• Bioimpedenza

L'esigenza di una sempre maggiore sicurezza stradale per i passeggeri a bordo degli autoveicoli spinge alla ricerca delle cause principali di incidente. Una statistica recente rileva che oltre 1.3 milioni di persone muore ogni anno sulle strade mentre fra i 20 ed i 50 milioni di persone soffrono di lesioni gravi direttamente correlate ad incidenti stradali.
Il National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) ha stimato che negli Stati Uniti un totale di circa cento mila incidenti all'anno è direttamente causato dalla sonnolenza dell'autista alla guida, che il 54% degli adulti ha guidato un veicolo in condizioni di sonnolenza ed il 28% di loro si è addormentato al volante.
Altra causa di incidenti è lo stress: alti livelli di stress compromettono la capacità di prendere decisioni da parte del guidatore, quindi le sue prestazioni e la sua consapevolezza diminuiscono drasticamente e più parametri fisiologici ne risultano alterati, ad esempio: dilatazione delle pupille, rilascio di endorfine, secrezione di adrenalina, dilatazione delle arteriole, costrizione delle vene, aumento della frequenza del battito cardiaco e del respiro.
Si può affermare quindi che l'incremento della sicurezza stradale non può prescindere da una analisi dello stato psicofisico del conducente, questo aspetto è infatti contemplato in un più articolato sistema di sensoristica che va sotto il nome di Advanced Driver Assistance System (ADAS) il cui scopo è di aiutare l'autista nel processo di guida al fine di aumentare la sicurezza degli autoveicoli e più in generale la sicurezza stradale.
Le misure generalmente rilevate in questo ambito riguardano:

• Misure sul veicolo, quali ad esempio l'analisi della posizione e della velocità relativa fra veicoli, il rilevamento della deviazione del veicolo rispetto alla linea divisoria fra corsie di marcia e la determinazione del movimento del volante e della pressione esercitata sul pedale di accelerazione.

• Misure su comportamenti dell'autista che possano indicare stanchezza quali sbadigli frequenti, rapido e costante battito delle palpebre, chiusura degli occhi, dondolio della testa.

• Misure di parametri fisiologici allo scopo di rilevare alterazioni psicofisiche quali stress e sonnolenza.

Per aumentare l'affidabilità della valutazione derivante dai dati misurati, un sistema di sensoristica completo dovrà tener conto di tutti questi aspetti ed integrarli in modo da realizzare una misura ibrida; tuttavia l'ultima categoria, fra quelle sopra elencate, riveste particolare importanza in quanto l'acquisizione tempestiva delle alterazioni dei parametri fisiologici, riscontrate al sopraggiungere del colpo di sonno e nel guidatore sotto stress, fornendo elementi predittivi del rischio di incidente, può essere sfruttata per determinare un intervento tempestivo da parte del sistema di assistenza alla guida integrato nel veicolo.

I più diffusi sensori di questa categoria sono basati su misure ECG, EEG, EoG, EMG, GSR, sensori EDA, sensori adrenergici e sensori per la misura della frequenza del battito cardiaco e respiratoria; un sistema di diagnostica complesso solleva però il problema dell'impatto che questo può avere sul conducente del veicolo causandogli, per esempio, disagio o distrazione sulla guida.

E quindi necessario trovare un giusto compromesso fra complessità, affidabilità, ricchezza delle informazioni ed invasività del sistema di misura: in uno studio, pubblicato nella conferenza internazionale sull'elettronica di consumo (Berlino 2018), gli autori mettono in luce che il monitoraggio di due soli parametri, nel caso specifico la misura della frequenza respiratoria e del battito cardiaco, fornisce il compromesso cercato con una affidabilità del 70 %.
Questa tesi è stata svolta all'interno del gruppo Advanced System Technology (AST) di STMicroelectronics (ST) che ha già realizzato dispositivi indossabili, tra cui un cerotto elettronico, i quali effettuano, tramite sensori a contatto col corpo, misure di ECG, da cui viene estratto il battito cardiaco, e di bioimpedenza, da cui viene estratta la frequenza respiratoria. Una nuova attività di ricerca del gruppo consiste proprio nello studio di sistemi che possano rilevare queste due grandezze fisiologiche senza un contatto diretto col corpo, con l'obiettivo di integrarli nell'abitacolo di un veicolo per il monitoraggio del conducente.
In tale contesto di ricerca si colloca il progetto TEINVEIN (TEcnologie INnovative per VEicoli INtelligenti), di cui ST è partner. Tale progetto, co-finanziato dall'Unione Europea e Regione Lombardia nell'ambito del Programma Operativo Regionale, Fondo Europeo per lo Sviluppo Regionale (POR FESR 2014-2020), ha come obiettivo la realizzazione di una piattaforma riconducibile ad un veicolo intelligente che funga da piattaforma di base per lo sviluppo di un veicolo completamente autonomo. Il contributo del gruppo di AST è proprio legato allo sviluppo del sistema di monitoraggio del conducente attraverso sensori di parametri fisiologici.
Mentre la parte relativa all'ECG è oggetto di altri lavori, l'obiettivo di questa tesi è legato proprio al sensore di bioimpedenza: si intende progettare un dispositivo per misurare la variazione della bioimpedenza tramite due coppie di elettrodi capacitivi, al fine di ottenere un segnale legato alla frequenza respiratoria.
Nel contesto di questo lavoro è quindi fondamentale superare il paradigma del contatto diretto fra elettrodo e pelle, da qui la scelta di ricorrere ad una misura capacitiva che presenta il vantaggio di liberare il soggetto sotto misura da fili o cavi; inoltre, con questo sistema, non sarà necessario indossare cerotti o elettrodi, né applicare gel conduttivi.
Per ottenere questo risultato bisogna trovare la risposta a diverse problematiche che questa tesi cerca di affrontare e di spiegare stilando quindi le opportune specifiche progettuali.
Preliminarmente è già possibile stabilire che queste specifiche si muoveranno in un contesto che privilegi aspetti quale la minore invasività rispetto a specifiche tipiche di sistemi portatili.
Per esempio, se per questi ultimi non si può prescindere dal tenere conto del consumo di potenza o delle dimensioni, per il dispositivo che, invece, ci si propone di realizzare questi due parametri diventano meno stringenti dal momento che il sistema non deve essere indossabile e può essere alimentato dalla batteria dell'auto.
Tali caratteristiche, insieme ad altri aspetti che verranno spiegati nel prosieguo di questa tesi, hanno permesso di allargare notevolmente lo spazio di progetto a paragone dei dispositivi portatili realizzati in precedenza, ampliando, sotto questo punto di vista, la scelta della componentistica necessaria alla realizzazione di un prototipo.
Per contro, come si vedrà, nuove problematiche emergono dal dover gestire un contatto capacitivo e non più resistivo: la necessità di utilizzare frequenze di misura più alte di quelle di un sistema indossabile, garantendo allo stesso tempo le performances, è un aspetto fondamentale con cui questo lavoro deve confrontarsi.

Questa tesi è strutturata in 5 capitoli:

• Il capitolo 1 contiene:
• Introduzione al concetto di bioimpedenza e sue potenzialità dal punto di vista diagnostico
• Esempi di misure sulla frequenza respiratoria
• Problematiche da affrontare dal punto di vista elettrico in questo tipo di misure
• Il capitolo 2 contiene:
• Analisi delle caratteristiche degli elettrodi capacitivi e loro problematiche
• Specifiche di progetto
• Studio dello stato dell'arte per ognuno dei blocchi costituenti il sistema
• Presentazione delle scelte adottate e dell'architettura del sistema
• Il capitolo 3 contiene:
• Progettazione dei blocchi e verifica delle specifiche tramite simulazione
• Il capitolo 4 contiene
• La realizzazione della scheda PCB
• Il capitolo 5 contiene:
• Misure effettuate sulla scheda realizzata e collaudo della scheda "in vivo"

Il sistema progettato e realizzato in questa tesi è composto da un circuito di eccitazione ed uno di misura: per stilare le specifiche di progetto e per scegliere l'architettura opportuna è stata esaminata in dettaglio la letteratura che tratta di sistemi basati su misure di bioimpedenza, infine sono state effettuate le scelte qui di seguito riportate:

• Il segnale di eccitazione è un'onda quadra generata da un microcontrollore e filtrata da una cella passa basso in modo da ottenere un segnale che approssima una sinusoide.

• Il segnale in tensione viene convertito in una corrente di ampiezza 1 mA ad una frequenza di 1 MHz.
Tali valori garantiscono una caduta di tensione sulle capacità di elettrodo, stimate nell'ordine delle
centinaia di pF, di alcuni volt e risultano quindi compatibili con la tensione di alimentazione di 12 V,
che può essere ottenuta dalla batteria dell'auto. La soluzione circuitale adottata è basata sul circuito
di Howland modificato con in serie un amplificatore transconduttivo in modo da ottenere un'impedenza di
uscita di 1 MOhm, valore comunemente accettato in letteratura.

• L'utilizzo di amplificatori a banda larga realizzati a transistori bipolari necessita di un sistema per
il controllo degli effetti di offset sull'uscita dello stadio di iniezione legati alle correnti di bias
degli operazionali; è stato sfruttato il DAC del microcontrollore per variare la tensione di un
riferimento, in modo da compensare tali effetti.

• Il segnale misurato dal circuito di sense è disaccoppiato in DC tramite una coppia di buffer AC e viene
demodulato da un demodulatore chopper realizzato con una coppia di switch. Le armoniche generate dalla
demodulazione vengono filtrate da un filtro passa basso e la componente basale della bioimpedenza viene
separata in banda dalla componente variabile dovuta all'atto respiratorio. Infine i segnali vengono
amplificati così da coprire l'intera dinamica dell' ADC che digitalizza il segnale.

• L'impedenza di carico sul generatore di corrente viene misurata prelevando il segnale direttamente
sugli elettrodi di iniezione. Questa catena prevede il campionamento, l'amplificazione e la
digitalizzazione del segnale misurato sfruttando un ADC del microcontrollore e permette di monitorare
l'effettivo valore dell'impedenza di elettrodo.

Una volta verificate le specifiche tramite simulazione, è stato realizzato il layout della scheda prestando attenzione agli aspetti più critici dello sbroglio quali l'isolamento delle piste sensibili e la minimizzazione delle capacità parassite. La scheda PCB realizzata è inserita nell'ecosistema di prototipazione Nucleo di STM basato sul microcontrollore STM32; il sistema è stato quindi assemblato e si è proceduto al collaudo ed alla verifica delle specifiche: la corrente di iniezione è risultata 1.2 mA, la causa è stata attribuita alla variabilità dei valori dei passivi rispetto al valore nominale che determina la posizione del polo della cella passa basso; la conseguenza è un aumento del rapporto segnale rumore ed una riduzione della dinamica di uscita accettabile. La misura della resistenza di uscita è risultata complicata da effettuare ed in generale scarsamente ripetibile: i valori massimo e minimo ottenuti sono stati rispettivamente 974 kOhm e 655 kOhm e sono stati reputati accettabili considerando che l'errore percentuale introdotto nella misura rimane comunque contenuto e molto minore dell'1 %. Il sistema di calibrazione riesce, in assenza del segnale di iniezione, a centrare la dinamica dello stadio di eccitazione a metà della tensione di alimentazione.
Il circuito di misura, collaudato variando le resistenze di carico su diversi valori saldate su una scheda che simula la bioimpedenza, mostra un'ottima linearità, il guadagno risulta più basso del valore di progettazione, questo è probabilmente dovuto alla fase del demodulatore chopper, non perfettamente allineata con il segnale da demodulare.

E'stato infine effettuato un test "in vivo" su volontari per verificare l'effettivo segnale misurato, questo è stato poi confrontato con la simultanea registrazione fatta mediante un sensore, precedentemente realizzato dal gruppo AST, applicato direttamente sul torace: la misura, seppur qualitativamente, conferma in modo abbastanza chiaro anche a livello applicativo che il dispositivo realizzato in questa tesi può essere usato per individuare il segnale respiratorio attraverso elettrodi capacitivi integrati nell'abitacolo di un veicolo.
La scheda realizzata si presta a sviluppi futuri che ne migliorino il funzionamento e completino le potenzialità diagnostiche di tutto il progetto. In primo luogo una riduzione della corrente di iniezione permetterebbe al circuito di iniezione di funzionare in zona lineare per carichi maggiori, cosa che, però, andrebbe a discapito dell'ampiezza del segnale rispetto al rumore. L'operazione dovrebbe quindi essere accompagnata da una analisi dettagliata delle componenti di rumore riportate in ingresso in modo che, stabilito un certo rapporto segnale rumore, si possa stimare l'ampiezza del segnale da iniettare, inoltre l'impatto degli artefatti da movimento potrebbe essere quantificato in termini di minima resistenza di uscita in modo che la massima variazione dell'impedenza di contatto sostenibile dall'iniezione dia un disturbo contenuto nella banda di ampiezza del rumore. Sulla catena di misura a due contatti, che permette di stimare il carico complessivo, non è stata fatta nessuna misura a banco, un futuro sviluppo sarà verificare i guadagni della catena in modo da stilare una casistica delle impedenze di contatto in base al tipo di elettrodo realizzato ed al posizionamento dello stesso.
Un altro aspetto importante, suscettibile di ulteriori approfondimenti, riguarda la calibrazione dello stadio di iniezione: il sistema attuale garantisce una corretta calibrazione solo in assenza del segnale di iniezione quindi, per compensare le derive termiche, la scheda deve essere spenta e ricalibrata. Una soluzione che implementi una calibrazione durante l'operatività, invece, garantirebbe un funzionamento continuo ed una dinamica sempre massima per lo stadio di iniezione in tutte le condizioni di temperatura dell'ambiente in cui si può trovare il sensore.
Un'ultima considerazione riguarda il raggiungimento dello scopo del progetto, ovvero monitorare i parametri fisiologici dell'autista: è attualmente in fase di sviluppo un amplificatore ECG contactless che potrebbe essere integrato sulla scheda realizzata comportando un vantaggio dal punto di vista dell'ottimizzazione dello spazio e della completezza delle informazioni. In alternativa (o insieme), in seguito al raggiungimento degli obiettivi citati negli sviluppi futuri, ci potrebbe essere la verifica del segnale cardiaco tramite bioimpedenza, segnale che purtroppo non si è riuscito ad isolare con chiarezza in questo progetto.