Soluzioni tecnologiche per il monitoraggio domiciliare di pazienti con patologie cardiovascolari

Il lavoro svolto trae motivazione e si inserisce all’interno di progetti di ricerca  coordinati dall’Istituto Superiore di Sanità, per rispondere alle esigenze di individuare ed  implementare soluzioni tecnologiche per monitoraggio domiciliare di parametri  cardiovascolari.   Il lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione e presso le strutture del Reparto di  Bioingegneria Cardiovascolare del Dipartimento di Tecnologie e Salute dell’Istituto Superiore  di Sanità e presso il Biolab3 della Facoltà di Ingegneria dell’ Università RomaTre.   Il Piano Sanitario Nazionale 2006-2008 mostra come negli ultimi 20 anni sia cambiata  la demografia del Paese: l’aspettativa di vita infatti è cresciuta fino a raggiungere i 79.1 anni  per gli uomini e gli 84.4 anni per le donne. Si sviluppa conseguentemente anche il bisogno di  servizi socio‐sanitari, in quanto molte patologie richiedono non solo interventi sanitari per la  gestione della fase acuta, ma soprattutto servizi inerenti la vita quotidiana e la gestione della  non‐autosufficienza, che devono essere effettuati nei luoghi dove il cittadino ne ha più  bisogno. Nasce così la necessità di portare al domicilio del paziente i percorsi terapeutici,  realizzando forme di assistenza a domicilio, che evitino da un lato al paziente il disagio  dell’accesso a strutture specialistiche, dall’altro che consentano di ridurre il carico di pazienti  gestiti direttamente dalle strutture specialistiche. Infarto cardiaco e ictus sono patologie  diffuse, con una elevata incidenza e mortalità, nonché con una elevata disabilità ad esito e  con notevoli costi associati alla fase riabilitativa. Il paziente post evento cardiovascolare  acuto,  dimesso  dalla  struttura  specialistica,  deve  seguire  un  percorso  terapeutico/riabilitativo che si protrae nel tempo e coinvolge sia le strutture della medicina  di base, che l’ambiente familiare/domiciliare del paziente stesso. I più recenti dati di  letteratura evidenziano l’importanza del raggiungimento dei target terapeutici (pressione  arteriosa, frequenza cardiaca e glicemia) in tempi relativamente brevi al fine di ridurre la  probabilità di nuovi eventi acuti. La tecnologia dei dispositivi medici attuali mette a  disposizione di parte della popolazione metodi di automisura di parametri di interesse  cardiovascolare, utili a delineare un quadro complessivo dello stato di salute ed una stima  del rischio di eventi acuti. Tuttavia, molteplici fattori possono limitare la fruibilità di questi  strumenti in particolari tipologie di pazienti, che, per ragioni socio‐economiche o culturali,  non siano in grado di seguire autonomamente il percorso terapeutico e assistenziale  previsto. In questi casi si rende necessario da un lato l’aiuto di familiari o di personale  volontario e dall’altro un ulteriore sforzo tecnologico verso la semplificazione delle  procedure di misura e di invio dei dati ai centri clinici di riferimento. Da qui l’idea  d’indirizzare gli sforzi verso lo studio di soluzioni tecnologiche e metodi per telemedicina,  con particolare riguardo alla trasmissione in ambiente wireless di segnali di interesse  cardiovascolare. Il lavoro è finalizzato alla necessità di rispondere a due specifiche esigenze  cliniche: garantire una continuità terapeutica nel percorso di assistenza al paziente dimesso  dalle struttura ospedaliera dopo evento cardiovascolare o cerebrovascolare acuto (infarto,  ictus) ed identificare soggetti a rischio di aritmie cardiovascolari. Entrambe queste esigenze  cliniche hanno un impatto rilevante per il sistema sanitario, data l’elevata incidenza di eventi  cerebrovascolari e cardiovascolari (circa il 30% delle morti nei Paesi industrializzati). Le  soluzioni proposte, che dunque rappresentano la piattaforma tecnologica su cui basare  nuovi modelli di continuità assistenziale e di monitoraggio domiciliare, si basano sulla  trasmissione quotidiana, completamente automatica e wireless di parametri cardiovascolari  (pressione arteriosa e glicemia) e sulla messa a punto di algoritmi per il riconoscimento di  aritmie sulla base della irregolarità della frequenza cardiaca, con trasmissione automatica  del dato diagnostico ricavato sulla base di un tracciato di pochi minuti, effettuato in maniera  autonoma dal paziente.   Nella individuazione delle scelte progettuali e realizzative si è cercato di prendere in  considerazione tutti quei fattori che nel passato si sono dimostrati critici al fine di un reale  utilizzo di applicazioni di telemedicina. La scelta dell’utilizzo di una soluzione wireless, nel  caso specifico rappresentata dal servizio SMS (Short Message Service) della rete GSM, è  basata sulla copertura praticamente completa che tale servizio ha sul territorio nazionale e  su considerazioni di tipo tecnico/economico. I parametri misurati (pressione, glicemia ed  ECG in una forma semplificata) sono stati individuati sulla base della maturità tecnologica,  validazione clinica ed usabilità dei dispositivi di automisura per uso domiciliare  (pressurometro e misuratore di glicemia). Per il monitoraggio delle aritmie si è invece  sviluppata una soluzione basata su una semplificazione dell’attuale tecnologia degli  elettrocardiografi, sia dal punto di vista dell’usabilità (utilizzo di una sola derivazione ECG,  attraverso l’applicazione di soli 3 elettrodi, in luogo dello standard rappresentato da ECG a  12 derivazioni/10 elettrodi), che della robustezza degli algoritmi di analisi (utilizzo della sola  irregolarità del ritmo cardiaco, in luogo dell’analisi della morfologia dei complessi ECG).  Inoltre al fine di ottimizzare la tempistica del monitoraggio ECG nel paziente con FA  intermittente è stata effettuata un’analisi statistica della distribuzione degli eventi di FA in  pazienti con fibrillazione atriale parossistica, ricavati dal follow‐up di pazienti affetti da FA  impiantati con dispositivi di elettrostimolazione cardiaca permanente. Questo approccio  rappresenta certamente un elemento di novità ed originalità nel progetto di dispositivi di  telemedicina.  Nelle fasi di progettazione e realizzazione delle soluzioni tecnologiche ed algoritmiche  proposte si è quindi data molta importanza alla necessità di realizzare oggetti usabili in  ambiente domiciliare, da pazienti con limitata alfabetizzazione informatica e confidenza  tecnologica.  La realizzazione dei prodotti finiti ha richiesto una analisi delle soluzioni e dei prodotti  esistenti sul mercato al fine di determinarne l’integrabilità con le piattaforme ipotizzate; lo  sviluppo di hardware dedicato per l’integrazione della strumentazione per l’acquisizione di  pressione arteriosa, glicemia ed ECG, con i moduli di elaborazione dei segnali e trasmissione  wireless attraverso la rete GSM; la messa a punto di nuovi algoritmi per il riconoscimento di  aritmie sulla base della irregolarità della frequenza cardiaca; Lo sviluppo su microcontrollore  di firmware per il controllo dell’hardware di trasmissione e per l’implementazione degli  algoritmi di riconoscimento delle aritmie cardiache.  Ciò ha portato alla effettiva realizzazione di due soluzioni, rispettivamente dedicate  alle due problematiche cliniche descritte: continuità assistenziale post evento acuto e  monitoraggio domiciliare di aritmie cardiache, con particolare attenzione alla fibrillazione  atriale.  Le due soluzioni realizzate non potevano quindi non essere sottoposte ad una  adeguata sperimentazione clinica. Ciò è stato fatto all’interno di due protocolli sperimentali  cha hanno coinvolto complessivamente più di 80 pazienti, afferenti rispettivamente a due  centri clinici (Servizio di Fisiopatologia Clinica del Policlinico Umberto I, dott. Stefano Strano  e l’ambulatorio per lo studio della Fibrillazione Atriale dell’Ospedale S. Filippo Neri, dott.  Francesco Mele), nell’ambito dell’attività di ricerca svolta nel Reparto di Bioingegneria  Cardiovascolare del Dipartimento di Tecnologie e Salute dell’Istituto superiore di Sanità, con  fondi derivanti da due progetti di ricerca specifici (Dispositivo Medico Portatile per il  rilevamento automatico di eventi cardio‐respiratori con servizio di tele monitoraggio,  finanziato dalla Regione Lazio; Un modello di valutazione domiciliare per pazienti post  evento cardiovascolare acuto mediante telemonitoraggio di parametri cardiovascolari,  finanziato dal Ministero della Salute). L’elaborato di tesi è organizzato in 5 capitoli.  Nel Primo Capitolo  vengono introdotti gli aspetti relativi alle  malattie cardiovascolari  rilevanti per comprendere le motivazioni cliniche alla base delle soluzioni tecnologiche  proposte. Viene sottolineato come le malattie cardiovascolari rappresentino, nei Paesi  occidentali,  la prima causa di morte, nonché la principale causa di invalidità e si descrivono i  fattori di rischio che ne favoriscono l’insorgenza, tra i quali i più importanti sono  ipertensione arteriosa, diabete mellito e fibrillazione atriale. Questi fattori sono infatti quelli  per i quali vengono sviluppate le soluzione proposte.  Nel Secondo Capitolo si evidenzia l’importanza e l’opportunità della cura del paziente  post evento cardiovascolare acuto anche al di fuori delle strutture sanitarie, mediante lo  sviluppo di soluzioni tecnologiche di telecardiologia finalizzate all’implementazione di  modelli di continuità assistenziale. Si presenta, quindi, il progetto e la realizzazione di una  piattaforma per la trasmissione quotidiana e completamente automatica di pressione  arteriosa, frequenza cardiaca e glicemia attraverso lo standard SMS della rete GSM. I passi  fondamentali illustrano le scelte di progetto, l’individuazione dei dispositivi, l’assemblaggio  del sistema e la validazione clinica, attraverso uno studio condotto su 20 pazienti.  Il Terzo Capitolo, dopo una introduzione sulla fibrillazione atriale, esplora la possibilità  di operare il riconoscimento della stessa sulla base dell’irregolarità della frequenza cardiaca,  alla luce anche di recenti dati in letteratura. L’irregolarità dei battiti cardiaci è, nella maggior  parte dei casi, estratta dal segnale ECG, mediante riconoscimento dei complessi QRS, quindi,  in questo capitolo, si fornisce anche un’ampia e dettagliata documentazione sugli algoritmi  per il riconoscimento del complesso QRS del segnale ECG. In particolare, si focalizza  l’attenzione sull’algoritmo di Pan e Tompkins e su due indici di misura della irregolarità della  frequenza cardiaca: l’entropia delle sequenze RR (distanza tra due battiti consecutivi) ed il  coefficiente di variazione delle sequenze delle differenze prime degli intervalli RR (ΔRR).  Al  fine di implementare una criterio automatico di decisione, basato sui valori di CV e EN, si  illustra un decisore basato sulla calcolo della distanza di Mahalanobis.  Il Quarto Capitolo è dedicato al progetto e la realizzazione di un dispositivo di  telemedicina per il riconoscimento della fibrillazione atriale e delle aritmie in generale,  basato sull’analisi statistica della variabilità degli intervalli RR, estratti a partire dal segnale  ECG. In particolare, si evidenzia l’implementazione degli algoritmi su microcontrollore, la  validazione sperimentale, utilizzando registrazioni di segnali ECG del database del MIT‐BIH e  l’integrazione del sistema con un circuito di front‐end per l’acquisizione del segnale ECG.  Infine, in seguito  alla validazione clinica del dispositivo attraverso uno studio condotto su 61  pazienti con storia di fibrillazione atriale parossistica, si analizzano le prestazioni  dell’algoritmo in termini di specificità e sensibilità.        Nel Quinto Capitolo viene descritta l’analisi statistica della distribuzione degli eventi di  FA in pazienti con fibrillazione atriale parossistica, ricavati dal follow‐up di pazienti affetti da  FA impiantati con dispositivi di elettrostimolazione cardiaca permanente. L’analisi è  effettuata al fine di ottimizzare la tempistica del monitoraggio ECG nel paziente con FA  intermittente.   Nelle Conclusioni, vengono analizzati e discussi i risultati ottenuti.