Esercitazioni ingegneria clinica

Da ricordare

Worst case

Worst case 1 kΩ R p (cateterizzato) 0.3 kΩ – 0.5 kΩ R p 5 kΩ, R 20 kΩ, 200 kΩ cat 10 kΩ R = el 0.2 kΩ R letto (terra di protezione) 1R ΩT (no terra di protezione) 0 Ω (amplificatore) 2 MΩ – 20 MΩ Z i 50 kΩ CisoZ 100 kΩ i 100 pF Cp 32 MΩ |Z |Cp (guasto) 10R ΩG (no guasto) 0R ΩG 1 mV VECG.

Il controllo dell’isolamento interviene quando con Z ≤ 50 kΩ Z ≥ 100 kΩ. iso i iso Impedenza equivalente di tutto quello che può contribuire a limitare l’isolamento > 50 kΩ Z 2T.

Correnti

Condizione Primo guasto Normale Corrente Interruzione di un conduttore di protezione o di un conduttore di alimentazione.

Sull’involucro / di contatto 100 µA = 0.1 mA 500 µA = 0.5 mA.

Di dispersione verso terra 5000 µA = 5 mA 10000 µA = 10 mA.

Di dispersione nel paziente CF 10 µA = 0.01 CF 50 µA = 0.05 (micro mA shock) (micro mA shock).

B, BF 100 µA = 0.1 B, BF 500 µA = 0.5 (macro mA shock) (macro mA shock).

Perché interviene il salvavita (pensato per protezione da rischio macroshock) i ≥ 30 mAG.

Condizione di macro shock (EM B, BF)

Soglia Valore corrente.

• Nessun effetto i < 0.5 mA.
• Di sensazione i = 1 mA.
• Di danno i = 10 mA.
• Soglia di rilascio della presa i = 20 mA.
• No danni permanenti i < 30 mA.
• Di dolore i = 50 mA.
• Di fibrillazione i = 100 mA.
• No danni permanenti (per durate molto brevi) i < 500 mA.
• Arresto cardiaco i > 6 A.

Condizione di micro shock (EM CF)

Soglia Valore.

• Di fibrillazione i = 100 µA = 0.1 mA.

Classi EM (modalità di protezione)

Classe Caratteristiche.

IIIII Doppio isolamento.

• Hanno una spina bipolare.
• I Alimentazione F-N con N a terra.
• Terra di protezione con.
• R minima.

Tipi di EM (livello di protezione)

Tipo Ubicazione.

B Locali di gruppo 1.

BF.

CF Locali di Gruppo 2.

Locali

Gruppo Caratteristiche.

0 Nessun EM.

• Interruttore differenziale o magnetico.
• Rischio macro shock.

1.

• EM di tipo BF, CF che non comporti rischio di micro shock.
• Interruttore differenziale o magnetico.
• Ambiente equipotenziale.
• Alimentazione di sicurezza.
• Rischio macro e micro shock.

2.

• EM di tipo CF.
• Interruttore differenziale o magnetico.
• Ambiente equipotenziale.
• Alimentazione di sicurezza.
• Trasformatore di isolamento (esclude interruttore differenziale dato che la sua funzione è svolta dal controllo dell’isolamento).

Violazioni delle norme

EM di tipo CF e BF

Caratteristiche:

• P.A. isolate da terra.
• Paziente isolato da terra.

Paziente cateterizzato

Caratteristiche:

• Rischio di micro shock.
• Locale gruppo 2.
• EM di tipo CF.
• IT-M.
• EM a terra (?) (vedi es orrore in corsia).

Possibili violazioni:

• P.A. non isolate da terra.
• Paziente non isolato da terra.
• Catetere non isolato da terra.
• Elettrodo non isolato da terra.
• Paziente fa parte di una spira chiusa.
• Alimentazione F-N.

Sicurezza degli EM

Esercizio 1 – Interferenza elettromagnetica

Il campo magnetico produce all’interno della spira una forza elettromotrice FEM, la quale può far circolare una corrente indotta attraverso il paziente.

Condizione in cui non c’è il rischio di micro shock, si è in un locale di gruppo 1.

Il circuito equivalente è il seguente:

Sapendo che per:

• I < 50 μA si hanno effetti nulli o trascurabili.
• Che la norma stabilisce che:
• I < 10 μA in condizione di funzionamento normale disp.
• I < 50 μA in condizione di primo guasto disp 1.

Si impone = 10 A garanzia che non si producono danni.

L’impedenza del circuito dipende da: = 1 kΩ resistenza del soggetto nel caso peggiore = = 10 kΩ impedenze di elettrodo nel caso peggiore = 2 MΩ impedenza di ingresso dell’amplificatore nel caso peggiore. = R + Z + Z + Z = 1 kΩ + 10 kΩ + 10 kΩ + 2 MΩ ≅ s 1 2 i.

La FEM massima che produce la corrente i è ind < i ∗ R < 10 μA ∗ 2 MΩ = ind eq che non può essere indotta da questo tipo di interferenza, poiché le interferenze di rete possono dare al più valori di FEM indotta di qualche V.

2

Esercizio 2 – Accoppiamento capacitivo

Condizione in cui non c’è il rischio di micro shock, si è in un locale di gruppo 1 e si ha una alimentazione fase-neutro.

In queste condizioni i, per andare da F a T, può seguire le 2 vie in parallelo le quali incontrano una impedenza ciascuna: = 1 kΩ resistenza del soggetto nel caso peggiore = = 10 kΩ impedenze di elettrodo nel caso peggiore = R + Z + Z = 1 kΩ + 10 kΩ + 10 kΩ = s 1 2 = 2 MΩ.

Ci sono 3 odg tra R e Z quindi il ramo dell’amplificatore può essere considerato come un tot i aperto quindi tutta la corrente passa per il soggetto.

Si impone: = capacità parassite nel caso peggiore 1 1 |X | = = ≅ 32 MΩ reattanza capacitiva p 2π∗f∗C 2π∗50 Hz∗100 pF.

2 * | | = 64 MΩ dato che si hanno due C p.

Quindi: |R |X ||| | = − j ∗ 2 ∗ = 21 kΩ − j ∗ 64 MΩ ≅ tot p.

Quindi la corrente sul soggetto vale: V 220 V | | = = = . |Z | 64 MΩ eq 3 che è accettabile dal punto di vista della sicurezza del paziente.

Problema 1

Passando sulle resistenze dell’elettrodo e sulla resistenza del soggetto, i produce tra i punti A e B una caduta di tensione o differenza di potenziale a 50 Hz, che viene amplificata dall’amplificatore: = i ∗ R = 3.5 mA ∗ 21 kΩ = 75 mV s tot e questa va a sommarsi al segnale ECG, che solitamente ha un’ampiezza di 1 mV.

Quindi in questo caso il segnale ECG viene completamente nascosto dal rumore di rete prodotto dall’accoppiamento capacitivo.

Soluzione 1 – Schermatura

Il modo più immediato per ridurre il rumore di rete è quello di schermare i conduttori, cioè avvolgere i conduttori che vanno dagli elettrodi all’ingresso dell’amplificatore in una guaina metallica, conduttrice, della quale un’estremità è messa a terra.

Le correnti generate dall’interferenza circolano nella guaina e vengono scaricate a terra attraverso la messa a terra.

La messa a terra fissa a terra il potenziale della guaina, rendendola equipotenziale, così nello spazio che circonda i conduttori il campo elettrico è nullo quindi non si possono generare interferenze.

La schermatura dei conduttori e la riduzione dell’area della spira sono quindi provvedimenti efficaci, anche se non eliminano del tutto il problema, perché il soggetto fa parte della spira.

Soluzione 2 – Gabbia di Faraday

Se la schermatura non funziona, si ricorre alla gabbia di Faraday, che è una gabbia metallica messa a terra che permette di effettuare la schermatura per uno spazio più ampio. Ci sono due possibili soluzioni: 4 ↑ ↑

• I conduttori, insieme ai propri isolanti, sono fatti scorrere in tubi metallici che vengono collegati a terra. In questo modo, le correnti indotte si disperdono a terra dal tubo metallico, e non vanno a interessare il paziente.
• Il paziente viene separato dalle apparecchiature dall’alimentazione. In questo modo, le correnti di interferenza si disperdono a terra dalla gabbia, e il campo elettrico interno è nullo o uniforme.

Problema 2

Se non si collega la gamba destra a un riferimento stabile, il potenziale di riferimento risulta variabile, con conseguenze negative sulla qualità della misura.

Situazione in cui non si ha a terra un riferimento del corpo.

Se si lascia aperto l’interruttore (isolated), la terra di segnale è flottante. Questo è un problema perché in questo caso il potenziale dell’amplifier common dipende dal ponte di capacità creato da Cpow e Cbody, e da quello creato da Csup e Ciso. Il danno è dovuto al fatto che queste capacità possono essere diverse tra loro, ma soprattutto sono variabili, quindi l’equilibrio del ponte continua a variare, e di conseguenza continua a cambiare il potenziale.

Tutte queste variazioni provocano la variazione del segnale ECG. 5

Soluzione

Per risolvere il problema si può chiudere l’interruttore (non–isolated), il che fa cortocircuitare la capacità Ciso, e il potenziale della terra di segnale viene fissato al potenziale di terra o comunque a un potenziale di riferimento stabile; in questo caso però il soggetto, attraverso la gamba destra, può scaricare una corrente a terra.

La gamba destra a terra appare quindi come una soluzione necessaria per stabilizzare il segnale.

OSS: in questo caso le esigenze di misura contrastano le esigenze di sicurezza, le quali vorrebbero che il paziente fosse isolato da terra.

Conseguenze

Considerando il ramo dell’amplificatore aperto, per andare da F a T la corrente ha due vie le quali incontrano una impedenza ciascuna: = 1 kΩ = = R + Z = s el | | = 32 MΩ.

Ci sono 3 odg tra Z e X quindi il ramo che contiene Cp e T può essere considerato un aperto tot p e tutta la corrente si scarica sul soggetto.

|X | = Z + = 11 kΩ + 32 MΩ ≅ tot p1.

La corrente vale quindi: 6 V 220 V i = = = 7 μA; s Z 32 MΩ eq questa non è pericolosa.

Problema

È rappresentato dal collegamento del soggetto a terra e quindi può diventare una via di passaggio per una qualunque corrente.

Soluzione 1

Si mette in serie alla gamba destra una resistenza e un fusibile, tarato su una corrente di sicurezza; questa però non è una buona soluzione, poiché non elimina la via a terra che interessa in paziente, e inoltre aumentare la resistenza del collegamento a terra significa aumentare la tensione di modo comune, perché aumenta la caduta di tensione su quella via, ma sarebbe meglio se questa fosse la più piccola possibile.

Soluzione 2

Usare un amplificatore satellite alla gamba destra.

Si preleva il modo comune dall’amplificatore e lo si reinietta nella gamba destra; in questo modo si ottiene una riduzione sensibile del modo comune, e un corrispondente miglioramento del rapporto segnale–rumore, ma si crea anche una terra virtuale che consente di isolare da terra il paziente.

Soluzione 3

Il paziente presenta una capacità parassita rispetto alla rete di alimentazione 7.

Entrambe le correnti si scaricano a terra attraverso le capacità parassite Cbody e Ciso rispettivamente.

La corrente che può interessare il paziente vale pochi μA, indipendentemente da come è messo l’interruttore.

In questo caso si sono rispettate sia le esigenze di misura sia le esigenze di sicurezza. 8

Esercizio 3 – Collegamento a più strumenti

[Problema di anni fa, ora è intollerabile]

Il paziente è monitorato con due strumenti di monitoraggio:

• L’elettrocardiografo;
• Altro strumento di monitoraggio;

Il problema è che sia il monitor ECG attraverso la gamba dx sia l’altro strumento di monitoraggio attraverso un apposito elettrodo, prevedono una messa a terra per creare il riferimento dei segnali prelevati.

Ci sono