Transcript 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 - 0.1
Termistori, termometri,
termocoppie
Elettrocardiogramma
a2
M

a1
ua1
+
L’attività elettrica del cuore è rappresentata da un vettore dipolo elettrico.
Traccia ECG
Fenomeno Elettrico
1. depolarizzazione
2. ripolarizzazione
Fenomeno Meccanico
1. sistole (contrazione)
2. diastole (rilassamento)
Onda P: depolarizzazione atriale
Complesso QRS: depolarizzazione ventricolare, che maschera la
ripolarizzazione atriale
Onda T: ripolarizzazione ventricolare
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 MW
• 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
Elettrocardiografo
Right leg
electrode
Sensing
electrodes
Lead-fail
detect
Amplifier
protection
circuit
Lead
selector
Driven
right leg
circuit
ADC
Isolation
circuit
Preamplifier
Driver
amplifier
Isolated
power
supply
Auto
calibration
Baseline
restoration
Microcomputer
Operator
display
Control
program
Keyboard
ECG analysis
program
Memory
Recorderprinter
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
 saturazione degli op-amp
circuiti per il recupero dell’isoelettrica
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
2
 n1 
R    Re
 n2 
'
e
 1  

T  2 R'e C ln
 1  
R2

R1  R2
Interruzione cavo-paziente: circuiti di allarme
 durante il monitoring
Interferenze
 alimentazione
(a) interferenza a 50 Hz
accoppiamento
capacitivo
(b) interferenza elettromiografica sull’ECG.
induzione
magnetica
Problemi
Accoppiamento capacitivo
E’ presente anche in assenza di corrente
 alimentazione e cavi, alimentazione ed elettrocardiografo
C3 non causa interferenza
vA  vB  id1Z1  id 2 Z 2
Alimentazione
C2
Z1
Z2
Id1
C1
C3
id1  id 2
vA  vB  id1 (Z1  Z 2 )
A
Se id1~ 9 nA e Z1-Z2 ~ 20 kW
Id2
B
Elettrocardiografo
vA  vB  (6nA)(20kW)  120V !
G
ZG
Id1+ Id2
Schermo con cavo coassiale o triassiale
Problemi
Accoppiamento capacitivo
 alimentazione e paziente
Alimentazione
vcm  idb ZG
Cb
idb
vcm  (0.2A)(50kW)  10mV
Elettrocardiografo
Z1
ucm
A
ucm
Zin
B
Z2
v A  vB  vcm (
Z in
Z in

)
Z in  Z1 Z in  Z 2
se Z1, Z2 << Zin
Zin
ucm
G
ZG
idb
v A  vB  vcm (
Z 2  Z1
)
Z in
vA  vB  (10mV)(20kW / 5MW)  40V
Zin include una parte capacitiva
Problemi
Circuito di pilotaggio della gamba destra
id
Riduce i problemi di modo comune
u3

+
2vcm v0

0
Ra
Rf
Ra

Ra
u4
+
Rf
v0  
ucm
Auxiliary
op amp
RL
RRL

Ro
2R f
Ra
vcm
+
vcm  RRLid  v0
Rf
Ra/2
id
ucm
uo/Rf
2ucm/Ra
ucm
+

+
Ro
uo
RRLid
vcm 
R
1 2 f
Ra
RRL
id
Problemi
Induzione magnetica
In presenza di corrente
Tensione indotta proporzionale all’intensità del campo magnetico e all’area della spira
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
Problemi
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
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 !
Problemi
Amplificatori di segnali intracellulari
Caratteristiche dei segnali:




potenziali dell’ordine di 50÷100 mV
impedenze degli elettrodi elevate (1÷100 MW)
capacità degli elettrodi elevate
segnali dalla dc a ~10 kHz
Amplificatore con capacità d’ingresso negativa: controreazione positiva
Cf
ii
Rs
+
+
vi
+
Es

Cs
vi 
Cf
+
Av

vi
+
uo
Avui
+
1
Cf
 i dt  A v
i
1
vi 
(1  AV )C f
V i
 i dt
i
C  C s  (1  AV )C f
C s  ( AV  1)C f
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 muscolare
Quantificano l’attività muscolare (EMG) misurata da un particolare sistema di elettrodi
Contatore
P1
Multivibratore
monostabile
Switch
Comparatore
EMG
u1
Circuito
per il valore
assoluto
R
u2

+
C
Integratore
u3
vt