Amplificatori di biopotenziali

Amplificatori per segnali bioelettrici

Sono essenzialmente gli stessi ma devono soddisfare a delle specifiche leggermente differenti

Parametri fisiologici

Tecnica o parametro di misura

Intervallo Frequenza, Hz Metodo di misura

Elettrocardiografia 0.5 - 4 mV 0.01 - 250 Elettrodi di superficie

Elettroencefalografia 5 - 300 V 0.5 - 150 Elettrodi di superficie

Elettromiografia 0.1 - 5 mV

50 – 3000 V

0 - 10000

0.1 - 300

Elettrodi ad ago

Elettrodi di superficie

Elettroretinografia 0 - 900 V 0 - 50 Elettrodi di contatto

Frequenza di respiro 2 - 50 respiri/min 0.1 – 10 Strain gage sul petto, impedenza o termistore nasale

Temperatura 32 - 40 °C 0 - 0.1Termistori, termometri, termocoppie

Elettrocardiogramma

L’attività elettrica del cuore è rappresentata da un vettore dipolo elettrico.

a1

a2

a1

M

+

Traccia ECG

Onda P: depolarizzazione atrialeComplesso QRS: depolarizzazione ventricolare, che maschera la ripolarizzazione atrialeOnda T: ripolarizzazione ventricolare

Fenomeno Elettrico1. depolarizzazione2. ripolarizzazione

Fenomeno Meccanico1. sistole (contrazione)2. diastole (rilassamento)

Specifiche dell’amplificatore

• Risposta differenziale:– tra coppie di elettrodi (bipolari), tra un elettrodo e un punto di

riferimento (unipolari)• Alta impedenza d’ingresso:

– minimo carico sul segnale da misurare• almeno 10 M

• Risposta in bassa frequenza:– massimizzazione di SNR

• Alti guadagni:– elevare opportunamente il segnale di uscita

• almeno 103

• Alti CMRR:– minimizzare artefatti dovuti ai segnali di modo comune

• Circuiti di isolamento e di protezione:– paziente– circuito

ElettrocardiografoRight legelectrode

Controlprogram

Microcomputer

ECG analysisprogram

Operatordisplay

Keyboard

Drivenright legcircuit

Amplifierprotectioncircuit

Leadselector

Sensingelectrodes

Lead-faildetect

Preamplifier

Autocalibration

Baselinerestoration

Isolatedpowersupply

Isolationcircuit

Driveramplifier

Recorder-printer

ADC Memory

Blocchi funzionali

• Cavo paziente: connette il paziente all’elettrocardiografo

• Segnale di calibrazione: 1 mV

• Preamplificatore: alta impedenza d’ingresso, alto CMRR, alto guadagno (variabile)

• Circuito di isolamento: isola il paziente dalla tensione di rete

• Circuito di pilotaggio della gamba destra: elimina il segnale di modo comune

• Amplificatore di pilotaggio: pilota lo strumento che visualizza il segnale, accoppiato in ac per eliminare la tensione di offset amplificata dal preamplificatore, in uscita presenta un filtro passa-basso

Elettrocardiografo

Problemi incontrati frequentemente

• Distorsione in frequenza: le distorsioni in alta frequenza smussano gli spigoli e diminuiscono l’ampiezza dei complessi QRS, le distorsioni in bassa frequenza riguardano invece i segnali in continua

• Distorsioni di dinamica: tensioni di offset, ampiezza del complesso QRS (sia in positivo che in negativo)

• Percorsi di massa: paziente connesso a due apparecchiature medicali, se le due masse si trovano a potenziale differente una corrente scorre attraverso il paziente: problemi di sicurezza e di segnale di modo comune

• Artefatti causati da transienti: impulso di alta tensione per defibrillazione cardiaca, movimento degli elettrodi

• Interferenze dall’alimentazione

• Interferenze da altre sorgenti

• Interruzione cavo-paziente

Ingresso elettrocardiografo

Pre-amplificatore

Caratteristiche del pre-amplificatore:

basso rumore accoppiato direttamente agli elettrodi bassa corrente di polarizzazione alta impedenza di ingresso

Caratteristiche dell’intero stadio utilizzante op-amp A776:

40 V picco-picco di rumore CMRR 80 dB a 100Hz banda: 0.04-110 Hz guadagno 25X32

Recupero dell’isoelettrica

commutazione delle derivazioni

circuiti per il recupero dell’isoelettrica

saturazione degli op-amp

Circuito per il recupero dell’isoelettrica

Cortocircuita per un breve tempo il segnale utile verso massa per evitare il danneggiamento dell’equipaggiamento mobile del galvanometro e ripristinare istantaneamente l’isoelettrica

C

+V

Protezione dei circuiti

impulso di carica elettrostatica che si scarica attraverso il paziente

circuiti di protezione

Circuiti di protezione

Problemi

Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme

prima del monitoring

ee Rn

nR

2

2

1'

1

1ln'2 CRT e

21

2

RR

R

Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme

durante il monitoring

Interferenze

Problemi

alimentazione

(a) interferenza a 50 Hz (b) interferenza elettromiografica sull’ECG.

accoppiamentocapacitivo

induzionemagnetica

Accoppiamento capacitivo

2211 ZiZivv ddBA

21 dd ii

)( 211 ZZivv dBA

E’ presente anche in assenza di corrente

Elettrocardiografo

A

Alimentazione

B

G

C3C1

Z1

Z2

ZG

C2

Id1

Id2

Id1+ Id2

alimentazione e cavi, alimentazione ed elettrocardiografo

C3 non causa interferenza

Se id1~ 9 nA e Z1-Z2 ~ 20 k

VknAvv BA 120)20)(6( !

Schermo con cavo coassiale o triassiale

Problemi

Problemi

Accoppiamento capacitivo

Gdbcm Ziv

mVkAvcm 10)50)(2.0(

)(21 ZZ

Z

ZZ

Zvvv

in

in

in

incmBA

alimentazione e paziente

Elettrocardiografo

Alimentazione

A

Zin

Z1

Cb

idb

ZG

Z2

cm

B

G

Zin

cm

cm

idb

)( 12

incmBA Z

ZZvvv

se Z1, Z2 << Zin

VMkmVvv BA 40)5/20)(10(

Zin include una parte capacitiva

Circuito di pilotaggio della gamba destra

0viRv dRLcm

id

Ra

RRL

Ra

Rf

RoAuxiliaryop amp

+

+

+

RL

4

cm

3

+

+

RRL

id

Ro

Rf

id o/Rf2cm/Ra

Ra/2

ocm

cm

cma

f vR

Rv

20

02 0

fa

cm

R

v

R

v

a

f

dRLcm

RR

iRv

21

Problemi

Riduce i problemi di modo comune

Induzione magnetica

Problemi

Tensione indotta proporzionale all’intensità del campo magnetico e all’area della spira

In presenza di corrente

Possibili soluzioni:

riduzione del campo magnetico tramite l’uso di opportuni schermi

allontanare i cavi e l’elettrocardiografo dalla sorgente di campo magnetico

ridurre l’area effettiva della spira

Interferenze da sorgenti differenti

• Interferenze elettromagnetiche: (prodotte da radio, televisione, macchine a raggi X, relays, sfarfallio delle lampade fluorescenti) possono essere raccolte e rettificate dalle giunzioni p-n del transistor o dall’interfaccia elettrodo-elettrolita sul paziente

Problemi

capacità di 200 pF all’ingresso dell’amplificatore dell’ECG

• Segnale elettromiografico: (prodotto dalle contrazioni dei muscoli tra gli elettrodi) può essere raccolta dal filo dell’ECG e essere registrato sul tracciato ECG

può essere isolato perché corrisponde ad un movimento visibile !

Amplificatori di segnali intracellulari

potenziali dell’ordine di 50÷100 mV impedenze degli elettrodi elevate (1÷100 M) capacità degli elettrodi elevate segnali dalla dc a ~10 kHz

iVif

i vAdtiC

v1

Caratteristiche dei segnali:

Rs

o

vi viAviAv

Cf

ii Cf

+

+

++

+

+

CsEs

Amplificatore con capacità d’ingresso negativa: controreazione positiva

dti

CAv i

fVi )1(

1

fVs

fVs

CAC

CACC

)1(

)1(

Cardiotachimetri

Determinano la velocità del battito cardiaco

Cardiotachimetri mediati: contano il numero di impulsi in un intervallo di tempo noto

Cardiotachimetri istantanei: determinano l’inverso dell’intervallo di tempo tra battiti per ciascun battito e lo mostrano come velocità del battito cardiaco per quell’intervallo di tempo

Cardiotachimetri istantanei

i=v/R=k/TR

Integratori dell’attività muscolareQuantificano l’attività muscolare (EMG) misurata da un particolare sistema di elettrodi

Switch

Circuitoper il valore

assoluto

Multivibratore monostabile

Comparatore

CEMG

Integratore

+

R

P1

vt1

Contatore

2

3