Prototipo di un sistema a ultrasuoni e IMU per la misura della distanza nella stima della Pulse Wave Velocity = A Prototype of an Ultrasound and IMU Distance Measurement System for Pulse Wave Velocity Estimation

Le malattie cardiovascolari rappresentano la principale causa di morte a livello mondiale, con circa 18 milioni di decessi ogni anno. La diagnosi precoce e il monitoraggio continuo della salute cardiovascolare sono strumenti fondamentali per ridurre il rischio di eventi fatali e migliorare la qualità di vita dei pazienti. Tra i parametri predittivi nella diagnostica cardiovascolare, la rigidità arteriosa è uno dei più affidabili, poiché riflette la capacità delle pareti arteriose di adattarsi alla pressione sanguigna. L’indicatore clinico di riferimento per la sua valutazione è la velocità dell’onda del Polso (Pulse Wave Velocity, PWV), considerata il gold standard per la misura non invasiva della rigidità arteriosa. La PWV viene stimata calcolando il rapporto tra la distanza tra due siti arteriosi, tipicamente la carotide e la femorale, e il tempo di transito dell'onda di polso. Sebbene questa metodologia sia ampiamente validata, presenta limiti legati alla misurazione manuale della distanza, che avviene tramite un metro a nastro ed è fortemente dipendente dall'operatore. Questa approssimazione del percorso anatomico reale riduce la ripetibilità e l’affidabilità clinica della stima della PWV. Questo lavoro di tesi ha l'obiettivo di sviluppare un primo prototipo a basso costo per la misurazione automatica della distanza tra i due siti di acquisizione dell'onda di polso, al fine di creare un sistema di misura preciso, affidabile e integrabile nel dispositivo per la misura della PWV sviluppato dal gruppo di ricerca eLionS del Politecnico di Torino. A tal fine è stato progettato e realizzato un circuito stampato (PCB) che integra un microcontrollore, un sensore a ultrasuoni Time-of-Flight (ToF) e un'unità di misura inerziale (IMU) triassiale. Il sensore ultrasonico emette onde acustiche nel campo degli ultrasuoni e, analizzando il tempo di ritorno dell’eco riflesso, consente di stimare la distanza tra i due siti arteriosi. L'IMU fornisce informazioni sull'angolo di inclinazione dello strumento rispetto all'asse verticale, permettendo di compensare gli errori geometrici dovuti a disallineamenti o imperfezioni di posizionamento da parte dell’operatore. Successivamente è stato sviluppato il firmware per la gestione del sistema e la trasmissione dei dati acquisiti al PC in tempo reale. Il prototipo è stato poi testato in laboratorio su un banco ottico per caratterizzare la precisione delle misure e valutare le prestazioni del sistema in diverse condizioni operative, considerando distanze comprese tra 30 e 90 cm e angoli di inclinazione fino a 40°. Dai risultati emerge l'importanza del posizionamento del dispositivo con un angolo compreso tra gli 0° e i 20° per avere una buona identificazione del target da parte del sensore a ultrasuoni. Si è osservata una buona compensazione della misura di distanza grazie all'IMU e un decremento delle performance e della stabilità del sensore ToF nel riconoscere il giusto target in caso di inclinazioni del dispositivo maggiori di 20°. La qualità della misura di distanza dipende fortemente dal corretto allineamento del sensore ToF verso il target. Il lavoro svolto ha dimostrato l'efficacia dell'integrazione tra sensore ultrasonico e sistema inerziale, evidenziando al contempo la necessità di ulteriori ottimizzazioni per migliorare la robustezza del sistema e garantirne l’applicabilità in contesti clinici reali.