Amplificatori di biopotenziali
Amplificatori di biopotenziali
Amplificatori per segnali bioelettrici
Sono essenzialmente gli stessi ma devono soddisfare a delle specifiche leggermente differenti
Parametri fisiologici
Tecnica o parametro di misura
Intervallo Frequenza, Hz Metodo di misura
Elettrocardiografia 0.5 - 4 mV 0.01 - 250 Elettrodi di superficie
Elettroencefalografia 5 - 300 V 0.5 - 150 Elettrodi di superficie
Elettromiografia 0.1 - 5 mV
50 – 3000 V
0 - 10000
0.1 - 300
Elettrodi ad ago
Elettrodi di superficie
Elettroretinografia 0 - 900 V 0 - 50 Elettrodi di contatto
Frequenza di respiro 2 - 50 respiri/min 0.1 – 10 Strain gage sul petto, impedenza o termistore nasale
Temperatura 32 - 40 °C 0 - 0.1Termistori, termometri, termocoppie
Elettrocardiogramma
L’attività elettrica del cuore è rappresentata da un vettore dipolo elettrico.
a1
a2
a1
M
+
Traccia ECG
Onda P: depolarizzazione atrialeComplesso QRS: depolarizzazione ventricolare, che maschera la ripolarizzazione atrialeOnda T: ripolarizzazione ventricolare
Fenomeno Elettrico1. depolarizzazione2. ripolarizzazione
Fenomeno Meccanico1. sistole (contrazione)2. diastole (rilassamento)
Specifiche dell’amplificatore
• Risposta differenziale:– tra coppie di elettrodi (bipolari), tra un elettrodo e un punto di
riferimento (unipolari)• Alta impedenza d’ingresso:
– minimo carico sul segnale da misurare• almeno 10 M
• Risposta in bassa frequenza:– massimizzazione di SNR
• Alti guadagni:– elevare opportunamente il segnale di uscita
• almeno 103
• Alti CMRR:– minimizzare artefatti dovuti ai segnali di modo comune
• Circuiti di isolamento e di protezione:– paziente– circuito
ElettrocardiografoRight legelectrode
Controlprogram
Microcomputer
ECG analysisprogram
Operatordisplay
Keyboard
Drivenright legcircuit
Amplifierprotectioncircuit
Leadselector
Sensingelectrodes
Lead-faildetect
Preamplifier
Autocalibration
Baselinerestoration
Isolatedpowersupply
Isolationcircuit
Driveramplifier
Recorder-printer
ADC Memory
Blocchi funzionali
• Cavo paziente: connette il paziente all’elettrocardiografo
• Segnale di calibrazione: 1 mV
• Preamplificatore: alta impedenza d’ingresso, alto CMRR, alto guadagno (variabile)
• Circuito di isolamento: isola il paziente dalla tensione di rete
• Circuito di pilotaggio della gamba destra: elimina il segnale di modo comune
• Amplificatore di pilotaggio: pilota lo strumento che visualizza il segnale, accoppiato in ac per eliminare la tensione di offset amplificata dal preamplificatore, in uscita presenta un filtro passa-basso
Elettrocardiografo
Problemi incontrati frequentemente
• Distorsione in frequenza: le distorsioni in alta frequenza smussano gli spigoli e diminuiscono l’ampiezza dei complessi QRS, le distorsioni in bassa frequenza riguardano invece i segnali in continua
• Distorsioni di dinamica: tensioni di offset, ampiezza del complesso QRS (sia in positivo che in negativo)
• Percorsi di massa: paziente connesso a due apparecchiature medicali, se le due masse si trovano a potenziale differente una corrente scorre attraverso il paziente: problemi di sicurezza e di segnale di modo comune
• Artefatti causati da transienti: impulso di alta tensione per defibrillazione cardiaca, movimento degli elettrodi
• Interferenze dall’alimentazione
• Interferenze da altre sorgenti
• Interruzione cavo-paziente
Ingresso elettrocardiografo
Pre-amplificatore
Caratteristiche del pre-amplificatore:
basso rumore accoppiato direttamente agli elettrodi bassa corrente di polarizzazione alta impedenza di ingresso
Caratteristiche dell’intero stadio utilizzante op-amp A776:
40 V picco-picco di rumore CMRR 80 dB a 100Hz banda: 0.04-110 Hz guadagno 25X32
Recupero dell’isoelettrica
commutazione delle derivazioni
circuiti per il recupero dell’isoelettrica
saturazione degli op-amp
Circuito per il recupero dell’isoelettrica
Cortocircuita per un breve tempo il segnale utile verso massa per evitare il danneggiamento dell’equipaggiamento mobile del galvanometro e ripristinare istantaneamente l’isoelettrica
C
+V
Protezione dei circuiti
impulso di carica elettrostatica che si scarica attraverso il paziente
circuiti di protezione
Circuiti di protezione
Problemi
Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme
prima del monitoring
ee Rn
nR
2
2
1'
1
1ln'2 CRT e
21
2
RR
R
Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme
durante il monitoring
Interferenze
Problemi
alimentazione
(a) interferenza a 50 Hz (b) interferenza elettromiografica sull’ECG.
accoppiamentocapacitivo
induzionemagnetica
Accoppiamento capacitivo
2211 ZiZivv ddBA
21 dd ii
)( 211 ZZivv dBA
E’ presente anche in assenza di corrente
Elettrocardiografo
A
Alimentazione
B
G
C3C1
Z1
Z2
ZG
C2
Id1
Id2
Id1+ Id2
alimentazione e cavi, alimentazione ed elettrocardiografo
C3 non causa interferenza
Se id1~ 9 nA e Z1-Z2 ~ 20 k
VknAvv BA 120)20)(6( !
Schermo con cavo coassiale o triassiale
Problemi
Problemi
Accoppiamento capacitivo
Gdbcm Ziv
mVkAvcm 10)50)(2.0(
)(21 ZZ
Z
ZZ
Zvvv
in
in
in
incmBA
alimentazione e paziente
Elettrocardiografo
Alimentazione
A
Zin
Z1
Cb
idb
ZG
Z2
cm
B
G
Zin
cm
cm
idb
)( 12
incmBA Z
ZZvvv
se Z1, Z2 << Zin
VMkmVvv BA 40)5/20)(10(
Zin include una parte capacitiva
Circuito di pilotaggio della gamba destra
0viRv dRLcm
id
Ra
RRL
Ra
Rf
RoAuxiliaryop amp
+
+
+
RL
4
cm
3
+
+
RRL
id
Ro
Rf
id o/Rf2cm/Ra
Ra/2
ocm
cm
cma
f vR
Rv
20
02 0
fa
cm
R
v
R
v
a
f
dRLcm
RR
iRv
21
Problemi
Riduce i problemi di modo comune
Induzione magnetica
Problemi
Tensione indotta proporzionale all’intensità del campo magnetico e all’area della spira
In presenza di corrente
Possibili soluzioni:
riduzione del campo magnetico tramite l’uso di opportuni schermi
allontanare i cavi e l’elettrocardiografo dalla sorgente di campo magnetico
ridurre l’area effettiva della spira
Interferenze da sorgenti differenti
• Interferenze elettromagnetiche: (prodotte da radio, televisione, macchine a raggi X, relays, sfarfallio delle lampade fluorescenti) possono essere raccolte e rettificate dalle giunzioni p-n del transistor o dall’interfaccia elettrodo-elettrolita sul paziente
Problemi
capacità di 200 pF all’ingresso dell’amplificatore dell’ECG
• Segnale elettromiografico: (prodotto dalle contrazioni dei muscoli tra gli elettrodi) può essere raccolta dal filo dell’ECG e essere registrato sul tracciato ECG
può essere isolato perché corrisponde ad un movimento visibile !
Amplificatori di segnali intracellulari
potenziali dell’ordine di 50÷100 mV impedenze degli elettrodi elevate (1÷100 M) capacità degli elettrodi elevate segnali dalla dc a ~10 kHz
iVif
i vAdtiC
v1
Caratteristiche dei segnali:
Rs
o
vi viAviAv
Cf
ii Cf
+
+
++
+
+
CsEs
Amplificatore con capacità d’ingresso negativa: controreazione positiva
dti
CAv i
fVi )1(
1
fVs
fVs
CAC
CACC
)1(
)1(
Cardiotachimetri
Determinano la velocità del battito cardiaco
Cardiotachimetri mediati: contano il numero di impulsi in un intervallo di tempo noto
Cardiotachimetri istantanei: determinano l’inverso dell’intervallo di tempo tra battiti per ciascun battito e lo mostrano come velocità del battito cardiaco per quell’intervallo di tempo
Cardiotachimetri istantanei
i=v/R=k/TR
Integratori dell’attività muscolareQuantificano l’attività muscolare (EMG) misurata da un particolare sistema di elettrodi
Switch
Circuitoper il valore
assoluto
Multivibratore monostabile
Comparatore
CEMG
Integratore
+
R
P1
vt1
Contatore
2
3