ELETTRONICA

Laurea Triennale per Tecnico della Fisiopatologia
Cardiocircolatoria e Perfusione Cardiovascolare
ELETTRONICA
prof. G. Martini
A.A. 2004/05
Dipartimento di Elettronica
Web: http://ele.unipv.it/~ele1/emed
E-mail: [email protected]
(specificare “medicina”)
(OHWWURQLFD
Laurea Triennale per Tecnico della Fisiopatologia Cardiocircolatoria e Perfusione Cardiovascolare
CFU: 1
3URJUDPPD
L’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 di
circuiti 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.
0RGDOLWD
GLYDOXWD]LRQH
Il livello di apprendimento sara’ valutato sulla base delle attivita’ svolte durante le lezioni e mediante un colloquio
finale.
7HVWLFRQVLJOLDWL
Verra’ fornita copia dei lucidi usati durante le lezioni.
Per consultazione: Webster J. G. : 0HGLFDO,QVWUXPHQWDWLRQ $SSOLFDWLRQDQGGHVLJQ, 2nd edition, Houghton
Mifflin Co., Boston (1995).
G. Martini - Elettronica
2
L’Elettronica in Medicina
Strumentazione Elettronica
Misura di parametri fisiologici
(ElettroCardioGrafia, MagnetoEncefaloGrafia)
Diagnostica
(Analisi clinica di laboratorio)
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Terapia
(Pacemaker cardiaco, ventilatore polmonare)
3
Acquisizione dati
Interferenti
Gi
+
Modificanti
Uscita complessiva
+
Segnale utile
G
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4
Finalità del sistema di acquisizione dati
- Rendere “leggibile” il segnale utile
Amplificazione
Elaborazione
Presentazione
- Separare il segnale utile dagli interferenti
Schermatura
Filtraggio
- Ridurre l’effetto dei modificanti
Disposizione dei sensori
Modalità di esecuzione della misura
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5
Segnale utile:
potenziale cardiaco
Esempio di acquisizione dati:
Segnale ECG
Interferente:
campo elettromagnetico alternato
alla frequenza di rete
Modificante:
giacitura dei cavi rispetto al campo e.m.
Da: Webster J. G., op. cit.
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6
Segnali
Segnale:
Grandezza variabile nel tempo
T [°C]
Pressione
Temperatura
Flusso
...
Tensione
Corrente
t [s]
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7
Nel caso più semplice è una costante
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8
Sinusoide
forma d’onda periodica
Rappresentazione nel tempo
V(t)=VM*cos(2*π*f*t)
VM : ampiezza
f : frequenza
1/f=T : periodo
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Rappresentazione in frequenza
(solo per forme d’onda periodiche)
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10
Con la scala logaritmica si vedono meglio le armoniche
V(t)=VM*[cos (2*π*f*t) + 0.1*sin (2*π*2*f*t)]
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11
Segnale “tipo” ECG
si può considerare periodico
(per tempi di osservazione non
troppo lunghi) e contiene molte
armoniche
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Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG
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13
Segnale “tipo” ECG + disturbo a 50 Hz
Il segnale risulta
fortemente degradato
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Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG + disturbo
E’ ben visibile la “riga”
del segnale interferente
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15
Segnale “tipo” ECG + disturbo a 50 Hz
dopo filtraggio che attenua le frequenze alte
Il segnale è tornato “leggibile”
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16
Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG + disturbo
dopo filtraggio che attenua le frequenze alte
La riga del segnale interferente
è visibilmente ridotta
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Circuiti e componenti elettrici
Corrente elettrica
Paragonabile al flusso di un fluido
Moto di cariche (elettroni) in materiali CONDUTTORI:
Metalli
soluzioni saline
tessuti (pelle, muscoli, ...)
Se varia nel tempo può attraversare anche materiali ISOLANTI:
Vetro
plastica
aria
La corrente si misura in Ampere: A
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18
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
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Resistore
Componente con due morsetti (bipolo)
caratterizzato dalla costante R (resistenza)
I
R
+
Legge di Ohm
V
V=RI
La resistenza si misura in Ohm: Ω
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Generatore ideale di tensione
bipolo
Indipendente dal tempo (costante)
Dipendente dal tempo (variabile)
Generatore di segnale
Batteria
+
V
-
I
+
+
E
V
I
+
Vs
-
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Leggi di Kirchoff
Servono per risolvere i circuiti elettrici
nodo
maglia
I4
I1
I3
I2
Somma delle correnti = 0
Somma delle tensioni = 0
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R1 e R2 sono attraversati
dalla stessa corrente
Esempi
A
R1
B
+
E
+
R2
I
N
Vout
Collegamento in serie
-
Req = R1 + R2
solo per il calcolo della corrente
I
E
E
I = ---------= -------R1 + R2
Req
E
+
A
Req
N
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Partitore di tensione
A
E
R1
B
+
I
+
R2
N
Vout
-
E R2
Vout = I R2 = ---------R1 + R2
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R1 e R2 sono sottoposti alla
stessa differenza di potenziale
I
A
B
I1
E
I2
+
Collegamento in parallelo
R2
R1
R1 R2
Req = -----------R1 + R2
N
solo per il calcolo della corrente
E
I = -------Req
E
I
+
A
Req
N
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25
Partitore di corrente
I
A
B
I1
E
I2
+
R1
R2
N
E = ---------I R2
I1 = ------R1
R1 + R2
E = ---------I R1
I2 = ------R2
R1 + R2
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Esercizio 1
- V1 +
I1
R1
I2
E
+
I3
R2
R3
+
Vout
-
Dati:
E = 10 V R1 = 10 KΩ
R2 = 1 KΩ
Calcolare le tensioni e le correnti.
R3 = 300 Ω
(I1 = 977 µA, I2 = 225 µA, I3 = 752 µA, V1 = - 9.77 V, Vout = 226 mV)
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Esercizio 2
R1
I1
I2
+
Vs
+
Dati:
R2 Vout
I3
R3
-
Vs = VsM cos(2 π f t)
VsM = 1 V, f = 10 Hz
R1 = 10 Ω, R2 = 10 KΩ, R3 = R1
Calcolare le correnti e Vout.
(Tutte le correnti e tensioni sono sinusoidali con frequenza f;
I1M = I2M = I3M = 99.9 µA ≅ 100 µA, VoutM = 0.999 V ≅ 1 V)
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28
Condensatore
I
C
+
V
-
Componente con due morsetti (bipolo)
caratterizzato dalla costante C (capacità)
Legame tensione-corrente
dV
I = C ------dt
IDVRUL
V = ZC I
Se I (e V) sono sinusoidali si ha:
1
dove: ZC = ------jωC
La capacità si misura in Farad: F
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j2 = -1
LPSHGHQ]D
29
Filtro passa-basso
R
+
+
Vs
I
C
Vout
-
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30
Rappresentazione lineare
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31
Rappresentazione logaritmica
G. Martini - Elettronica
32
Filtro passa-alto
C
+
+
Vs
I
R
Vout
-
G. Martini - Elettronica
33
Rappresentazione logaritmica
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34
Elettrodi
Sono gli elementi di connessione
tra il paziente e lo strumento di misura
Elettrodi esterni
Filo di collegamento
Disco metallico
(nickel/argento)
Da: Webster J. G., op. cit.
Gel conduttivo
Pelle
~ 100 KΩcm2
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RS
35
Elettrodi interni - percutanei
RS < 1 Ω
Da: Webster J. G., op. cit.
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36
Elettrocardiografia
Posizione degli elettrodi in ECG nel piano frontale
RA
LA
RL
LL
braccio destro
braccio sinistro
gamba destra
gamba sinistra
Canali di misura:
I = LA-RA
II = LL-RA
III = LL-LA
Da: Webster J. G., op. cit.
vs ≈ 0.1÷10 mV
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37
Elettrocardiografo – schema a blocchi
(semplificato)
Elettrodo
Elettrodo
“right leg”
Visualizzazione
.
.
.
Elettrodo
Registrazione
Isolamento
Alimentatore
Memorizzazione
Alimentatore
Massa del paziente
220V, 50Hz
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Massa dello strumento
38
Problemi tipici in ECG
(e in generale nell’acquisizione di segnali biologici)
Distorsione in frequenza
Segnale “vero”
Attenuazione delle
frequenze alte
Attenuazione delle
frequenze basse
Da: Webster J. G., op. cit.
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39
Distorsione da limitazione
di ampiezza (saturazione)
Segnale “vero”
Limitazione (cimatura)
dei picchi positivi
Limitazione (cimatura)
dei picchi negativi
Da: Webster J. G., op. cit.
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40
Giri (cicli) di massa (ground loops)
Da: Webster J. G., op. cit.
Da: Webster J. G., op. cit.
Tra A e B c’è una differenza di potenziale
e circola corrente
per evitarlo
Tutti gli apparati e il paziente
devono essere collegati alla
stessa massa in un solo punto
Errore nel segnale ECG
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41
Interruzione dei collegamenti agli elettrodi
Mancanza di segnale
saturazione
Transitori elettrici di ampiezza elevata
(ad es. in caso di defibrillazione,
accensione/spegnimento di apparati)
(dettaglio)
transitorio di recupero
Da: Webster J. G., op. cit.
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42
Interferenze dall’alimentazione
e da altri apparati elettrici
(motori, pompe, ...)
Da: Webster J. G., op. cit.
Da: Webster J. G., op. cit.
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43
Riduzione delle interferenze
“Driven right leg”
Da: Webster J. G., op. cit.
Da: Webster J. G., op. cit.
Schermo elettrostatico
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44
Sicurezza elettrica
In ambiente ospedaliero il paziente è esposto a maggiori rischi
rispetto all’ambiente domestico:
Microorganismi
Fuoco
Sostanze chimiche
Elettricità
...
Rischio di HOHWWURFX]LRQH
Particolare attenzione nell’utilizzo degli apparati elettrici
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45
Macroshock e Microshock
L’organo più sensibile alla corrente elettrica è il cuore.
Microshock:
tutta la corrente attraversa il cuore
che è collegato al circuito tramite
almeno un elettrodo
Macroshock:
la corrente entra dalla cute;
solo una piccola parte della corrente
attraversa il cuore
6RJOLDGLVLFXUH]]DP$
Da: Webster J. G., op. cit.
6RJOLDGLVLFXUH]]DP$
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46
Effetti fisiologici della corrente elettrica - Macroshock
Soglia di pericolo
Da: Webster J. G., op. cit.
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47
-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 individuo
si può staccare volontariamente.
Minimo 6mA
-Paralisi respiratoria, dolore, fatica :
Correnti più elevate bloccano il respiro
e contraggono i muscoli.
Minimo 18-20mA
-Fibrillazione ventricolare :
Il battito cardiaco sale a
300 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 corrente
il cuore riprende a battere.
Nessun danno irreversibile per
impulsi brevi - DEFIBRILLAZIONE.
Tra 1 e 6A
-Ustioni e danni fisici :
Ustioni ai punti di contatto degli elettrodi.
Danni irreversibili ai tessuti.
Contrazioni muscolari con eventuale
distacco del muscolo dall’osso.
MORTE.
10A
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48
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, ...)
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49
Distribuzione dell’energia elettrica
Da: Webster J. G., op. cit.
Con unico collegamento di massa
Singolo guasto a massa:
-Pericoloso se si tocca la Fase
-Il Neutro è a massa
Da: Webster J. G., op. cit.
Con massa isolata
dal secondario del trasformatore
Singolo guasto a massa:
-I due morsetti di uscita del trasformatore
sono equivalenti dal punto di vista del rischio
-Il rischio di elettrocuzione è quasi nullo
Per avere ellettrocuzione occorre toccare entrambi i fili
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50
Sistemi di emergenza
In area critica non deve mai mancare l’energia elettrica
Generatori di emergenza
Intervengono automaticamente
nel caso di mancanza di energia elettrica
dalla normale rete di distribuzione
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-Batterie
-Generatori a motore
51
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 Ω
Ogni intervento medico
che riduce la resistenza della cute:
-catetere
-termometro elettronico (uso orale o rettale)
-elettrodi con gel conduttivo
aumenta la possibilità del passaggio di corrente
e quindi i rischi di macroshock
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52
Gli apparati elettrici sono progettati per ridurre il
rischio di esposizione umana a tensioni elevate, ma
spesso hanno un contenitore metallico
La corrente fluisce attraverso il corpo
(OHYDWRULVFKLRGLHOHWWURFX]LRQH
Contenitore non collegato a massa
Da: Webster J. G., op. cit.
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53
La corrente fluisce verso massa
5LVFKLRGLHOHWWURFX]LRQH
SUDWLFDPHQWHQXOOR
Contenitore collegato a massa
Da: Webster J. G., op. cit.
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54
Attenzione a:
Fluidi organici
(sangue, urine, siero, soluzione isotonica, ...)
Alimenti, particolarmente i liquidi
Rotture delle prese di enrgia elettrica
(anche screpolature)
Cavi di alimentazione delle apparecchiature
(strappi, graffi sulla guaina)
Superfici umide
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55
Durante il normale funzionamento
nel conduttore di massa non scorre corrente.
La corrente scorre solo in caso di guasto.
Durante il normale funzionamento
non ci si accorge se il conduttore di massa
è collegato o interrotto
Per garantire la protezione in caso di guasto
occorre YHULILFDUHSHULRGLFDPHQWH
ODFRQWLQXLWjGHLFROOHJDPHQWLGLPDVVD
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56
Rischi da microshock
Normalmente i rischi da microshock hanno cause
totalmente incorrelate ai rischi da macroshock.
Sono presenti nel caso di collegamenti diretti al cuore
(cateteri)
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)
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57
Tra un apparato elettrico e il suo contenitore
esistono differenze di potenziale
che fanno scorrere piccole correnti (µA)
che normalmente vanno a massa.
Da: Webster J. G., op. cit.
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58
Se la massa è interrotta e il paziente tocca il contenitore
la corrente può scorrere
attraverso il cuore del paziente
con conseguente rischio di microshock.
Catetere
a massa
Da: Webster J. G., op. cit.
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59
Paziente
a massa
Da: Webster J. G., op. cit.
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60
Da: Webster J. G., op. cit.
Possibile scenario: motore con collegamento di massa interrotto
paziente con catetere di un pacemaker a batteria
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61
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62
Da: Webster J. G., op. cit.
Se tra due superfici conduttive esiste una piccola differenza
di potenziale e, essendo una delle superfici in contatto con
il cuore, l’altra tocca altrove il corpo del paziente
si ha rischio di microshock.
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63
Da: Webster J. G., op. cit.
Anche nel caso di
alimentazione con trasformatore d’isolamento
puo’ esserci rischio di microshock.
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64
Da: Webster J. G., op. cit.
Che fare?
Collegare a massa in un solo punto!
Da: Webster J. G., op. cit.
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65
Usare: - apparati alimentati in bassa tensione
con doppio isolamento
- limitatori di corrente
- circuiti con isolamento galvanico
Da: Webster J. G., op. cit.
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66
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)
Da: Webster J. G., op. cit.
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