Strumento biomedico: è uno strumento che permette l’interfacciamento con un sistema vivente e la misura di alcuni suoi parametri fisiologici Sistema di monitoraggio: caso particolare di strumento biomedico che consente la misura di parametri fisiologici in continuo nel tempo anche per un periodo piuttosto Obiettivo del sistema di monitoraggio: rilevare la variabile fisiologica y attraverso un sistema di misura M in modo tale l’uscita z del sistema di monitoraggio riproduca fedelmente y Decomposizione di Fourier di un segnale periodico un segnale periodico di periodo T, y(t) = y(t+T), può essere rappresentato come somma di un numero finito (N) di forme d’onda elementari (sinusoidi) spettro delle ampiezze: fornisce l’ampiezza delle sinusoidi al variare delle loro pulsazioni angolari Spettro delle fasi: fornisce la fase delle sinusoidi al variare delle loro pulsazioni angolari Gli spettri delle ampiezze e delle fasi costituiscono la rappresentazione di y nel dominio delle frequenze Banda di frequenze del segnale: intervallo di pulsazioni angolari fra ωMin e ωMax per cui lo spettro delle ampiezze non è nullo Risposta in ampiezza: definisce il guadagno (fattore di moltiplicazione) che il sistema di monitoraggio impone ad ogni sinusoide in ingresso Risposta in fase: definisce lo sfasamento che il sistema di monitoraggio impone ad ogni sinusoide in ingresso Ogni sinusoide del segnale y in ingresso al sistema di monitoraggio viene moltiplicata per un fattore pari alla risposta in ampiezza e sfasata di un fattore pari alla risposta in fase Banda passante: l’insieme di pulsazioni angolari per cui la risposta in ampiezza è piatta e la risposta in fase è nulla. in un sistema di monitoraggio ideale la banda passante vale 0<ω<∞ Un ingresso desiderato y viene rilevato in modo fedele se la banda passante del sistema di monitoraggio include la banda di frequenze di y Gli effetti delle interferenze su z possono essere ridotti adottando specifici accorgimenti pratici e usando tecniche di filtraggio di segnale. Per ridurre l’effetto delle interferenze elettro-magnetiche sull’uscita del sistema di monitoraggio bisogna schermare i cavi e ridurre l’area della spira chiusa vista dal campo magnetico arrotolando fra loro i cavi Schema generale dello strumento di monitoraggio di un sistema vivente (sorgente) strumento di monitoraggio di un sistema vivente: manipolazione del segnale Strumento di monitoraggio di un sistema vivente:manipolazione del segnale I filtri “a spillo” permettono di eliminare le interferenze elettromagnetiche con l’alimentazione di rete I filtri “passa basso” permettono di ridurre le interferenze fisiologiche (e.g. effetti di contrazioni muscolari) Asse y: segnale elettrocardiografico amplificato in modo opportuno Asse x: segnale periodico a dente di sega Monitoraggio: passaggio dal mondo analogico al mondo digitale Impossibilità di rappresentazione e memorizzazione all’interno di un calcolatore Schema generale dello strumento di monitoraggio di un sistema vivente: convertitore analogico-digitale campionatore: valuta l’ampiezza del segnale in istanti di tempo assegnati Se il periodo di campionamento Δt è troppo lungo rispetto alla durata T della forma d’onda più veloce presente nel segnale si verifica una perdita di informazione quantizzatore: approssima l’ampiezza su un numero finito di livelli Viene realizzata un’approssimazione su N livelli. Ogni valore analogico fra due livelli adiacenti viene approssimato al valore del livello, per esempio, maggiore fra i due codificatore: associa a ciascun livello una sequenza binaria Il codificatore associa ad ogni livello una sequenza binaria univocamente determinata N=2b è la relazione fra numero di livelli, N, e numero di bit, b, necessari per loro codifica Vantaggi del monitoraggio digitale segnali digitalizzati - misure automatizzate - interpretazione automatica del dato indipendente dal medico - consultazione remota via web con un esperto - post-elaborazione - ampia possibilità di scelta per il dispositivo di output video - ampia possibilità di scelta per il dispositivo di stampa - archivio digitale (database) che contiene tutta l’informazione - relativa al paziente (anagrafica, segnali, bioimmagini, ecc…) 1) E’ possibile formalizzare uno schema generale per uno strumento di monitoraggio 2) La banda passante dello strumento biomedico deve includere la banda di frequenze del segnale per garantire la rappresentazione fedele del segnale biologico 3) Il monitoraggio digitale permette una maggiore flessibilità di utilizzo e prestazioni superiori in termini di archiviazione dell’informazione e capacità di post-elaborazione Le tecniche basate sugli ultrasuoni hanno assunto una grande importanza in medicina poiché: 1) Sono completamente innocue per il paziente e, quindi,utilizzabili anche in soggetti a rischio (e.g. donne in gravidanza) 2) Hanno un’ottima risoluzione temporale così da permettere il monitoraggio di fenomeni rapidi (contrazione cardiaca e movimenti di valvole) 3) Forniscono informazioni complementari rispetto ad altre tecniche di bioimmagini (e.g. radiografia) poiché si basano su un principio di funzionamento completamente diverso Ultrasuoni: suoni oltre la banda di percezione dell’udito umano (frequenza maggiore di 16-20 KHz) si tratta vibrazioni (onde elastiche di compressione e rarefazione avvengono senza moto di materia); si muovono in linea retta nei tessuti molli;trasferiscono energia meccanica e, quindi, richiedono un mezzo per la loro propagazione e il trasferimento di energia dipendedalle caratteristiche del mezzo direzione longitudinale: direzione ortogonale alla superficie su cui è appoggiato il generatore di ultrasuoni direzione trasversale: direzione parallela alla superficie su cui è appoggiato il generatore di ultrasuoni La velocità di propagazione degli ultrasuoni dipende dal mezzo 1) La velocità di propagazione degli ultrasuoni è bassa in aria 2) La velocità di propagazione degli ultrasuoni in acqua più alta rispetto all’aria e simile a quella del sangue 3) La velocità di propagazione degli ultrasuoni nell’osso è alta L’ultrasuono si attenua per attrito fra le particelle L’ampiezza A(z) dell’ultrasuono si riduce al crescere della profondità z A(z)=A0·e-α·z dove α = coefficiente di assorbimento α dipende dalle caratteristiche del mezzo attraversato dall’ultrasuono e dalla frequenza dell’ultrasuono. Più grande è α, minore la profondità a cui arriva l’ultrasuono 1) Il coefficiente di assorbimento dell’osso è molto alto 2) Il sangue si comporta come l’acqua (attenuazione molto ridotta)3) Il muscolo ha un coefficiente di assorbimento non trascurabile Il coefficiente di assorbimento α aumenta al crescere della frequenza dell’ultrasuono α = k·νβ con β=2 Per esplorare strutture profonde si devono usare generatori di ultrasuoni che vibrano a frequenze più basse per aumentarela capacità esplorante Superficie riflettente: superficie che separa mezzi, 1 e 2, caratterizzatida diverse impedenze acustiche, z1 e z2 (e.g. osso e muscolo) 1) riflessione: l’ultrasuono ritorna verso il generatore di ultrasuoni 2) rifrazione: l’ultrasuono prosegue verso strati più profondi 1) L’ultrasuono riflesso torna verso il generatore di ultrasuoni che può rilevarlo. Sulla base della differenza fra le ampiezze dell’ultrasuono inviato e rilevato si ottengono informazioni sulla superficie riflettente 2) Il tempo intercorso fra la generazione dell’ultrasuono e la sua rilevazione dell’ultrasuono riflesso (latenza) fornisce informazioni sulla profondità della superficie riflettente 3) L’ultrasuono rifratto consente l’esplorazione di strutture a varie profondità l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione l’angolo di incidenza e angolo di rifrazione sono legati alla velocità di trasmissione degli ultrasoni nei due mezzi 1) a bassa intensità gli ultrasuoni attraversano i tessuti senza alterarli 2) ad alta intensità gli ultrasuoni surriscaldano i tessuti Gli ultrasuoni in ecografia hanno una potenza inferiore a 5·10-2 W·cm-2 Minimo rischio indipendentemente dalla durata di applicazione Effetto piezoelettrico diretto Sottoposto ad una forza (vibrazione) fa emergere cariche sulla sua superficie. Quindi, converte una forza in una tensione funzionando da sensore di forza. Effetto piezoelettrico diretto viene usato per rilevare gli ultrasuoni Effetto piezoelettrico inverso Sottoposto ad una tensione variabile nel tempo vibra. Quindi, converte una tensione in una forza funzionando da generatore di forza. Effetto piezoelettrico inverso viene usato per generare gli ultrasuoni Campo ultrasonico: regione di spazio da cui possono essere ricevuti ultrasuoni riflessi provenienti da superfici riflettenti Vantaggio dell’utilizzo della zona prossimale Larghezza campo costante con la profondità (campo cilindrico) Svantaggio dell’utilizzo della zona prossimale L’intensità del campo ultrasonico varia in modo marcato e imprevedibile Vantaggio dell’utilizzo della zona distale Intensità del campo varia in modo prevedibile ma è monotonamente decrescente con la profondità. Di qui la necessità di amplificare l’ultrasuono riflesso mediante dispositivi a guadagno variabile con la latenza Svantaggio dell’utilizzo della zona distale Divergenza del campo, quindi l’ultrasuono può provenire da strutture che non si trovano lungo la direzione longitudinale. Modalità di costruzione delle immagini basate sugli ultrasuoni Modo A (amplitude): monitorizza su un oscilloscopio l’organo bersaglio fermo usando un generatore di ultrasuoni in posizione fissa (Si posiziona il generatore di ultrasuoni prima su un lato della testa e poi sull’altro Se gli echi provenienti dalla scissura longitudinale non sono sincroni significa che una massa (tumore o ematoma) ha determinato lo spostamento della scissura longitudinale dalla posizione centrale) Modo M (motion): monitorizza su un oscilloscopio l’organo bersaglio in movimento usando un generatore di ultrasuoni in posizione fissa (vene La linea centrale variabile rappresenta il moto della valvola mitrale Le linee piatte rappresentano superficie riflettenti statiche) Modo B (brightness) statico: monitorizza su un oscilloscopio l’organo bersaglio fermo usando un generatore di ultrasuoni in movimento (Movimento meccanico del generatore di ultrasuoni.Il generatore di ultrasuoni viene montatosu un supporto ruotante che permette la scansione di porzioni diverse dell’organo bersaglio. Movimento manuale del generatore di ultrasuoni L’operatore muove il generatore di ultrasuoni modificandone l’inclinazione laterale e assiale) Modo B (brightness) dinamico: monitorizza su un oscilloscopio l’organo bersaglio in movimento usando un generatore di ultrasuoni in movimento (una serie di generatori di ultrasuoni attivati contemporaneamente o in sequenza) monitorizza su un oscilloscopio un organo bersaglio in movimento utilizzando un generatore di in movimento che viene sostituito da una sonda formata da una serie di generatori di ultrasuoni, che attivati contemporaneamente permettono di costruire l’immagine senza bisogno di muovere la sonda il modo B dinamico permette la costruzione dell’immagine in tempi molto inferiori rispetto al modo B statico Se l’immagine viene costruita in modo sufficientemente veloce (almeno 30 immagini per secondo) allora è possibile monitorare nel tempo organi in movimento L’attivazione sequenziale dei generatori di ultrasuoni consente dicostruire fronti di propagazione degli ultrasuoni in direzione diversa da quella longitudinale (tipica applicazione: ecografia fetale) Usando particolari sequenze di attivazione dei generatori di ultrasuoni è possibile ottenere la focalizzazione del fascio ultrasonico La focalizzazione del fascio di ultrasuoni può avvenire anchein direzione diversa da quella longitudinale Il problema dell’attenuazione degli ultrasuoni Problema: l’ultrasuono riflesso da una superficie riflettente distale è più attenuato di quello riflesso da una superficie riflettente prossimale Il generatore di guadagno variabile Siccome gli ultrasuoni si attenuano progressivamente con la profondità, l’ampiezza dell’ultrasuono riflesso viene amplificata proporzionalmente con la latenza mediante un generatore di guadagno variabile (time-gain compensation) Due superficie riflettenti, S1 e S2, possono rilevate come distinte solo se si trovano ad una distanza superiore alla lunghezza d’onda λ Risoluzione assiale: distanza minima alla quale due superficiriflettenti, S1 e S2, ortogonali alla direzione di propagazione dell’ultrasuono possono essere rilevate come distinte Risoluzione laterale: distanza minima alla quale due bersagli giacenti in direzione trasversale sulla stessa superficie riflettente possono essere rilevati come distinti Gli ultrasuoni riflessi appaiono distinti solo se vengono rilevati da piezoelettrici diversi Risoluzione laterale = diametro del piezoelettrico D Buona risoluzione assiale, però D non può essere ridotto troppo altrimenti la divergenza del campo distale peggiora Risoluzione temporale: minimo intervallo di tempo necessario per la costruzione dell’immagine ecografica Risoluzione temporale ottima: in assenza di ulteriori tempi necessari perelaborazione del segnale si potrebbe costruire un’immagine ogni 0.4 ms Per esempio, l’ampiezza dell’ultrasuono riflesso dalla superficie che separa il muscolo dal sangue è piccola e comparabile con ilrumore di rilevazione dell’ultrasuono.Problema delle tecniche basate sugli ultrasuoni: difficile separazione fra tessuti molli che svolgono differenti funzioni Le bioimmagini basate sugli ultrasuoni hanno numerosi vantaggi rispetto ad altre immagine biomediche - sono innocue - hanno un’ottima risoluzione assiale - hanno una buona risoluzione laterale- hanno un’ottima risoluzione temporale - permettono una buona separazione fra strutture molli e rigide Lo svantaggio principale è dovuto alla - cattiva risoluzione in ampiezza (contrasto) in presenza di strutture con caratteristiche acustiche simili (per esempio, tessuti molli con differenti funzioni) Raggi X: radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'ondacompresa tra 10 nanometri (nm) e 1 picometro (pm=1×10−12 metri) I fotoni X sono prodotti da variazioni della cinetica degli elettroni sono generati in un tubo radiogeno (tubo a vuoto) la corrente (misurata in mA) nel catodo per eccitazione termica rilascia elettroni che vengono accelerati verso l’anodo (tipicamente di tungsteno)da una differenza di potenziale (ddp) tra a anodo (+) e catodo (- ) gli elettroni colpiscono l’anodo e rilasciano la loro energia producendo calore e raggi X (circa l’1% dell’energia cedutaviene trasformata in RX) per frenamento, secondo cui l'elettrone riduce la sua velocità in maniera repentina, dando origine ad una emissione X di energia correlata alla sua variazione di energia cinetica per transizione atomica, cioè spostamento di un elettrone orbitale il cui posto viene occupato da un elettrone più esterno che emette in questo caso una radiazione a frequenza caratteristica correlata con il salto di energia fra i due orbitali Raggi X: rilevamento il filtro in Alluminio blocca i raggi a bassa energia• il collimatore blocca i raggi che non sono in direzione del corpo • la griglia blocca i raggi secondari • solo i raggi primari colpiscono lo schermo generando l’immagine RX: immagini ottenute sfruttando l'attenuazione del fascio di radiazioni X da parte dei tessuti interposti tra l'apparecchiatura che le ha prodotte e il sistema di rilevazione RX: fornisce informazioni di tipo morfologico del distretto anatomico esaminato Vantaggi:• utilizzati nella diagnostica medica • forniscono informazioni morfologiche e anatomiche Limiti: • possono causare danni ai tessuti biologici • strutture 3D vengono "schiacciate" • basso contrasto con i tessuti molli TAC: dispositivo • gantry: contiene la sorgente delle radiazioni (tubo radiogeno) ed il sistema di rilevazione (rivelatori) • rivelatori: trasformano le radiazioni X in energia elettrica • consolle: si impostano i parametri • computer: analizza i dati e ricostruisce le immagini da inviare al sistema di visualizzazione • sottile sezione trasversale del corpo ottenuta mediante la rotazione attorno ad esso di un fascio di raggi x • le radiazioni trasmesse vengono misurate da rilevatori ad ogni grado di rotazione in modo da ottenere una serie di profili di attenuazione di raggi x del soggetto • i dati delle varie “viste” vengono inviati ad un calcolatore • i vari organi sono rappresentati in scala di grigio, corrispondente alla loro densità relativa (ρ*) • ciascun pixel rappresenta le caratteristiche di assorbimento di un piccolo volume (voxel) del corpo • questo valore é misurato secondo una scala relativa all'attenuazione (o assorbimento) dell'acqua in unità denominata Hounsfield HU (Hounsfield Units) • tessuti molli: ~ 0 HU • osso compatto: ~ 1000 HU • aria: ~ -1000 HU CT spirale • Il sistema tubo‐rilevatori ruota continuamente intorno al paziente • Le immagini vengono acquisite durante l’avanzamento del lettino • Viene acquisito un VOLUME• Si riducono gli artefatti da movimento • Riduzione del tempo di esame Vantaggi: • dispositivo più utilizzato nella diagnostica per immagini • informazioni morfologiche e anatomiche 3D • risoluzione dell’immagine elevata • presente in tutti gli ospedali Limiti: • possono causare danni ai tessuti biologici • elevata complessità computazionale (ricostruzione da proiezioni) PET: terminologia • Medicina nucleare: metodica di diagnostica per immagini radiologica,che consente lo studio della fissazione di un radionuclide, legato a una molecola, che "mima" l'attività metabolica di un tessuto organico fissandosi in quest'ultimo per studiarne la fisiologia • Gamma camera: apparecchiatura utilizzata per l'acquisizione delle immagini scintigrafiche che rappresentano visivamente la distribuzione della radioattività emessa dai radiofarmaci iniettati nel paziente • PET: tecnica di medicina nucleare e diagnostica medica utilizzato per la produzione di bioimmagini. Con questo esame si ottengono mappe dei processi funzionali all'interno del corpo PET: immagini ottenute per mezzo del rilievo di radiazioni emesse daradiofarmaci distribuiti nell'organismo PET: fornisce informazioni di tipo fisiologico • iniezione nel soggetto da esaminare di un radiofarmaco (isotopo) legato chimicamente a una molecola attiva a livello metabolico • dopo un tempo di attesa il soggetto viene posizionato nello scanner • l'isotopo di breve vita media decade, emettendo un positrone • il positrone si annichila con un elettrone • produzione di una coppia di fotoni gamma entrambi di energia 511 KeV emessi in direzioni opposte tra loro • il rilievo di una coppia di fotoni definisce il volume all’interno del quale i fotoni sono stati emessi • i fotoni che non raggiungono il rilevatore simultaneamente non sono presi in considerazione PET vs SPECT si distinguono essenzialmente per il tipo di radionuclide utilizzato SPECT: produzione di un fotone gamma SPECT: emissione di un fotone singolo PET: produzione di un positrone PET: emissione di una coppia di fotoni differenti sistemi di rivelazione il tracciante gamma-emittente utilizzato nel neuro-imaging funzionale è il Tc-99m esametazima • assorbito dal tessuto cerebrale in maniera proporzionale al flusso di sangue che è rilevato dalla gamma camera • il flusso sanguigno correlato al metabolismo locale • tentativo di diagnosticare e differenziare le diverse cause patologiche della demenza la SPECT con questo tracciante ha una sensibilità (VM/TM ) pari a circa l’80% nella diagnosi del morbo di Alzheimer L'energia cinetica (Ec) è associata alla massa (m) e alla velocità (v) di una particella in movimento. L'energia cinetica può essere espressa matematicamente dal semiprodotto della sua massa per il quadrato del modulo della sua velocità • λ [m] è la lunghezza d’onda, la distanza tra due punti in cui E (o B) ha la stessa ampiezza • T [s] è il periodo, il tempo che intercorre tra due istanti nei quali E (o B) ha la stessa ampiezza • 1/T = ν è la frequenza [Hz] • λ ν = c , velocità di propagazione (nel vuoto è pari a 3. 108 m/s) • E onda=h ν (dove h=costante di Plank) radiazione: fenomeno caratterizzato dal trasporto di energia nello spazio (es: luce, calore,..) decadimento radioattivo: insieme di processi tramite i quali alcuni nuclei atomici instabili emettono particelle subatomiche o energia per raggiungere uno stato di maggiore stabilità. Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energia alla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato. Se l’energia ceduta è sufficiente si verificano nel materiale effetti distruttivi (frammentazioni, rotture di legami, ionizzazione,...). L'atomo è composto principalmente da tre tipologie di particelle subatomiche (cioè di dimensioni minori dell'atomo): i protoni, i neutroni egli elettroni. I protoni (carica +) e i neutroni (privi di carica) formano il "nucleo" (carico positivamente). Gli elettroni (carica -) sono presenti nello stesso numero dei protoni e ruotano attorno al nucleo. Quando un atomo (o una molecola o un gruppo di atomi legati tra loro) cede o acquista uno o più elettroni si trasforma in uno ione. Un atomo ionizzato tende a reagire con la materia circostante per raggiungere l’equilibrio di carica. onde elettromagnetiche (m=0, E onda=h ν) raggi X e gamma γ Sono dotate di minore potere ionizzante, percorrono in aria molte decine di metri. Sono altamente penetranti, per arrestarle occorrono notevoli spessori di cemento o piombo. • particelle corpuscolari di maggior potere ionizzante, percorrono in aria poche decine di centimetri. Per arrestarle basta un semplice foglio (di carta per le α, di alluminio per le β). Sono molto pericolose se agenti sull’organismo dall’interno (conseguentemente ad inalazione o ingestione). Naturali: • radon, uranio, 40K, 14C (presenti in rocce e terreni) In particolare il radon è un gas derivante dal decadimento del radio e può risultare cancerogeno se inalato, in quanto emettitore di particelle α. • raggi cosmici Artificiali: • applicazioni tecnologico-industriali (produzione di energia, scopi di ricerca, scopi militari) • applicazioni mediche (diagnostiche e terapeutiche) • Dose assorbita: energia assorbita per unità di massa. Si misura in gray: Gy = J/kg • Dose equivalente: viene introdotto un parametro di ponderazione adimensionale wt che tiene conto del tipo di radiazione e del tipo di corpo assorbente. Si misura in sievert: Sv = wt .Gy (Sv = J/kg) Un Sv a differenza di un Gy, produce gli stessi effetti biologici indipendentemente dal tipo di radiazione considerata. Intensità di dose equivalente: è definita come la dose equivalente ricevuta nell'unità di tempo. Si misura in sievert al secondo (Sv/s) oppure Sv/anno. Infatti, per quanto il danno biologico sia direttamente legato alla dose equivalente, un organismo ha una certa facoltà di riparare nel tempo il danno biologico causato dalla radiazione. Il valore limite di esposizione consentita in Europa per motivi professionali è 20 mSv/a Meccanica: parte della fisica che studia il movimento e l'equilibrio dei corpi e le forze che li determinano. Biomeccanica: disciplina che studia l’applicazione delle leggi della meccanica ai sistemi biologici. CINEMATICA Descrive il moto di un corpo indipendentemente dalle cause che lo determinano DINAMICA Descrive il movimento in relazione alle cause che lo determinano (FORZE) 3 leggi dette leggi di Newton I legge: se su un corpo materiale non agisce alcuna forza o se la somma delle forze è nulla, il corpo permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme (principio di inerzia) II legge: F = m.a Il cambiamento di moto è proporzionale alla forza risultante motrice impressa, ed avviene lungo la linea retta secondo la quale la forza è stata impressa III legge: Se un corpo A esercita una forza FAB su un corpo B, il corpo B esercita su A una forza FBA uguale e contraria alla precedente (principio di azione e reazione) : FAB= - FBA Modellizzazione meccanica del corpo: Segmenti ossei CORPI RIGIDI Articolazioni VINCOLI IDEALI con n gradi di libertà Muscoli e legamenti ATTUATORI (molle) CATENA CINEMATICA esiste un movimento relativo tra i segmenti limitato da vincoli cinematici tra i segmenti definito da attuatori muscolari (forze interne), proprietà inerziali (forze inerziali), interazione con l’ambiente esterno (forze esterne) Biomateriale: un materiale per il quale si prevede un'interfaccia con sistemi biologici al fine di valutare, trattare, migliorare o sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo Sostituzione di parti malate o mancanti – protesi, organi artificiali Assistenza per la guarigione – placche e viti ossee Ripristino di capacità funzionali – lenti a contatto, pacemaker cardiaco Correzione di anormalità funzionali – distrattori per colonna vertebrale, ortesi plantari estetiche – protesi mammarie Ausilio per diagnosi – cateteri, sensori terapia – cateteri, drenaggi biomateriali devono avere la proprietà fondamentale di compatibilità, cioè un insieme di proprietà legate all’interazione tra dispositivo medico e organismo ospite. Anatomica Legata agli ingombri che il dispositivo può occupare all’interno del sistema biologico Funzionale Legata alla capacità di svolgere la funzione della parte del sistema biologico che ha sostituito Chirurgica Legata alla facilità di impianto Biologica Legata all’interazione del dispositivo con l’ambiente ospite il biomateriale provoca una risposta biologica dell'organismo l’organismo biologico causa un processo di modificazione nel biomateriale la materia può assumere diverse forme strutturali, che dipendono dalla disposizione degli atomi o delle molecole nello spazio Struttura cristallina : disposizione ordinata e ripetitiva tridimensionale Struttura amorfa: disposizione spaziale disordinata la struttura cristallina e la struttura amorfa possono coesistere,come nella maggior parte dei materiali polimerici, e in tal caso si parla di struttura semicristallina. Il comportamento di un materiale è caratterizzato dalla sua reazione ad una sollecitazione. Le proprietà possono essere distinte in categorie a seconda del tipo di sollecitazioni esterne applicate: CHIMICHE FISICHE MECCANICHE ELETTRICHE / MAGNETICHE TERMICHE OTTICHE PROPRIETÀ MECCANICHE Comportamento dei materiali sottoposti all’azione di forze esterne La risposta del materiale dipende dal tipo di LEGAMI CHIMICI tra le molecole, dalla MORFOLOGIA (struttura molecolare) e dai DIFETTI Sensibili ai processi di trasformazione e lavorazione Sono quantificabili mediante unità di misura e misurabili direttamente o tramite prove da sforzo SFORZO (Stress) Intensità della forza di reazione in ogni punto del corpo sottoposto a un carico Rapporto fra forza applicata e area iniziale della sezione trasversale del provino di materiale in esame DEFORMAZIONE (Strain) Rapporto fra variazione di lunghezza dell’elemento e la sua lunghezza iniziale La relazione che intercorre fra sforzo e deformazione esprime una proprietà intrinseca del materiale, definita RELAZIONE COSTITUTIVA rappresenta un modello teorico che traduce in termini matematici le caratteristiche fenomenologiche del comportamento di un materiale, e permette di evidenziarne i valori limite di resistenza al variare delle condizioni di carico COMPORTAMENTO ELASTICO Un materiale sottoposto ad una sollecitazione modesta si deforma in modo reversibile. Se la sollecitazione viene eliminata il materiale recupera la sua geometria iniziale. COMPORTAMENTO PLASTICO Oltre il limite elastico, alla rimozione della sollecitazione il materiale mantiene parte della deformazione. COMPORTAMENTO VISCOELASTIco Quando la relazione che lega lo sforzo alla deformazione è dipendente dal tempo: la caratterizzazione meccanica dipende dalla velocità di deformazione. I materiali si rompono a causa di: ROTTURA STATICA una sollecitazione superiore alla sollecitazione di rottura ROTTURA A FATICA sollecitazioni inferiori allo sforzo di snervamento ma applicate ciclicamente per un numero elevato di volte La sollecitazione ciclica è detta A FATICA. Per sollecitazioni inferiori allo sforzo di rottura (σROTTURA) il materiale si rompe per un numero di cicli di sollecitazione crescenti con la diminuzione dello sforzo massimo. Può esistere un limite di sforzo massimo (σLIMITE FATICA) sotto il quale il materiale è in grado di sopportare un numero infinito di cicli. Rottura ad un livello di sforzo molto inferiore a quello necessario nel caso di sollecitazione costante Un materiale si rompe per sollecitazioni superiori al valore di carico limite Il fenomeno dipende dalle caratteristiche del materiale e dal tipo di sollecitazione a cui il materiale è sottoposto. Per una prova di trazione, in funzione delle caratteristiche del materiale, si ha: COMPORTAMENTO FRAGILE ceramici Il materiale si rompe in corrispondenza di una deformazione pari a quella del limite elastico. Tutta l’energia assorbita durante la deformazione viene rilasciata improvvisamente COMPORTAMENTO DUTTILE Il materiale si deforma plasticamente e si rompe in corrispondenza di deformazioni superiori. Il processo è graduale e l’energia assorbita durante la deformazione viene trasformata in calore. 1. MACRO Materiale considerato nel suo insieme, a livello macroscopico Isotropo (se le proprietà sono le medesime in tutte le direzioni) /Anisotropo Proprietà studiate con campioni rappresentativi dell’insieme del materiale 2. MICRO Studio della struttura tramite microscopio, ad un livello di definizione per cui è possibile individuare le singole fasi o parti che lo compongono e ne determinano il comportamento 3. LIVELLO ATOMICO O MOLECOLARE È possibile correlare le proprietà a fattori quali:La natura dei legami tra atomi e molecole e la mobilità degli elettroni Le dimensioni delle molecoleLa disposizione spaziale di atomi e molecole Polimeri (Materie plastiche) Composti da lunghe catene (macromolecole) formate per la maggior parte da atomi di C legati ad altri elementi come H, O, N, Cl, S. Cristallizzano con difficoltà ed hanno proprietà fisiche molto diverse tra loro Esempi: Poliuretani – Polietilene – Acrilati – Florurati – Poliesteri - Siliconi –Utilizzo: Per suture, cateteri, protesi cardiovascolari, cemento per ossa, dispositivi per trattamento del sangue VANTAGGI tenacia, bassa densità, facilità di lavorazione SVANTAGGI bassa resistenza meccanica degradazione nel tempo Un polimero è una macromolecola, cioè una molecola ad elevato peso molecolare, costituita da due o più gruppi molecolari semplici (detti monomeri) uguali o diversi, uniti "a catena" mediante la ripetizione dello stesso tipo di legame (legame covalente). NATURALI Proteine , Polinucleotidi , Polisaccaridi SINTETICI Materie Plastiche Gomme sintetiche Fibre tessili Polimeri sintetici biocompatibili Un polimero viene detto RETICOLATO se esistono almeno due cammini diversi per collegare due punti qualsiasi della sua molecola; in caso contrario viene detto LINEARE o RAMIFICATO, a seconda che sulla catena principale siano innestate o meno catene laterali. I polimeri a catena reticolata in generale posseggono proprietà meccaniche superiori rispetto a quelli con catena lineare o ramificata Polietilene Resina termoplastica, si presenta come un solido trasparente (forma amorfa) o bianco (forma cristallina) Ottime proprietà isolanti e stabilità chimica E’ una delle materie plastiche più economiche In base alla distribuzione dei pesi molecolari e al grado di ramificazione si ottengono tipi di PE con proprietà e usi differenti: Polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) Polietilene ad alta densità (HDPE) UHMWPE buona biocompatibilità e stabilità chimica, buona resistenza alla fatica meccanica, ottime proprietà antiattrito, ottima resistenza a carichi impulsivi, cattivo comportamento all’usura, modesta stabilità all’ossidazione Applicazioni in ortopedia, per realizzare una delle due componenti di giunti articolari: protesi d’anca (cotile), protesi di ginocchio (piatto tibiale) POLITETRAFLUOROETILENE (PTFE o Teflon) Materiale termoplastico, cristallino, inerte, che resiste alle alte temperature (fino a 200°C). il coefficiente di attrito risulta il più basso tra i prodotti industriali; antiaderenza: la superficie non è incollabile Applicazioni biomedicali: Gore-Tex : Composto da PTFE espanso, si usa per protesi vascolari e di legamenti POLIMETILMETACRILATO (PMMA) Eccellenti proprietà di trasparenza alla luce visibile. Ottima biocompatibilità Fabbricazione di contenitori ma anche per componenti attivi: pompe, filtri, ossigenatori, etc.. In chirurgia oculistica per la produzione di componenti ottici In chirurgia ortopedica, cemento per ossa impiegato per il bloccaggio di protesi articolari. POLIESTERI POLIETILENTEREFTALATO (PET, Dacron)resina amorfa (trasparente) o semi-cristallina (bianca ed opaca) buone proprietà elettriche, resistenza chimica, buone prestazioni alle alte temperature POLIAMMIDI (PA)macromolecole, aromatiche o alifatiche, caratterizzate dal gruppo ammidico CO-NH NYLON: poliammidi alifatiche e semiaromatiche ARAMIDI (Kevlar e Nomex): poliammidi aromatiche APPLICAZIONI Poliesteri e poliammidi utilizzati quando si desidera una stabile aderenza con i tessuti connettivi SUTURE: bioassorbibili – poliesteri lineari alifatici non bioassorbibili – PET, Nylon 66, Nylon 6 IN ORTOPEDIA tessuti o fibre di Dacron o Kevlar per la sostituzione di tendini e legamenti viti, placche e chiodi intramidollari biodegradabili – PGA e PLA protesi vascolari, anelli di sutura per protesi valvolari cardiache – Dacron MATERIALI METALLICI Costituiti principalmente da elementi metallici. A temperatura ambiente sono in genere allo stato di solidi cristallini Esempi: Acciai – Titanio e leghe – Leghe di Cobalto Utilizzo: Per mezzi di osteosintesi e protesi in ortopedia e odontoiatria VANTAGGI Elevate caratteristiche meccaniche, Elevata resistenza all’usura SVANTAGGI scarsa biocompatibilità, rigidità, alta densità, corrosione Sono materiali cristallini con proprietà meccaniche di tipo elasto-plastico: il metallo inizialmente si deforma linearmente e in modo reversibile. L'aumentare dello sforzo oltre un certo limite impone una deformazione irreversibile accompagnata dall’ INCRUDIMENTO (aumento progressivo del limite elastico del materiale e del valore della tensione di rottura). Le proprietà meccaniche non dipendono dalla velocità di deformazione né dalla temperatura (entro certi limiti) A fatica, il comportamento dipende solo dal numero di cicli e non dalla frequenza di applicazione dei carichi. La combinazione in leghe permette di ottenere materiali con specifiche proprietà non ottenibili dai metalli elementari. I materiali metallici si prestano bene alla sostituzione di tessuti duri quali ossa e denti; hanno proprietà meccaniche che rendono possibile la realizzazione di protesi in grado di sopportare carichi elevati con piccole sezioni. MATERIALI CERAMICI Composti inorganici formati dalla combinazione di elementi metallici (Mg, Al, Fe, ... ) ed elementi non metallici, tra cui l'ossigeno. In genere costituiti da solidi cristallini, ma comprendono anche i vetri minerali inorganici (non cristallini) Esempi: Ossidi di alluminio – Alluminati di Calcio – Ossidi di Titanio Sono considerati ceramici anche diamante, grafite e carbonio pirolitico. Utilizzo: Per endoprotesi (anca, spalla), protesi dentali, dispositivi percutanei. VANTAGGI buona compatibilità, elevata resistenza alla compressione, resistenza alla corrosione SVANTAGGI bassa affidabilità meccanica, bassa resistenza alla trazione, fragilità materiali di rivestimento per conferire particolari proprietà superficiali. CERAMICI BIOINERTI il materiale impiantato non induce né subisce alterazioni chimiche o biologiche dovute al contatto con l’ambiente biologico Esempio: Allumina (Ossido di Alluminio) CERAMICI BIOATTIVI il materiale è in grado di indurre nei tessuti biologici una risposta attivando processi chimici e biologici all’interfaccia (ad esempio favoriscono l’osteointegrazione)Esempio: Bioceramiche (Fosfato di calcio, Idrossiapatite), Biovetri Dispositivo medico – ciascuno strumento, componente e accessorio per il quale è previsto l’uso in medicina Organi artificiali – dispositivo medico che sostituisce in parte o completamente le funzioni di uno degli organi del corpo umano Protesi – dispositivo medico che sostituisce un arto, un organo o un tessuto del corpo umano Endoprotesi – dispositivo medico impiantabile permanentemente all’interno della superficie corporea per sostituire articolazioni o porzioni di esse al fine di restituire la funzionalità articolare progettazione di una endoprotesi da considerare struttura anatomica tipi ed entità di movimenti possibili sollecitazioni meccaniche e carichi trasmessi SOLLECITAZIONI MECCANICHE ARTICOLARI sono CARICHI CICLICI e pertanto : nelle strutture ossee inducono risposte di rimodellamento osseo, nelle protesi producono fenomeni di fatica. L’anca è l’articolazione che sopporta i carichi maggiori e facilmente va incontro a cedimento meccanici. La protesizzazione dell’anca è chirurgicamente facile. La cinematica dell’anca è facilmente riproducibile con un giunto sferico artificiale. PROTESI CEMENTATE La fissazione grazie a cemento per ossa interposto tra la protesi e l’osso. Il cemento per ossa è una resina a base di polimetilmetacrilato (PMMA).Il cemento per ossa ha lo scopo di migliorare la distribuzione degli sforzi trasmessi dalla protesi all’osso. L’utilizzo del cemento per ossa massimizza la superficie di contatto favorendo la stabilità primaria. Nel tempo, possono verificarsi: fenomeni di degradazione del PMMA riduzione delle proprietà meccaniche riduzione dell’integrità dell’osso per traumi termici durante la polimerizzazione del PMMA. La presenza di due interfacce (metallo-cemento cemento-osso) che possono cedere raddoppia il rischio di mobilizzazione della protesi.La rimozione in caso di sostituzione è difficile e danneggia gravemente l’osso. PROTESI NON CEMENTATE La fissazione è garantita dall'incastro meccanico (press fit) e dal contatto diretto tra la protesi e l'osso. Successivamente, la superficie porosa che ricopre la protesi viene integrata dalla ricrescita ossea, consolidando così la stabilità dell'impianto. OSTEOINTEGRAZIONE: contatto diretto e meccanicamente stabile tra protesi e osso FORMA E DIMENSIONE DELLA PROTESI lo stelo femorale inserito nel canale ricavato chirurgicamente non deve causare sforzi localizzati e non deve causare stress shielding (provoca riassorbimento osseo prossimale e perdita di stabilità meccanica) MATERIALI DI COMPOSIZIONE Stelo in metallo più rigido dell’osso: provoca stress shielding. Protesi isoelastiche (stessa deformabilità dell’osso) non sopportano bene i carichi di sollecitazione FINITURA SUPERFICIALE microporosità favorisce l’adesione, rivestimento con idrossiapatite favorisce l’osteointegrazione
