progetto e impiego dei sistemi di misura capitolo 705/11/2014 strumentazione biomedica progetto e...
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05/11/2014
Strumentazione biomedica Progetto e impiego dei sistemi di misura – Capitolo 7
Guido Avanzolini
DEIS - Università di Bologna
La Misura della Pressione Arteriosa
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Vantaggi: a) Non invasività; b) Automatizzabile. Svantaggi: a) Misura solo la pressione massima e minima; b) Bassa frequenza di ripetizione; c) Misura poco precisa. Metodi: a) Ascultatorio; b) Oscillometrico; c) Ad ultrasuoni.
Il metodo indiretto
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Componenti dello sfigmomanometro: a) Fascia con pompetta per il gonfiaggio ed ago per lo sgonfiaggio; b) Manometro a mercurio o aneroide.
Il metodo indiretto: lo sfigmomanometro e stetoscopio
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Il metodo auscultatorio: Principio di funzionamento
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Il metodo oscillometrico: Principio di funzionamento
MAP = diastolica +1/3(sistolica-diastolica)
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Il metodo ad ultrasuoni: Principio di funzionamento
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Vantaggi: a) Misura continua (forma d’onda); b) Precisione superiore ai metodi indiretti. Svantaggi: a) Invasività; b) Rischi (embolia, danno ai vasi, infezione, aritmie. Metodi: a) percutaneo (ago o corto catetere): sensore esterno; b) cateterismo: sensore esterno o in punta.
Il metodo diretto
La Misura della Pressione Arteriosa
1
Il metodo diretto: principio di funzionamento
2
Determinare: a) la Sensibilità = Gd Ge Gp; b) la Deriva termica dello zero e della sensibilità; c) una compensazione della deriva di sensibilità.
Il sensore di pressione (comportamento statico)
La Misura della Pressione Arteriosa
R Vu p
Elemento
/R
G d
l/l
sensibile primario
Estensimetro
Elemento di conversione
Ponte di Wheatstone
Diaframma G e G p
La deformazione misurata può essere: a) la freccia al centro; b) le deformazioni radiali e/o tangenziali.
Diaframma circolare, caricato uniformemente.
Il sensore di pressione
Il guadagno del Diaframma, Gd
Diaframma Estensimetri
Equipaggio mobile
Cupola trasparente
Orifizi
Il sensore di pressione
Le deformazioni radiali e tangenziali.
-1 -0.5 0 0.5 1-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
Deformazioni radiali e tangenziali
raggio normalizzato
Def
orm
azio
ni
er
et
2
222
2
222
8
))(1(3)(
8
)3)(1(3)(
Es
rapr
Es
rapr
t
r
r
t
Nota: Esiste un valore del raggio, , per cui risulta: . Quattro estensimetri attivi.
Esempio: E=190 GPa; 0,3; a= 2mm; s=0,1mm. Gd =
Il sensore di pressione
Il guadagno del Diaframma, Gd
3/2ar
)0()( tr r
2
22
8
)1(3)0(:
Es
a
pG t
d
18
29
2
)(105,9)1,0(10133/1908
)2(91,03
mmHg
Esempio: Geo=106; ae =3 10 –3 °C-1.
Il sensore di pressione
L’estensimetro ed il ponte.
)1(/
/: tG
ll
RRG eeoe a
Au
p VRR
VG
/:
L’estensimetro.
Il ponte.
Esempio: Ruo =1kW; aR =5 10 –3 °C-1.
; )1( tRR Ruou a
)/(10)/(106105,9/ 8 VmmHgVVmmHgVVGGGS Apeodo
Complessivamente:
)()( tVpVdt
d
dt
dVuu
u
Il sensore di pressione
Deriva termica dello zero (DTZ).
ioii RRRRi tt
R
Raaaa
;)(
43214
)( RRRRAu V
tdt
dVaaaa
Caso peggiore (1. aRi =aRmax; 2. segni tali da sommarsi):
Ru
A dt
dV
Va
1
Esempio: aR /aR= 0,1%; aR=5 10-3°C-1;
DTZ=
DTZ=5V/(V °C)
Sistema non compensato:
Il sensore di pressione
Deriva termica della sensibilità (DTS).
Aeeod VtGGtS )1()( a
Aeode VGGtdt
dSa)(
Esempio: ae =3 10 –3 °C-1; Gd = 9,5 10-8 (mmHg) –1 Geo=106; VA = 10V
Esempio: Geo=106; ae =3 10 –3 °C-1.
)/(3,0)/(10106105,9103)( 83 CmmHgVCmmHgVtdt
dS
Il sensore di pressione
Compensazione della Deriva di sensibilità (DTS).
VA R1
R3 R4
R4
Vu
R2 RS
Si sfrutta la crescita della resistenza dell’estensimetro con la temperatura per realizzare una tensione di alimentazione funzione crescente della temperatura.
)1(
)1()1()(
tRR
tRVtGGtS
Ros
RoAeed
a
aa
ove Ro (1+aRt) è la resistenza dell’estensimetro.
Si adotta il valore di RS che annulla la deriva di sensibilità per t=0.
Si noti che , considerando RS variabile con la temperatura secondo l’espressione , con procedimento analogo si ottiene:
E’, quindi, vantaggioso usare per RS un termistore (cioè con aS negativo).
Il sensore di pressione
Compensazione della Deriva di sensibilità (DTS).
eR
eoS RR
aa
a
R t R tS So S( ) ( ) 1 a
eSR
eoSo RR
aaa
a
Specifiche.
a) Misura della pressione: 20 Hz (10 armoniche, 2 Hz la fondamentale);
b) misura di indici di contrattilità (anche la derivata della pressione): 40 Hz (20 armoniche).
Il sensore di pressione
Comportamento dinamico
Il sensore di pressione
Comportamento dinamico
1 2
p p 2
l
V dt
dpC
dt
dp
dp
dV
dt
dVq 22
2
dt
dq
A
lRqpp 2 l
AR
2
8
LCsRCss
p
psG
2
2
1
1)(:)(
lC
An
Nota: La complianza, C, è anche detta spostamento volumetrico. Deve essere piccola, per avere n grande.
R C
L
lC
A24
3
Il volume, V, è approssimabile dal cono avente come base il diaframma e come altezza la freccia al centro, w:
Il sensore di pressione
Lo spostamento volumetrico
3
42
16
)1(3
Es
apw
V= a2 w(p)/3 C=dV/dp= a3 (1-v2)(a/s)3/(16E)
Nota: a) Il rapporto a/s determina il valore di Gd; b) Il valore di a determina ol valore di C.
Il sensore di pressione
Un po’ di storia
Sistema catetere+sensore + monitor (con amplificatore).
Analogo del sistema catetere + sensore.
I Sistemi di Monitoraggio della pressione arteriosa
Monitor
Sensore
Al paziente
Resistenza del catetere, R
Inertanza del catetere, L
Complianza del diaframma C
Cb