De la bioimpedanță la volumul sistolic: monitorizare neinvazivă cu un AFE integrat

Dispozitivele de monitorizare a semnelor vitale (VSM – Vital Signs Monitoring) pot achiziționa diverse semnale electrofiziologice, precum electrocardiograma (ECG), fotopletismograma (PPG) și bioimpedanța (Bio-Z), care reflectă multiple aspecte ale stării fiziologice și sunt utilizate pe scară largă pentru monitorizarea sănătății, prevenirea bolilor și sprijinirea tratamentului. Cardiografia prin impedanță (ICG – Impedance Cardiography) este o tehnică neinvazivă care permite determinarea volumului sistolic (SV) prin urmărirea variațiilor valorii medii instantanee a impedanței toracice, oferind astfel informații despre funcția hemodinamică a inimii. Acest articol prezintă principiile de bază și metodele de măsurare utilizate în ICG și, pornind de la un front-end analogic (AFE) cu grad ridicat de integrare de la Analog Devices, descrie proiectarea și implementarea unei soluții pentru achiziția semnalului ICG și calculul volumului sistolic.

Introducere

Cardiografia prin impedanță (ICG) este o tehnică neinvazivă de evaluare a funcției cardiovasculare prin măsurarea variațiilor bioimpedanței toracice asociate activității cardiace. Modificările volumului sanguin pe parcursul ciclului cardiac determină variații corespunzătoare ale impedanței, pe baza cărora pot fi obținute cardiograma de impedanță și prima sa derivată (dZ/dt). Forma de undă dZ/dt conține puncte caracteristice distincte, care reflectă evenimente fiziologice importante ale ciclului cardiac și permit determinarea unor parametri hemodinamici precum volumul sistolic (SV) și timpul de ejecție al ventriculului stâng (LVET – Left Ventricular Ejection Time). Datorită caracterului său neinvaziv, simplității și posibilității de monitorizare continuă, ICG este utilizată pe scară largă pentru monitorizarea semnelor vitale (VSM) și evaluarea cardiovasculară.

Cardiograma de impedanță

Figura 1: Cardiograma de impedanță. (Sursă: ADI)

Cardiograma de impedanță, cunoscută și sub denumirea de semnal ICG, este obținută prin măsurarea bioimpedanței (Bio-Z) și reflectă variațiile volumului sanguin. Figura 1 prezintă o cardiogramă de impedanță tipică.

În această reprezentare, ΔZ indică variația impedanței toracice, iar dZ/dt reprezintă prima sa derivată. Forma de undă dZ/dt conține puncte caracteristice și componente distincte. Poziția și amplitudinea acestor puncte permit calcularea unor parametri precum volumul sistolic. Punctele caracteristice ale unui ciclu cardiac sunt:

Punctul A: Apare ca o deviație descendentă a semnalului ICG, determinată de contracția atrială.
Punctul B: Marchează sfârșitul contracției izovolumetrice, deschiderea valvelor semilunare și începutul fazei de ejecție ventriculară rapidă. În semnalul ICG, acesta corespunde debutului undei sistolice și momentului în care accelerația fluxului sanguin crește cel mai rapid.
Punctul C: Reprezintă momentul în care fluxul sanguin aortic atinge valoarea maximă, marcând sfârșitul fazei de ejecție rapidă și trecerea la faza de ejecție redusă. În semnalul ICG, acesta corespunde vârfului, respectiv valorii maxime, a undei sistolice.
Punctul X: Marchează sfârșitul sistolei ventriculare și începutul închiderii valvelor semilunare. În semnalul ICG, acesta corespunde valorii minime care urmează undei sistolice – poziția sa variind în funcție de frecvența cardiacă – și momentului de creștere maximă a decelerării fluxului sanguin.
Punctul O: Marchează deschiderea valvei atrioventriculare stângi și începutul umplerii ventriculare.

Principiul măsurării bioimpedanței

Figura 2: Modelul echivalent de impedanță al țesutului uman. (Sursă: ADI)

Prin măsurarea variațiilor impedanței țesuturilor umane ca răspuns la aplicarea unui curent alternativ de intensitate redusă, poate fi obținut semnalul de impedanță cardiacă ce reflectă variațiile volumului sanguin. Corpul uman este alcătuit din numeroase celule, iar modelul electric al țesutului biologic poate fi reprezentat prin circuitul echivalent prezentat în Figura 2. În acest model, C_m reprezintă capacitatea echivalentă asociată membranei celulare, R_e rezistența fluidului extracelular, iar R_i rezistența fluidului intracelular. Trebuie precizat că C_m, R_e și R_i din acest circuit nu reprezintă capacitatea membranei și rezistențele intra- și extracelulare ale unei singure celule, ci valorile echivalente corespunzătoare întregului țesut biologic. Acest circuit este cunoscut și sub denumirea de model RC cu trei elemente al bioimpedanței.

În această aplicație este utilizată metoda cu patru electrozi, folosită pe scară largă pentru măsurarea bioimpedanței. Principiul constă în aplicarea unui curent de excitație printr-o pereche de electrozi și măsurarea tensiunii cu ajutorul unei alte perechi.

Așa cum se arată în Figura 3, patru electrozi cu gel Ag/AgCl de la 3M sunt dispuși într-o configurație standard pentru achiziția semnalului ICG. D1 și D4 formează perechea de electrozi de excitație, iar D2 și D3 formează perechea de electrozi de măsurare. Un curent de înaltă frecvență este injectat în corp prin electrodul D1 și revine la circuit prin D4. Atunci când se aplică un curent constant la nivelul toracelui, între electrozii D2 și D3 apare o diferență de potențial.

Figura 3: Distribuția electrozilor pentru achiziția semnalului ICG. (Sursă: ADI)

Deoarece impedanța toracică variază odată cu activitatea cardiacă, această diferență de potențial se modifică în mod corespunzător. Semnalul de tensiune variabil astfel rezultat reprezintă semnalul ICG.

Pentru achiziția semnalului, poziționarea recomandată a electrozilor este următoarea:

Electrozii de excitație D1: poziționați în depresiunile din spatele urechilor, pe partea stângă și pe partea dreaptă.
Electrodul de excitație D4: poziționat în partea superioară a abdomenului.
Electrozii de măsurare D2: poziționați simetric deasupra celor două clavicule.
Electrozii de măsurare D3: poziționați de o parte și de alta a depresiunii subxifoidiene.

Calculul SV

Achiziția semnalului de impedanță permite obținerea semnalului ICG, identificarea punctelor sale caracteristice și, ulterior, determinarea parametrului hemodinamic de interes – volumul sistolic (SV). Formula de calcul este următoarea:

[Ecuația 1]

W (kg) și H (cm) reprezintă greutatea corporală, respectiv înălțimea subiectului.
(dZ/dt)max reprezintă amplitudinea de vârf a semnalului ICG.
LVET reprezintă timpul de ejecție al ventriculului stâng.
Z₀ reprezintă impedanța de bază a țesuturilor corpului.
IW reprezintă greutatea ideală, calculată cu ajutorul formulei din Ecuația 2.

[Ecuația 2]

Soluție AFE cu grad ridicat de integrare (MAX30009) pentru măsurarea bioimpedanței

În această aplicație de măsurare a bioimpedanței este utilizată soluția de front-end analogic (AFE) cu grad ridicat de integrare de la ADI, care oferă mai multe avantaje. Canalul de transmisie integrează o sursă de curent sinusoidal capabilă să furnizeze un curent de excitație AC într-un domeniu larg de frecvențe, de la 16 Hz la 500 kHz, cu o amplitudine cuprinsă între 16 nA rms și 1,28 mA rms. Atât frecvența, cât și amplitudinea curentului sunt complet configurabile.

În plus, multiplexorul flexibil de intrare/ieșire (mux) permite utilizarea unor configurații de măsurare cu electrozi bipolari sau tetrapolari. Canalul de recepție oferă o impedanță de intrare ridicată, zgomot redus și un raport ridicat de rejecție a modului comun (CMRR). De asemenea, dispune de câștig programabil, filtre trece-jos și trece-sus configurabile și două convertoare analog-digitale (ADC) integrate, de înaltă rezoluție, pe 20-biți, care permit achiziția sincronă a semnalelor I/Q.

Figura 4: Schema circuitelor interne ale MAX30009. (Sursă: ADI)

Pentru aplicațiile care necesită o precizie ridicată a măsurării impedanței absolute – precum analiza și spectroscopia bioimpedanței (BIA/BIS) sau măsurarea impedanței corporale în defibrilatoarele externe automate (AED) – MAX30009 oferă mai multe opțiuni de calibrare. Conectarea unui rezistor extern de precizie la portul dedicat de calibrare cu patru fire permite obținerea celei mai ridicate precizii. Alternativ, rezistoarele interne de precizie, ajustate din fabricație, oferă, de asemenea, performanțe excelente de calibrare. Figura 4 prezintă schema bloc internă a dispozitivului.

Arhitectura sistemului de măsurare

Așa cum se arată în Figura 5, sistemul constituie o soluție completă pentru măsurarea bioimpedanței. Circuitul integrat de management al energiei, MAX20356, cu grad ridicat de integrare și complet programabil, gestionează liniile de alimentare ale sistemului, iar comunicația cu AFE-ul de bioimpedanță MAX30009 este realizată prin intermediul unui microcontroler (MCU) cu consum redus de energie și conectivitate Bluetooth^®.

Pe baza principiului de măsurare a bioimpedanței prezentat anterior, canalul de transmisie al AFE-ului utilizează un sintetizator digital direct (DDS – Direct Digital Synthesizer) intern și un convertor digital-analogic (DAC) pentru a genera o tensiune sinusoidală cu frecvență reglabilă. Aceasta este transformată într-un curent de stimulare prin intermediul unui rezistor de polarizare și aplicată corpului uman. Semnalul de răspuns este apoi preluat de canalul de recepție al AFE-ului prin intermediul pinilor de intrare.

Figura 5: Schema bloc a unui sistem de măsurare a bioimpedanței cu MAX32666, MAX20356 și MAX30009. (Sursă: ADI)

În măsurătorile ICG, domeniul de frecvență utilizat în mod obișnuit pentru semnalul de excitație este cuprins între 20 kHz și 200 kHz, iar valoarea rms a curentului de excitație este de aproximativ 0,12 mA. În cadrul acestei implementări, pentru măsurarea impedanței este aplicat corpului uman un semnal de excitație cu frecvența de 65,536 kHz și amplitudinea de 256 μA.

Algoritmul de detectare a punctelor caracteristice ale semnalului ICG

Semnalul brut de impedanță este procesat mai întâi secvențial printr-un filtru de rejecție (notch) la 50 Hz, un filtru median și un filtru trece-jos, pentru a obține un semnal de impedanță relativ curat. Acesta este apoi derivat o singură dată, pentru a obține semnalul ICG. Punctele de vârf ale semnalului ICG, respectiv punctele C, sunt detectate prin metoda pragului diferențial. Pe baza punctelor C din semnalul ICG sunt determinate ferestrele temporale pentru detectarea punctelor B și X. În cadrul fiecărei ferestre temporale, detecția se realizează după cum urmează.

Algoritmul de detectare a punctului B: În fereastra temporală asociată punctului B, valoarea maximă a derivatei de ordinul al doilea a semnalului ICG corespunde punctului B. Dacă această valoare maximă este mai mică de 15% din C_peak, punctul de trecere prin zero al semnalului ICG este considerat punctul B. Dacă nu este identificat niciun punct de trecere prin zero, este utilizat ca punct B punctul cel mai apropiat de valoarea 0,15 × C_peak.

Figura 6: Diagrama de flux a algoritmului de detectare a punctelor caracteristice ale semnalului ICG. (Sursă: ADI)

Algoritmul de detectare a punctului X: În fereastra temporală asociată punctului X, se identifică mai întâi un maxim local al semnalului ICG, care reprezintă punctul O. Apoi, poziția corespunzătoare pantei maxime față de punctul O, în cadrul aceleiași ferestre temporale, este selectată drept punctul X. Dacă nu este identificat un astfel de punct, valoarea minimă din fereastra temporală este considerată punctul X. C_peak este definit ca (dZ/dt)max, iar diferența de timp dintre punctele B și X reprezintă LVET. Figura 6 prezintă diagrama de flux a algoritmului de detectare a punctelor caracteristice ale semnalului ICG.

Rezultate

Figura 7: Bioimpedanță brută. (Sursă: ADI)

Figura 7 prezintă semnalele de bioimpedanță achiziționate cu ajutorul sistemului ilustrat în Figura 5. Figura 8 prezintă semnalele ICG obținute după procesarea semnalelor de bioimpedanță cu ajutorul algoritmului de detectare, pe care sunt marcate punctele C, B și X utilizate pentru calcularea SV.

Concluzie

Semnalele ICG oferă informații importante pentru evaluarea sănătății cardiovasculare, fiind strâns legate de funcția cardiacă și de parametrii hemodinamici. Prin urmare, achiziția și analiza precisă a acestor semnale sunt esențiale pentru monitorizarea funcției cardiovasculare.

MAX30009 este un AFE dedicat măsurării bioimpedanței, capabil să genereze diferite semnale de stimulare – inclusiv baleiaje sinusoidale – și să măsoare cu precizie bioimpedanța prin demodulare în cuadratură.

Dispozitivul poate fi utilizat pentru achiziția semnalelor ICG, permițând analiza detaliată a activității cardiace.

Figura 8: Detectarea punctelor caracteristice C, B și X ale semnalului ICG. (Sursă: ADI)

De asemenea, MAX30009 poate efectua măsurători sincronizate cu alți biosenzori, oferind astfel avantaje față de soluțiile tradiționale în aplicațiile de monitorizare cardiovasculară bazate pe dispozitive purtabile. Acesta reprezintă o soluție potrivită pentru realizarea unor sisteme de măsurare de înaltă precizie a semnalelor ICG.

Concluzii cheie

AFE-ul MAX30009 combină o sursă de excitație AC configurabilă, cu frecvențe de la 16 Hz la 500 kHz, două convertoare analog-digitale (ADC) de 20-biți și un raport ridicat de rejecție a modului comun (CMRR), permițând achiziția precisă a semnalelor de bioimpedanță în dispozitive purtabile destinate monitorizării volumului sistolic prin ICG.
Un lanț de filtrare în cascadă, urmat de detectarea punctelor C prin metoda pragului diferențial, transformă semnalul brut de bioimpedanță într-un semnal ICG adecvat analizei hemodinamice, într-o platformă portabilă cu conectivitate Bluetooth.

Despre autori

Tian Zhu: Tian Zhu este inginer de aplicații de teren în cadrul Global Broad Market China la Analog Devices, unde oferă suport în principal clienților din sectoarele auto și industrial. A obținut diploma de master în inginerie electronică la Communication University of China în 2023 și s-a alăturat Analog Devices în același an.

Elvin Chen: Elvin Chen este inginer de aplicații în cadrul Central Applications China la Analog Devices. Domeniile sale de expertiză includ lanțurile de semnal RF și soluțiile cu transceivere integrate. A obținut diploma de master în inginerie biomedicală la University of Electronic Science and Technology of China în 2022 și s-a alăturat Analog Devices în același an.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com

Glosar de termeni

AFE (Analog Front-End) – Circuit analogic de interfață care condiționează și convertește semnalele provenite de la senzori înainte ca acestea să fie procesate digital.

Bioimpedanță (Bio-Z) – Măsură a opoziției țesuturilor biologice la trecerea unui curent alternativ de intensitate redusă. Variațiile bioimpedanței pot furniza informații despre procese fiziologice.

Cardiografie prin impedanță (ICG) – Tehnică neinvazivă care urmărește variațiile bioimpedanței toracice pentru evaluarea activității cardiovasculare și determinarea unor parametri hemodinamici.

Cardiogramă de impedanță – Reprezentarea semnalului obținut prin cardiografie prin impedanță, din care pot fi identificate puncte caracteristice asociate ciclului cardiac.

Volum sistolic (SV – Stroke Volume) – Volumul de sânge pompat de ventriculul stâng la fiecare contracție cardiacă.

LVET (Left Ventricular Ejection Time) – Intervalul de timp în care ventriculul stâng ejectează sângele în aortă.

dZ/dt – Prima derivată în timp a impedanței toracice, utilizată în ICG pentru identificarea evenimentelor caracteristice ale ciclului cardiac.

CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) – Raportul de rejecție a modului comun; indică abilitatea unui circuit de a elimina semnalele nedorite comune ambelor intrări.

DDS (Direct Digital Synthesizer) – Sintetizator digital direct utilizat pentru generarea numerică a unor semnale periodice, cu frecvență și fază controlate digital, care sunt apoi convertite în semnale analogice prin intermediul unui DAC.

Demodulare în cuadratură – Tehnică de procesare care utilizează componentele în fază și în cuadratură (I/Q) pentru determinarea amplitudinii și fazei unui semnal.

Electrozi tetrapolari – Configurație cu patru electrozi în care o pereche injectează curentul de excitație, iar cealaltă pereche măsoară tensiunea rezultată.