ELETTRONICA - · Elettrocardiografo; descrizione, modalita’ di utilizzo, collegamento al...

Laurea Triennale per Tecnico della Fisiopatologia Cardiocircolatoria e Perfusione Cardiovascolare

ELETTRONICAprof. G. Martini

A.A. 2004/05Dipartimento di Elettronica

Web: http://ele.unipv.it/~ele1/emed

E-mail: [email protected](specificare “medicina”)

G. Martini - Elettronica 2

(OHWWURQLFDLaurea Triennale per Tecnico della Fisiopatologia Cardiocircolatoria e Perfusione Cardiovascolare CFU: 1

3URJUDPPDL’Elettronica nella Medicina; considerazioni generali.Acquisizione di dati per la misura di parametri medici e fisiologici. Segnali, interferenti, modificanti.Segnali, segnali sinusoidali; analisi nel tempo e nella frequenza.Circuiti per l’elaborazione del segnale; aspetti di base; resistenza, capacita’, generatori, tecniche di analisi dicircuiti elettrici.Filtri passa-alto e passa-basso.Elettrodi; collegamento tra il paziente e la strumentazione.Elettrocardiografo; descrizione, modalita’ di utilizzo, collegamento al paziente.Sicurezza elettrica.

E’prevista attivita’ di Laboratorio presso il Dipartimento di Elettronica.

0RGDOLWDGLYDOXWD]LRQHIl livello di apprendimento sara’ valutato sulla base delle attivita’ svolte durante le lezioni e mediante un colloquiofinale.

7HVWLFRQVLJOLDWLVerra’ fornita copia dei lucidi usati durante le lezioni. Per consultazione: Webster J. G. : 0HGLFDO,QVWUXPHQWDWLRQ $SSOLFDWLRQDQGGHVLJQ, 2nd edition, Houghton Mifflin Co., Boston (1995).


L’Elettronica in Medicina

Misura di parametri fisiologici(ElettroCardioGrafia, MagnetoEncefaloGrafia)

Diagnostica(Analisi clinica di laboratorio)

Terapia(Pacemaker cardiaco, ventilatore polmonare)

Strumentazione Elettronica


Acquisizione dati

Segnale utile

Interferenti

Modificanti+

+

Uscita complessiva

Gi

G


- Separare il segnale utile dagli interferenti

- Ridurre l’effetto dei modificanti

- Rendere “leggibile” il segnale utile

Finalità del sistema di acquisizione dati

AmplificazioneElaborazionePresentazione

SchermaturaFiltraggio

Disposizione dei sensoriModalità di esecuzione della misura


Esempio di acquisizione dati:Segnale ECGSegnale utile:

potenziale cardiaco

Interferente:campo elettromagnetico alternatoalla frequenza di rete

Modificante:giacitura dei cavi rispetto al campo e.m.

Da: Webster J. G., op. cit.


SegnaliSegnale:Grandezza variabile nel tempo

PressioneTemperaturaFlusso...TensioneCorrente

t [s]

T [°C]


Nel caso più semplice è una costante


V(t)=VM*cos(2*π*f*t)VM : ampiezzaf : frequenza1/f=T : periodo

Sinusoideforma d’onda periodica

Rappresentazione nel tempo


Rappresentazione in frequenza(solo per forme d’onda periodiche)


Con la scala logaritmica si vedono meglio le armonicheV(t)=VM*[cos (2*π*f*t) + 0.1*sin (2*π*2*f*t)]


Segnale “tipo” ECG

si può considerare periodico (per tempi di osservazione non troppo lunghi) e contiene molte armoniche


Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG


Segnale “tipo” ECG + disturbo a 50 Hz

Il segnale risultafortemente degradato


Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG + disturbo

E’ ben visibile la “riga”del segnale interferente


Segnale “tipo” ECG + disturbo a 50 Hzdopo filtraggio che attenua le frequenze alte

Il segnale è tornato “leggibile”


Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG + disturbodopo filtraggio che attenua le frequenze alte

La riga del segnale interferenteè visibilmente ridotta


Circuiti e componenti elettriciCorrente elettrica

Moto di cariche (elettroni) in materiali CONDUTTORI:

Metallisoluzioni salinetessuti (pelle, muscoli, ...)

Paragonabile al flusso di un fluido

Se varia nel tempo può attraversare anche materiali ISOLANTI:

Vetroplasticaaria

La corrente si misura in Ampere: A


Differenza di potenziale (“Tensione”)

Paragonabile alla differenza di pressione

Provoca il movimento delle cariche elettriche, cioè la corrente.

La tensione si misura in Volt: V


ResistoreComponente con due morsetti (bipolo)caratterizzato dalla costante R (resistenza)

R+

-

I

V V = R I

Legge di Ohm

La resistenza si misura in Ohm: Ω


Generatore ideale di tensione

Indipendente dal tempo (costante)

Batteria

Dipendente dal tempo (variabile)

Generatore di segnale

+E Vs

bipolo

I +

I

-

-

++

V V


I1

I2

I3

I4nodo maglia

Somma delle correnti = 0 Somma delle tensioni = 0

Leggi di Kirchoff

Servono per risolvere i circuiti elettrici


+E

+

-

I Vout

R1

R2

I = ---------- = --------ER1 + R2

R1 e R2 sono attraversati dalla stessa corrente

Collegamento in serie

+E

I

Req

EReq

Req = R1 + R2

solo per il calcolo della corrente

A B

N

A

N

Esempi


+E

+

-

I

Vout

R1

R2

Vout = I R2 = ----------E R2

R1 + R2

Partitore di tensione

A B

N


+E

I2

R1 R2

A B

N

I1I

R1 e R2 sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale

Collegamento in parallelo

Req = ------------R1 R2

R1 + R2

+E

I

Req

N

Asolo per il calcolo della corrente

I = --------EReq


I1 = ------- = ----------I R2

R1 + R2

Partitore di corrente

+E

I2

R1 R2

A B

N

I1I

ER1

I2 = ------- = ----------I R1

R1 + R2

ER2


+E

+-

Vout

R1

R2

I2

I1

I3

R3

-

+

V1

R1 = 10 KΩE = 10 V R2 = 1 KΩ R3 = 300 ΩDati:

Calcolare le tensioni e le correnti.

Esercizio 1

(I1 = 977 µA, I2 = 225 µA, I3 = 752 µA, V1 = - 9.77 V, Vout = 226 mV)


Vout

R1

R2

I2

I1

I3R3

-

+

R1 = 10 Ω, R2 = 10 KΩ, R3 = R1

Vs = VsM cos(2 π f t)VsM = 1 V, f = 10 Hz

Dati:

Calcolare le correnti e Vout.

Esercizio 2

+

Vs

(Tutte le correnti e tensioni sono sinusoidali con frequenza f;I1M = I2M = I3M = 99.9 µA ≅ 100 µA, VoutM = 0.999 V ≅ 1 V)


CondensatoreComponente con due morsetti (bipolo)caratterizzato dalla costante C (capacità)

+

-

I

VI = C -------

Legame tensione-corrente

La capacità si misura in Farad: F

Cd Vd t

Se I (e V) sono sinusoidali si ha:V = ZC I

dove: ZC = -------1

j ω C

IDVRUL

LPSHGHQ]D

j2 = -1


C

+

-

I Vout

R

+

Vs

Filtro passa-basso


Rappresentazione lineare


Rappresentazione logaritmica


C

+

-

I VoutR

+

Vs

Filtro passa-alto


Rappresentazione logaritmica


Elettrodi

Sono gli elementi di connessionetra il paziente e lo strumento di misura

Elettrodi esterni

Disco metallico(nickel/argento)

Gel conduttivo

Pelle

Filo di collegamento

RS


~ 100 KΩcm2


Elettrodi interni - percutanei


RS < 1 Ω


Elettrocardiografia

Posizione degli elettrodi in ECG nel piano frontale

RA braccio destroLA braccio sinistroRL gamba destraLL gamba sinistra

Canali di misura:I = LA-RAII = LL-RAIII = LL-LA


vs ≈ 0.1÷10 mV


Elettrocardiografo – schema a blocchi(semplificato)

Elettrodo

Elettrodo

.

.

.

“right leg”Elettrodo

Isolamento

Visualizzazione

Registrazione

Memorizzazione

220V, 50Hz

Alimentatore

Massa dello strumento

Massa del paziente

Alimentatore


Problemi tipici in ECGDistorsione in frequenza

Segnale “vero”

Attenuazione dellefrequenze alte

Attenuazione dellefrequenze basse


(e in generale nell’acquisizione di segnali biologici)


Distorsione da limitazionedi ampiezza (saturazione)

Segnale “vero”

Limitazione (cimatura)dei picchi positivi

Limitazione (cimatura)dei picchi negativi



Giri (cicli) di massa (ground loops)

Tra A e B c’è una differenza di potenzialee circola corrente

Errore nel segnale ECG

Tutti gli apparati e il pazientedevono essere collegati allastessa massa in un solo punto

Da: Webster J. G., op. cit.Da: Webster J. G., op. cit.

per evitarlo


Interruzione dei collegamenti agli elettrodi

Mancanza di segnale

Transitori elettrici di ampiezza elevata(ad es. in caso di defibrillazione,accensione/spegnimento di apparati)


saturazione

transitorio di recupero

(dettaglio)


Interferenze dall’alimentazionee da altri apparati elettrici(motori, pompe, ...)




Riduzione delle interferenze

Schermo elettrostatico

“Driven right leg”

Da: Webster J. G., op. cit.Da: Webster J. G., op. cit.


Sicurezza elettrica

In ambiente ospedaliero il paziente è esposto a maggiori rischirispetto all’ambiente domestico:

MicroorganismiFuocoSostanze chimicheElettricità...

Rischio di HOHWWURFX]LRQH

Particolare attenzione nell’utilizzo degli apparati elettrici


Macroshock e Microshock

L’organo più sensibile alla corrente elettrica è il cuore.

Macroshock:la corrente entra dalla cute;solo una piccola parte della correnteattraversa il cuore

Microshock:tutta la corrente attraversa il cuoreche è collegato al circuito tramitealmeno un elettrodo

6RJOLDGLVLFXUH]]DP$

6RJOLDGLVLFXUH]]DP$


G. Martini - Elettronica 47Da: Webster J. G., op. cit.

Effetti fisiologici della corrente elettrica - Macroshock

Soglia di pericolo


-Soglia di percezione:minima corrente di cui un individuo si accorge.Minimo 0.5mA

-Corrente di allontanamento (let-go current):massima corrente da cui un individuosi può staccare volontariamente.Minimo 6mA

-Paralisi respiratoria, dolore, fatica:Correnti più elevate bloccano il respiroe contraggono i muscoli.Minimo 18-20mA

-Fibrillazione ventricolare:Il battito cardiaco sale a300 colpi al minuto;cessa l’effetto di pompa.Morte del paziente entro pochi minuti.Minimo 75mA

-Contrazione miocardica sostenuta:Il cuore si ferma; interrompendo la correnteil cuore riprende a battere.Nessun danno irreversibile perimpulsi brevi - DEFIBRILLAZIONE.Tra 1 e 6A

-Ustioni e danni fisici:Ustioni ai punti di contatto degli elettrodi.Danni irreversibili ai tessuti.Contrazioni muscolari con eventualedistacco del muscolo dall’osso.MORTE.10A


Effetti della corrente elettrica - Microshock

-Fibrillazione ventricolare tra 80 e 600µA

Morte entro pochi minuti

Parti metalliche e non metalliche in vicinanza del paziente

massima differenza di potenziale ammessa:

Area di cura generica: 500mV

Area di cura critica: 40mV (sala operatoria, rianimazione, ...)


Distribuzione dell’energia elettrica

Con unico collegamento di massaCon massa isolatadal secondario del trasformatoreSingolo guasto a massa:

-Pericoloso se si tocca la Fase-Il Neutro è a massa

Singolo guasto a massa:-I due morsetti di uscita del trasformatoresono equivalenti dal punto di vista del rischio

-Il rischio di elettrocuzione è quasi nullo

Per avere ellettrocuzione occorre toccare entrambi i fili

Da: Webster J. G., op. cit. Da: Webster J. G., op. cit.


Sistemi di emergenza

In area critica non deve mai mancare l’energia elettrica

Generatori di emergenza

Intervengono automaticamentenel caso di mancanza di energia elettricadalla normale rete di distribuzione

-Batterie-Generatori a motore


Rischi da macroshock

Resistenza della cute: 15 kΩ/cm2 – 1 MΩ/cm2

Cute graffiata: 100 Ω/cm2

Interno del corpo arto: 200 Ω

tronco: 100 Ω

tra un braccio e l’altro: 500 Ω

tra cuore e caviglia: 500 ΩOgni intervento medicoche riduce la resistenza della cute:

-catetere-termometro elettronico (uso orale o rettale)-elettrodi con gel conduttivo

aumenta la possibilità del passaggio di correntee quindi i rischi di macroshock


Gli apparati elettrici sono progettati per ridurre il rischio di esposizione umana a tensioni elevate, ma spesso hanno un contenitore metallico

Contenitore non collegato a massa

La corrente fluisce attraverso il corpo

(OHYDWRULVFKLRGLHOHWWURFX]LRQH



Contenitore collegato a massa

La corrente fluisce verso massa

5LVFKLRGLHOHWWURFX]LRQHSUDWLFDPHQWHQXOOR



Attenzione a:

Fluidi organici(sangue, urine, siero, soluzione isotonica, ...)

Rotture delle prese di enrgia elettrica(anche screpolature)

Cavi di alimentazione delle apparecchiature(strappi, graffi sulla guaina)

Superfici umide

Alimenti, particolarmente i liquidi


Durante il normale funzionamentonel conduttore di massa non scorre corrente.

La corrente scorre solo in caso di guasto.

Durante il normale funzionamentonon ci si accorge se il conduttore di massaè collegato o interrotto

Per garantire la protezione in caso di guastooccorre YHULILFDUHSHULRGLFDPHQWHODFRQWLQXLWjGHLFROOHJDPHQWLGLPDVVD


Rischi da microshockNormalmente i rischi da microshock hanno causetotalmente incorrelate ai rischi da macroshock.

Sono originati da:- FRUUHQWLGLGLVSHUVLRQH in apparati elettrici

- differenze di potenziale tra superfici conduttive collegate a massa(dovute al passaggio di correnti elevate nel sistema dei conduttori di massa)

Sono presenti nel caso di collegamenti diretti al cuore(cateteri)


Tra un apparato elettrico e il suo contenitoreesistono differenze di potenzialeche fanno scorrere piccole correnti (µA)che normalmente vanno a massa.



Se la massa è interrotta e il paziente tocca il contenitorela corrente può scorrereattraverso il cuore del pazientecon conseguente rischio di microshock.

Cateterea massa



Pazientea massa



Possibile scenario: motore con collegamento di massa interrottopaziente con catetere di un pacemaker a batteria

Da:

Web

ster

J. G

., op

. cit

.

G. M

artini -E

lettronica62


G. M

artini -E

lettronica63


Se tra due superfici conduttive esiste una piccola differenzadi potenziale e, essendo una delle superfici in contatto conil cuore, l’altra tocca altrove il corpo del pazientesi ha rischio di microshock.

G. M

artini -E

lettronica64

Anche nel caso dialimentazione con trasformatore d’isolamentopuo’ esserci rischio di microshock.



Collegare a massa in un solo punto!

Che fare?



Usare: - apparati alimentati in bassa tensionecon doppio isolamento

- limitatori di corrente- circuiti con isolamento galvanico



Controllare frequentemente i collegamenti di massa

Usare sistemi di protezione dai guasti: - interruttori magnetotermici (alte correnti)- interruttori differenziali (basse correnti)

Controllare la bontà dell’isolamento tra i circuiti interni e il contenitore(per ridurre le correnti di dispersione)


ELETTRONICA - · Elettrocardiografo; descrizione, modalita’ di utilizzo, collegamento al...

Documents

Transcript of ELETTRONICA - · Elettrocardiografo; descrizione, modalita’ di utilizzo, collegamento al...