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 Elettromiografia 0.1 - 5 mV 50 – 3000 V 0 - 10000 0.1 - 300 Elettrodi ad ago 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 - 0.1 Termistori, termometri, termocoppie

Elettrocardiogramma  M a2 a1 + ua1 L’attività elettrica del cuore è rappresentata da un vettore dipolo elettrico.

Traccia ECG Fenomeno Elettrico depolarizzazione ripolarizzazione Fenomeno Meccanico sistole (contrazione) diastole (rilassamento) Onda P: depolarizzazione atriale Complesso QRS: depolarizzazione ventricolare, che maschera la ripolarizzazione atriale Onda T: ripolarizzazione ventricolare

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 MW 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

Elettrocardiografo Right leg electrode Control program Microcomputer ECG analysis Operator display Keyboard Driven right leg circuit Amplifier protection Lead selector Sensing electrodes Lead-fail detect Preamplifier Auto calibration Baseline restoration Isolated power supply Isolation Driver amplifier 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: Caratteristiche dell’intero stadio utilizzante op-amp mA776: basso rumore accoppiato direttamente agli elettrodi bassa corrente di polarizzazione alta impedenza di ingresso 40 mV picco-picco di rumore CMRR 80 dB a 100Hz banda: 0.04-110 Hz guadagno 25X32

Recupero dell’isoelettrica commutazione delle derivazioni saturazione degli op-amp circuiti per il recupero dell’isoelettrica

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

Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme durante il monitoring

Interferenze alimentazione accoppiamento induzione capacitivo (a) interferenza a 50 Hz (b) interferenza elettromiografica sull’ECG. accoppiamento capacitivo induzione magnetica Problemi

Accoppiamento capacitivo E’ presente anche in assenza di corrente alimentazione e cavi, alimentazione ed elettrocardiografo C3 non causa interferenza Elettrocardiografo A Alimentazione B G C3 C1 Z1 Z2 ZG C2 Id1 Id2 Id1+ Id2 Se id1~ 9 nA e Z1-Z2 ~ 20 kW ! Schermo con cavo coassiale o triassiale Problemi

Accoppiamento capacitivo alimentazione e paziente Alimentazione Cb idb Elettrocardiografo Z1 ucm A ucm Zin se Z1, Z2 << Zin Z2 B Zin ucm G ZG idb Zin include una parte capacitiva Problemi

Circuito di pilotaggio della gamba destra id Ra RRL Rf Ro Auxiliary op amp + - RL u4 ucm u3 Riduce i problemi di modo comune + - RRL id Ro Rf uo/Rf 2ucm/Ra Ra/2 uo ucm Problemi

Induzione magnetica In presenza di corrente Tensione indotta proporzionale all’intensità del campo magnetico e all’area della spira 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 Problemi

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 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 ! Problemi

Amplificatori di segnali intracellulari Caratteristiche dei segnali: potenziali dell’ordine di 50÷100 mV impedenze degli elettrodi elevate (1÷100 MW) capacità degli elettrodi elevate segnali dalla dc a ~10 kHz Amplificatore con capacità d’ingresso negativa: controreazione positiva Rs uo v i Avui Av Cf ii + - Cs Es

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 muscolare Quantificano l’attività muscolare (EMG) misurata da un particolare sistema di elettrodi P1 Multivibratore monostabile Contatore Switch Comparatore Circuito per il valore assoluto R C v EMG t u3 - u1 u2 + Integratore