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Amplificatori di biopotenziali
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 Elettrodi di superficie Elettromiografia 0.1 - 5 mV 50 – 3000 V 0 - 10000 0.1 - 300 Elettrodi ad ago Elettrodi di superficie 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 a2 M a1 ua1 + L’attività elettrica del cuore è rappresentata da un vettore dipolo elettrico. Traccia ECG Fenomeno Elettrico 1. depolarizzazione 2. ripolarizzazione Fenomeno Meccanico 1. sistole (contrazione) 2. 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 Sensing electrodes Lead-fail detect Amplifier protection circuit Lead selector Driven right leg circuit ADC Isolation circuit Preamplifier Driver amplifier Isolated power supply Auto calibration Baseline restoration Microcomputer Operator display Control program Keyboard ECG analysis program Memory Recorderprinter 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: basso rumore accoppiato direttamente agli elettrodi bassa corrente di polarizzazione alta impedenza di ingresso Caratteristiche dell’intero stadio utilizzante op-amp A776: 40 V 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 2 n1 R Re n2 ' e 1 T 2 R'e C ln 1 R2 R1 R2 Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme durante il monitoring Interferenze alimentazione (a) interferenza a 50 Hz accoppiamento capacitivo (b) interferenza elettromiografica sull’ECG. induzione magnetica Problemi Accoppiamento capacitivo E’ presente anche in assenza di corrente alimentazione e cavi, alimentazione ed elettrocardiografo C3 non causa interferenza v A vB id 1Z1 id 2 Z 2 Alimentazione C2 Z1 Z2 Id1 C1 C3 id 1 id 2 v A vB id 1 (Z1 Z 2 ) A Se id1~ 9 nA e Z1-Z2 ~ 20 kW Id2 B Elettrocardiografo vA vB (6nA)(20kW) 120V ! G ZG Id1+ Id2 Schermo con cavo coassiale o triassiale Problemi Accoppiamento capacitivo alimentazione e paziente Alimentazione vcm idb Z G Cb idb vcm (0.2A)(50kW) 10mV Elettrocardiografo Z1 ucm A ucm v A vB vcm ( Z in Z in ) Z in Z1 Z in Z 2 Zin B Z2 se Z1, Z2 << Zin Zin ucm G ZG idb v A vB vcm ( Z 2 Z1 ) Z in vA vB (10mV )(20kW / 5MW) 40V Zin include una parte capacitiva Problemi Circuito di pilotaggio della gamba destra id Riduce i problemi di modo comune u3 + 2vcm v0 0 Ra Rf Ra Ra u4 + Rf v0 ucm Auxiliary op amp RL RRL Ro 2R f Ra vcm + vcm RRLid v0 Rf Ra/2 id ucm uo/Rf 2ucm/Ra ucm + + Ro uo vcm RRLid Rf 1 2 Ra RRL id 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 Cf ii Rs + + vi + Es Cs 1 vi ii dt AV vi Cf Cf + Av vi + uo Avui + 1 vi (1 AV )C f i dt i C Cs (1 AV )C f Cs ( AV 1)C f 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 Contatore P1 Multivibratore monostabile Switch Comparatore EMG u1 Circuito per il valore assoluto R u2 + C Integratore u3 vt