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Biomedical instrumentation

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  • 705

    INTRODUZIONE

    Il notevole sviluppo tecnologico degli ultimi decenni ha avuto come conse-guenza nelle scienze medico-biologiche la necessit sia di un continuo aggiorna-mento da parte del medico e del biologo sulle innovazioni strumentali, sia di in-trodurre nei corsi di base di Fisica anche un minimo di nozioni concernenti lastrumentazione in uso.

    Abbiamo gi visto la descrizione di numerose apparecchiature nei vari capitoli(un elenco completo riportato alla fine di questo capitolo). Ci occuperemo quidelle basi fisiche relative al funzionamento di altri importanti dispositivi in usonella pratica biomedica, in particolare di quelli suscettibili di ulteriori sviluppi. Diconseguenza, i paragrafi che seguono sono indipendenti luno dallaltro e con-tengono numerosi richiami alle nozioni di Fisica svolte nel testo. Alla fine dellatrattazione di ciascuna strumentazione sono presentati uno o pi esempi, mentrealla fine del capitolo sono riportati alcuni problemi.

    LA SICUREZZA NEGLI IMPIANTI ELETTRICI

    La stragrande maggioranza delle apparecchiature utilizzate in Medicina e inBiologia alimentata da corrente elettrica. Dato che il corpo umano un condut-tore di corrente elettrica, essendo, come noto, sostanzialmente costituito da solu-zioni elettrolitiche, luso di tali apparecchiature pu comportare stimoli elettricidalle conseguenze anche letali, se non si osservano opportune precauzioni. Infatti,secondo le statistiche riportate dallISTAT, in Italia si ha una media annuale dicirca 280 incidenti mortali dovuti a elettrocuzione.

    Per questo motivo, prima di trattare della strumentazione, opportuno descri-vere i principali aspetti concernenti la sicurezza nelluso di impianti elettrici, fa-cendo riferimento alle nozioni di Elettricit ed Elettromagnetismo svolte nei Ca-pitoli 17 e 20 e alla descrizione dei potenziali bioelettrici sviluppata alla fine delCapitolo 19.

    28.2a Le correnti elettriche nel corpo umano

    Abbiamo gi visto che dallencefalo, a livello delle cellule dellarea motoria, sipropagano gli impulsi nervosi diretti ai motoneuroni. In particolare, il potenzialedazione che si propaga lungo lassone motore fino alla terminazione presinaptica,determina lapertura dei canali del calcio voltaggio-dipendenti e un aumento dellaconcentrazione di ioni calcio, favorendo ladesione delle vescicole terminali con-

    28.1

    28.2

    cap

    ito

    lo

    2828Strumentazione biomedica

  • 706 C A P I T O L O 2 8 Strumentazione biomedica

    tenenti acetilcolina (mediatore chimico) alla membrana presinaptica e la libera-zione di tale neurotrasmettitore nello spazio sinaptico.

    Lacetilcolina si lega a livello postsinaptico ai recettori nicotinici, determi-nando lingresso di ioni sodio e la depolarizzazione della membrama muscolare.Si genera un potenziale dazione che si propaga lungo la fibrocellula, favorendo ilrilascio di ioni calcio dal reticolo sarcoplasmtico e dando inizio allo scorrimentodei filamenti di actina e miosina e alla contrazione muscolare. La contrazione mu-scolare pu essere causata anche da uno stimolo elettrico applicato dallesterno.In entrambi i casi si osservato che la contrazione meccanica avviene con un certoritardo ed indipendente dallintensit dello stimolo iniziale (Figura 28.2.1).Lapplicazione di pi stimoli in rapida successione incrementa la contrazione mec-canica di quantit sempre minori, finch gli ultimi stimoli ne mantengono lo statodi contrazione a un valore pressoch costante (Figura 28.2.2). Questo tipo di ri-sposta muscolare alla stimolazione elettrica chiamata tetano.

    28.2b Lo shock elettrico

    Lapplicazione accidentale, oppure intenzionale (si veda 20.12 e lEsempio20.4), di una differenza di potenziale elettrico fra due punti del corpo umano, o diun qualsiasi organismo animale, comporta, in generale, anomale concentrazionidi ioni o loro improvvise migrazioni, che possono sconvolgere a tal punto il si-stema elettrico biologico da provocare gravi danni, anche quando gli effetti fisici(come la produzione di calore per effetto Joule) sono trascurabili (microshock emacroshock mostrati in Figura 28.2.3).

    stimoloelettrico V

    contrazionemeccanica

    0 50 100 150 (ms)t

    ,V

    Uno stimolo elettrico provoca lasuccessiva contrazione meccanicadelle cellule muscolari.

    Figura 28.2.1

    0 100 200 300 400 (ms)

    stimolielettrici

    contrazionemeccanica

    t

    Molti stimoli elettrici, ripetuti abrevi intervalli di tempo, incremen-tano lo stato di contrazione fino amantenerlo costante (tetano).

    Figura 28.2.2

    ~

    ~

    cuorecuore

    tensionealternata (ac)

    terra terra terra terra

    tensionealternata (ac)

    catetere

    a) b)

    Diverse distribuzioni della corrente nel corpo umano. (a) Macroshock: la corrente si distribuiscein tutto il corpo. (b) Microshock: la corrente applicata attraverso un catetere intracardiaco fluiscenel cuore. Nel linguaggio tecnico ac (da alternate current) equivale a una d.d.p. (oppure a una cor-rente) alternata.

    Figura 28.2.3

    Lentit dello shock elettrico dipende direttamente dalla quantit di caricaelettrica immessa nellorganismo nellunit di tempo, cio dallintensit di correnteelettrica I in circolazione nel sistema biologico. Lazione di questa, in generale, caratterizzata da vari parametri, quali la sua frequenza, la durata del contatto e ilpercorso.

    Come mostrato nelle Figure 28.2.4 e 28.2.5, esiste un valore di soglia dellinten-sit di corrente, al di sotto del quale i suoi effetti vengono percepiti, e un valore dirilascio, al di sotto del quale il contatto elettrico accidentale pu essere interrotto

    probabilit dipercezione (%)99,8

    90

    50

    0

    10

    0 4 8 12 mA

    altern

    ata 60

    Hz

    cont

    inua

    corrente

    Probabilit di percezione (in scalalogaritmica) delle intensit di so-glia alle mani per uomini. Per ledonne i valori vanno ridotti del60%. La corrente alternata mag-giormente avvertibile, poich adessa corrispondono stimolazionielettriche successive.

    Figura 28.2.4

  • 28.2 La sicurezza negli impianti elettrici 707

    autonomamente da parte del soggetto. Al di sopra di tale valore, a causa della te-tanizzazione, questi viene congelato al circuito e lo shock pu essere molto peri-coloso, anche se il contatto stato di breve durata. Si pu avere paralisi respirato-ria, a causa del permanere della contrazione muscolare, e/o alterazioni pi omeno persistenti dellattivit bioelettrica cerebrale, lesioni neurologiche del mi-dollo spinale con conseguente paralisi pi o meno estesa, lesioni di organi di senso(vertigini, sordit, abbagliamento o indebolimento della vista) e infine ustioni.

    Queste ultime sono determinate dalleffetto termico della corrente elettrica oeffetto Joule, per cui dalle (17.67), utilizzando la legge di Ohm (17.48) e (17.51),si ricava il calore Q prodotto:

    (28.2.1)

    che, tramite la (10.4) e assumendo la densit dei tessuti pari a quella dellacqua,comporta un rialzo termico DT di :

    , (28.2.2)

    dove cv il calore specifico a volume costante e r la resistivit specifica dei tessuti.Questa relazione esprime la variazione di temperatura nellintervallo di tempo

    Dt e ci consente di rilevare come la gravit delle ustioni sia legata alla densit dicorrente J, pi che allintensit di corrente I. Risulta quindi assai pi pericolosauna corrente che entra nel corpo umano attraverso un contatto di piccole dimen-sioni, che la stessa corrente immessa tramite un contatto avente una grande su-perficie. Inoltre la (28.2.2) rende conto del fatto che la parte pi superficiale dellacute, possedendo unelevata resistivit specifica e un basso calore specifico, sia iltessuto che viene maggiormente danneggiato. Le ustioni elettriche sono presso-ch indolori, a causa della rapida distruzione delle terminazioni sensitive, e sonoprogressive nel senso che attorno alle zone necrotizzate vi sono tessuti colpiti chemuoiono molto pi lentamente. Ci provoca, tra laltro, limmissione in circolo, adistanza di alcuni giorni, di sostanze tossiche e quindi uninsufficienza renaleacuta, che pu provocare la morte inattesa del folgorato, che appariva ormai in viadi guarigione.

    T R I

    dt

    S cJ td cv v

    = =2

    H O

    2

    H O4.18 4.182 2/

    Q R I t J S t= =1

    4.181

    4.18(calorie)2 2 /

    probabilit dirilascio (%)

    99.8

    90

    50

    0.2

    10

    0 10 18 22 mAcorrente efficace

    14

    uomini

    donne

    a) b)

    probabilit dirilascio (%)

    99.5

    90

    50

    0.5

    10

    50 60 80 mAcorrente

    70

    Carta probabilistica delle correntidi rilascio: (a) correnti alternate a60 Hz e (b) correnti continue. opportuno ricordare che la cor-rente alternata di rete ha una fre-quenza di 50 Hz (negli USA la fre-quenza di 60 Hz).

    Figura 28.2.5

    Effetti termici

  • 708 C A P I T O L O 2 8 Strumentazione biomedica

    Linfluenza della frequenza della corrente sulla gravit dello shock elettricoviene riportata in Figura 28.2.6. Come si vede, le correnti alternate sono pi peri-colose, in quanto causano facilmente il fenomeno della tetanizzazione, fatto pe-raltro evidente anche dalle Figure 28.2.4 e 28.2.5. Tuttavia, allaumentare della fre-quenza la pericolosit della corrente diminuisce: infatti se lo stimolo alternato haun periodo molto breve, non viene raggiunto il potenziale di soglia nelle celluleeccitabili e i potenziali dazione non si innescano (19.3). In particolare, a circa 1 MHz non si ha pi shock elettrico e la corrente generalmente causa solo ustioni;esiste un effetto (effetto pelle) per il quale allaumentare della frequenza la cor-rente tende a interessare strati di tessuto sempre meno profondi. Ci causa un au-mento della densit di corrente nelle regioni periferiche del corpo, che pu c

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