INDICE GENERALE Prefazione xiii Lista dei simboli xvii 1 I CONCETTI BASE DELLA STRUMENTAZIONE BIOMEDICA 1 Walter H. Olson 1.1 La terminologia in medicina e nei dispositivi medici 4 1.2 La configurazione generale degli strumenti per misure biomediche 5 1.3 Le modalità alternative di funzionamento 7 1.4 I vincoli nella misura di grandezze biomediche 9 1.5 La classificazione della strumentazione biomedica 12 1.6 Gli ingressi interferenti e gli ingressi modificanti 12 1.7 Le tecniche di compensazione 13 1.8 La statistica medica 16 1.9 Le caratteristiche statiche degli strumenti di misura 19 1.10 Le caratteristiche dinamiche degli strumenti di misura 25 1.11 I criteri di progettazione 35 1.12 Il processo di sviluppo commerciale di uno strumento biomedico 37 1.13 La normativa sui dispositivi medici 39 Problemi 42 Bibliografia 43 2 SENSORI E PRINCIPI DI BASE 45 Robert A. Peura e John G. Webster 2.1 Misure di spostamento 45 2.2 Sensori resistivi 46 2.3 Circuiti a ponte 53 2.4 Sensori induttivi 53 2.5 Sensori capacitivi 56 2.6 Sensori piezoelettrici 58 2.7 Misure di temperatura 62 v
vi I N D I C E G E N E R A L E 2.8 Termocoppie 63 2.9 Termistori 66 2.10 Termometria a radiazione 69 2.11 Sensori di temperatura a fibra ottica 74 2.12 Misurazioni ottiche 74 2.13 Sorgenti di radiazione 75 2.14 Ottica geometrica e fibre ottiche 79 2.15 Filtri ottici 82 2.16 Sensori di radiazione 83 2.17 Combinazioni ottiche 86 Problemi 87 Bibliografia 88 3 AMPLIFICATORI ED ELABORAZIONE DEL SEGNALE 91 John G. Webster 3.1 Amp op ideali 91 3.2 Amplificatori invertenti 93 3.3 Amplificatori non-invertenti 96 3.4 Amplificatori differenziali 97 3.5 Comparatori 100 3.6 Raddrizzatori 102 3.7 Amplificatori logaritmici 103 3.8 Integratori 104 3.9 Derivatori 107 3.10 Filtri attivi 108 3.11 Risposta in frequenza 110 3.12 Tensione di offset 112 3.13 Corrente di polarizzazione 114 3.14 Resistenza di ingresso e di uscita 115 3.15 Demodulatori di fase 117 3.16 Timer 120 3.17 I microcomputer nella strumentazione biomedica 122 Problemi 123 Bibliografia 125 4 L ORIGINE DEI BIOPOTENZIALI 126 John W. Clark, Jr. 4.1 Attività elettrica delle cellule eccitabili 126 4.2 Campi di volume conduttore 135 4.3 Organizzazione funzionale del sistema nervoso periferico 138
I N D I C E G E N E R A L E vii 4.4 L elettroneurogramma 140 4.5 L elettromiogramma 144 4.6 L elettrocardiogramma 147 4.7 L elettroretinogramma 158 4.8 L elettroencefalogramma 163 4.9 Il magnetoencefalogramma 181 Problemi 182 Bibliografia 186 5 ELETTRODI PER BIOPOTENZIALI 189 Michael R. Neuman 5.1 L interfaccia elettrodo-elettrolita 189 5.2 Polarizzazione 192 5.3 Elettrodi polarizzabili e non polarizzabili 196 5.4 Comportamento degli elettrodi e circuiti equivalenti 202 5.5 L interfaccia pelle-elettrodo e gli artefatti da movimento 205 5.6 Elettrodi per la misura di potenziali superficiali 209 5.7 Elettrodi interni 215 5.8 Array di elettrodi 220 5.9 Microelettrodi 222 5.10 Elettrodi per la stimolazione elettrica dei tessuti 231 5.11 Suggerimenti pratici nell uso degli elettrodi 233 Problemi 235 Bibliografia 239 6 AMPLIFICATORI PER BIOPOTENZIALI 241 Michael R. Neuman 6.1 Specifiche generali 241 6.2 L elettrocardiografo 243 6.3 I problemi più frequenti 254 6.4 Protezione da transitori 264 6.5 Riduzione delle interferenze 266 6.6 Amplificatori per altri biopotenziali 269 6.7 Un esempio di preamplificatore per biopotenziali 274 6.8 Altri elaboratori di biopotenziali 275 6.9 Monitor cardiaci 282 6.10 Biotelemetria 287 Problemi 288 Bibliografia 291
viii I N D I C E G E N E R A L E 7 TONI E PRESSIONE SANGUIGNA 293 Robert A. Peura 7.1 Misure dirette 295 7.2 Analisi armonica delle forme d onda della pressione sanguigna 300 7.3 Proprietà dinamiche dei sistemi per la misura della pressione 301 7.4 Misura della risposta del sistema 308 7.5 Effetti dei parametri del sistema sulla risposta 310 7.6 Larghezza di banda richiesta per la misura della pressione sanguigna 311 7.7 Distorsione tipica della forma d onda di pressione 311 7.8 Sistemi per la misura della pressione venosa 313 7.9 Toni cardiaci 314 7.10 Fonocardiografia 318 7.11 Cateterizzazione cardiaca 318 7.12 Effetti dell energia cinetica e potenziale sulle misure di pressione 323 7.13 Misure indirette della pressione sanguigna 325 7.14 Tonometria 330 Problemi 335 Bibliografia 336 8 MISURE DI FLUSSO E VOLUME DEL SANGUE 338 John G. Webster 8.1 Metodo della diluizione di un indicatore che usa l infusione continua 338 8.2 Metodo della diluizione di un indicatore che usa l iniezione rapida 341 8.3 Flussimetri elettromagnetici 344 8.4 Flussimetri a ultrasuoni 350 8.5 Sensori di velocità a convezione termica 361 8.6 Pletismografia a camera 364 8.7 Pletismografia a impedenza elettrica 366 8.8 Fotopletismografia 372 Problemi 374 Bibliografia 375
I N D I C E G E N E R A L E ix 9 MISURE NEL SISTEMA RESPIRATORIO 377 Frank P. Primiano, Jr. 9.1 Modelli del sistema respiratorio 378 9.2 Misura della pressione 385 9.3 Misura dei flussi di gas 388 9.4 Volumi polmonari 396 9.5 Pletismografia respiratoria 404 9.6 Alcuni test di meccanica respiratoria 411 9.7 Misura della concentrazione di gas 425 9.8 Alcuni test per il trasporto dei gas 436 Problemi 443 Bibliografia 446 10 BIOSENSORI CHIMICI 449 Robert A. Peura 10.1 Fisiologia dei sistemi sangue-gas disciolti e acido-base 451 10.2 Sensori elettrochimici 453 10.3 Sensori chimici a fibre ottiche 461 10.4 Transistor iono-selettivo a effetto di campo 475 10.5 Immunosensori a transistor a effetto di campo 478 10.6 Monitoraggio non invasivo dei gas nel sangue 479 10.7 Sensori di glucosio nel sangue 486 10.8 Nasi elettronici 492 10.9 Lab-on-a-chip 493 10.10 Sommario 494 Problemi 495 Bibliografia 495 11 STRUMENTAZIONE PER IL LABORATORIO DI CHIMICA CLINICA 498 Lawrence A. Wheeler 11.1 Spettrofotometria 499 11.2 Analizzatori chimici automatizzati 508 11.3 Cromatologia 512 11.4 Elettroforesi 515
x I N D I C E G E N E R A L E 11.5 Ematologia 517 Problemi 526 Bibliografia 527 12 SISTEMI PER L IMAGING IN MEDICINA 528 Melvin P. Siedband 12.1 Contenuto informativo di un immagine 528 12.2 Funzione di trasferimento della modulazione 535 12.3 Banda equivalente di rumore 536 12.4 Sistemi televisivi 537 12.5 Radiografia 540 12.6 Radiografia computerizzata 549 12.7 Tomografia computerizzata 553 12.8 Imaging a risonanza magnetica 561 12.9 Medicina nucleare 566 12.10 Tomografia computerizzata a emissione di singoli fotoni 572 12.11 Tomografia ed emissione di positroni 573 12.12 Ultrasonografia 576 12.13 Mezzi di contrasto 585 Problemi 587 Bibliografia 589 13 DISPOSITIVI TERAPEUTICI E PROTESICI 590 Michael R. Neuman 13.1 Pacemaker cardiaci e altri stimolatori elettrici 590 13.2 Defibrillatori e cardioversori 606 13.3 Dispositivi meccanici per protesi ed ortesi cardiovascolari 611 13.4 Emodialisi 615 13.5 Litotripsia 618 13.6 Ventilatori 619 13.7 Incubatrici neonatali 622 13.8 Dispositivi di somministrazione di farmaci 624 13.9 Strumenti chirurgici 629 13.10 Applicazioni terapeutiche del laser 632 Problemi 633 Bibliografia 635
I N D I C E G E N E R A L E xi 14 SICUREZZA ELETTRICA 638 Walter H. Olson 14.1 Effetti fisiologici dell elettricità 639 14.2 I principali fattori influenzanti 641 14.3 Distribuzione dell energia elettrica 646 14.4 I rischi di macroshock 650 14.5 I rischi di microshock 653 14.6 Codici e standard per la sicurezza elettrica 658 14.7 Metodi di base per la protezione dalle scariche elettriche 659 14.8 Protezione: distribuzione dell alimentazione 660 14.9 Protezione: progettazione dei dispositivi 663 14.10 Analizzatori di sicurezza elettrica 667 14.11 Verifiche dell impianto elettrico 667 14.12 Test delle apparecchiature elettriche 669 Conclusioni 673 Problemi 673 Bibliografia 674 APPENDICI 676 A.1 Costanti fisiche 676 A.2 Prefissi del Sistema Internazionale (SI) (Thompson and Taylor, 2008) 676 A.3 Sistema Internazionale (SI) (Thompson e Taylor, 2008) 677 A.4 Abbreviazioni 678 A.5 Elementi chimici 681 INDICE ANALITICO 683