Appunti del corso di Strumentazione biomedica

MECHANICAL PHASES (RECAP)

Le fasi meccaniche del ciclo cardiaco possono essere riassunte nel seguente modo:

1. Contrazione ventricolare isovolumetrica: Durante questa fase, la contrazione ventricolare inizia

causando un aumento della pressione ventricolare al di sopra della pressione atriale, che porta alla

chiusura delle valvole atrioventricolari (AV).La contrazione continua con le valvole chiuse aumenta

ulteriormente la pressione ventricolare senza cambiamenti nel volume del sangue (isovolumetrica),

poiché le valvole aortiche e polmonari rimangono chiuse.

2. Eiezione ventricolare: Durante questa fase, la pressione ventricolare supera la pressione arteriosa,

aprendo le valvole semilunari aortiche e polmonari. Il sangue viene espulso dai ventricoli nelle arterie

(cardiac output), mentre il volume ventricolare diminuisce e i ventricoli iniziano a rilassarsi e a

ripolarizzarsi. La pressione ventricolare diminuisce e la contrazione termina.

3. Rilassamento ventricolare isovolumetrico: Dopo l'eiezione, i ventricoli si rilassano e la pressione

intraventricolare scende al di sotto della pressione arteriosa. Le valvole semilunari aortiche e polmonari

si chiudono per prevenire il reflusso di sangue nei ventricoli, generando una piccola onda di pressione

(onda dicrotica) sull'onda di pressione aortica. Durante questa fase isovolumetrica di rilassamento, la

pressione ventricolare diminuisce rapidamente.

4. Riempimento ventricolare passivo: Con il rilassamento completo dei ventricoli e l'apertura delle valvole

AV, inizia il riempimento passivo dei ventricoli. La depolarizzazione atriale causa la contrazione atriale,

che contribuisce al riempimento aggiuntivo dei ventricoli prima dell'inizio del prossimo ciclo cardiaco.

Queste fasi rappresentano il ciclo cardiaco completo, durante il quale il cuore si contrae e si rilassa per

pompare il sangue attraverso il sistema circolatorio. Le variazioni di pressione e volume durante queste fasi

sono fondamentali per la corretta funzione cardiaca e per il mantenimento della circolazione sanguigna

efficace.

SCG WAVEFORM

La forma d'onda SCG (seismocardiogram) rappresenta le variazioni delle vibrazioni corporee indotte dalla

dinamica cardiaca durante il ciclo cardiaco. - MC (mitral valve closing): Rappresenta la

chiusura della valvola mitrale, che separa l'atrio

sinistro dal ventricolo sinistro, indicando l'inizio della

sistole ventricolare.

- AO (aortic valve opening): Indica l'apertura

della valvola aortica, consentendo l'eiezione del

sangue dal ventricolo sinistro nell'aorta durante la fase

di eiezione ventricolare.

- AC (aortic valve closing): Segna la chiusura

della valvola aortica, che impedisce il riflusso di sangue

nell'aorta durante la diastole ventricolare.

- RE (rapid ejection): Rappresenta la fase

iniziale della fase di eiezione ventricolare, durante la quale il sangue viene rapidamente espulso

dall'aorta.

- EMD (electromechanical delay): È il ritardo tra l'inizio dell'attività elettrica (misurata tramite ECG) e

l'inizio della contrazione meccanica del cuore.

- IVCT (isovolumic contraction time): È il periodo durante il quale i ventricoli si contraggono

isometricamente (a volume costante) prima dell'apertura della valvola aortica.

- PEP (pre-ejection period): È il periodo che trascorre tra l'inizio dell'attività elettrica del ventricolo

sinistro (rilevabile sull'ECG) e l'apertura della valvola aortica.

Simona Bruno

- LVET (left ventricular ejection time): È il tempo totale impiegato per l'eiezione del sangue dal

ventricolo sinistro nell'aorta.

- IVRT (isovolumic relaxation time): È il periodo durante il quale i ventricoli si rilassano isometricamente

(a volume costante) prima dell'apertura della valvola mitrale per consentire il riempimento ventricolare.

Questi eventi e periodi, misurati attraverso la forma d'onda SCG, forniscono informazioni dettagliate sulla

dinamica cardiaca e sulla funzione ventricolare durante il ciclo cardiaco. La forma d'onda SCG è utile per

valutare la meccanica cardiaca e può essere impiegata come strumento di monitoraggio non invasivo per

valutare la funzione cardiaca in varie condizioni cliniche.

SCG AGAINST PCG

Il phonocardiogramma (PCG) e il seismocardiogramma (SCG) forniscono entrambi informazioni sull'attività

cardiaca, ma utilizzano principi fisici diversi per catturare tali informazioni.

PCG: Si concentra sui suoni prodotti dal cuore durante il ciclo cardiaco. Il PCG registra le onde sonore generate

dalle varie fasi del battito cardiaco, inclusi i suoni delle valvole cardiache che si aprono e si chiudono.

SCG: Si concentra sulle vibrazioni generate dal cuore durante il ciclo cardiaco. Queste vibrazioni si propagano

attraverso i tessuti non omogenei e anisotropi del torace causando compressioni e allungamenti ciclici. Le

vibrazioni microscopiche risultanti possono essere misurate sulla pelle con un'ampiezza di circa 0,1 mm lungo

il piano sagittale. L'SCG analizza principalmente quattro bande di frequenza:

- Frequenza respiratoria: <0,5 Hz

- Attivazione delle valvole cardiache: 20-100 Hz

- Rumori cardiaci (murmurs): 5-20 Hz

- Frequenze elevate: >100 Hz

In breve, il PCG si basa sull'acquisizione dei suoni cardiaci, mentre lo SCG si concentra sulle vibrazioni generate

dal cuore durante il suo ciclo di contrazione e rilassamento. Entrambi questi segnali forniscono informazioni

preziose sulla dinamica cardiaca e possono essere utilizzati per valutare la funzione cardiaca in varie condizioni

cliniche.

SENSING

Il sensing delle vibrazioni cardiache e dei movimenti corporei può essere realizzato mediante diversi tipi di

sensori, tra cui gli accelerometri e i sensori piezoelettrici.

Accelerometri: Gli accelerometri sono dispositivi elettromeccanici utilizzati per misurare accelerazioni dovute

a forze dinamiche, come il movimento e le vibrazioni. Questi sensori convertono l'energia meccanica in una

grandezza elettrica, solitamente una tensione o una corrente.

Principi di funzionamento:

1. Effetto piezoelettrico: Alcuni materiali piezoelettrici, come il titanato di bario (BaTiO3) o il quarzo (SiO2),

generano una carica elettrica in risposta a uno stress meccanico applicato (effetto diretto). Viceversa, questi

materiali si deformano o vibrano quando viene applicato un campo elettrico (effetto inverso).

2. Effetto massa-molla (spring-mass): Gli accelerometri basati su questo principio utilizzano una massa

sospesa da molle, che cambia la sua posizione relativa in risposta all'accelerazione. Questo cambiamento di

posizione viene convertito in una variazione di capacitività, che viene misurata per determinare l'accelerazione.

MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems):

Simona Bruno

I sensori piezoelettrici e accelerometri possono essere realizzati utilizzando tecnologie MEMS, che integrano

strutture meccaniche microscopiche su un chip semiconduttore. Questi dispositivi sono composti da piccole

masse sospese da molle e piastre capacitive collegate al substrato. Sensori piezoresistivi: I sensori

piezoresistivi misurano la variazione di resistenza elettrica di certi materiali quando sono soggetti a stress

meccanici. Questi sensori sono spesso integrati su chip MEMS e sono più adatti per misurazioni statiche o

quasi-statiche.

Sia gli accelerometri che i sensori piezoelettrici sono utilizzati per misurare vibrazioni e accelerazioni, fornendo

informazioni preziose per applicazioni di monitoraggio cardiaco e di movimento corporeo. La scelta del sensore

dipende dalle specifiche esigenze di applicazione, come la frequenza e la natura delle misurazioni richieste.

Gli accelerometri sono dispositivi utilizzati per misurare l'accelerazione e le vibrazioni in varie direzioni. Esistono

diversi tipi di accelerometri, tra cui quelli piezoelettrici, capacitive MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), e

piezoresistivi, ognuno con caratteristiche e specifiche diverse.

Ecco una panoramica di alcuni accelerometri con le relative specifiche:

Questi accelerometri differiscono per gamma di ampiezza, sensibilità, frequenza di campionamento, tipo di

alimentazione e dimensioni. La scelta dell'accelerometro dipende dalle specifiche esigenze dell'applicazione,

inclusi i requisiti di precisione, dimensioni, costo e interfaccia di output.

La sintesi del Seismocardiogramma (SCG) implica l'utilizzo di un metodo non invasivo per monitorare le

vibrazioni prodotte dai battiti cardiaci e dai movimenti della parete toracica, consentendo di ottenere varie

informazioni utili:

- Monitoraggio non invasivo:Il SCG permette di rilevare le vibrazioni generate dai battiti cardiaci e dai

movimenti della parete toracica senza la necessità di procedure invasive.

Simona Bruno

- Rilevamento precoce di anomalie cardiache: Il SCG consente di individuare cambiamenti sottili nella

funzione cardiaca, fornendo un mezzo per rilevare precocemente eventuali anomalie cardiache.

- Valutazione cardiovascolare completa:Il SCG fornisce informazioni complementari ad altre tecniche di

monitoraggio cardiaco, contribuendo a una valutazione completa della salute cardiovascolare.

- Monitoraggio remoto e telemedicina: Grazie alla sua capacità di integrazione in dispositivi indossabili, il

SCG facilita il monitoraggio remoto e l'utilizzo in contesti di telemedicina.

- Monitoraggio longitudinale e analisi delle tendenze: Il SCG consente di monitorare nel tempo la

funzione cardiaca, permettendo di individuare variazioni e analizzare le tendenze nel tempo.

- Potenziale di ricerca e sviluppo: Il SCG offre potenzialità di ricerca sia dal punto di vista clinico che

tecnico, inclusa l'applicazione di tecniche di elaborazione e analisi basate sull'intelligenza artificiale

(AI).

Il Seismocardiogramma (SCG) rappresenta una promettente tecnica non invasiva per il monitoraggio cardiaco,

offrendo molteplici vantaggi in termini di rilevazione precoce, valutazione completa, monitoraggio remoto e

potenziale di ricerca e sviluppo.

6. ELECTRONICS: CIRCUIT ANALYSIS PRINCIPLES

Principi dell'analisi dei circuiti: Qualsiasi circuito che andremo ad analizzare, la prima cosa da fare è disegnare

su ciascun componente una freccia, che indica il segno della corrente, e segni +/- che indicano il segno della

tensione.

La direzione relativa dei segni +/- e della freccia dipende dal componente che si tratta:

- Componente passivo (R, L, C) - ovvero componenti che dissipano potenza: Per i componenti passivi,

solitamente si considera il segno della corrente entrante positivo e il segno della tensione dall'alto

verso il basso.

- Componente attivo (Generatori di tensione e corrente) - ovvero componenti che generano potenza: Nei

componenti attivi, come i generatori di tensione e corrente, la polarità della tensione e la direzione della

corrente possono essere specificate in base alla convenzione del circuito, solitamente considerando il

polo positivo del generatore come riferimento e la cor