Appunti Strumentazione biomedica

PROGRAMMA

A.A. 2021/22

Prof. Lorenzo Scalise

 L’ORIGINE DEI BIOPOTENZIALI E L’ATTIVITA’ ELETTRICA DELLE

CELLULE:

1. Generazione dei biopotenziali

2. Attività elettrica cellulare: potenziale a riposo e d’azione, concentrazioni

ioniche

3. Equazione di Nerst

4. Propagazione degli impulsi

5. Strumentazione per l’acquisizione dei segnali bioelettrici di interesse:

elettroneurogramma, elettromiogramma, elettroretinogramma,

elettroculogramma

 ELETTRODI PER LA MISURA DI BIOPOTENZIALI:

1. Struttura della pelle

2. Interfaccia elettrodo-elettrolita + reazione di ossido-riduzione

3. Impedenza elettrica di contatto

4. Artefatti di misura

5. Classificazione degli elettrodi: metallici, a suzione, floating, ad ago

 ELETTROCARDIOGRAFO:

1. Cenni di anatomia e fisiologia del cuore

2. Attivazione elettrica delle aree cardiache

3. Potenziali cardiaci

4. Asse elettrico istantaneo

5. Derivazioni: fondamentali, aumentate, precordiali, di Frank

6. Analisi di un tracciato elettrocardiografico (in II derivazione) e

standardizzazione della taratura e della velocità di scorrimento

7. Diagnostica del ritmo cardiaco (in II derivazione)

8. Progetto di un ECG analogico (monocanale): schema a blocchi e

descrizione dettagliata di tutte le componenti e relativi circuiti (elettrodi +

cavo paziente, selettore delle derivazioni, amplificatori di misura e di

potenza, blocco di scrittura)

9. Progetto di un ECG moderno: problematiche legate ad un ECG analogico,

filtri, schema a blocchi, sicurezza elettrica realizzata tramite l’aggiunta di

alcuni circuiti specifici di protezione (protezione dalle sovracorrenti,

pilotaggio gamba destra, allarme interruzione cavo-paziente, recupero

dell’isoelettrica, riferimento flottante, optoisolatore, accoppiatore

elettromagnetico: circuiti e spiegazione dettagliata)

10. Manuale di un moderno elettrocardiografo (esempio)

11. Cardiomonitor

12. Elettrocardiografo per prove da sforzo

13. Holter

 ELETTROENCEFALOGRAFO:

1. Attività elettrica del cervello

2. Disposizione degli elettrodi

3. Elettroencefalografo analogico: juction box, selettore degli ingressi, circuito

per la misura dell’impedenza di contatto degli elettrodi, filtri, sistema

scrivente ed anticollisione

4. Elettroencefalografo digitale: sistema di stimolazione

5. Analisi di un tracciato EEG: classificazione onde, diagnostica, valutazione

dello stato di coma, potenziali evocati

6. Ambiente di registrazione

 MISURA DELLA PRESSIONE SANGUIGNA:

1. Cenni di fisiologia umana: pressione sanguigna, sistema cardiovascolare,

grafici della pressione e del volume di sangue nei ventricoli e negli atrii

durante un ciclo cardiaco

2. Cause di errore di una misura invasiva: equazione di Bernoulli,

posizionamento delle prese di pressione, errore di inserzione

3. Metodologie di misura non invasiva: metodo occlusivo, palpatorio,

auscultatorio, oscillometrico (+ schema a blocchi), metodo ad ultrasuoni

4. Metodologie di misura invasiva: assunzioni, schema a blocchi, sensori

extra-vascolari, calcolo della frequenza di risonanza del sistema

5. Confronto della qualità delle misure tra il metodo invasivo e non

 ELETTROBISTURI:

1. Confronto del bisturi classico e dell’elettrobisturi

2. Effetto della corrente sul corpo umano: termico, elettrolitico e faradico

3. Funzionamento e schema a blocchi

4. Classificazione in mono-bipolare e in mono-biterminale

5. Elettrodo di ritorno

6. Schema a blocchi

7. Circuito di sicurezza

 PACEMAKER:

1. Conduzione elettrica normale del muscolo cardiaco

2. Forme patologiche e modalità diagnostiche

3. Definizione di pacemaker

4. Impianto

5. Elettrocatetere: classificazione, requisiti, materiali

6. Batterie: caratteristiche e ciclo ideale

7. Tipologie di pacemaker e schemi a blocchi

8. Programmatori

9. Codifica identificativa

10. Cenni ai problemi di interferenza elettromagnetica

 DEFIBRILLATORE:

1. Fibrillazione atriale e ventricolare

2. Tipologie di defibrillatori + circuiti: a corrente alternata, continua e a

corrente continua con forma d’onda trapezoidale

3. Cardioversion

4. Defibrillatori semi-automatici e impiantabili

L’ORIGINE DEI BIOPOTENZIALI E L’ATTIVITA’ ELETTRICA DELLE

CELLULE 01/03

1) GENERAZIONE DEI BIOPOTENZIALI

• L'osservazione dei fenomeni relativi all'attività fisiologica umana (attività muscolare e

neurologica), che sono associati a fenomeni elettrici, risale al 18° secolo ad opera di Galvani

 Le due principali "sorgenti" di potenziali elettrici sono i muscoli ed i nervi (in alcuni casi

anche il tessuto ghiandolare) ed in particolare le cellule (fungono da singoli e multipli

generatori di potenziale) che li compongono

 I biopotenziali possono essere misurati ovunque (in qualsiasi organo o porzione corporea)

• Il cuore ed il cervello generano tipici pattern di potenziali elettrici, che possono essere

registrati ed analizzati per la valutazione della loro funzionalità (ECG ed EEG)

 I potenziali si sommano perché agiscono in maniera sincrona (soprattutto nel cuore)

Esempi

 di strumentazioni basate sulla misura dei potenziali elettrici sono:

- Elettrocardiogramma (ECG): attività cardiaca (un battito dura un secondo),

- Elettroencefalogramma (EEG): attività elettrica cerebrale,

 la cellula nervosa:

ha proprietà caratteristiche di: ECCITABILITA’ (perché genera l’impulso elettrico)

o e CONDUCIBILITA’

la loro struttura permette di ricevere, generare e trasmettere differenze di

o potenziale (ddp)

il numero di assoni e sinapsi (connessione tra i neuroni) determina la complessità

o del neurone

- Elettromiogramma (EMG): attività muscolare,

- Elettroneurogramma (ENG): conduzione lungo i nervi,

- Elettroretinogramma (ERG): retina,

- Elettroculogramma (EOG): nervi associati al movimento del bulbo oculare.

2) ATTIVITA’ ELETTRICA CELLULARE

 I potenziali bioelettrici sono generati a livello cellulare (membrana cellulare) e la sorgente è di

natura ionica (determinano un biopotenziale una differente concentrazione di speci positive e

negative)

 Le cellule che generano tali potenziali sono note come cellule eccitabili e si trovano nei nervi,

muscoli e nel tessuto ghiandolare

 Le cellule eccitabili esibiscono 2 stati potenziali:

Potenziale a riposo =-70mV

Potenziale d'azione =+40mV

 ciascuna cellula produce +90mV in 1-2 ms

 il potenziale a riposo è fisso e stabile, finché

la cellula non viene eccitata da un impulso di

segnale (che si scarica in breve tempo), che

genera un potenziale positivo (d’azione)

 Dal punto di vista elettrico una cellula può

essere vista come un conduttore ionico separato

dall'esterno da una membrana semipermeabile

 Intorno alla cellula i fluidi che la circondano sono composti da ioni: Sodio (Na+), Potassio (K+) e

Cloro (Cl-) ed esterni della cellula

interni

 A riposo la membrana semipermeabile (7-15 nm di spessore, formata da lipoproteine) è

impermeabile alle proteine intracellulari ed ad altri anioni organici (A-)

 +

A riposo la membrana è moderatamente permeabile agli ioni Na e completamente

+ +

P(K ) >>P(Na )

+ -

permeabile agli ioni K e Cl , circa 50/100 volte maggiore

3) EQUAZIONE DI NERST

Potenziale a riposo



 +

A riposo la membrana semipermeabile permette la fuoriuscita di K per

diffusione, generando uno sbilanciamento tra interno ed esterno della

cellula

 + -

Gli ioni K all'esterno della membrana e gli ioni Cl all'interno della

membrana generano così una barriera di potenziale elettrostatica di

equilibrio (-70/-90 mV) che non permette più agli ioni di attraversare la

membrana (potenziale a riposo)

Potenziale di equilibrio



 Il potenziale che si genera all'equilibrio si può calcolare in V, attraverso l'equazione di Nerst:

il potenziale di un elettrodo

fornisce

+

Dove n: valenza di K ;

[K] e [K] : sono le concentrazioni di K+ dentro e fuori la cellula;

i o

R: costante universale dei gas;

T: è la temperatura assoluta in K;

F: è la costante di Faraday;

 Un’espressione più precisa del potenziale che si genera all'equilibrio si può calcolare attraverso

l'equazione di Goldman:

Dove P , P , P , sono i coefficienti di permeabilità;

K Na Cl

R: costante universale dei gas;

T: è la temperatura assoluta in K;

F: è la costante di Faraday;

 Esempio :

di potenziale a riposo

4) POMPA SODIO-POTASSIO

 È un meccanismo attivo (cioè che consuma energia della

+ +

cellula) per riportare ioni K dentro al cellula e ioni Na fuori

+ +

( 3 Na per 2 K ) e quindi mantenere le concentrazioni

ioniche costanti

5) POTENZIALE A RIPOSO E POTENZIALE D’AZIONE

 I fattori che influenzano le concentrazioni ioniche e conseguentemente i potenziali di

transmembrana sono:

1. Gradienti di diffusione (concentrazioni)

2. Barriere elettriche (campo elettrostatico)

+

3. Permeattività della membrana (K può uscire perché membrana semipermeabile, ma

rimane tale se viene eccitata)

4. Meccanismi di trasporto ionico attivo (pompa sodio-potassio)

Potenziale d'azione



 All'equilibrio, la membrana della cellula eccitabile, presenta un potenziale (potenziale di

equilibrio) di circa -70/90 mv e si dice polarizzata

 Se adeguatamente stimolata (variazione di potenziale che superi una soglia) la cellula si

+

depolarizza ed temporaneamente aumenta la sua permeattività agli ioni Na , che entrano nella

cellula in gran numero, portando, per un breve intervallo di tempo (~1 ms) il

potenziale a +20/40 mV

curva di ripolarizzazione, la membrana è di nuovo permeabile, facendo

nella +

riuscire gli ioni K , che determinano il potenziale a riposo

si depolarizzano e si ripolarizzazione gli atrii e successivamente i

ECG:

ventricoli (a) :uno stimolatore elettronico fornisce un breve

impulso di corrente all'assone, abbastanza forte da

eccitare l'assone. Una registrazione di questa

attività viene effettuata in un sito a valle tramite

una pipetta penetrante

(b) : l'artefatto del movimento viene registrato

mentre la punta della pipetta attraversa la

membrana per registrare il potenziale di riposo.

Poco tempo dopo, uno stimolo elettrico viene

inviato all'assone; il suo effetto di campo viene

registrato istantaneamente nel sito di misurazione

a valle come artefatto dello stimolo. Il potenziale

d'azione procede lungo l'assone a velocità di

propagazione costante. Il periodo di tempo L è il

periodo di latenza o tempo di trasmissione dallo

stimolo al sito di registrazione

la curva di depolarizzazione e ripolarizzazione di questo tipo si ottiene eccitando l’assone con

impulso elettrico che superi il valore soglia

Potenziale d’azione e concentrazioni ioniche



 L'attivazione della cellula coincide con la fase 0, durante la

quale il potenziale intracellulare riduce rapidamente la propria

negatività fino ad assumere valori positivi rispetto all'esterno.

+

Durante le fasi 1, 2 e 3 (la membrana fa uscire i soli K che si

erano accumulati internamente, nella fase precedente)

avviene la ripolarizzazione cellulare, che riporta la situazione

alle condizioni di partenza, fase 4 (potenziale a riposo=-90V)

 Durante la fase iniziale del processo di depolarizzazione la

membrana diventa completamente permeabile e totalmente

refrattaria agli stimoli (1 ms)

la membrana venisse stimolata di nuovo nella fase di

se

depolarizzazione, lo stimolo non produce nessun effetto fino a

quando non si ristabilisce il “resting potential”

 Questo periodo è seguito da un periodo refrattario relativo (2

ms) dove solo uno stimolo adeguatamente intenso

(superstimolo) può innescare un ulteriore depolarizzazione

refrattario costituisce il limite con cui si riesce ad

periodo

eccitare una cellula (le cellule più veloci hanno un periodo pari

a 1 ms)

 Questi periodi di refrattarietà generano quindi dei limiti

superiori nella frequenza di eccitabilità della cellula (1 ms circa 1kHz)



corrente con frequenza maggiore di 1KHz non produce effetti (meccanici o di

una

contrazione) sulla cellula

Origine dei biopotenziali

 Il potenziale d'azione teorico v e le variazioni

della conduttanza ionica di membrana per il

sodio (g ) e il potassio (g ) si ottengono

Na K

risolvendo le equazioni differenziali per l'assone

gigante del calamaro. E ed E sono i potenziali

Na K

di equilibrio di Nerst per sodio e potassio

attraverso la membrana

6) PROPAGAZIONE DEGLI IMPULSI

 Quando un neurone viene eccitato (otticamente, elettricamente, meccanicamente,

chimicamente, ecc.) esso diviene sede di un campo elettrico che viaggia lungo l'assone (parte

terminale della membrana che garantisce la connessione con altre cellule)

 tutte le componenti del neurone sono eccitabili: trasmissione del segnale bioelettrico

in tutte le strutture

 Questo campo elettrico consiste in una temporanea inversione del potenziale

ai capi della membrana del neurone (potenziale d'azione), che parte localmente

lungo la membrana e si propaga lungo la medesima.

 L'inversione della polarizzazione è detta depolarizzazione e genera l'apertura dei

+

canali ionici per Na , che dà inizio ad una corrente ionica entrante nella

membrana che, apportando cariche positive all'interno della membrana, la

depolarizza ulteriormente, innescando esso che porta all'inversione di segno del

potenziale di membrana. l’impulso

viaggia come

su una linea

di

trasmissione

 Gli impulsi nervosi hanno un’ampiezza di circa 0,1 V e durata temporale di circa

1 ms. L'ampiezza è riferita alle pareti della membrana e gli impulsi viaggiano ad

una velocità di circa 50 m/s (fino a 130 m/s negli assoni mielinici)

 Essendo i nervi immersi in un fluido conduttore, si generano delle correnti

ioniche all'esterno di questi. Sono proprio queste correnti che permettono di

rendere evidente esternamente la presenza di uno stato di depolarizzazione

7) STRUMENTAZIONE

Segnali bioelettrici di interesse



 I segnali bioelettrici di interesse clinico, sono prodotti dall'azione coordinata di gruppi di cellule

 L'azione sincronizzata di gruppi di cellule si propaga attraverso i fluidi che circondano tali

cellule, genera delle correnti ioniche e conseguentemente delle differenze di potenziale tra

regioni diverse del corpo

 nessun punto del corpo ha un potenziale nullo, per questo tutti i potenziali misurati

sono delle differenze e non dei valori assoluti

 Normalmente in elettrofisiologia, si misurano proprio tali differenze di potenziale utilizzando

elettrodi di misura a contatto di cellule (elettrodi ad ago) o posizionandoli sulla pelle (elettrodi

cutanei).

 si traducono correnti ioniche in correnti elettriche, che sono facilmente misurabili

Tipici potenziali bioelettrici

 - misure con contatto, non

invasivo (non penetrano nel corpo)

- servono degli amplificatori,

perché le tensioni che si

andrebbero a misurare sono

troppo piccole

- nessun segnale generato ha una

frequenza >1kHz

elettromiografia può essere fatta

con elettrodi ad ago (invasivo) o

con elettrodi a pelle (non invasivo)

 ELETTRONEUROGRAMMA (ENG)  La velocità di propagazione di un impulso in un

nervo periferico può essere misurata stimolando il

nervo (stimolazione elettrica) in due punti

differenti e misurando i tempi di viaggio di tali

stimoli (velocità max fino a 150 m/s)

 La velocità di conduzione cambia nelle cellule

nervose rigenerate in seguito ad un trauma

 Esame invasivo

 misurazione della velocità di conduzione

neurale attraverso la misurazione della latenza

della risposta elettrica evoluta nel muscolo.

(il nervo è stato stimolato in due siti diversi a

distanza D nota)

 ELETTROMIOGRAMMA (EMG)

 La contrazione muscolare genera dei potenziali d’azione in ciascuna singola fibra muscolare

 Un esame EMG viene effettuato sia per misurare il potenziale d’azione di singole unità

motorie che per verificare la capacità muscolare di interi gruppi muscolari (somma di

numerosi potenziali d’azione: pattern di cellule sincrone)

 Per contrazioni volontarie, l’ampiezza tipica di un segnale EMG è: 20–2000 mV; per una

durata di 3–15 ms.

 Di un EMG si osservano la forma (pattern) e l’intensità del segnale

molla + estensimetro: si misura quanta forza sto

generando schiacciando lo strumento, forza che

viene tradotta in tensione

elettrodi intramuscolari:

segnali registrati mono-polarità con fili

intramuscolari durante una contrazione

(al 10% MVC del muscolo tibiale

anteriore) qualità del segnale migliore,

invasivo:

poiché isolo il gruppo muscolare in esame

elettrodi di superficie:

segnali EMG di superficie registrati sulla

pelle con un unico sistema differenziale

invasivo: c’è più rumore rispetto al

non

precedente FILTRAGGIO

bassa potenza prodotta e poca

coordinazione del passo

 ELETTRORETINOGRAMMA (ERG)

 L'ERG misura la differenza di potenziale tra un punto della testa

del paziente (fronte, tempia o lobo dell'orecchio), che costituisce

un punto di riferimento, e la cornea

 Ciascuna parte del tracciato ERG è associabile alla fisiologia della retina (pattern), come

accade nell’ECG  pattern di reazione allo stimolo (=luce on)

 Valuta se c’è un eventuale malfunzionamento della retina, q