Esercitazioni ingegneria clinica

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

e 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-neturo.

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 il paziente viene separato dalle

fatti scorrere in tubi metallici che vengono apparecchiature dall’alimentazione. In

collegati a terra. In questo modo, le correnti questo modo, le correnti di interferenza si

indotte si disperdono a terra dal tubo disperdono a terra dalla gabbia, e il campo

metallico, e non vanno a interessare il elettrico interno è nullo o uniforme.

paziente. 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.

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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 due violazioni delle norme:

1. le parti applicate non sono isolate da terra,

2. il paziente fa parte di una spira chiusa, quindi in esso può passare corrente, per

esempio a causa di guasti o a causa di un’interazione con un campo magnetico, come è

ipotizzato in figura.

Si ipotizza che il paziente sia cateterizzato, quindi che ci sia il rischio di micro shock.

Si hanno le resistenze:

= resistenza del soggetto

= resistenza dei due elettrodi

≅ resistenza di terra

= R + R + R + R = 500 Ω + 10 kΩ + 10 kΩ + 0 kΩ ≅ .

s el el T

Sapendo che in condizioni di micro shock corrente di fibrillazione

i = 100 μA

fibr 9

E che le norme per le apparecchiature di tipo CF impongono:

 i < 10 μA in condizione di funzionamento normale

disp

 i < 50 μA in condizione di primo guasto

disp

OSS: gli apparecchi riportati in figura non sono di tipo CF.

Si impone

= 0.1 mA garanzia che non si producono danni in un paziente cateterizzato

Si ha:

FEM < i ∗ R < 10 μA ∗ 20.5 kΩ = 0.2 V

s eq

quindi ci si trova in una situazione estremamente pericolosa.

Possibili oluzioni

Si potrebbe risolvere il problema in parte schermando i conduttori, ma resta comunque il

perico