le idee di fondo che hanno portato

alla loro implementazione e vengono descritti nel dettaglio i due front-end pro-

gettati per il condizionamento dei segnali. Vengono anche descritti i moduli di

cui il microcontrollore si avvale per la loro acquisizione, ossia il timer e il con-

vertitore analogico-digitale, e le routine implementate in linguaggio assembler

trollore e la sua circuiteria di appoggio. Particolare attenzione viene riservata alla trasmissione dei dati, richiamando i principi della comunicazione seriale a cui ci si ` e affidati per trasmettere i dati ad un Personal Computer, per permet- terne la successiva elaborazione ed immagazzinamento. Si descrivono pertanto il modulo EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Trasmitter), di cui il microcontrollore ` e provvisto, e la routine di trasmissio- ne implementata. Il capitolo si conclude illustrando lo standard ZigBee, da noi scelto per la trasmissione wireless, e il modulo XBee

utilizzato per tale scopo.

Infine, nel capitolo 7 viene illustrata l’interfaccia realizzata in ambiente

LabView

per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati su PC. Vengono altres`ı

discusse le prove effettuate per il test del dispositivo sia in laboratorio, sia

sull’uomo, e sono presentati i risultati ottenuti.