Strumentazione Biomedica - Biofisica

Biofisica e Tecnologie Biomediche

Strumentazione

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E.C.G Questo tipo di strumento è il primo ed

il più semplice utilizzato nella

E’

moderna medicina. un

elettrometro le cui prime applicazioni

risalgono al 1887. Serve a misurare la

distribuzione delle eccitazioni

elettriche che agiscono sul muscolo

cardiaco. Queste eccitazioni

producono un potenziale elettrico che

viene rilevato in ben precisi punti

della superficie corporea.

Le variazioni nel tempo

dell’ampiezza e direzione di questo

potenziale elettrico vengono riflesse

in alterazioni della differenza di

potenziale misurata nei siti prestabiliti

della superficie corporea.

Gli elettrodi di misura sono

posizionati alle estremità delle mani,

del piede sinistro, e di una serie di 6

elettrodi disposti sulla parete toracica

esterna in prossimità del muscolo

Strumentazione cardiaco.

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E.C.G la disposizione degli elettrodi posti

sulla parete toracica esterna in

corrispondenza della pompa cardi-

aca è indicata in figura.

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E.C.G Nel triangolo di Einthoven sono riportati i

segnali di V , V e V dove:

I II III

Φ –Φ

V =

I L R

Φ –Φ

V =

II F R

Φ –Φ

V =

III F L

Il circuito di Goldberger con

amplificazione sono riportati i segnali

di aV , aV e aV

R L F

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La formazione del segnale E.C.G

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La formazione del segnale E.C.G

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La formazione del segnale E.C.G

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E.E.G Utilizzato per la prima

volta da Hans Berger a

Jena nel 1924.

L’attività del cervello è

suddivisa in tre categorie:

1. Attività spontanea

2. Potenziali evocati

3. Eventi bioelettrici provo-

cati da un singolo neurone.

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Anatomia del Cervello Gli impulsi di azione

generati dai neuroni sensori

dei terminali distali si

propagano dapprima nelle

cellule corporee prossimali;

quindi, in avanti lungo gli

assoni, convergono in

ascensione lungo la corda

spinale fino alla parte infe-

riore del sistema nervoso

centrale. Qui i segnali sono

ceduti ad altri neuroni che

a loro volta li cedono in

avanti. Dopo tre o quattro

cessioni il segnale raggiun-

ge una particolare locazio-

ne della corteccia cerebrale.

La complessità di questi

processi non è ben nota

anche se siamo in grado di

stabilire le aree finali degli

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Le Funzioni del Cervello

La gran parte delle informazioni dagli organi sensoriali vengono comunicate al cervello attraverso la corda

spinale. Vi sono, sia a livello della corda spinale che del cervello, tratti particolari che gestiscono le varie

modalità.

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E.E.G.

Il polo di riferimento si pone sul lobo auricolare

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LASER

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

’60

La fisica quantistica nei primi anni fornì un contributo importante alla

tecnologia: il laser. Il laser ha aperto un nuovo campo di ricerca ed applicazioni

l’interazione

riguardante tra fotoni e materia.

Laser= dispositivo capace di generare un fascio intenso e molto stretto di luce

monocromatica coerente. COERENTE tutte le parti di una stessa sezione

normale al fascio hanno la stessa fase.

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E’ basato sulla teoria quantistica.

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Un atomo può assorbire un fotone se e solo se la sua energia hν corrisponde alla

differenza di energia tra un livello energetico occupato ed un livello eccitato

libero.

l’atomo

Se si trova già in uno stato eccitato può naturalmente passare in modo

all’emissione

spontaneo ad uno stato inferiore dando luogo di un quanto di luce

l’atomo

(fotone). Tuttavia, se eccitato viene investito da un fotone della stessa

l’atomo

energia questo è in grado di stimolare e provocarne più prontamente la

transizione allo stato inferiore. Questo fenomeno si definisce emissione stimolata

dall’emissione)

ed i due fotoni (quello originale e quello prodotto viaggiano

paralleli ed in fase. In questo modo si produce la luce coerente in un Laser.

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Normalmente la maggior parte degli atomi è nello stato fondamentale quindi i

fotoni incidenti sono per lo più assorbiti. Per ottenere luce coerente si devono

soddisfare due condizioni: per prima cosa gli atomi si devono trovare nello stato

l’emissione

eccitato (inversione di popolazione) in modo tale che di fotoni prevalga

sull’assorbimento. In secondo luogo lo stato superiore deve trovarsi in stato

metastabile in cui gli elettroni permangono più a lungo del normale, in modo che la

transizione allo stato inferiore avvenga per emissione stimolata piuttosto che

spontaneamente.

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LASER

LASER = Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation

E’ basato sulla teoria quantistica. Un fotone può cedere energia ad un atomo se la sua

energia hν è esattamente uguale alla differenza di energia tra lo strato occupato e quello

l’atomo,

eccitato libero. Se invece che è sceso da uno stato eccitato ad uno metastabile, può

–

passare allo stato fondamentale più immediatamente - se viene investito da un fotone con

stessa energia dello stato metastabile. Questa emissione si definisce emissione stimolata ed i

due fotoni viaggiano paralleli ed in fase. In questo modo si produce luce coerente in un

Laser.

Gli atomi si trovano prevalentemente nello stato fondamentale per cui bisogna eccitarli

l’emissione sull’assorbimento –

affinché prevalga inversione di popolazione -. Inoltre gli

atomi eccitati si devono trovare in stato metastabile per permettere che la emissione

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avvenga solo per stimolazione.

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LASER Ogni elemento chimico ha un suo stato

fondamentale caratterizzato dai suoi

numeri quantici. Questo non esclude

che ci siano stati eccitati nei quali

spostare gli elettroni dai loro orbitali di

origine ad orbitali superiori. Gli stati

eccitati sono prodotti da fenomeni

termici o di scarica elettrica nel mezzo

l’elemento,

contenente hanno una

durata temporale breve e scendono allo

stato fondamentale o a livelli eccitati a

l’emissione

minor energia con di fotoni.

dell’elemento

Si da luogo così a spettri di emissione tipici sottoposto ad eccitazione, nel caso sopra

l’idrogeno.

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a sn si hanno gli spettri per

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LASER

Dentro un tubo lungo e stretto è contenuta un particolare materiale. Ai capi del laser



esistono due specchi, uno semitrasparente (1 2 %). Un atomo che si diseccita produce un

effetto a catena di emissioni coerenti trasmettendo, fuori dello specchio semitrasparente,

luce laser.

La tecnica di eccitazione e la sostanza contenuta caratterizzano il tipo di Laser.

quest’ultimi

Nel laser a rubino (Al O ) una piccola parte di Al è sostituita da Cr e sono a

2 3

l’effetto

produrre laser. Con una energica azione di pompaggio possiamo ottenere una



popolazione invertita. Infatti gli atomi eccitati da forti lampi di luce a = 550 nm (fotoni

da 2,2 eV) passano nel livello E (pompaggio ottico) da questo decadono a E dove

2 1

-3 -8

permangono 3*10 sec (stato metastabile) quindi a E in 10 sec. Quando gli atomi

0

decadono dallo stato E sotto stimolazione danno luogo alla luce laser. La luce laser, per le

1

sue caratteristiche di coerenza e di collimazione, difficilmente si disperde e per le

dell’assorbimento

caratteristiche fotonico cede energia, anche grande, solo a particolari

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sostanze che hanno una frequenza di eccitazione molto vicina a quella della luce laser.

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LASER

Nel laser ad Elio-Neon (He - Ne) nel tubo sono contenuti i due gas (15% He e 85% Ne).

un’alta

Con tensione si provocano delle scariche elettriche nei gas (effetto pompaggio) che

invertono la popolazione degli atomi mettendoli in gran parte nello stato eccitato . Gli

atomi di He vanno in eccitazione con un salto quasi identico a quelli di Ne. Gli atomi di He

E’

frequentemente per urti cedono la loro energia al Ne che va nello stato , la cui

3

E’

differenza di energia è dovuta dal moto browniano. In tal modo lo stato è più popolato

3

dell’ E’ l’effetto

. Questa inversione di popolazione è sfruttata per laser.

2

L’eccitazione –

degli atomi di un laser può avvenire con continuità o ad impulsi Laser

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ad impulsi e Laser continuo -.

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LASER

La tecnologia Laser ha numerosissime applicazioni sia in campi medici che

industriali.

E’ utilizzato come utile strumento in chirurgia (bisturi) in quanto taglia in modo

molto sottile e contemporaneamente cicatrizza. Il fascio collimato ed intenso può

servire a distruggere i tessuti in area localizzata, o a frantumare calcoli biliari e

calcoli renali. Grazie al calore sviluppato, il fascio laser può essere utile a saldare

tessuti lacerati, come il distacco della retina. In alcuni tipi di chirurgia interna il

fascio laser viene condotto attraverso una fibra ottica fino alla zona interessata per

l’intervento (rimozione della placca interna delle arterie umane). I fasci laser sono

utilizzati per distruggere cellule cancerose e contemporaneamente il calore

ostacola la diffusione della malattia.

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L’intenso calore prodotto su aree molto piccole è utile anche a saldare metalli e a

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perforare finemente materiali duri.

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Ecografia

Ecografo = apparecchiatura medica che utilizza gli ultrasuoni per ottenere delle immagini

I suoni sono delle vibrazioni meccaniche longitudinali che hanno bisogno di un mezzo in cui

dall’orecchio

propagarsi. I suoni sono percepibili umano tra 20 e 20kHz

–

Oltre 50 kHz parliamo di ultrasuoni numerosi animali percepiscono gli ultrasuoni.

l’impiego –

In medicina degli ultrasuoni è tra 1 e 10 Mhz la gran parte degli ecografi

funziona con trasduttore che vibra a 3,5, 5 o 7 MHz.

L’apparecchio che emette gli ultrasuoni si definisce trasduttore. Il trasduttore è costituito

da materiale piezoelettrico, che emette dei treni di vibrazioni spegnendosi nel tempo intercorrente.

Nella fase di spento il trasduttore fa da ricevente per i segnali riflessi dai bersagli di interesse

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(interfacce). Il trasduttore trasforma un impulso elettrico in vibrazioni nelle frequenze del sonoro e

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viceversa. Biofisica e Tecnologie Biomediche

Ecografia

La velocità con cui gli ultrasuoni viaggiano nel corpo umano è vicina agli 1540 m/sec per

=   

cui essendo 3,5 Mhz con = v/ = 0,44 mm massima risoluzione possibile.

Pertanto frequenze più alte = miglior risoluzione spaziale, ma massima riflessione ed

Mhz→0,22mm). All’aumentare

assorbimento (5 Mhz→0,32; 7 delle frequenza aumenta

l’assorbimento per cui si perdono le riflessioni dovute a interfacce profonde.

un’onda

Sappiamo che quando attraversa una superficie di separazione viene in parte

dell’ultrasuono,

riflessa in parte rifratta. Tenuto conto della velocità esso impiega un

–

millesimo di secondo per attraversare 70 cm andata e ritorno - ; pertanto in un secondo si

l’impressione

possono emettere 1000 pulsazioni che in ricezione daranno di una immagine

continua sullo schermo

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Ecografia

l’interfaccia

Se vi è di un tessuto più denso il segnale viene riflesso di più

(iperecogeno) se invece la interfaccia è di una struttura meno densa, il segnale è

meno riflesso (ipoecogeno). Il tempo intercorrente tra emissione e rilevazione

dell’impulso riflesso(eco) è proporzionale alla profondità della interfaccia.

l’ampiezza l’apparecchio

Quando si valuta del segnale sta funzionando in A-

l’ampiezza

Mode. Se invece rendiamo del segnale riflesso proporzionale

all’intensità dei grigi abbiamo immagini che descrivono le densità dei tessuti

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attraversati (B-Mode).

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Terminologia Ecografica

-Anecogeno (con rinforzo acustico

posteriore) (cisti)

-Transonico

-Iperecogeno con attenuazione

posteriore del fascio ultrasonoro

(cono d’ombra) (calcoli)

-Ipereco