Sviluppo di un sistema wireless per la misura della pressione intracranica

 realizzazione dei prototipi è stata adottata la tecnologia CMOS 0,35µm messa a 
disposizione da AMI Semiconductor. Per quanto riguarda lo sviluppo del sensore di 
pressione, di tipo capacitivo, ci si è avvalsi dei risultati conseguiti da un’altra tesi di 
laurea svolta presso l’Università di Udine. 
La descrizione del lavoro presentata in questo testo è stata organizzata in tre parti. 
Nella prima, due capitoli sono stati dedicati all’illustrazione delle caratteristiche della 
grandezza da misurare ed all’esposizione dei risultati delle ricerche svolte sui metodi di 
rilevazione attualmente in uso. Viene inoltre riportata una descrizione degli studi 
riscontrati in letteratura riguardo a tecniche alternative già esplorate. Nel terzo capitolo 
si presentano quindi le specifiche che il dispositivo di misura è tenuto a rispettare e si 
riassumono brevemente i risultati ottenuti durante il lavoro della tesi che si è occupata 
dello sviluppo del sensore di pressione. Il quarto capitolo introduce infine gli stadi della 
progettazione del dispositivo realizzato. 
La parte successiva tratta lo sviluppo del primo prototipo. In essa vengono descritte 
tutte le fasi dell’evoluzione del circuito integrato, dagli schematici fino al layout finale 
della cui realizzazione su silicio è stata incaricata la fonderia IMEC situata in Belgio. 
L’ultimo capitolo di questa sezione viene infine dedicato alla presentazione del PCB 
(Printed Circuit Board) progettato allo scopo di testare le prestazioni del dispositivo 
una volta ricevuto dalla fonderia. 
La parte finale illustra l’architettura del secondo prototipo per il quale viene 
prevista la realizzazione di due circuiti integrati distinti. Uno di questi si occupa della 
regolazione dell’alimentazione e della modulazione relativa alla trasmissione wireless 
dei dati. L’altro, di tipo misto analogico-digitale, viene dedicato al condizionamento del 
sensore di pressione e alla serializzazione dell’informazione ricavata in formato 
compatibile con lo standard RS-232.  
Risultano inoltre presenti tre appendici. La prima approfondisce il comportamento 
dei transistor MOSFET operanti in subthreshold region. La successiva costituisce 
un’utile guida all’impiego del software CADENCE allo scopo di portare a termine il 
progetto di un circuito integrato analogico. Infine l’ultima espone i risultati di uno 
studio precedente riguardante la realizzazione delle bobine necessarie al funzionamento 
del sistema wireless dedicato all’alimentazione e alla trasmissione dei dati. 
 
 PARTE I 
La misura della pressione intracranica 
 Capitolo 1 
La pressione intracranica 
L’interno del cranio è occupato da tre principali componenti. In una persona adulta 
questi sono il tessuto cerebrale, che costituisce l’80% del volume, il sangue, che occupa 
il 12% e un liquido che prende il nome di fluido cerebrospinale e che costituisce il 
restante 8%. 
Il cervello è circondato da una membrana protettiva formata da  tre strati 
conosciuta con il nome di meningi. Queste consistono in uno spesso strato più esterno 
chiamato dura madre, in uno strato intermedio detto aracnoide e in un terzo strato 
aderente alla superficie dell’encefalo chiamato pia madre. 
L’area posta fra l’aracnoide e la pia madre si definisce spazio subaracnoideo ed è 
sede del fluido cerebrospinale che nutre e protegge ogni parte del sistema nervoso 
centrale. Tale liquido non è statico ma viene messo in circolazione sulla superficie 
cerebrale grazie ad un sistema che prevede il suo continuo ricambio. Esso viene infatti 
generato in quantità di 500ml al giorno all’interno di quattro strette cavità presenti nel 
tessuto cerebrale chiamate ventricoli. Il liquido in eccesso che viene così a trovarsi 
all’interno del cranio è riassorbito attraverso dei microscopici canali presenti sulla 
superficie dell’aracnoide per poi finire nel flusso sanguigno. Grazie a  tale meccanismo 
il fluido cerebrospinale viene completamente rigenerato in media ogni sei ore.  
In un soggetto adulto il cranio è inestensibile, quindi la modificazione del volume 
occupato da una delle tre componenti contenute al suo interno sopra citate provoca una 
variazione della pressione intracranica (teoria di Monro-Kellie), dove per pressione 
intracranica si intende la pressione che può essere misurata all’interno della cavità 
cranica fra la dura madre e il tessuto cerebrale [1]. 
Il rapporto esistente tra il volume endocranico e la pressione intracranica non è 
costante. Come si può vedere dal grafico riportato in figura 1.1 [2] per iniziali 
incrementi del volume intracranico la pressione tende a mantenersi costante (tratto a-b). 
Questo comportamento è dovuto ad un meccanismo detto adattamento che consiste 
nella diminuzione del volume di una o due delle componenti endocraniche 
all’aumentare della terza. 
Se il volume aumenta ulteriormente si verifica un modesto incremento della 
 La pressione intracranica   12
pressione (tratto b-c). Questo significa 
che il sistema di compensazione si sta 
esaurendo e si dice che l’adattamento è 
basso. Oltre una certa soglia infine 
sono sufficienti modestissimi 
accrescimenti volumetrici per 
determinare un elevato aumento della 
pressione (tratto c-d). I meccanismi di 
compenso non hanno più effetto, 
l’adattamento diventa nullo e il 
paziente si dice affetto da ipertensione 
intracranica. 
L’unità di misura maggiormente 
usata per descrivere il valore della 
pressione intracranica è il mmHg. Alcuni testi riportano invece i valori di pressione in 
cmH
2
O. Vale la relazione 1mmHg=1,36cmH
2
O. Valori normali di pressione 
intracranica media sono compresi nell’intervallo 10-15mmHg (13-20cmH
2
O) [2].  
1.1 Patologie legate ad un’elevata pressione 
intracranica 
Elevati valori di pressione intracranica corrispondono ad uno stato patologico 
comune ad una varietà di malattie neurologiche le quali sono caratterizzate da 
un’espansione del volume del contenuto del cranio. 
Una pressione endocranica crescente può portare a danni cerebrali o addirittura al 
decesso attraverso due principali processi: 
• ischemia cerebrale 
• distorsione e compressione del tessuto cerebrale per effetto dell’aumento della 
massa intracranica 
 
L’ischemia cerebrale si verifica in quanto viene impedita la normale circolazione 
del sangue nel tessuto cerebrale, privandolo così delle indispensabili sostanze nutritive e 
dell’ossigeno.  
Esiste un indice detto pressione di perfusione cerebrale (PPC) il cui valore viene 
calcolato sottraendo dalla pressione arteriosa sistemica media (PASM) la pressione 
intracranica (PIC): PCC=PASM-PIC. I valori assunti da tale indice sono direttamente 
legati all’apporto del sangue al cervello e sono ritenuti quindi più importanti dei soli 
valori  della pressione intracranica.  
Figura 1.1: effetto dell’aumento del
volume sulla pressione endocranica 
 La pressione intracranica   13
La pressione di perfusione cerebrale normale è di 80-90mmHg [2]. Una sua caduta 
al di sotto dei 30mmHg determina dei danni al cervello irreversibili dovuti 
all’insufficiente apporto di ossigeno tramite il sangue. 
I nomi delle principali patologie correlate ad un’elevata pressione endocranica che 
possono portare ad uno o ad entrambe dei processi sopra citati sono [2, 3]: 
• idrocefalo: dilatazione delle cavità ventricolari dovuto ad un’alterazione della 
circolazione del liquido cerebrospinale nello spazio subaracnoideo a causa del 
cattivo funzionamento del drenaggio del fluido verso lo spazio subaracnoideo 
spinale 
• edema cerebrale: aumento del contenuto di acqua nell’encefalo 
• emorragia cerebrale 
• tumore cerebrale 
• trauma cranico 
1.2 Forme d’onda della pressione intracranica 
La pressione intracranica, anche in un soggetto normale, non è statica, ma presenta 
delle componenti dinamiche dovute alle pulsazioni della pressione arteriosa sistemica e 
al ciclo respiratorio, come si può vedere in figura 1.2 [4]. 
 Tali componenti presentano una periodicità che risulta entro l’intervallo di 0.25-
1,5 secondi per quanto riguarda le pulsazioni cardiache ed entro l’intervallo di 1,5-6 
secondi per quanto riguarda il ciclo respiratorio. In relazione a tali onde il valore 
Figura 1.2: variazioni della pressione intracranica per effetto della
respirazione e del battito cardiaco 
 La pressione intracranica   14
istantaneo della pressione intracranica può variare fino a 4mmHg a causa dell’attività 
cardiaca e fino a 10mmHg a causa della respirazione.  
In figura 1.3 [5] è possibile vedere l’andamento tipico della pressione endocranica 
in corrispondenza ad ogni pulsazione cardiaca.  
Come si nota sono presenti tre picchi (P1, P2, P3) che riflettono le componenti 
tipiche della forma d’onda di un battito cardiaco. 
L’osservazione di tali picchi è di grande importanza clinica, in quanto attraverso la 
loro forma è possibile prevedere l’insorgenza dell’ipertensione intracranica. Quando 
l’adattamento è normale P1 è la componente di ampiezza maggiore con P2 e P3 che 
seguono con ampiezze decrescenti (v. parte alta della figura 1.3).  
In pazienti che presentano adattamento basso risulta invece essere P2 il picco più 
alto (v. parte bassa della figura 1.3). Tale forma d’onda solitamente precede un rapido 
innalzamento della pressione intracranica.  
In condizioni patologiche di pressione endocranica altre tre componenti dinamiche 
a frequenze minori vengono individuate. Tali componenti, dette onde di Lundberg [3, 
4], prendono i nomi di:  
• Onda A o onda plateau (v. figura 1.4 [3]): è l’onda di principale interesse 
clinico. Essa può portare la pressione ad innalzarsi rapidamente da valori normali 
fino a 50-100mmHg per un periodo di 5-20 minuti prima di cadere velocemente 
anche al di sotto dei 10mmHg. Onde A ricorrenti indicano un aumento rapido e 
pericoloso della pressione intracranica ed una diminuita capacità di adattamento. 
Figura 1.3: forma d’onda normale (in alto) e in caso di basso
adattamento (in basso)  
 La pressione intracranica   15
Se le onde A sono continue possono indicare un danno cerebrale irreversibile. 
• Onda B (v. figura 1.5 [3]): è un’onda dall’aspetto a dente di sega che compare 
con una periodicità di 1-2 minuti. Essa presenta un’ampiezza minore dell’onda A 
e rispetto ai valori normali di pressione i suoi picchi possono raggiungere i 20-
30mmHg. Il significato clinico delle onde B non è chiaro, ma sembra che 
compaiano più frequenti con il diminuire della capacità di adattamento. Talvolta 
le onde B precedono le onde A. 
• Onda C (v. figura 1.6 [3]): è un’onda che sembra avere scarso interesse clinico. 
Essa è rapida, ritmica e di forma meno acuta rispetto l’onda B. Rispetto ai valori 
di pressione ordinari l’ampiezza di tale onda può raggiungere i 20mmHg. La sua 
periodicità è compresa nell’intervallo 7,5-20 secondi. 
Figura 1.4: onda A o onda plateau 
Figura 1.5: onda B 
 La pressione intracranica   16
In tabella 1.1 sono riassunti i principali parametri delle forme d’onda legate alla 
pressione intracranica. 
Tabella 1.1: caratteristiche delle componenti variabili della pressione endocranica 
 
Componente Periodo Frequenza (Hz) Ampiezza (mmHg)
A 5-20 minuti - 40-100
B 1-2 minuti 0,0083-0.017 0-30 
C 7,5-20 secondi 0,05-0,13 0-20
Respiro 1,5-6 secondi 0,17-0,67 0-10 
Pulsazione 0,25-1,5 secondi 0,67-4 1-4 
Figura 1.6: onda C