Amplificatori di biopotenziali

1. Amplificatori di biopotenziali

2. Amplificatori per segnali bioelettrici Sono essenzialmente gli stessi ma devono soddisfare a delle specifiche leggermente differenti

3. Parametri fisiologici

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

5. 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

6. 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

7. Right leg electrode Driven Sensing Lead-fail right leg ADC Memory electrodes detect circuit Amplifier Lead Isolation Driver Recorder- Preamplifier protection selector circuit amplifier printer circuit Isolated Auto power calibration supply Baseline restoration Microcomputer Operator display Control program Keyboard ECG analysis program Elettrocardiografo

8. 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

9. 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

10. Ingresso elettrocardiografo

11. 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-piccodi rumore • CMRR 80 dB a 100Hz • banda: 0.04-110 Hz • guadagno 25X32

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

13. 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

14. Protezione dei circuiti • impulso di carica elettrostatica che si scarica attraverso il paziente circuiti di protezione

15. Circuiti di protezione Problemi

16. Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme • prima del monitoring

17. Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme • durante il monitoring

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

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

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

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

22. 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

23. 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

24. Cf ii Rs Cf + + v v i i + + + Avui Av + Es Cs uo - - 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

25. 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

26. Cardiotachimetri istantanei i=v/R=k/TR

27. 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 C v R t EMG u3 - u1 u2 + Integratore