metodologie e strumenti per la caratterizzazione della ... · tesi di laurea sperimentale 3/15...

Dipartimento di Ingegneria Elettrica Elettronica e dei Sistemi - Università di Catania

Metodologie e strumenti per la Metodologie e strumenti per la caratterizzazione della malattia caratterizzazione della malattia

di Parkinsondi Parkinson

Corso di Ingegneria InformaticaCorso di Ingegneria Informatica

TESI DI LAUREA SPERIMENTALETESI DI LAUREA SPERIMENTALE

Correlatori:Correlatori:Chiar.mo Prof. P. MazzoneChiar.mo Prof. P. Mazzone

Ing. Adriano BasileIng. Adriano BasileIng. Davide LombardoIng. Davide LombardoIng. Guido Vagliasindi

Autore:Autore:Alfonso IsolaAlfonso Isola

RelatoreRelatoreChiar.mo Prof. Ing. P. Arena

Ing. Guido VagliasindiChiar.mo Prof. Ing. P. Arena

2/15TESI DI LAUREA SPERIMENTALE


IntroduzioneIntroduzioneCollaborazioneCollaborazione

Cooperazione tra il DIEES dell’ Università degli Studi di CataniCooperazione tra il DIEES dell’ Università degli Studi di Catania, la a, la STMicroelectronics di Catania e il STMicroelectronics di Catania e il Centro Traumatologico OrtopedicoCentro Traumatologico Ortopedicodell’Ospedale A. Alesini dell’Ospedale A. Alesini -- RomaRoma..

TecnicaTecnicaTerapia DBS e registrazioni LFPTerapia DBS e registrazioni LFPGrande opportunità scientificaGrande opportunità scientifica

ObiettivoObiettivoProgettare un DataProgettare un Data--Logger per il Logger per il massmass--storagestorage dei segnali provenienti dai dei segnali provenienti dai nuclei della base e prelevati grazie ad elettrodi DBnuclei della base e prelevati grazie ad elettrodi DB

ApplicazioniApplicazioniRicerca medica e caratterizzazione del Morbo di ParkinsonRicerca medica e caratterizzazione del Morbo di ParkinsonTerapeutiche: configurazione dello stimolatoreTerapeutiche: configurazione dello stimolatore



Il Morbo di ParkinsonIl Morbo di ParkinsonIl Il morbo di Parkinsonmorbo di Parkinson ((MPMP) è una malattia ad ) è una malattia ad evoluzione progressivaevoluzione progressiva con con eziologiaeziologia non definita (non definita (idiopaticoidiopatico), correlata ad una degenerazione neuronale ), correlata ad una degenerazione neuronale della della Sostanza NeraSostanza Nera ..I sintomi clinici cardinali sono:I sintomi clinici cardinali sono:

BradicinesiaBradicinesiaAcinesiaAcinesiaTremoreTremoreRigiditàRigiditàInstabilità Instabilità posturaleposturale

TerapiaTerapiaFarmaceutica (LFarmaceutica (L--DOPA)DOPA)

Perdita di efficacia dopo 5 anniPerdita di efficacia dopo 5 anniRisposta clinica inefficace in alcuni pazientiRisposta clinica inefficace in alcuni pazientiLTDS (LTDS (Long Long Term Dopa SyndromeTerm Dopa Syndrome) )

Lesioni chirurgicheLesioni chirurgichePraticate nel STN o GPiPraticate nel STN o GPiTerapia irreversibileTerapia irreversibile

Stimolazione elettrica ad alta frequenza (DBS)Stimolazione elettrica ad alta frequenza (DBS)Riesce ad attenuare i sintomiRiesce ad attenuare i sintomiMeccanismo sconosciuto, si ritiene che inibisca i neuroni della Meccanismo sconosciuto, si ritiene che inibisca i neuroni della zona stimolatazona stimolata

31%

50%

74%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

3-5 anni5-7 anni10-12 anni

Percentuale di pazienti che presentano LTDS



I Nuclei della BaseI Nuclei della BaseI I nuclei della basenuclei della base consistono di consistono di parecchie strutture parecchie strutture subcorticalisubcorticalifittamente interconnessefittamente interconnesseI quattro nuclei principali I quattro nuclei principali sono:sono:

lo lo striato (Putamen e N.Caud.)striato (Putamen e N.Caud.)Il globo Il globo pallido (GP)pallido (GP)la sostanza nera la sostanza nera (SN)(SN)i nuclei i nuclei subtalamici (STN)subtalamici (STN)

Il Il globo pallidoglobo pallido si divide in :si divide in :globo pallido interno (GPi) globo pallido interno (GPi) globo pallido esterno (GPe)globo pallido esterno (GPe)

La La sostanza nerasostanza nera è composta da: è composta da:

parte reticolata (parte reticolata (SNrSNr))

parte compatta (parte compatta (SNcSNc))



Il Modello “Il Modello “boxesboxes and and arrowsarrows””

Il cammino diretto ed indirettoIl cammino diretto ed indirettoCammino diretto positivo nell’azione Cammino diretto positivo nell’azione PutamenPutamen –– TalamoTalamoCamino indiretto negativo “ “ Camino indiretto negativo “ “ ““

Indiretto Diretto

Corteccia

Putamen

SNc

GPe

STN

Talamo

GPiSNr

Indiretto Diretto

Corteccia

Putamen

SNc

GPe

STN

Talamo

GPiSNr

Ec D1Inib D2

Attività fisiologica dei nuclei della baseAttività fisiologica dei nuclei della base Attività patologica dei nuclei della baseAttività patologica dei nuclei della base



Deep Brain StimulationDeep Brain Stimulation

Lo stimolatore viene impiantato per via sottocutanea; gli elettrLo stimolatore viene impiantato per via sottocutanea; gli elettrodi (lead) nel odi (lead) nel GPi o nel STN, dopo aver identificato il nucleo obiettivo mGPi o nel STN, dopo aver identificato il nucleo obiettivo mediante MRI.ediante MRI.Lo stimolatore ha due elettrodi, una per parte del cervello Lo stimolatore ha due elettrodi, una per parte del cervello Parametri dello stimolatore da regolare (Parametri dello stimolatore da regolare (tensione da applicaretensione da applicare, , dutyduty cyclecycle onda onda quadra, ecc.quadra, ecc.).).Ogni elettrodo porta 4 contatti terminaliOgni elettrodo porta 4 contatti terminali



Analisi dei SegnaliAnalisi dei Segnali

Protocollo di esercizioProtocollo di esercizioGo-no-goMovimento libero

Tecniche di analisi spettrale Tecniche di analisi spettrale Short Time Fourier analysis (STFT)Power Spectral Density (PSD)

Attività sincrone e asincrone Attività sincrone e asincrone Nella banda Nella banda ββ (10(10÷÷40 Hz)40 Hz)Nell’intorno di 70 Hz (solo per l’STN) Nell’intorno di 70 Hz (solo per l’STN)

Teoria del gate neuronale nel STNTeoria del gate neuronale nel STN



Analisi dei SegnaliAnalisi dei SegnaliEffetti della L-Dopa sulla PSD del segnale rSTN12:



Analisi dei SegnaliAnalisi dei Segnali

Abbiamo verificato che durante un movimento volontario del paziente e senza la somministrazione di L-Dopa, la PSD del segnale rSTN12 all’interno della banda β si riduce in ampiezza, mentre non appare la sincronizzazione ad alte frequenze (tipica del caso L-Dopa).

Effe

tti d

el m

ovim

ento



Analisi dei SegnaliAnalisi dei SegnaliGrado di degradazione dei segnali in caso di riquantizzazione dei dati da 12 a 8 bit:

Tale ultima analisi è utile in Tale ultima analisi è utile in quanto, obiettivo di questo quanto, obiettivo di questo lavoro è progettare un Data lavoro è progettare un Data Logger per il Logger per il massmass--storagestoragedei segnali neurocerebrali. dei segnali neurocerebrali.

Esso presenta un Esso presenta un microcontrollore ST7, il microcontrollore ST7, il

quale è fornito di un ADC quale è fornito di un ADC a 8 bit.a 8 bit.

I risultati finali di tale I risultati finali di tale studio, permettono di studio, permettono di evidenziare come la evidenziare come la riduzione dei bit di riduzione dei bit di

quantizzazione non fa quantizzazione non fa perdere alcuna perdere alcuna

caratteristica intrinseca al caratteristica intrinseca al segnale sia nel dominio del segnale sia nel dominio del

tempo che nel dominio tempo che nel dominio della frequenza.della frequenza.



Limiti delle registrazioni analizzateLimiti delle registrazioni analizzate

Misurazioni eseguite con protocolli di esercizio diversiMisurazioni eseguite con protocolli di esercizio diversi

Amplificazioni dei segnali e frequenze di campionamento Amplificazioni dei segnali e frequenze di campionamento diversediverse

Differente e limitata durata delle misurazioniDifferente e limitata durata delle misurazioni

Necessità di avere a disposizioni misure DB relative alle più Necessità di avere a disposizioni misure DB relative alle più svariate condizioni in cui può trovarsi il paziente durante la svariate condizioni in cui può trovarsi il paziente durante la sua giornata. sua giornata. ((Sistema di controllo dei parametri della DBSSistema di controllo dei parametri della DBS))



Data LoggerData LoggerLa scheda di sviluppo scelta per realizzare il nostro Data LoggeLa scheda di sviluppo scelta per realizzare il nostro Data Logger è stata la r è stata la ST7F265 Mass Storage Evaluation Kit.ST7F265 Mass Storage Evaluation Kit.

STVD 7INDART-STx



Firmware di registrazioneFirmware di registrazione

main()

La routine di registrazione Voice_Record()sfrutta una timer interrupt routine per prelevare un campione (1 byte) dal

segnale ogni ∆t secondi (es. ∆t =125µs se Fc=8KHz), questo viene salvato all’interno

di uno dei buffer di registrazione da 512 byte disponibili. Appena uno dei buffer è

pieno mediante l’unità DTC (Data Transfer Coprocessor) il buffer viene scaricato all’interno del file wave presente sulla

memoria SD-MMC.

Media_check()

Voice_Record()

USER_application()

End

Begin



MassMass--storage dei segnali neurocerebralistorage dei segnali neurocerebrali

Circuito di

condizionamento

Data Logger

ADC 8 bit

DTC

RAM

ST7F265 MC

U

01001001

1 byte

Buffer_0

512 Byte

I dati vengono salvati all’interno di un file WAVE presente all’interno di una memoria SD-MMC



Sviluppi futuriSviluppi futuriRealizzazione di un sistema di controllo automatico ed adattativRealizzazione di un sistema di controllo automatico ed adattativo dei o dei parametri tecnici della parametri tecnici della DBSDBS..

CONTROLLO



RingraziamentiRingraziamentiRelatore dell’Università degli Studi di Catania, Relatore dell’Università degli Studi di Catania, Prof. P. ArenaProf. P. Arena

Correlatori dell’Univeristà di Catania, Ing. D. Correlatori dell’Univeristà di Catania, Ing. D. Lombardo e Ing. Lombardo e Ing. G.VagliasindiG.Vagliasindi, e dell’ST , e dell’ST Microelectronics di Catania Ing. Adriano BasileMicroelectronics di Catania Ing. Adriano Basile

Prof. P. Mazzone (Prof. P. Mazzone (Centro Traumatologico Centro Traumatologico OrtopedicoOrtopedico dell’Ospedale dell’Ospedale A. Alesini A. Alesini -- Roma)Roma)

metodologie e strumenti per la caratterizzazione della ... · tesi di laurea sperimentale 3/15...

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