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) G. Martini - Elettronica Terapia (Pacemaker cardiaco, ventilatore polmonare) 3 Acquisizione dati Interferenti Gi + Modificanti Uscita complessiva + Segnale utile G G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 6 Segnali Segnale: Grandezza variabile nel tempo T [°C] Pressione Temperatura Flusso ... Tensione Corrente t [s] G. Martini - Elettronica 7 Nel caso più semplice è una costante G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 9 Rappresentazione in frequenza (solo per forme d’onda periodiche) G. Martini - Elettronica 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)] G. Martini - Elettronica 11 Segnale “tipo” ECG si può considerare periodico (per tempi di osservazione non troppo lunghi) e contiene molte armoniche G. Martini - Elettronica 12 Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG G. Martini - Elettronica 13 Segnale “tipo” ECG + disturbo a 50 Hz Il segnale risulta fortemente degradato G. Martini - Elettronica 14 Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG + disturbo E’ ben visibile la “riga” del segnale interferente G. Martini - Elettronica 15 Segnale “tipo” ECG + disturbo a 50 Hz dopo filtraggio che attenua le frequenze alte Il segnale è tornato “leggibile” G. Martini - Elettronica 16 Spettro di potenza del segnale “tipo” ECG + disturbo dopo filtraggio che attenua le frequenze alte La riga del segnale interferente è visibilmente ridotta G. Martini - Elettronica 17 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 G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 19 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 G. Martini - Elettronica 20 Generatore ideale di tensione bipolo Indipendente dal tempo (costante) Dipendente dal tempo (variabile) Generatore di segnale Batteria + V - I + + E V I + Vs - G. Martini - Elettronica 21 Leggi di Kirchoff Servono per risolvere i circuiti elettrici nodo maglia I4 I1 I3 I2 Somma delle correnti = 0 Somma delle tensioni = 0 G. Martini - Elettronica 22 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 G. Martini - Elettronica 23 Partitore di tensione A E R1 B + I + R2 N Vout - E R2 Vout = I R2 = ---------R1 + R2 G. Martini - Elettronica 24 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 G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 26 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) G. Martini - Elettronica 27 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) G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica j2 = -1 LPSHGHQ]D 29 Filtro passa-basso R + + Vs I C Vout - G. Martini - Elettronica 30 Rappresentazione lineare G. Martini - Elettronica 31 Rappresentazione logaritmica G. Martini - Elettronica 32 Filtro passa-alto C + + Vs I R Vout - G. Martini - Elettronica 33 Rappresentazione logaritmica G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica RS 35 Elettrodi interni - percutanei RS < 1 Ω Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 37 Elettrocardiografo – schema a blocchi (semplificato) Elettrodo Elettrodo “right leg” Visualizzazione . . . Elettrodo Registrazione Isolamento Alimentatore Memorizzazione Alimentatore Massa del paziente 220V, 50Hz G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 42 Interferenze dall’alimentazione e da altri apparati elettrici (motori, pompe, ...) Da: Webster J. G., op. cit. Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 43 Riduzione delle interferenze “Driven right leg” Da: Webster J. G., op. cit. Da: Webster J. G., op. cit. Schermo elettrostatico G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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$ G. Martini - Elettronica 46 Effetti fisiologici della corrente elettrica - Macroshock Soglia di pericolo Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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, ...) G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica -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 G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 53 La corrente fluisce verso massa 5LVFKLRGLHOHWWURFX]LRQH SUDWLFDPHQWHQXOOR Contenitore collegato a massa Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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 G. Martini - Elettronica 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) G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 59 Paziente a massa Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 60 Da: Webster J. G., op. cit. Possibile scenario: motore con collegamento di massa interrotto paziente con catetere di un pacemaker a batteria G. Martini - Elettronica 61 G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 63 Da: Webster J. G., op. cit. Anche nel caso di alimentazione con trasformatore d’isolamento puo’ esserci rischio di microshock. G. Martini - Elettronica 64 Da: Webster J. G., op. cit. Che fare? Collegare a massa in un solo punto! Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 65 Usare: - apparati alimentati in bassa tensione con doppio isolamento - limitatori di corrente - circuiti con isolamento galvanico Da: Webster J. G., op. cit. G. Martini - Elettronica 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. G. Martini - Elettronica 67
