Modulo elettronica. Lezione 1.

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1 Modulo elettronica Lezione 1 11 giugno 2009

2 Lezione 3 Potenziali bioelettrici Correnti nel cuore ECG Il Pacemaker Il defibrillatore Correnti elettriche e corpo umano Sicurezza elettrica

3 Correnti elettriche all interno del corpo umano

4 Correnti elettriche e corpo umano Il passaggio della corrente elettrica attraverso il corpo umano può determinare numerose alterazioni e lesioni, temporanee o permanenti. La corrente elettrica produce un azione diretta sui vasi sanguigni, sul sangue, sulle cellule nervose (stato di shock); può determinare alterazioni permanenti nel sistema cardiaco, nell attività cerebrale, nel sistema nervoso centrale, può arrecare danni all apparato uditivo, a quello visivo, ecc.

5 Cenni di elettrofisiologia L'organismo animale è costituito da cellule al cui interno è presente una soluzione acquosa salina e da una matrice extracellulare che riempie gli spazi tra cellula e cellula, anch'essa assimilabile ad una soluzione salina. I sali presenti in queste soluzioni sono in forma di ioni: Na +, K +, Cl - ecc. Questi ioni sono presenti in concentrazione differente tra l'interno della cellula (maggiore concentrazione di K + ) e l'ambiente extracellulare (maggiore concentrazione di Na + ), e poiché questo comporta una differenza nella quantità di cariche positive e negative, si viene a creare una differenza di potenziale elettrica tra l'interno e l'esterno delle cellule, denominato potenziale di riposo. Nei mammiferi questa differenza di tensione è pari a circa - 70mV (negativa all'interno della cellula rispetto al potenziale esterno).se ad una cellula viene applicata per un istante una differenza di potenziale inversa a quella di riposo si ha un aumento del passaggio di ioni sodio verso l'interno, che porta ad un annullamento del potenziale indotto ed una successiva inversione. Il fenomeno, noto come potenziale d'azione, si manifesta se il potenziale applicato supera una soglia di eccitabilitàche diminuisce con l'aumentare del tempo di applicazione. Questo meccanismo è alla base della propagazione del segnale nervoso, della percezione degli stimoli e della contrazione muscolare. Alla luce di quanto detto si può capire come l'applicazione di una corrente elettrica ha l'effetto di interferire con i potenziali d'azione delle cellule nervose e muscolari alterando la trasmissione nervosa e inducendo la trasmissione ai muscoli di falsi stimoli di contrazione

6 Nella cellula Allo scopo di comprendere gli effetti della circolazione di una corrente elettrica nel corpo umano occorre considerare che in condizioni normali la cellula presenta un potenziale negativo all interno rispetto all esterno, il cosiddetto potenziale di riposo, di entità tutt altro trascurabile per una particella di tali dimensioni(70 mv nelle cellule nervose dei mammiferi). Dal punto di vista elettrotecnico la membrana cellulare può essere paragonata ad un condensatore, il potenziale d azione ad una pila, secondo lo schema: La resistenza R è inserita per indicare il fatto che la membrana non è perfettamente isolante, la capacità C rappresenta la membrana cellulare.

7 Impedenza della cellula L applicazione di una differenza di potenziale di durata ed ampiezza opportune determina un inversione delle polarità del condensatore secondo un andamento oscillante smorzato; l andamento del potenziale, anche detto potenziale d azione, è rappresentativo dello stato di eccitazione della cellula. Esercizio: potenziali d azione nella cellula e nei tessuti

8 Impedenza del corpo Dal punto di vista circuitale un corpo umano sottoposto a differenza di potenziale elettrico è visto come una impedenza, il cui valore varia in funzione del soggetto (varianza nella popolazione, bambini o adulti), delle condizioni della pelle (secca, bagnata, sudata) e dalla frequenza della tensione applicata. In conseguenza della legge di Ohm, la corrente circolante attraverso l'impedenza rappresentata dal corpo è direttamente proporzionale alla tensione applicata. Poiché gli effetti termici e biologici sono determinatiessenzialmente dall'intensità di corrente, si ha che la tensione elettrica non è un indice diretto della pericolosità dell'elettricità. Una sorgente di tensione elevata ma con limitata riserva di carica oppure impedenza elevata può non costituire un pericolo. È il caso delle scosse elettriche subite a volte scendendo da una automobile quando l'aria è secca, in cui la carica accumulata può raggiungere decine di migliaia di volt.

9 Potenziale d azione

10 Correnti elettriche esterne L ampiezza di uno stimolo esterno è in grado di eccitare la cellula è tanto più grande quanto minore è la sua durata. Se si considera una corrente alternata come un susseguirsi di impulsi, al crescere della frequenza f aumenta l intensità dello stimolo necessario per produrre l eccitamento della cellula; in una corrente ad alta frequenza la durata dello stimolo è talmente breve che la corrente non influisce praticamente sullo stato della cellula. Il campo di frequenze Hz è quello a cui corrisponde la maggiore pericolosità. La soglia di sensibilità (percezione), cioè il minimo valore di La soglia di sensibilità (percezione), cioè il minimo valore di corrente che produce una sensazione è all incirca 45 μa, ottenuto con elettrodi appoggiati sulla lingua, l organo più sensibile alla corrente elettrica, ad 1 cm di distanza. Un po meno sensibili sono le altre parti del corpo umano, sui polpastrelli delle dita si hanno ad esempio valori di soglia di 0,5 ma.

11 Terapia medica Una scarica elettrica opportunamente calcolata può essere utile per riportare il corpo umano in condizioni di equilibrio (e di corretto funzionamento). Ad esempio una scarica elettrica applicata attraverso il cervello (in particolari condizioni), è alla base della terapia elettroconvulsivante (elettroshock). La controversa tecnica è impiegata nel trattamento di alcuni disturbi neurologici. Altro esempio è nella trasmissione neuro-muscolare. Come una scarica elettrica può indurre fibrillazione, può altrettanto efficacemente interrompere una fibrillazione già in atto. La tecnica è largamente usata per il trattamento d'urgenza dell'arresto cardiaco per mezzo di appositi apparecchi medici detti defibrillatori. L'elettrobisturi sfrutta la peculiarità che una corrente elettrica di frequenza elevata non ha effetti sulla muscolatura ma produce esclusivamente effetti di natura termica, in questo caso sfruttati per tagliare e coagulare.

12 Il cuore Per quanto riguarda il sistema di eccitazione e di conduzione del potenziale d'azione troviamo due tipi di sviluppo del potenziale elettrico: uno riguarda le fibre atriali e ventricolari, un altro riguarda le cellule del nodo senoatriale (o cellule del pacemaker). Le fibre atriali e ventricolari devono comportarsi in maniera simile alle fibre muscolari, ma dovranno anche assicurare un alto rendimento della pompa cardiaca; il nodo seno-atriale si comporta in maniera diversa da qualsiasi altra fibra, poiché deve assicurare principalmente la generazione del potenziale d'azione.

13 Cellule pacemaker Nelle cellule pacemaker nasce il ritmo cardiaco vero e proprio. Per questo motivo il comportamento di dette cellule differisce in maniera consistente rispetto a quella di ogni altra cellula e conseguentemente il comportamento elettrico assume delle modalità particolari: esse non possiedono un vero e proprio potenziale di riposo. Tra un potenziale d'azione ed un altro si registra una progressiva depolarizzazione della cellula partendo da un valore di circa -65 mv, la depolarizzazione prosegue verso lo zero, come se dovesse raggiungere un potenziale di riposo, ma prima che si possa stabilizzare raggiunge il potenziale soglia (-50 mv), dopo il quale parte il picco del potenziale d'azione.

14 Conduzione elettrica nel cuore Il cuore è un tessuto che crea e conduce un impulso elettrico dagli atri a tutto il corpo ventricolare del cuore, creando così la contrazione adatta a perfondere col sangue tutto l'organismo. È possibile schematizzarlo con un pacemaker autonomo, il nododel seno atriale (SA), un relais, il nodoatrioventricolare (AV), che rallenta la conduzione elettrica per far contrarre atri e ventricoli consequenzialmente, e il fascio di His, che diffonde il messaggio alla contrazione ai ventricoli. Il cuore ha l'intrinseca capacità di originare gli impulsi contrattili e ciò accade a livello del sistema di conduzione, costituito da fibre miocardiche specializzate. L'innervazione di quest'organo è pertanto necessaria soltanto per modulare gli impulsi del sistema di conduzione. L'attività del sistema di conduzione è valutabile mediante elettrocardiogramma (ECG).

15 Trasmissione dell impulso depolarizzante In condizioni fisiologiche: Nodo SA: origine dell'impulso vie internodali: ritardo 0,003 secondi Nodo AV: ritardo 0,09 secondi Fascio AV di His: ritardo 0,04 secondi Ritardo pre ventricolare: 0,16 secondi sistema ventricolare di Purkinje: ritardo 0,03 secondi circa endocardio e miocardio: ritardo 0,03 secondi Ritardo post ventricolare: 0,06 secondi Totale ritardo dell'impulso: 0,22 secondi (220msec)

16 Elettrocardiogramma (ECG)

17 Tracciato cardiaco (I) Il principio su cui si basa la misurazione dell'attività elettrica del cuore è prettamente fisiologico: l'insorgere degli impulsi nel miocardio porta alla generazione di differenze di potenziale (in seguito ddp), che variano nello spazio e nel tempo e che possono essere registrate tramite degli elettrodi. La registrazione della ddp da parte di elettrodi posti sulla superficie corporea avviene grazie alla conducibilità dei liquidi interstiziali del corpo umano. Il tracciato elettrocardiografico rappresenta il metodo più facile, meno dispendioso e più pratico per osservare se l'attività elettrica del cuore è normale oppure se sono presenti patologie di natura meccanica o bioelettrica. Il normale tracciato ECG presenta un aspetto caratteristico che varia soltanto in presenza di problemi. Il tracciato è caratterizzato da diversi tratti denominati onde, positive e negative, che si ripetono ad ogni ciclo cardiaco.

18 Tracciato cardiaco (II) Onda P: è la prima onda che si genera nel ciclo, e corrisponde alla depolarizzazione degli atri. È di piccole dimensioni, poiché la contrazione degli atri non è cosi potente. La sua durata varia tra i 60 e i 100 ms. Complesso QRS: si tratta di un insieme di tre onde che si susseguono l'una all'altra, e corrisponde alla depolarizzazione dei ventricoli. L'onda Q è negativa e di piccole dimensioni; la R è un picco molto alto positivo; la S è un'onda negativa anch'essa di piccole dimensioni. La durata dell'intero complesso è compresa tra i 60 e 90 ms. In questo intervallo avviene anche la ripolarizzazione atriale che però non risulta visibile perché mascherata dalla depolarizzazione ventricolare. Onda T: rappresenta la ripolarizzazione dei ventricoli. Non sempre è identificabile, perché può anche essere di valore molto piccolo. Onda U: è un'onda che non sempre è possibile apprezzare in un tracciato, dovuta alla ripolarizzazione dei muscoli papillari. Il tracciato ECG viene compilato su carta millimetrata, che scorre nell'elettrocardiografo ad una velocità di 25 mm al secondo, quindi cinque lati di quadrati da 5 mm rappresentano 1 secondo. È quindi facile immaginare come si può immediatamente ricavare la frequenza cardiaca, valutando quanto tempo passa tra un ciclo e l'altro (si misura il tempo intercorso tra due complessi QRS). A solo titolo di esempio se abbiamo un complesso ogni 4 quadrati da 5 millimetri, significa che la nostra frequenza è attorno ai 75 battiti al minuto. Ovvero, visto che ogni quadrato da 5 mm corrisponde a 0.2 sec e, quindi, 4 quadrati a 0.8 sec, basterà dividere 60 sec (1 minuto) per 0.8 sec per ottenere la frequenza di 75 battiti al minuto, appunto.

19 Dipolo cardiaco Il vettore dipolo è un artifizio matematico per semplificare e capire il problema della conduzione elettrica cardiaca. Il vettore dipolo, è un vettore che ha verso che va dall'elettrodo negativo al positivo, direzione parallela alla congiungente degli elettrodi e modulo proporzionale alla differenza di potenziale che si genera tra gli elettrodi. Gli elettrodi rilevano la proiezione del vettore dipolo sulla propria congiungente, di conseguenza due elettrodi paralleli al vettore misurano la differenza di potenziale massima, due elettrodi perpendicolari non misurano nulla Possiamo considerare il cuore, dal punto di vista elettrico come un dipolo. Prendiamo una fibra miocardica, isoliamola, poniamo due elettrodi (A e B) all'inizio e alla fine della fibra; gli elettrodi vengono collegati ad un voltmetro per misurare la differenza di potenziale. Quando siamo in condizioni di riposo, il voltmetro non segnerà nulla. Nella condizione in cui un potenziale d'azione comincia a diffondersi e si propaga, la differenza tra esterno ed interno si annulla, l'elettrodo che è posto sulla parte interessata dalla depolarizzazione leggerà un valore negativo. Se è l'elettrodo A che viene investito per primo dal potenziale d'azione, esso sarà negativo se confrontato con l'elettrodo B, che sta ancora in una parte di fibra a riposo. Desumiamo che: l'elettrodo che vede il fronte d'onda avvicinarsi, diventa positivo rispetto a quello che lo vede allontanarsi.

20 Strumentazione elettrobiomedicale

21 ElettroCardiGrafo Esercizio: Elettrodo per la misurazione del segnale

22 Il pacemaker

23 Il defibrillatore (I) STRUTTURA All'apparecchio è spesso incorporata la strumentazione necessaria per eseguire un elettrocardiogramma, con un monitor collegato, in modo da facilitare la diagnosi di una condizione cardiaca grave del paziente da parte del personale medico. Il defibrillatore può contenere (a seconda dei modelli) altri strumenti come, per esempio, un pulsiossimetro e uno sfigmomanometro. Una volta accertata la condizione del paziente, l'operatore abilitato all'utilizzo del defibrillatore sceglie l'energia (in Joule) da usare nella scarica da applicare sul petto del paziente attraverso speciali elettrodi (paddelsin inglese). La scarica da eseguire è di 200 joule, successive da 300 a 360 joule, dopo una terza scarica vengono utilizzati anche mezzi di supporto e ripetute scariche da 360 joule.

24 Il defibrillatore (II)

25 Effetti dovuti alla corrente Gli effetti più frequenti e più importanti che la corrente elettrica produce sul corpo umano sono fondamentalmente quattro: Tetanizzazione; Arresto della respirazione; Fibrillazione ventricolare; Ustioni.

26 Tetanizzazione Si verifica quando l impulso cui sono soggette le cellule nervose ha intensità e durata tale da creare un potenziale d azione, ossia per correnti superiori a10 ma per le donne ed a 15 ma per gli uomini. In queste condizioni il muscolo, collegato alle stesse fibre nervose, si contrae per poi portarsi alla condizione di riposo; tuttavia se al primo stimolo ne seguono degli altri intervallati in modo tale che fra l uno e l altro il muscolo abbia raggiunto la condizione di riposo, gli effetti si sommano e si fondono determinando una contrazione completa del muscolo in questa posizione che perdura fino a che gli stimoli non sono cessati. L infortunato può non riuscire ad allontanarsi dall elemento in tensione, il contatto permane nel tempo determinando fenomeni di asfissia, svenimenti e stato di incoscienza. La tetanizzazione è causa del 10 % delle morti per folgorazione.

27 Arresto della respirazione Si verifica quando il fenomeno della tetanizzazione interessa i muscoli coinvolti nella respirazione, ossia per correnti superiori a ma, determinando perdita di conoscenza e soffocamento. L arresto della respirazione è causa del 6% delle morti per folgorazione. Fibrillazione ventricolare Gli impulsi elettrici generati dai centri nervosi in condizioni normali costituiscono ordini di azionamento trasmessi al muscolo cardiaco, se altri impulsi elettrici estranei si sovrappongono ai primi, il cuore in mancanza di ordini coordinati si contrarrà in maniera caotica e disordinata determinando il fenomeno della fibrillazione ventricolare, responsabile del 90 % delle morti per folgorazione. Il fenomeno della fibrillazione ventricolare ha luogo per correnti superiori a mA.

28 Contrazione muscolare, blocco respiratorio e fibrillazione cardiaca Per correnti a frequenza industriale (50/60Hz) con correnti di alcune decine di ma si hanno spasmi muscolari sui muscoli scheletrici, sui muscoli della respirazione e sul cuore. La contrazione muscolare involontaria della mano indotta dall'elettricità può impedire di rilasciare il conduttore se questo è stato afferrato nel palmo della mano. Se una corrente intorno ai 50 ma in corrente alternata attraversa il torace, è in grado di indurre spasmi sul muscolo cardiaco (fibrillazione). In corrente continua l'intensità necessaria sale a ma. Paradossalmente, correnti di 200 ma AC e oltre possono prevenire la fibrillazione per effetto delle contrazioni prodotte nei muscoli circostanti il cuore, provocando una paralisi fissa. In entrambi i casi l'azione di pompaggio è pregiudicata, con esiti letali se non si ripristina la funzionalità cardiaca in tempi brevi. Correnti elettriche a frequenze molto elevate, da migliaia di hertz in su, non sono in grado di provocare spasmi e quindi arresto cardiaco o respiratorio, e l'effetto termico diventa l'unico rilevante.

29 Ustioni Un altro rischio importante collegato all'impiego dell'elettricità è legato alle ustioni, molto frequenti in ambiente domestico e soprattutto industriale. Il passaggio della corrente sul corpo umano è accompagnato da sviluppo di calore per effetto Joule e quindi da un aumento di temperatura in particolare nella parte in cui è avvenuto il contatto con l elemento disperdente. La corrente elettrica che fluisce nel corpo La corrente elettrica che fluisce nel corpo genera calore per effetto Joule e può provocare ustioni gravi e profonde.

30 Zone di pericolosità Sulla base delle considerazioni su esposte è possibile rappresentare graficamente le zone di pericolosità della corrente alternata attraverso il corpo umano in base alla sua intensità ed al tempo di esposizione Zona 1: abitualmente nessun effetto; Zona 2: abitualmente nessun effetto fisiopatologico pericoloso; Zona 3: abitualmente nessun pericolo di fibrillazione cardiaca; Zona 4: pericolo di possibile fibrillazione cardiaca (probabilità fino al 50%);

31 Tensione di contatto La valutazione della resistenza che il corpo umano oppone al passaggio della corrente deve inevitabilmente tener conto delle variabili da cui essa dipende, in particolare della tensione, superficie, pressione e durata del contatto, dello stato della pelle e del percorso della corrente. Segue una breve descrizione dei parametri sopra citati. tensioni superiori a circa 100 V, come mostra il seguente diagramma resistenza tensione.

32 Stato della pelle La sudorazione, la presenza di umidità o di ferite in corrispondenza del contatto determina una riduzione delle resistenza della pelle, avviene il contrario invece se nella zona di contatto la pelle è indurita, ad esempio per la presenza di calli. Superficie di contatto All aumentare della superficie di contatto diminuisce la resistenza della pelle, ciò potrebbe accadere, ad esempio, alla persona che operi distesa all interno di una caldaia o di una tubazione soggetta a dispersioni.

33 Pressione di contatto Ad una maggiore pressione di contatto corrisponde una minore resistenza, è questo il caso degli apparecchi portatili, saldamente sorretti e guidati durante l uso dell operatore, i muscoli della mano contratti sono inoltre più esposti al fenomeno della tetanizzazione (per tale motivo la normativa CEI vigente richiede che apparecchi di tale tipo siano di classe 2, ossia con doppio isolamento). Durata del contatto Con il prolungarsi del contatto, diminuisce la resistenza della pelle, tuttavia, se la quantità di calore sviluppata è tale da carbonizzare la pelle, la resistenza può risalire a valori molto elevati.

34 Curva di sicurezza Si assume come curva di sicurezza corrente/tempo la curva tratteggiata, intermedia fra la curva b, al di sopra della quale si ha lo shock elettrico, e la curva c1 che individua i limiti della fibrillazione ventricolare. Tuttavia, in pratica ci si riferisce, più che ai limiti di corrente pericolosa, ai limiti di tensione pericolosa. Gli uni e gli altri sono legati dalla legge di Ohm per il tramite della serie della resistenza RB del corpo umano e della resistenza della persona verso terra REB.

35 Curva di sicurezza Nel ricavare la curva di sicurezza tensione tempo ci si riferisce prudenzialmente al percorso mani-piedi di una persona che afferra con entrambe le mani un apparecchio elettrico ed ha i due piedi nel suolo. In serie alla resistenza del corpo umano si assume una resistenza REB di 1000 Ω in condizioni ordinarie (interno degli edifici) e di 200 Ω in condizioni particolari (all aperto).

36 Soglie di pericolosità I limiti di corrente (alternata industriale) da considerare sono: inferiore a 5 ma (soglia di percezione): non si ha alcun danno e percezioni dolorose per tempi indefiniti fino a 10 ma (limite di rilascio): non si hanno effetti pericolosi oltre alla percezione dolorosa, ed è possibile rilasciare la muscolatura; ma: non si è in grado di rilasciare i muscoli contratti dalla corrente (tetanizzazione) e la pericolosità della scarica è in funzione del tempo di applicazione; >500 ma: intensità pericolosa per qualunque durata temporale. In corrente continua i predetti valori vanno corretti rispettivamente a: 2, 40 e 500 ma. Sebbene la pericolosità di uno shock elettrico è definita dall'intensità della corrente elettrica, ai fini pratici si preferisce definire soglie di tensione di rischio. In base alla norma tecnica IEC la soglia di tensione minima considerata pericolosa è di 50 V in corrente alternata e 120 V in corrente continua Per tensioni minori, in base alla legge di Ohm l'impedenza del corpo umano non permette il passaggio di una intensità di corrente pericolosa. Per confronto la distribuzione dell'energia elettrica per uso domestico avviene a tensioni di 230 V AC in Italia, Europa e altre parti del mondo, ed a 120 V negli Stati Uniti, in Giappone e altre nazioni, ben al di sopra quindi della soglia di pericolosità.

37 Effetti biologici In base al variare dei parametri descritti l'effetto dell'elettricità sul corpo umano può essere molto variabile. In generale gli effetti biologici diretti indotti dalla corrente elettrica sono principalmente dovuti a contrazioni muscolari involontarie (spasmi) ed effetti termici. Particolarmente determinante è il percorso seguito dalla corrente elettrica nell'attraversare il corpo. Se il contatto si ha, come avviene spesso, tra mano e piede, la regione cardiaca è parzialmente investita, se invece il contatto è tra mano e mano il flusso di corrente che interessa il torace è molto maggiore. In alcuni casi il passaggio di corrente interessa solamente regioni periferiche del corpo, per esempio mano-avambraccio, causando danni anche gravi ma limitati a tale regione. La scarica ad alta tensione di un fulmine tende a scorrere sulla superficie del corpo (per via dell'effetto pelle) ed a provocare arresto respiratorio. Nel caso di una folgorazione da corrente industriale invece il danno maggiore è a carico degli organi interni e il pericolo più grave è rappresentato dall'arresto cardiaco.

38 RICHIAMI

39 IMPEDENZA Z = R + 1/(jωC) + jωl Dipende da: temperatura: le variazioni dovute alla dipendenza della resistività dalla temperatura. Tali variazioni prevalgono sulla resistenza, piuttosto che sulle induttanze o capacitori; frequenza: le variazioni della frequenza influenzano il valore dell impedenza risultante. Tali variazioni prevalgono sull induttanza e sui capacitori, mentre la resistenza non risente di tali variazioni.

40 DIODO la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra, la qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli alla libertà di movimento e di direzione dei portatori di carica Il Diodo quando viene attraversato da una corrente continua è riconducibile ad una resistenza,in serie,e un generatore di tensione. Gli ohm della resistenza ovviamente sono definiti dal costruttore,come anche il voltaggio del generatore. Il diodo attraversato da corrente alternatafa passare solo 1 delle 2 sinusoidi che compongono il ciclo intero dell'onda, e quindi è chiamato raddrizzatore di onde

41 SEGNALE PERIODICO w(t) = A sin(ωt + ϕ) ω= 1/τ f = 1/2πτ w(t) λ A t

42 Circuiti RC

43 Il circuito RC -scarica - a b c a b c C R C R I

44 Il circuito RC -carica - a b c a b c C R C R ΔV I ΔV

45 RC in frequenza

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