Strumentazione Biomedica Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno Univ. degli studi “Federico II” di Napoli ing. Paolo Bifulco Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Ciclo cardiaco • • • • • ECG Pressioni Volumi Flusso Toni cardiaci Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 1 Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno • Una delle principali informazioni per il medico è la concentrazione di ossigeno e di altri nutrienti nelle cellule. • Stante la difficoltà di misurare tali valori, si accettano misure di flusso sanguigno, che in generale sono correlate con la concentrazione di nutrienti. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica • Alcune variabili fisiologiche (sistema circolatorio) Valori medi Variables Mean (±SD) Weight (kg) 70 Cardiac output (mL/s) 110 Heart rate (min–1) 76 Mean velocity, ascending aorta (mm/s) 16 LV end-diastolic volume (mL) 125 (± ±31) LV end-systolic volume (mL) 42 (± ±17) LV stroke volume (mL) 82 (± ±20) LV ejection fraction 0.67 (± ±0.11) LV mean wall thickness (mm) 10.9 (± ±2.0) Frazione di eiezione= stroke volume/volume a fine diastole Cardiac output (CO) = heart rate (HR) x stroke volume (SV) Valori medi su di un gruppo di soggetti Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 2 Strumentazione Biomedica Stima volumi cardiaci (sist/diast) • Tramite raggi X con iniezione di contrasto Fine diastole Fine sistole Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Stima volumi cardiaci (sist/diast) • Tramite mezzi ultrasonognafici B mode M mode Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 3 Strumentazione Biomedica Metodi a diluizione di indicatore • Quando un quantità di indicatore m0 è aggiunta ad un volume V (di sangue), la concentrazione C dell’indicatore è data da: C=m0/V • Quando una quantità addizionale m di indicatore è aggiunta l’aumento incrementale della concentrazione risulta: ∆C=m/V • Quando il volume del fluido nel luogo di misura è continuamente sostituito (vi è un flusso), per mantenere il ∆C bisogna continuamente aggiungere una prefissata quantità di indicatore per unità di tempo ∆C=(dm/dt)/(dV/dt) • Da questa equanzione possiamo calcolare il flusso: F=dV/dt=(dm/dt)/ ∆C • Si tenga presente che i metodi illustrati non tendono a misurare il flusso istantaneo del sangue ma piuttosto il flusso medio su di un certo numero di battiti cardiaci Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Metodi a diluizione di indicatore • Usando le relazioni del trasporto di massa, si consideri che • il tasso con cui un indicatore entra in un vaso sanguigno è pari alla sua concentrazione Cin moltiplicata per il flusso F • Il tasso di immissione dell’indicatore nel flusso nel vaso è dato dalla sua quantità nell’unità di tempo dm/dt • il tasso con cui un indicatore lascia il vaso sanguigno è pari alla sua concentrazione Cout moltiplicata per il flusso F • Allora Cin F + dm/dt = Cout F • Da cui F= (dm/dt) / (Cout - Cin) Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 4 Strumentazione Biomedica Metodi a diluizione di indicatore • Esempio Immesso con un tasso prefissato: una certa massa al minuto (dm/dt) indicatore Flusso più basso Cin Cout Flusso più alto F= dm dt Cout − Cin Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno (medio) • Misure mediate su vari battiti cardiaci • Metodo di Fick: massa Variazioni ∆C di concentrazione – La quantità di una sostanza (O2) assorbita da un organo (o dall’intero corpo) per unità di tempo è uguale al livello arterioso di O2 meno quello venoso moltiplicato il flusso sanguigno = tempo dm dm dt = dV dV dt volume Flusso dV dm dt = ∆C dt dm dt = Ca − Cv F= Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 5 Strumentazione Biomedica Metodi a diluizione di indicatore (O2) • Metodo di Fick Bisogna misurare il tasso di consumo di ossigeno Indicatore O2 Concentrazione di O2 nel sangue entrante nei polmoni Flusso sanguigno Concentrazione di O2 nel sangue uscente dai polmoni Polmoni Cin Sangue venoso Cout Sangue arterioso F= dm dt Cout − Cin Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno • Diversi metodi per misurare il cardiac output: – nel metodo di Fick, l’indicatore è l’ossigeno, il cui consumo è misurato tramite uno spirometro. La differente concentrazione arteriosa e venosa è misurata tramite il prelievo di sangue tramite cateteri posti in un arteria e nell’arteria polmonare. – Nel metodo della dye-dilution, del colorante è iniettato nell’arteria polmonare e poi campioni sono prelevati da un’arteria. – Nel metodo della thermo-dilution, una soluzione salina fredda è iniettata in atrio destro e la temperatura è misurata nell’arteria polmonare. Metodo molto preciso per la determinazione del Cardiac Output ma invasivo e discontinuo Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 6 Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno (medio) • Metodo di Fick: ad esempio … Cardiac Output = consumo _ di O 2 (mL/ min) = [O 2 ]a − [O 2 ]v arterioso venoso 250 mL/ min = = 5 L/ min 190mL / L − 140mL/L Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno (medio) • Una quantità nota di colorante o isotopo radioattivo viene iniettata nel sangue venoso e la concentrazione arteriosa di tale indicatore viene monitorata (misurata continuamente) fino a che il bolo indicatore abbia completamente attraversato il punto di misura. • Il cardiac output (flusso di sangue) e dunque uguale alla quantità di bolo indicatore iniettato, diviso la sua concentrazione media nel sangue arterioso. F= m t ∫ C (t )dt 0 Metodo a iniezione rapida di tracciante Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 7 Strumentazione Biomedica Metodi a diluizione di indicatore • Metodi della Dye-dilution (e Thermo-dilution) Misurazione della concentrazione di colorante Iniezione del bolo di colorante Concentrazione [g/l] Flusso sanguigno F= m t ∫ C (t )dt 0 Tempo [min] 0 0.5 t Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Metodi a diluizione di indicatore • Metodi della Dye-dilution (e Thermo-dilution) Misurazione della concentrazione di colorante Iniezione del bolo di colorante Concentrazione [g/l] Flusso sanguigno F= m t ∫ C (t )dt 0 0 t Tempo [min] 0.5 Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 8 Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno (medio) • Andamento della concentrazione del tracciante F= m t ∫ C (t )dt 0 Rapid-injection indicator-dilution curve After the bolus is injected at time A, there is a transportation delay before the concentration begins rising at time B. After the peak is passed, the curve enters an exponential decay region between C and D, which would continue decaying alone the dotted curve to t1 if there were no recirculation. However, recirculation causes a second peak at E before the indicator becomes thoroughly mixed in the blood at F. The dashed curve indicates the rapid recirculation that occurs when there is a hole between the left and right sides of the heart. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno (medio) • Per esempio … Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 9 Strumentazione Biomedica Misura del flusso: Dye-dilution • Nella tecnica di Dye-dilution un colorante comunemente impiegato è il verde indocianino (cardiogreen), che presenta i seguenti vantaggi: – – – – – Inerte Sicuro Misurabile tramite spettrometria Economico Ha un picco nell’assorbimento a 805 nm, una lunghezza d’onda per la quale l’assorbimento del sangue è indipendente dall’ossigenazione – Il 50% del colorante viene escreto dai reni in 10 minuti, in modo da rendere possibili misure ripetute. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Misura del flusso: Thermo-dilution • Nella tecnica di thermo-dilution l’indicatore è un bolo di soluzione salina fredda, iniettato nell’atrio destro con l’ausilio di un catetere. • Le variazioni di temperatura nel sangue sono misurate tramite un termistore posto nell’arteria polmonare. • Le variazioni di temperatura sono inversamente proporzionali all’ammontare di sangue che fluisce attraverso l’arteria polmonare. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 10 Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno (medio) • tecnica della thermo-dilution CO = |Q| t1 ρ b cb ∫ | ∆Tb (t ) | dt (m3/s) 0 Q = heat injected in joules ρb = density of the blood in kg/m3 cb = specific heat of the blood in J/(kg⋅K) ∆Tb = temperature gradient function Relazione tra gradiente di temperatura e tempo Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Catetere Swan-Ganz • Metodo di termodiluizione Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 11 Strumentazione Biomedica Flusso sanguigno • Profili di velocità Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno • Flussimetri elettromagnetici – Sono basati sulla legge dell’induzione di Faraday – Quando il sangue passa con velocità u attraverso un campo magnetico B, genera una fem e agli elettrodi (per un campo B uniforme e profili di velocità uniformi si riduce a e= uBL) – Il flusso si ottiene moltiplicando la velocità U misurata per la sezione del vaso L e = ∫ u × B ⋅ dL 0 Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 12 Strumentazione Biomedica Misura del flusso sanguigno • Sonde per flussimetri elettromagnetici – permettono una misura istantanea del flusso sanguigno e non solo del valore medio – è una misura invasiva – In genere usati solo per le arterie – Devono avere un buon contatto con il vaso durante la diastole – hanno diverse misure per essere adattati ai vasi – le sonde hanno un alto costo Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica … • … Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 13 Strumentazione Biomedica Problematiche • Flussimetri elettromagnetici – Gli elettrodi sono piccoli e le e quindi velocità in prossimità degli elettrodi contribuiscono maggiormente al segnale – Le linee continue mostrano la funzione peso rappresentante il contributo relativo della velocità al voltaggio indotto sugli elettrodi – Se le pareti del vaso si estendono dal circolo esterno alla linea tratteggiata il range della funzione peso è ridotta Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Problematiche • Flussimetri elettromagnetici – Errori associati al profilo di velocità all’interno del vaso – Variazioni di resistenza (ad es. dipendenti dall’ematocrito), percorsi alternativi per la corrente generata – I fluidi esterni al vaso hanno una conduttività molto maggiore di quella delle pareti del vaso – La densità di flusso magnetico non è perfettamente uniforme nel piano trasverso; inoltre la densità di flusso magnetico non è perfettamente uniforme lungo l’asse del vaso creando correnti circolanti nella direzione assiale del vaso Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 14 Strumentazione Biomedica Problematiche • Flussimetri elettromagnetici DC vs AC – Il flussimetro elettromagnetico può utilizzare un campo magnetico costante ed il voltaggio rilevato è proporzionale all’andamento temporale del flusso. Ma vi sono alcuni problemi: – I potenziali di mezza cella degli elettrodi risultano in serie con il segnale proporzionale al flusso. Variazioni del potenziale elettrodico (anche polarizzazioni) sono di intensità paragonabili al segnale di flusso – I segnale elettrocardiografico non è trascurabile (specie vicino al cuore) e possiede una forma d’onda e banda di frequenze molto simile al segnale di flusso = forte interferenza – Nella banda di frequenza del segnale di flusso (0-30 Hz) il rumore 1/f negli amplificatori è particolarmente intenso peggiorando il rapporto segnale rumore (SNR). Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Problematiche • Flussimetri elettromagnetici DC vs AC – Per eliminare tali inconvenienti si può far operare il flussimetro elettromagnetico con un campo magnetico alternato (ad es. 400 Hz, più basse richiedono sensori ingombranti e più alte rendono non trascurabili capacità parassite) – Ma sorgono nuovi problemi legati al funzionamento in AC: un voltaggio indotto di natura trasformatorica è generato sulla spira sottesa dagli elettrodi – Il flusso di B in tale spira non è mai zero e voltaggio proporzionale a dB/dt si somma al segnale rilevato (e generalmente è di un ampiezza spesso molto maggiore del segnale da registrare). – Ma tale segnale risulta sfasato di 90 gradi rispetto a quello di interesse. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 15 Strumentazione Biomedica Flussimetro AC • Forme d’onda – Il voltaggio trasformatorico è sfasato 90° – Le linee continue sono relative ad un flusso in una direzione mentre quelle tratteggiate ad un flusso di direzione inversa – I segnali opportunamente campionati (gated) negli istanti di tempo dove il segnale trasformatorico si azzera. – Risultato della demodulazione in fase del segnale – (alcuni flussimetri AC usano forme d’onda quadra per l’eccitazione) Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] Strumentazione Biomedica Flussimetro elettromagnetico in AC • demodulazione in quadratura e soppressione del disturbo Viene rilevato il segnale in quadratura, ed è realizzato un feedback atto a cancellare tale segnale Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] sen(ωt ) cos(ωt ) = 1 2 sen( 2ωt ) sen 2 (ωt ) = 1 2 (1 − sen(2ωt )) 16 Strumentazione Biomedica … • Phase-lock Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected] 17
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