Strumenzione Biomedica - prof. Bifulco

Name: Strumenzione Biomedica - prof. Bifulco
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Revisionato il 19/05/2026

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- "Strumentazione biomedica. Progetto e impiego dei sistemi di misura", G. Avanzolini;
- "Fondamenti di Ingegneria Clinica" vol. I e vol. II, F. P. Branca;
- "Sensori per Misure Biomediche", De Rossi et al.

Il documento si compone di 18 parti:
1. Strumenti di Misura
2. Sensori Fisici
3. Amplificatori
4. Misure di Potenziali Bioelettrici 1
5. Misure di Potenziali Bioelettrici 2
6. Misure di Flusso Sanguigno
7. Pletismografia ad Impedenza Elettrica
8. Fotopletismografo e Pulsiossimetro
9. Misura della Pressione Sanguigna
10. Defibrillatore
11. Pacemaker
12. Elettrobisturi
13. Radiologia (Fisica dei Raggi X, Tubo Radiogeno, Qualità dell'immagine Radiografica)
14. Medicina Nucleare
15. Diagnostica Polmonare
16. Macchine per Anestesia e Ventilatori Polmonari
17. Ultrasuoni
18. Litotritore"> Riassunti del corso Strumentazione Biomedica. Questo lavoro è stato realizzato sulla base di diversi libri e appunti quali:- Appunti del corso di Strumentazione Biomedica tenuto dal prof. …

Esame Strumentazione biomedica

Facoltà Ingegneria

Dal corso del Prof. Bifulco Paolo

Università Università degli studi di Napoli Federico II

A.A. 2016-2017

580 pagine

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Estratto del documento

STRUMENTI DI MISURA

C S S M

ARATTERISTICHE TATICHE DEGLI TRUMENTI DI ISURA

Accuracy

Risoluzione

Riproducibilità

Caratteristica Ingresso – Uscita

Campo di Misura

Sensibilità Statica

Deriva di Zero

Deriva di Sensibilità

Linearità

Isteresi

Classe di uno Strumento

P D S M

RESTAZIONI INAMICHE DI UNO TRUMENTO DI ISURA

Funzione di Trasferimento

Sistemi di Ordine di Zero

Sistemi di Primo Ordine

Sistemi del Secondo ordine

R UMORE

M

ODULAZIONE

I

NCERTEZZA DI MISURA

E I

RRORI DI NTERCONNESSIONE

Caso Statico

Caso Dinamico Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

SENSORI FISICI

M T

ISURE DI EMPERATURA

Sensori di Temperatura

Trasduttori Termoresistivi

Termocoppie

Trasduttori basati su Giunzione a Semiconduttore

Termometri a Radiazione

M P

ISURE DI OSIIZONE

Trasduttori Resistivi

Potenziometri

Estensimetri

Trasduttori Induttivi

Autoinduzione

Mutua Induzione

LVDT

Trasduttori Capacitivi

Trasduttori ad Effetto Hall

Sensori Piezoelettrici Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

A O I

MPLIFICATORI PERAZIONALI DEALI

Configurazione Non Invertente

Configurazione Invertente

Sommatore

Amplificatore Differenziale

Integratore

Derivatore

Comparatore

Raddrizzatori

Raddrizzatori a Singola Semionda

Raddrizzatori a Doppia Semionda

Amplificatore Logaritmico

Amplificatore Anti – Logaritmico (Esponenziale)

Moltiplicatore Analogico

Amplificatore di Carica Scanned by CamScanner

Scanned by CamScanner

MISURA DI POTENZIALI BIOELETTRICI 1

CMRR I L E

E NTERFERENZE DELLA INEA LETTRICA

A S

MPLIFICATORE PER TRUMENTAZIONE Scanned by CamScanner

MISURA DI POTENZIALI BIOELETTRICI 2

F ILTRAGGIO

Filtro RC (Passa – Basso)

Filtro CR (Passa – Alto)

Filtro Attivo Passa Basso

Filtro Attivo Passa Alto

Filtro Bassa Banda

Filtro Attivo Elimina Banda

Filtri Attivi nella Strumentazione Biomedica

R I

UMORI ED NTERFERENZE

Il Rumore Termico

Rumore di tipo Shot

Rumore Flicker

I E

NTERFERENZE LETTROMAGNETICHE

Accoppiamento Elettrico

Accoppiamento Magnetico

S E

ICUREZZA LETTRICA

Effetti Biologici delle Correnti

Isolamento Esterno

Isolamento Galvanico Parte Applicata

Accoppiamento Elettromagnetico

Accoppiamento Capacitivo

Accoppiamento Optoelettronico

P S

ROTEZIONE DA OVRATENSIONI

E LETTRODI

Interfaccia Elettrodo – Elettrolita

Sovrapotenziali

Elettrodi Polarizzabili e Non Polarizzabili

Elettrodo ad Argento/Cloruro d’Argento (Ag/AgCl)

Circuito Equivalente

Interfaccia Pelle – Elettrodo e gli Artefatti da Movimento

Tipi di Elettrodi

Elettrodi per la Misura di Biopotenziali

Elettrodi a Placca Metallica

Elettrodi a Ventosa

Elettrodi Flottanti

Elettrodi Flessibili

Elettrodi Interni

Array di Elettrodi

Microelettrodi

MISURA DELLA PRESSIONE SANGUIGNA

M D ( ) P

ISURA IRETTA O INVASIVA DELLA RESSIONE

Equivalente Elettrico del Sistema

Equivalente Meccanico del Sistema

Analisi della Risposta in Frequenza

Stima della Risposta in Frequenza del Sistema

Cause di Errore nella Misura

M I ( ) P

ISURA NDIRETTA O NON INVASIVA DELLA RESSIONE

Metodo Palpatorio

Metodo Auscultatorio

Metodo Oscillometrico

Metodo ad Ultrasuoni

PLETISMOGRAFIA AD IMPEDENZA ELETTRICA (EIP)

P F

RINCIPI DI UNZIONAMENTO

M 2 4 E

ISURE A E LETTRODI

D M

ISTURBI NELLA ISURA

A EIP

PPLICAZIONI DELLA

EIP per Diagnosi Trombosi Venosa Profonda

Metodo di Kubicek per la Misura dello Stroke Volume

EIP per la Valutazione dell’Apnea Respiratoria

Tomografia ad Impedenza elettrica (EIT)

FOTOPLETISMOGRAFO E PULSIOSSIMETRO

L L – B

EGGE DI AMBERT EER

F OTOPLETISMOGRAFO

P

ULSIOSSIMETRO

Problematiche

MISURA DELLA PRESSIONE SANGUIGNA

M D ( ) P

ISURA IRETTA O INVASIVA DELLA RESSIONE

Equivalente Elettrico del Sistema

Equivalente Meccanico del Sistema

Analisi della Risposta in Frequenza

Stima della Risposta in Frequenza del Sistema

Cause di Errore nella Misura

M I ( ) P

ISURA NDIRETTA O NON INVASIVA DELLA RESSIONE

Metodo Palpatorio

Metodo Auscultatorio

Metodo Oscillometrico

Metodo ad Ultrasuoni DEFIBRILLATORE

C E D

IRCUITO LETTRICO DI UN EFIBRILLATORE

C E S

ARDIOVERSIONE LETTRICA INCRONIZZATA

D I

EFIBRILLATORE MPIANTABILE

P

ROBLEMATICHE Pacemaker

Sommario

Componenti di un Pacemaker .............................................................................................................. 3

Circuiti Elettronici ............................................................................................................................. 3

Cateteri ed Elettrodi ......................................................................................................................... 6

Modalità di Funzionamento ................................................................................................................. 8

Rate Modulation ............................................................................................................................ 10

Codice NASPE-BPEG ....................................................................................................................... 12

Controlli .............................................................................................................................................. 14

I pacemaker cardiaci sono stimolatori elettrici capaci di produrre impulsi autonomi o triggerati (cioè

stimolati da una causa naturale) che inducono eccitazione nelle cellule cardiache determinando la

loro contrazione. Essi rappresentano, perciò, dispositivi protesici per stati patologici nei quali il

cuore non batte alla giusta frequenza o in modo fisiologico. Gli impulsi elettrici sono generati da

circuiti elettronici interni al dispositivo e vengono trasmessi al cuore tramite elettrocateteri che

terminano con elettrodi posizionati sulle cellule cardiache. I circuiti elettronici del pacemaker che

generano l’impulso sono contenuti in una custodia, normalmente in acciaio inox o di titanio, che

viene impiantata per via chirurgica sotto cute nella sacca clavicolare destra o in zona addominale.

Il pacemaker cardiaco è normalmente usato in pazienti affetti da bradicardia, cioè coloro che hanno

una frequenza cardiaca bassa. In questo caso il pacemaker funge da segnapassi e stimola il cuore a

contrarsi alla giusta frequenza.

Anche in caso di conduzione anomala dello stimolo, tra le camere cardiache, si rende necessario

l’impianto di un pacemaker. In particolare, quando l’impulso generato dal nodo senoatriale fa

contrarre gli atrii ma non raggiunge le cellule ventricolari, si parla di blocco atrioventricolare. Si

conoscono 3 tipi principali di blocchi:

- Il blocco di 1° Grado è caratterizzato da un ritardo nell’arrivo dell’impulso ai ventricoli. Il

termine blocco è improprio dal momento che comunque ogni impulso che parte dagli atrii

raggiunge i ventricoli. Sul tracciato ECG si manifesta come un aumento dell’intervallo PR;

- Il blocco di 2° Grado è caratterizzato da un difetto di conduzione verso i ventricoli: l’impulso,

che proviene dal nodo senoatriale, raggiunge il nodo atrioventricolare ma non produce la

depolarizzazione dei ventricoli. Sul tracciato ECG vi è la presenza dell’onda P ma solo

saltuariamente questa è seguita dal complesso QRS. Tale conduzione conduce ad un arresto

cardiaco;

- Il blocco di 3° Grado è caratterizzato da un difetto di conduzione come in quello di 2° Grado,

ma è aggravato dal fatto che i ventricoli possono contrarsi autonomamente

indipendentemente dagli atrii. Nel tracciato ECG possono dunque essere presenti complessi

QRS non preceduti da onda P. Tale condizione è, ovviamente, la più grave.

Grazie all’impianto del pacemaker è possibile stimolare la contrazione dei ventricoli e permettere

quindi la giusta irrorazione di sangue in tutto il corpo. Inoltre tecniche più avanzate permettono di

stimolare la contrazione nel momento in cui parte un impulso dal nodo senoatriale e solo quando

questo non viene trasmesso ai ventricoli. In questo modo si ripristina l’attività cardiaca in maniera

quanto più simile a quella fisiologica.

Nuovi sviluppi dei pacemaker permettono di trattare anche pazienti con tachicardie o particolari tipi

di aritmie.

Componenti di un Pacemaker

Un pacemaker è costituito sostanzialmente da 3 componenti:

- I circuiti elettronici contenuti nella carcassa, necessari a generare gli impulsi elettrici con la

giusta frequenza;

- Cateteri per la trasmissione dell’impulso verso il cuore;

- Elettrodi che costituiscono l’interfaccia con le cellule cardiache.

Circuiti Elettronici

I circuiti elettronici sono la parte fondamentale del pacemaker che permettono la generazione e la

giusta temporizzazione degli impulsi elettrici da dare al cuore. Essi sono composti da:

- un blocco di alimentazione, tipicamente una batteria di pile, che fornisce energia ai circuiti;

- un circuito di temporizzazione, composto da circuiti logici complessi, microprocessori e altre

componenti e permette di generare l’impulso elettrico all’istante opportuno;

- un circuito elettrico di uscita il quale genera l’impulso e lo trasferisce agli elettrocateteri per

la trasmissione al cuore.

Lo scema circuitale di un pacemaker è il seguente: 3

il transistor T viene utilizzato come un interruttore ed è comandato dal circuito di temporizzazione:

quando tra base ed emettitore è applicata una tensione elevata, il transistor è in saturazione e si

comporta da interruttore chiuso, mentre se la tensione è bassa il transistor è interdetto e si

comporta come un interruttore aperto.

Quando il transistor è interdetto la corrente continua proveniente dalla batteria arriva sulla capacità

C che si carica fino a raggiungere la tensione impressa dalla batteria. Quando il circuito di

temporizzazione prevede l’invio di un impulso applica una tensione sulla base del transistor e lo

porta in conduzione. In questo modo la corrente della batteria attraversa il transistor e non arriva

al condensatore. Di conseguenza, il condensatore si scarica, attraverso gli elettrodi, sul cuore.

L’impulso che arriva al cuore è quindi la scarica di un circuito RC, ovvero ha un andamento

= .

esponenziale decrescente con costante di tempo 4

Poiché la durata dell’impulso è minore della costante di tempo del circuito allora esso può essere

schematizzato come un impulso rettangolare.

L’impulso può essere equivalentemente di corrente o di tensione perché il carico è puramente

resistivo e avrà quindi gli stessi effetti. Tipicamente si generano impulsi a tensione costante, con

valore tra 5 V e 5,5 V.

Stabilire quali sono i valori di tensione e durata dell’impulso è una delle operazioni più importanti in

fase di impianto del pacemaker. Questi valori devono essere tali da stimolare le cellule cardiache

del paziente, ovvero bisogna che l’impulso si trovi al di sopra della curva intensità – durata di tali

cellule. Tale curva può essere diversa da paziente a paziente e può variare per stati patologici

differenti, va quindi stimata dal medico per ogni paziente. Questo procedimento avviene collegando

agli elettrodi, posti sul cuore, un pacemaker esterno che possiede delle manopole con cui è possibile

regolare la durata e l’intensità dell’impulso.

Innanzitutto, il medico fornisce un impulso ad elevata intensità tale da stimolare sicuramente il

cuore, poi riduce l’intensità fino a trovare i valori limite per i quali c’è ancora stimolazione che,

quindi, si trovano sulla curva intensità – durata del paziente. Tale operazione si effettua anche con

altri valori di durata dell’impulso in modo da individuare più punti della curva e poterla quindi

ricostruire. La curva viene ricostruita come un’iperbole equilatera traslata verso l’alto di un valore

che rappresenta la soglia di intensità minima per avere stimolazione (valore di reobase).

Una volta stimata la curva si possono stabilire i parametri dell’impulso in modo da avere

stimolazione del cuore. Poiché la curva è soggetta a variazioni anche nel corso della giornata, il

medico, per sicurezza, sceglie dei valori in modo da porsi due, o tre volte, sopra la soglia di

stimolazione. 5

Inoltre si cerca di minimizzare l’energia dell’impulso in modo da prolungare la durata della batteria

del pacemaker. Ipotizzando l’impulso rettangolare, ovvero a corrente e tensione costante, la sua

energia è data da: 2

=∙∙ =

è la durata dell’impulso, inoltre il secondo passaggio è giustificato dal fatto di avere un carico

puramente resistivo, dunque, la legge di Ohm lega corrente e tensione applicata.

Si possono variare i parametri V e T dell’impulso in modo da rendere minima questa energia, in

particolare si è visto che questa condizione è verificata per una durata di circa 0.5 ms.

Punto di

minima

energia

dell’

impulso

Esercizio sulla durata della batteria.

Cateteri ed Elettrodi

Poiché nella maggior parte dei pacemaker i circuiti di generazione degli impulsi sono posizionati

lontano dal cuore è necessario utilizzare un elettrocatetere che consenta un adeguato collegamento

elettrico per trasmettere lo stimolo al cuore ed applicarlo in posizione opportuna. Gli elettrocateteri

sono speciali cateteri che permettono la conduzione elettrica e che terminano con un elettrodo per

l’applicazione dell’impulso alle cellule cardiache.

Tali componenti, oltre ad assicurare un’appropriata conduzione elettrica, devono essere anche

robusti da un punto di vista meccanico. Un altro requisito degli elettrocateteri è che essi devono

essere ben isolati, infatti se ciò non accade, ogni volta che si verifica un difetto di isolamento è

possibile che sia prodotta una stimolazione del tessuto nelle sue vicinanze. Inoltre, ciò comporta

una perdita di energia nell’impulso che deve raggiungere il cuore.

Per soddisfare questi requisiti, l’elettrocatetere è realizzato da un conduttore multifilare avvolto a

spirale, circondato da un cilindro di gomma siliconica o di poliuretano. La forma spiraliforme fornisce

al conduttore doti di resistenza alle sollecitazioni meccaniche e la struttura multifilare tutela contro

guasti del pacemaker dovuti a rottura di un singolo filo metallico. Il rivestimento di gomma siliconica

assicura la flessibilità del catetere, garantendo eccellenti caratteristiche di isolamento elettrico e

biocompatibilità.

I pacemaker cardiaci possono essere di tipo unipolare o bipolare. In un dispositivo unipolare

l’elettrocatetere termina con un singolo elettrodo (catodo) che viene posto in contatto col cuore,

l’elettrodo di ritorno (anodo) si trova in un’altra parte del corpo, in genere è costituito dalla carcassa

metallica dei circuiti elettronici del pacemaker. Nel sistema bipolare tutti e due gli elettrodi sono

all’interno del cuore e la stimo

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