Strumentazione E Tecniche Di Monitoraggio E Terapia 2016/2017

OBIETTIVI DEL CORSO

Principi e metodi per l’analisi, la progettazione, l’utilizzo e la sicurezza delle principali apparecchiature biomediche

DOCENTI:

Prof. Paolo Bisegna, Prof. Francesco Montecchia, Prof.ssa Federica Caselli, Avv. Valeria Maria Russo

RICHIAMI DI ELETTRONICA APPLICATA

Amplificatori a BJT e FET: configurazioni fondamentali. CMRR. Amplificatori differenziali a BJT e FET. Amplificatori differenziali ad operazionale. Circuiti integrati INA 155, INA 108. Amplificatore per strumentazione. Circuito integrato INA102. Filtri. Realizzazioni circuitali (1° ordine; Sallen-Kay 2° ordine): LP, HP, BP. Filtro notch di tipo twin-T e di tipo giratore. Filtro universale. Risposta in frequenza degli amplificatori.

ELEMENTI DI MISURE BIOMEDICHE

Valutazione ed attendibilità di una misura. Analisi e stima dell'errore sistematico, statistico e strumentale.

ELETTROCARDIOGRAFO

Concetto di biopotenziale: caratteristiche intrinseche, disturbi. Elettrodi. Modello di Einthoven. Derivazioni (principali, di Golberger, precordiali). Condizionamento del segnale. Amplificatore ECG. Disturbi indotti dalla tensione di rete: effetti di campo elettrico, effetti di campo magnetico. Circuito di pilotaggio di gamba destra. Amplificatore di misura con schermo attivo. Configurazioni per DC rejection. Circuito per il recupero dell'isoelettrica. Circuito di protezione dalle sovratensioni. Circuito per l'attenuazione degli impulsi del pacemaker.

PACEMAKER

Codice di classificazione ICHD. Circuito di uscita. Circuito di temporizzazione. Alimentazione. Elettrocateteri. Elettrodi. Adattamento della risposta.

DEFIBRILLATORE

Tipologie ad onda sinusoidale e ad onda trapezoidale. Impiego sincronizzato del defibrillatore.

MISURE DI PRESSIONE SANGUIGNA

Misure invasive di pressione. Modello di catetere a parametri concentrati. Casi particolari: presenza di bolle d’aria, perdite, strizioni. Caratterizzazione sperimentale. Metodi non invasivi di misura della pressione (metodo palpatorio, metodo auscultatorio, metodo oscillometrico).

VENTILAZIONE ARTIFICIALE DEI POLMONI

Richiami di fluidodinamica per le vie aeree nella ventilazione polmonare (VP). Caratterizzazione fisio-patologica dell'apparato respiratorio nella VP. Fondamenti di meccanica respiratoria (MR) nella VP fisiologica, artificiale spontanea (VPAS) ed artificiale controllata (VPAC). Comportamento statico e dinamico dell’apparato respiratorio, caratteristica statica e dinamica volume-pressione polmonare, compliance polmonare statica e dinamica. Resistenza respiratoria. Lavoro respiratorio. Curve flusso-volume. Monitoraggio e tecniche di misura delle grandezze e dei parametri associati alla MR. Caratterizzazione di un sistema ventilatorio (SV): modello fisico e schema equivalente-elettrico per la VPAS e la VPAC. Caratterizzazione dei flussi ventilatori: modalità a flusso continuo, alternato e combinato. Monitoraggio e controllo di un SV. Caratteristiche funzionali e classificazione dei respiratori artificiali impiegati nella VPAC. Modalità di VP a controllo di volume, pressione e duale. Analisi e sintesi del processo ventilatorio per la VPAS e la VPAC in modalità volumetrica, pressumetrica e duale, nell’ipotesi di MR lineare. Determinazione dei parametri significativi della MR lineare con modello mono e bi-compartimentale. Tipologie della forma d’onda flusso-pressoria per la VPAC. Progetto di un Sistema di Ventilazione Avanzato (ALVS) per l’applicazione della VP a controllo di pressione con volume garantito (duale). Caratterizzazione dell’ALVS per l’ottimizzazione della forma d'onda flusso-pressoria applicata al paziente tramite la VP a controllo armonico. Strumentazione, metodi e tecniche per il monitoraggio, filtraggio, acquisizione, analisi ed elaborazione dei tracciati associati alle grandezze ventilatorie, comprese la pressione faringea ed esofagea e per l’ottimizzazione della VP non invasiva (NIV) in Terapia Intensiva Pediatrica e Neonatale. Determinazione del flusso respiratorio e del volume corrente nella NIV nel caso di perdite nel SV. Diagrammi di Campbell. Determinazione delle differenti componenti del lavoro respiratorio e dello sforzo respiratorio tramite il “Pressure Time Product”. Programmazione MATLAB.

ELETTROBISTURI

Principio di funzionamento (taglio e coagulo). Bioheat equation. Modello di Honig. Rischi di utilizzo. Correnti di dispersione. Elettrodo neutro. Rivelatori di continuità e di qualità del contatto. Modello di Webster.

TUBO RADIOGENO

Richiami di Fisica delle Radiazioni. Produzione dei raggi X. Interazione con la materia. Unità di misura di esposizione e dose. Legge di Richardson-Fermi. Elettrodo di Wenhelt, effetto Heel. Problema termico. Pretemperatura: modello a parametri concentrati. Sovratemperatura: modello 1D e formula di Osterkamp. Regolazione. Alimentazione. Cavi AT. Funzionamento a frequenza di rete ed a media frequenza. Inverter.

CITOMETRO AD IMPEDENZA

Principio di funzionamento. Circuiteria elettronica. Aspetti di modellazione (formulazione forte, formulazione debole, elementi finiti, matrice delle ammettenze). Discriminazione cellulare. Il problema inverso. Il metodo di Gauss-Newton per la ricostruzione dei parametri elettrici e geometrici. Implementazione in Matlab.

SICUREZZA ELETTRICA

Macroshock e microshock. Amplificatori di isolamento: accoppiamento ottico, induttivo, capacitivo. Verifiche di sicurezza degli apparecchi elettromedicali.

PANORAMA LEGISLATIVO

Direttive e norme tecniche. Normative relative alla sicurezza dei dispositivi medici (Dir. 93/42/CEE; Dir. 2007/47/CEE; D.Lgs. 46/97). Cenni sulle fonti di diritto comunitario. Marchio CE. Marchi di qualità. Cenni sulla normativa tecnica. Delega di funzioni. La responsabilità dell'addetto alla manutenzione della strumentazione medica.

RIFERIMENTI:

Webster, Strumentazione Biomedica, EdiSES, isbn 978 88 7959 664 0, 2010

Prutchi & Norris, Design and Development of Medical Electronic Instrumentation: A Practical Perspective of the Design, Construction, and Test of Medical Devices, Wiley, isbn 0-471-67623-3

Branca, Fondamenti di Ingegneria Clinica, vol.1, Springer, isbn 88-470-0098-X

Caggiano, Mazzarelli, Certificazione dei prodotti e sicurezza nell’impiego dei dispositivi medici ed apparecchi elettromedicali, Il Sole 24 ore, 2006, isbn 88-324-6191-9

Caselli, Shaker, Colella, Renaud, Bisegna, Modeling, Simulation and Performance Evaluation of a Novel Microfluidic Impedance Cytometer for Morphology-Based Cell Discrimination, Journal of Microelectromechanical Systems (2014), doi: 10.1109/JMEMS.2014.2325979

Montecchia F, “Ventilazione Artificiale - Teoria e Tecnica”, Tor Vergata University of Rome Medical Physics Series, Franconi ed., Monograph N. 8 (2003).

Montecchia F, Guerrisi M, Canichella A, “Advanced lung ventilation system (ALVS) with linear respiratory mechanics assumption for waveform optimization of dual-controlled ventilation”, Medical Engineering & Physics 29 (2007) 259-276.

Montecchia F, “Harmonic excitation of linear respiratory mechanics for physiological dual controlled ventilation”, Journal of Biomedical Science and Engineering 5 (2012) 678-695.

Montecchia F, Luciani S, Cicchetti R, Grossi R, Midulla F, Moretti C, Papoff P, “Pharyngeal and esophageal pressure measurements to evaluate respiratory mechanics in infants on high flow nasal cannula: a feasibility study”, Proceedings of IEEE International Symposium on Medical Measurements and Application (MeMeA), Torino 7-9 Maggio 2015, pag. 234-239.

Montecchia F, Midulla F, Moretti C, Papoff P, “Optimization of flow setting during high-flow nasal cannula (HFNC) with a new spirometry system”, Proceedings of IEEE International Symposium on Medical Measurements and Application (MeMeA), Benevento 15-18 Maggio 2016, pag. 92-97.

RIFERIMENTI GENERALI:

Webster (Editor), Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, 6 Volume Set, 2nd Edition, isbn 978-0-471-26358-6

Bronzino (Editor), The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, isbn 0849321247