1 Tehnologii Biomedicale NOTE DE CURS Capitolul 1 1.1 Introducere Tehnologiabiomedicalaseocupaindeosebicuproiectarea,producereasiutilizareade instrumentatie(biosenzorisibiomateriale,crestereacalitatiisisiguranteiinvestigatiilor medicaleutileindiagnostivare,interventiiterapeuticechirurgicale,monitorizareaactului medicaletc.),aparaturamedicalaproducereasiutilizareadematerialesimedicamente noi, elaborarea de tehnologii terapeutice. Tehnologiileutilizateinconstructiaaparatelormedicalesebazeazapeutilizarea electroniciiacalculatoarelorsiasoftware-urilorspecializatecarepermitobtinereade rezultateimediate,oferaexplorarinedestructiveinmajoritateasituatiilor,transmitereasi stocareainformatiilorinbazededatesimonitorizareaintimpainvestigatiilorefectuate. Se doreste ca tehnologiile utilizatesa nu influenteze activitatea biosistemelor. Tehnologiileutilizatesuntspecificefiecareicategoriideaparaturabiomedicalautilizate. Dupa scopul pentru care sunt folosite aparatele biomedicale ele se clasifica in; Aparaturdelaborator,destinatefecturiidiferitelortestemicrobiologice,nscopul stabiliriiunuidiagnosticsaupentrucunoatereastructuriiiproprietilorbiochimicesau biofizice,aparametrilorfiziologicipentruanumiicompuichimicisauprobeprelevate dindiferiteorgane:analizoarehematologice,analizoarebiochimice,fotometre, analizoare imunologice, ; Aparaturpentrudiagnosticicercetare(aparaturpentruexplorrifuncionale), destinatinvestigriiorganismuluiuman,nscopulcunoateriistriinormalesau patologiceaacestuia:termometre,stetoscoape,fonocardiografe,electrocardiografe, electroencefalografe,electromiografe,electroretinografe,aparatepentrumsurarea conductivitiipielii,reografedeimpedanpulmonarsauvascular,aparateRtgen, etc; tensiometre, otoscoape, oftalmoscoape, laringoscoape, glucometre, etc. Aparaturpentruterapie,destinattratamentuluiuneianumiteafeciuni:stimulatoare alesistemuluinervossaumuscular,,bidecurentcontinuu,aparatepentruelectroliz, aparatepentruelectroforez,aparatepentrudiatermiecuundescurtesaumicrounde, ionizatoare,aparatecurazeX,curadiaiiGammasaucufasciculedeelectroni, generatoaredeinfraroii,generatoaredeultraviolete,vibratoare,aparatedemasaj, aparatelaser,aparatepentruhemodializ,aparatepentrufizioterapie(ultrasunete, 2microunde,undescurte,laser,vacuum,magnetice,etc),unituridentare,aparateaerosoli, etc; Aparaturiinstrumentarpentruchirurgie,destinatinterveniilorchirurgicale: bisturie,aparatepentruelectrocauterizare(elecrocauteresielectrobisturie),laparoscoape, mese de operatie, lampi scialitice, aspiratoare chirugicale, instalatii pentru apa sterila, etc; Aparaturapentruanestezie,destinatproceselordeanestezieimonitorizrii pacientuluipeperioadaanesteziei:ventilaiepaturiA.T.I.,monitoare,defibrilatoare, pulsoximetre, etc. Aparatur pentru monitorizare; Aparaturpentrusterilizare,destinatsterilizriiinstrumentaruluiutilizatn interveniile medicale: autoclave, pupinele, etc; Aparaturasiechipamentepentruasistentamedicaladeurgenta:trolii,extractoare portabile cu vacuum, aparate pentru reanimare, defibrilatoare, ventilatoare portabile, etc; Aparaturpentruimplantare/protezare,destinatreabilitriisausupliniriifunciilor naturalealecorpuluiuman.Prinintermediulsistemelordegraficasistatdecalculator (CAD),ingineriabiomedicalichirurgiaortopedicpotconstruiprotezeindividualizate. Anatomiasegmentuluiceurmeazafiimplantatsauprotezatestenregistratprintr-o tehnicimagistic,iarmodelul3Desterealizatfolosindprogramespecializatede reconstrucie.SistemulCADrealizeazproiectulsistemuluideimplantare/protezare,iar sistemulCAMexecutimplantele/protezele,precumidispozitivelenecesare interveniei. Aparateleauditivesuntprobabilcelemairspnditeaparatesenzorialeprodusede ingineriabiomedical.Acesteapotsconinfietranzistoriamplificatori,fiemici circuiteintegratecareamplificundelesonoremultpestepragul de audibilitate la oameni (ntre20i32000Hz).Undelesonoreamplificatesunttransmiseprincraniuiprin structurileauditivedinureche.Detectareavorbiriipoatefifcuteficientprininternediul unuichip.Unprogramconinutntr-unchippoateextrageiamplificafonemesau grupuri de sunete nazale i vocale din vorbirea unei persoane ctre o persoan ce prezint deficien de auz i care are montat n ureche un astfel de chip. Organeartificialeaucascopprimordialmeninereavieii.Acesteaincludstimulatoare cardiace,plamniartificialipentrufurnizareaoxigenuluintimpuloperaiilorpecord deschis,rinichiartificiali.Calitateaorganelorartificialeestecondiionatcalitatea biomaterialelor,debiocompatibilitateaacestora,denecesitateautilizriiunorsursede putere mici dar eficiente. Aparaturpentrucosmeticdestinattratamentelorcosmetice:vaporizatoare,uniti pentrucorectareacorpului,electrostimulatoare,electroepilatoare,aparatepentrumasaj, aparatepentruterapiecuultrasunete,aparatepentrutermoterapie,cameredeionizare, solare, etc.3AparaturpentruFitness,destinatexerciiilorpentruntreinereaimodelarea corpului Homemedicalequipments,destinateinvestigaiilorfuncionaleitratamentului, respectivemonitorizriiladomiciliulpacientului.Acesttipdeaparateiechipamente suntutilepentrurecuperrileladomiciliu,suntconfortabileiasigurindependena pacientului(mers,mbrcat,enjoyhobbies,etc):aparatepentruexplorrifuncionale (temperatur,presiunearterial,glicemie,etc),echipamentepentrurespiraie,scaunecu rotile, suporturi ajuttoare pentru mers, aparate pentru terapie fizic, recuperatorie, etc. Infunciedetehnologiilecarestaulabazafuncionrii,respectivaprelucrriii interpretrii rezultatelor: -Tehnologii bazate pe utilizarea fotonicii in diagnostic si tratament -Tehnologii bazate pe utilizarea microundelor in diagnostic si tratament -TehnologiibazatepeutilizarearadiatiilorX,folositeattpentrudiagnostic,cti pentru terapie (angiografia, computer tomografia); -Tehnologii bazate pe utilizarea curentuluielectric (electroterapie); -Tehnologii bazate pe utilizarea ultrasunetelor (efectul Doppler, ecografia); -Tehnologii bazate pe utilizarearezonanei magnetice nucleare (RMN); -Tehnologii bazatepe imagistic (tomografia, RMN, ecografia, radiografia clasic).-Tehnologii bazate pe utilizarea efectului Kirlian in diagnostic -Tehnologii bazate pe utilizarea biorezonantei in diagnostic si tratament -Tehnologii utilizate in medicina altrenativa Estedificildefcutoclasificareriguroasaaparatelorbiomedicalenfunciede tehnologiileutilizatedeoareceaparatelemodernembindincencetotmaimulte tehnologii.Un alt criteriu de clasificare a tehnologiilor biomedicale const n gradul de periculozitate altehnologiilorutilizate:invazivesauneinvazive.Tehnologiileneinvaziveprezintaun mareavantaj(vizualizareacuajutorulultrasunetelor,rezonanamagneticnuclear). Existitehnologiicarenecesitcateterizri,injectareaunorsubstanedecontrasti/sau utilizarea unor radiaii ionizante. 4 Capitolul 2 Tehnologia laser si aplicatiile ei in medicina. Biofotonica 2,1Biofotonica(gr.bios-viat)folosetetehnologiafotonicanproceduriiprodusecu aplicabilitatenmedicinibiologie.Aadar,biofotonicamaipoatefinumitatiina aplicrii luminii in medicina si biologie. Odatacuprimullasercurubinpusnfunciunenanul1960(Maiman1960)aaparutsi interesulmedicilordeautilizaaceastatehnologiedatoritafaptuluica fascicullaserfocalizat proprietateadeacoagulavaselesangvinedinretinideasecionaesutul.Terapialaser asupraretineiestefoarteeficientaintrucattoatecelelaltecomponentealeochiuluisunt transparentepentruradiaialaserilordindomeniulvizibil.Coagulareavaselorsangvine retinieneareprezentatprimaaplicaieneinvazivalaserilor.Unrolimportantilreprezinta accesoriile, care diversific aplicarea aceluiai laser n mai multe specialiti medicale. Fibreleopticemarescfoartemultaplicatiilelaserilorinmedicina.Transmiterearadiatiei lasercuajutorulfibreloropticecudimetrede1001000mfaceposibilaatatexplorarea diverselororgane(vizualizareendoscopica)catsitratarealor.Sistemelelasercufibre optice sunt folosite de asemenea ca surs de excitare n studiul fluorescentei unor esuturi din interiorulcorpului,precumipentrutransmitereasemnaluluidefluorescentspresistemele opticei electronice de analiz. De exemplu, n bolile cardiovasculare se utilizeaz un sistem de diagnosticare cu fibre optice pentru a distinge zonele normale de cele bolnave ale arterelor, nainte de a aplica radiaia laser de putere pentru ndeprtarea plcii ce obtureaz arterele. Tehniciledenregistrareladistantculaserin infrarou msoar absorbia optic a pereilor arterelor,pieliiicalculilorbiliari,ntimpcemprtiereacvasi-elasticaluminiieste utilizat pentru investigarea biologiei formrii cataractei. Laseriipermitinteraciafrcontactcuesutul,ceeaceconferunavantajclinicimportant. Astfelnoftalmologie,laseriisuntfolosiinmodcurentpentrutratareacauzelorceconduc lapierdereavederii:degradareamacularaccentuatdevrst,boalaretinianaindusde diabetiglaucomul.Interaciafrcontactlaser-tesutestedeasemeneaimportantn sistemele optice de diagnosticare.Radiaia laser inciden pe esut poate suferi patru procese importante: a)poate fi reflectat de suprafa;b)opartedinradiaiatransmispoatefiabsorbitnvolumulesutului,fiedectreapadin esut,fiedealiabsorbani,cunoscuisubdenumireadecromofori,cadeexemplu hemoglobina i melanin;5c) o alt parte din radiaia transmis este mprtiat n esut, putnd, n unele cazuri, conduce la distrugerialeesutuluinregiunimultmaindeprtatedectne-amateptadelaosimpl propagare prin esut;d) o parte din radiaie poate fi transmis prin esut, n special n cazul unor grosimi mici. Interacia radiaiei laser cu sistemele biologice, pot genera trei grupe principale de efecte: -Primagrupsereferalaefectelelaserdemicputere,princareradiaiaesteabsorbit, reflectat sau reiradiat (prin fluorescent) de ctre substan astfel nct nu apar nici un fel de modificri.Acesteinteraciiformeazbazadiagnosticuluilaser(diagnosticulspectralal moleculelor i macro-diagnosticul la nivel de esut). -Adouagruputilizeaztotfasciculelaserdemicputere,emisenspectrulvizibilsau ultraviolet,carepotexcitastrielectronicedinmoleculeipotapreaefectefotobio-logice specifice datorit excitrii cromoforilor (endogeni sau exogeni) din celule. Aceste procese apar incazulsurselornecoerente,darfolosirealaseriloraducebeneficiidinpunctdevedere practic. Aceast grup de efecte st la baza fotobiologiei moleculare i a fotomedicinii. -Atreiagrupdeefecteimplicradiaielaserdemareputerecareafecteazesutulprin distrugeritermicesauhidromecanice.Acesteprocese,observaterarcusursederadiaie necoerent, formeaz baza chirurgiei laser. Cea mai utilizata interacie laser-esut este cea in care are loc o incalzire locala,ncepndcu hipertermia,continundcureaciilefotochimiceiniiateculaserisfrindcuablatialaser, toate acestea sunt componente ale aceluiai tip de interacie, respectiv cea fototermic. Reaciilefotochimiceiniiatedelasersuntfolositepentrudistrugereacelulelortumoralei joacunrolimportantnablaiaesuturilorculasericuexcimericeemitnultraviolet Deoarecefotoniiculungimeadeundde193nm(laserulcuArF)auoenergiede6,4eV, careestesuficientpentrurupereamultorlegturichimice,interaciacuesutulimplicun mecanismfotochimic,nsoitidefenomenetermice.Pondereacelordouprocesedepinde delungimeadeundideproprietileintei.Celemaisemnificativeaplicaiialeefectelor fotochimice sunt terapia cu laseri de putere mic i terapia fotodinamic. Terapiafotodinamicesteutilizatapentrudistrugereaceluleloritumorilorpecale fotochimicfolosindunfotosensibilizator,(uncolorantabsorbant,exogen),careeste reinut preferenial de tumorile solide din corp, ceea ce face posibil distrugerea selectiv a celulelortumorale.Cromoforulexogenintrodusncorpareoeficientcuanticde fluorescent destul de cobort, astfel nct cea mai mare parte dinenergia laser absorbit estetransferatcolizionalmoleculelordeoxigendinesut,determinandformarea oxigenuluisinglet",oformexcitatreactivamoleculeideoxigencarepoatedistruge esutulbiologic.Celmaistudiatfotosensibilizatorestederivatuldehematoporfirin (HPD), un amestec complex de porfirine. EI este injectat intravenos i apoi, dup o ntrziere dectevazilepentruapermitendeprtareasadinesutulnormal,locultumoralesteiradiat cu laseri cu lungimea de und 630 nm, ce este absorbit de HPD, dar nu i de piele, care este 6relativtransparent.DezavantajulutilizariideHPDfotosensibilestedatdeuzurapielii, astfel nct trebuie s se evite lumina solar sau lumina artificial puternic. Testeleclinices-auconcentratasupratratamentuluicanceruluideplmn,deesofag,de piele,precumiafazelortimpuriialecanceruluidebila.Tumorile,fiindrelativreduse, suntadecvateterapieifotodinamicedatoritnecesitiiptrunderiiadncialuminii. Tratareatumorilorprofundenecesitimplantareaunorfibreopticepentruatransmite radiaialasernvolumultumoriiModelelematematicecetrateazpropagarealuminiin mediicuturbiditate(mediicareprezintsimultanabsorbieimprtierealungimeade undrespectiv)aufostdemareajutornnelegereadistribuieiluminiicaurmare a unei diversitideconfiguraiideiradiere.Fotosensibilizatoriilocalizainesuturispecificefac posibilselectivitateaspaial,fieprinadministrarealocalizat a medicamentelor, fie prin aplicarealocalizataradiaieilaser.Noifotosensibilizatoriaufoststudiainultima vreme,cumaximulabsorbieideplasatsprelungimideundmaimari,undepenetrarea radiaiei laser n esut este mai adnc. 2.2 Radiatia Laser Principiiledefuncionarealelaseruluiaufostenunaten1916deAlbertEinstein, printr-oevaluareaconsecinelorlegiiradiaieialuiMaxPlanckiintroducereaconceptelorde emisie spontan i emisie stimulat.n1953fizicianulamericanCharlesTownesi,independent,NikolaiBasoviAleksandr ProhorovdinUniuneaSovieticaureuitsproducprimulmaser,undispozitiv asemntorculaserul,darcareemitemicroundenlocderadiaielaser,rezultatpentru care cei trei au fost rspltii cu Premiul Nobel pentru Fizic n 1964. PrimullaserfuncionalafostconstruitdeTheodoreMaimann1960iaveacamediu activ un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash. PrimullasercugazafostconstruitdefizicianuliranianAliJavann1960folosindun amestecdeheliuineon,careproduceaunfasciculculungimeadeundde1,15m (infraroulapropiat),spredeosebiredelaseriiactualicuHe-Necareemitngeneraln domeniul vizibil, la 633 nm. Romniaafostapatraardinlumencares-aurealizatlaseri,nurmaunorcercetri ntreprinsedeuncolectivcondusdeIonI.Agrbiceanu.Rezultatullorafostraportatn 1961. 2.2.1 Tranzitii cuantice Particulele(electroni,atometc.)prezintadiversestarienergeticenumiteniveluri energeticealeparticuleicaresuntbinecuantificateavanddecianumitevaloribine determinateE0,E1,E2,...,En.NivelulcelmaisaracinenergieE0,senumestenivel fundamentalsireprezintanivelulcelmaistabil.Numaruldeparticuledinunitateade 7volumdemateriecareareenergiacorespunzatoareunuinivelenergeticpoartanumelede populatieNaniveluluirespectiv.Laechilibrutermodinamicdistributiaparticulelordupa energia lor este descrisa de legea de distributie a lui Boltzmann: Nn/Nm =eexp-(En-Em)/kT (1) Unde En >Em , k reprezinta constanta lui Boltzmann (k = 1,2310* 10-??23 J/K ), iar T reprezinta temperatura absoluta a mediului cuantic.Conformacesteilegirezultacaunnivelareenergiamairidicatadacaestepoatemai putinpopulat.Oparticulapoatesatreacade pe un nivel energetic pe altul prin absorbtie, emisie spontana sau emisie stimulata. ConsideramunsistemcuanticcudouanivelurienergeticeE1siE2cuE1>E2.O particulapoatesatreacadepenivelulE1penivelul E2 absorbind o cuanta de energie h = E2-E1 . O astfel de tranzitie se numeste absorbtie. E2 ------------------------------ h E1------------------------------ ProbabilitateacaoastfeldetranzitiesaaibelocestedatadecoeficientulluiEinstein,B12. Numarul de tranzitii dN ce se pot produce este dat de relatia : -dN1 = +B12q N1dt =dW12 Unde: dW12 reprezinta probabilitatea de depopulare a nivelului inferior E1 q- reprezinta densitatea spectrala a energiei si este data de legea lui Planck (q = E/ ). Particulanupoatestamulttimppeunnivelsuperiorsirevinepenivelulinferior.Aceasta revenire se face prin tranzitie spontana, care are un caracter aleator si nu este determinata de o influenta din exterior. Probabilitatea de depopulare a nivelului superior este; -dN2spontan = +A21N2dt Unde: A21 reprezinta coeficientul lui Einstein E2 ------------------------------ h E1-------------------------------- 8Datoritacaracteruluialeatorfotoniiemisidauoraditienecoerenta,needirectiva, nepolarizata.DacatranzitiaestestimulatasiB21estecoeficientulluiEinsteincorespunzatoreiatunci probabilitatea de depopulare a nivelului superior in timpul dt este: -dN2stim. = + B21qN2dt Cele doua tranzitiide absorbtie si de emisie se numesc tranzitii induse ( pentru ca necesita un camp electromagnetic exterior). Rezulta deci ca depopularea nivelului superior este data de: dN2 = dN2spontan + dN2stim. Si reprezinta probabilitatea totala de depopulare a nivelului superior dW21, deci : dN2 = dW21 = + ( A21 + B21q ) N2dt Incazul tranzitiei stimulate radiatia obtinuta este monocromatica , coerenta, polarizata. In urma acestei tranzitii se obtine o amplificare prin faptul ca rezulta doi fotoni E2 ------------------------------ h h = ( E2-E1) / h h E1-------------------------------- LaechilibrultermodinamicalsistemuluicuanticceledouaprobabilitatidetranzitiedN1 si dN2 sunt egale deci dW12 = dW21 sau B12qN1 =( A21 + B21q ) N2 Din aceasta relatie rezulta q =A21 N2/ (B12N1- B21N2 ) Daca nivelele sunt negenerate atunciB12 = B21 si q =A21 / B12(eexph/kT-1) Tinand cont de legea lui Planck rezulta: A21 / B12 = 8h(/c)exp3 Aceasta relatie este valabila pentru mediile cu indicele de refractie n = 1 cum ar fi gazele. 9Pentru medii cu n 1 avem = c/nsi deci : A21 / B12 = 8h(n/c)exp3 Din aceasta relatie rezulta ca la frecvente inalte predomina tranzitia spontana (radiatia X ) iar la frecvente joase ( undele radio ) este preponderenta tranzitia stimulata. 2.2.2 Inversiunea populatiilor si temperatura negativa Pentru un sistem ce nu prezinta grade de degenerescenta din relatia (1) se deduce: ln (N1/N2) = (E2-E1)/kTs unde Ts reprezinta temperatura sistemului cuantic. Dacaln(N1/N2)>0sicumE2>E1rezultacaTs>0.Lasistemelecuanticelacareeste valabilalegeadistributieiluiBoltzmanndecisuntlaechlibrutermodinamicTsreprezinta chiar temperatura reala a sistemului in grade Kelvin. DacasistemulestescosdinstareadeechilibruastfelincatpopulatiilenivelurilorN1si N2vorfidiferitedecelecorespunzatoareechilibruluitermodinamicdarpopulatia niveluluiinferiorramanemaimarecaceaaniveluluisuperiordeciN1>N2inacestcaz Ts ramane pozitiva. DacaN1 0 si P < 0. b)mediiactivelacarepopulatiilesuntinversateN1T2.Magnetizatiilediferitelorelementeauvitezediferitedeprecesie, n functie de valoarea locala a cmpului magnetic static. Apare astfel o defazare treptata a magnetizatiei, care se desfasoara n evantai (Figura 4.14). Figura 4.14Defazarea progresiva a magnetizatiei transversale n urma impulsului la 90o Fenomenuldespin-ecou.AtenuareamagnetizariitransversaledatoritaluiT2este compensata prin aplicarea unui impuls de RF defazat cu 180o, la t secunde dupa impulsul de 90o (Figura 4.15,b). Astfel spinii mai rapizi se aliniaza cu cei mai lenti iar la t = 2t are locrefocalizareacompleta(Figura4.15,a).DacaSINLscadecuoconstantadetimp T2*>T1,imagineaareunanumitcontrast. Daca T~T1, contrastul rezultat depinde de T1 si de T2: pentru ntrzieri mici (t=ta) creierul aparecuuncontrastbun(elareT2mic);pentrut=tbcontrastulestefoartemiciardaca t=tc semnificatia stralucirilor celor doua tesuturi este inversa. RMNnmedicina.Nucleulhidrogenului,protonul,estecelmaiabundentelementdin organismelevii.ImaginileRMNindicarepartizareaprotonilornsectiune,precumsi informatiiasupratimpilorderelaxarespecificifiecaruitesut,structuriilorchimicesi vitezeidecurgereafluidelorncorpuluman.Altiizotopicuspinnuclear(13C, 17O,31P,15N)audensitatiscazutentesuturileumanesipotfigreudetectatiprinRMN. RMNseaplicaninvestigareapracticaoricaruitesutsiorganuman,darrezultatelecele mai spectaculoase se nregistreaza n cazul creierului. 69 (a)Formarea unui spin-ecou(b)Secventa spin-ecouFigura 4.15 Figura 4.16Efectul timpului T2 asupra contrastului imaginilor 4.3.2Schema bloc a unui tomograf cu RMN ConstructiapracticaaunuitomografcuRMN,deosebitdecomplexa,depindedemodul de excitatie, sistemul de magneti si metodele de reconstructie a imaginilor. O schema bloc principiala este prezentata n Figura 4.17 |Gli88|. 70 Figura 4.17Schema bloc a unui tomograf cu RMN Ocaracteristicatehnicaimportantaesteabsentapieselormecanicenmiscare, localizareaspatialaaprobeifacndu-setransformnddomeniulfrecventancoordonate spatiale.SursadeexcitatieesteunemitatordeRFceproduceuncmpperpendicularpe cmpulmagneticstatic.SINLesteobtinutprininductienbobinareceptorului. Memorareasireconstructiaimaginiisefacecuajutorulsistemuluidecalcul,ncarese remarca procesoarele Fourier dedicate.Sistemuldemagnetiestecomponentacheie,criticasi cea mai scumpa a tomografului. Deexemplu,pentruoprobade0,5mdiametruomogenitateaspatialasitemporalaa cmpului trebuie sa fie de 10...100 ppm. Inductiile magnetice folosite, B0, sunt de 0,15...2 T(optimnjurul0,35T).Crestereainductiei,desimarestesensibilitatea,arecaefecte nedoritescaderearaportuluisemnal/zgomotsiafrecventelornaltenSINL,precumsi crestereapierderilorprincurentiturbionari.Magnetiistaticifolositipotfidetip permanent(dinmiezferomagneticpremagnetizat,B0max=0,3T),rezistiv(miez feromagneticsauconductordincupru/aluminiuexcitatelectric,B0max=0,2T)sau supraconductor(conductordeniobiu-titanlatemperaturacriogenica,B0max=2T,foarte scumpi).Sistemul de gradienti permite rezonanta selectiva a probei si este format din trei bobine decurentcontinuuortogonalecareproducgradientiiliniariGx,y,z.SpectrulFourieral SINL(fi )reprezintacodificareanfrecventaacoordonatelorspatialealepunctelor sectiunii.Amplitudinilefrecventelordepinddedensitateadeprotonisidetimpiide relaxare.Sistemuldecalculpermitecagradientiisafiesincronizaticubaleiajulimaginii. Marimeagradientuluideterminarezolutiaimaginii.ntructncorpexistagradientide fond,datoratineomogenitatilorcmpuluimagnetic, valoarea globala a gradientului aplicat 71trebuiesafiemaresigreuobtenabila,depnala10T/m.Practicsefolosesteosecventa de impulsuri de RF si de gradient ca n Figura 4.18. Receptionarea SINL (ecoului) se face la momentul t=10t, cu t=100300 s. Cu succesiunea de gradienti pozitivi si negativi din figuravaloareaglobalaagradientuluiaplicatscadedecca.10orifatademetodadirecta, la aceeasi rezolutie. Figura4.18Succesiunea impulsurilor de RF si de gradient BobinadeRFgenereazacmpulexcitatorputernicsiomogen(B1),perpendicularpe cmpul static principal B0 si culege SINL, avnd amplitudini mici. EmitatorulproduceimpulsurideRFfoartestabile,de110kW,careajunglapacient mult atenuate (wati). Uzual, cmpul B1 este de cca. 5 T/cca.1 ms (impulsul la 90o). ReceptorulculegedinbobineledeRFSINL,avndamplitudinideordinulV,l amplifica si l mixeaza n banda de audiofrecventa. Sistemuldeachizitiededatepreiasemnaluldelareceptor,lamplifica,filtreazasi mixeazacusemnalulunuioscilatorlocal,lmediazanadaptorpentrureducerea zgomotului,lconvertestensemnaldigital,lmemoreazasi-lprezintaprocesorului Fourier.Sistemuldecalculreconstituieimagineadinproiectii,supervizeazafunctionarea celorlaltor blocuri si realizeaza dialogul cu operatorul. Metode de detectie DetectiasimplaconstanachizitiasiprelucrareaSINLimediatdupaaplicareaimpulsului deRF.Folosestepentru imagini doar componenta defazata cu 90o fata de impulsul de RF a spectrului Fourier. Metoda nu poate fi folosita pentru codificarea spatiala a protonilor. Detectia selectiva, prezentata deja, ofera respectiva codificare. Pentru un gradient liniar transformataFourieresteproiectiadistributieiprotonilorexcitatide-alungulgradientului, pe directia perpendiculara pe directia gradientului.72Detectiantrziata(pregatita)aSINLdupaaplicareaexcitatieipermitespinilorsaaiba precesielafrecventedependentedetimpsispatiu,nfunctiedevaloareacmpului.La sfrsitulacestuitimppregatitorspiniidiferitelorzonealeprobeis-aurotitcuununghi proportionalcuintegraladetimpacmpuluimagnetic.Rezultaastfelocodificare suplimentaraauneicoordonatespatiale,de-alungulgradientului,nfazeleSINLcese detecteaza.Gradientiioscilantiapardacabobinadegradientpeocoordonataestestrabatutade curent alternativ. Exista un plan n care gradientul este nul si n care cmpul rezultant este constant.PentruosecventarepetitivadeimpulsurideRF,SINLvorfistabiledoarn "planulnul".nresteleaucaracteraleator,cumediezero.Deplasndplanulnulde-a lungulaxeixsimodificndalimentareabobineidegradient,seobtinerezolutia unidimensionala.Generalizndmetodapentrucelelalteaxeseobtinrezolutiilebi-si tridimensionale. 4.3.3Metode de reconstructie a imaginii Reconstructia din proiectii Dupacum s-a aratat, transformatele Fourier ale SINL reprezinta proiectii fie ale densitatii protonilor,fievalorialetimpilorderelaxare,fiecombinatiialeacestormarimi.Pentru cazul bidimensional (2D) problema reconstructiei se formuleaza n cele ce urmeaza.Fie f (x, y) o functie reala, f : R2R si fie uov un sistem ortogonal rotit fata de sistemul xoy cu unghiul u variabil. Proiectia dupa unghiul u a lui f este data de formula } }= = uLy x f v v u f u P l d d ) , ( ) , ( ) (u, undeLuesteodreaptaparalelacuaxaov(formeazaunghiulucuaxaoy).Problema reconstructieiestedeaafla valorile lui f(x, y) stiind proiectiile Pu(u). Pentru cazul discret se afla valorile lui f ntr-un numar finit de puncte, cunoscnd valorile lui P pentru diferiti u siu.ngeneral,trebuierezolvatunsistemdeecuatiiintegrale,lucruaproximatprin metodenumericeadecvate.ncazultridimensionalfunctiafsepoateobtinefiedintr-un setdeproiectii2D,paralelecuplanulxoysiapropiatentreelesaudinsectiuniplane rotitenjuruluneiaxe(oy),avnddecisimetrieradialacilindrica.Metodelede reconstructie directa 3D pot folosi att proiectii 2D ct si multimi de proiectii 1D. 73 Figura 8.19Reconstructia 3D 1. Principiul transformatei Radon Fief(x,y,z)=f(r)ofunctiereala3D,f:R3R(nparticularofunctie-imagine).Fieun vectoroarecareunitaresiseR.TransformataRadonafunctieif,R(f)sedefineste astfel nct r r r 3) ( ) ( ) , ( ) ( d} = s f s f R o, undeintegralaseiapesteplanuldefinitdeecuatiare=siaroestefunctiadeltaalui Dirac.Seobservarespectareadefinitieiproiectieiuneifunctii.Inversatransformatei furnizeaza valorile functiei initiale: { }} }e =(((

= =unitate sfer ss f R s f R f r r r r r ) , )( (81) ( ) ( ) (223 122dsdd dto. 74Volumuldecalculfiindfoartemare,transformataRadonaremaimultimportanta teoretica. 2. Metoda convolutiei PorninddelatransformataRadon,functiaimagineseexprimacaintegraladeconvolutie dintreproiectiisiofunctiefiltru.ncazuldiscret,pretabilcalcululuinumeric,seobtine formula = = + =KkMmk ka m P a m y xKay x fk1 1) ( ) sin cos ( ) , ( , n care este functia filtru, Pkeste proiectia functiei imagine f dupa unghiul k, aeste pasul de esantionare a proiectiei, Meste numarul de esantioane ale unei proiectii si Keste numarul de proiectii. K kKkk< s+= 0 ,1 2t . Efortuldecalculnecesaresterelativredus,nsaalegereafunctieifiltruestedelicata, criteriiledealegerefiindadeseacontradictorii.nprincipiutrebuiefolositunfiltrutrece-joscuroldea minimiza efectul esantionarii asupra proiectiilor. Astfel de filtre sunt filtrul Ram-LaksifiltrulShepp-Logan.Primuloferarezolutiebuna,contrastemaridareste sensibil la zgomot. O alta varianta de filtre se bazeaza pe metode de cuadratura (Simpson, metodatrapezuluietc.),cecalculeazaaproximativintegraleledinformulaconvolutiei. De exemplu, filtrul Horn reduce zgomotul dar si contrastul si taie frecventele nalte. Practic se potfolosicombinatiidefiltrediferite,ajungndu-selacompromisuricalitative acceptabile. 3. Metoda transformatei Fourier (TF ) CheiametodeiestecaTFauneiproiectii(n-1)-dimensionaleauneifunctiin-dimensionaleesteegalacusectiuneacentralaaTFafunctiei.Rotindproiectiile,deci sectiuneaTF,sepoaterefaceTFcompletasiapoi,prinTFinversa,sepoatereconstitui 75functiaoriginal.Exemplificammetodapentrucazul2D,trecerealandimensiunifiind directa. Fie f (x, y) functia imagine. TF a ei este } } + = dy dx e y x f v u Fvy ux j ) ( 2) , ( ) , (t. Proiectia lui f pe axa ox se obtine cu formula } = dy y x f x gy) , ( ) (. TF a proiectiei, } } = dy dx e y x f u Gux jyt 2) , ( ) (, este egala cu sectiunea centrala a TF 2D a lui f: } } = dy dx e y x f u Fux j t 2) , ( ) 0 , (, adica Gy (u) = F(u, 0). TF a proiectiei lui f pe o axa rotita cu un unghi u este egala cu sectiunea dupa u a TF a imaginii.TFdiscretealeproiectiilorproducretelepolaredepuncte.Pentruobtinerea imaginiincoordonatecartezieneestenecesaraointerpolare2DnplanulFourierprin care se calculeaza valorile TF n nodurile retelei carteziene.AlgoritmulTFrapidesiprocesoarelespecializatereducconsiderabiltimpuldecalcul, chiar pentru rezolutii spatiale de sute de puncte. 76 Figura 8.20Reconstructia transformatei Fourier a imaginii 4. Metode algebrice Fie f (x, y) o functie imagine de banda limitata, y xlvlu v u F21,21, 0 ) , ( > > =, sioretearectangularade(IxJ)pixeli,definitadepunctele(mlx,nly),cum,neZ. Proiectia lui fpe o axa oarecare este data de formula === =1010..., , 2 , 1 ,IiJjijk ij kK k w f g, undewijksuntpondericeindicadacadreaptadeproiectieintersecteazaelementul(i,j). Rezultaunsistemdeecuatiicunecunoscutelefij,valoarealuifnpunctul(i,j).Sistemul de K ecuatii cu I xJ necunoscute de mai sus este, n general nedeterminat, caci mare parte dinwijsuntnuli.nplus,s-aroperacumatricedemaridimensiuni,lucrutotal neeconomic.Dinacestemotives-auelaboratmetodeiterativecaredeterminasolutii aproximativealesistemuluidemaisus.Unadinmetodepleacadelavaloriinitialef ijsi determina valori analoage,qijf, la iteratia q: ,1, 0 ,1,101011===+ = A= A = AA + =IiJjqijk kk qijkijKkqijkijqijqijqijqijfN LgfM fMff f f 77unde Lk este lungimea razei de proiectie k, Nk este numarul de celule intersectate de raza k iarMijestenumarulderazeceintersecteazapixelul(i,j).Conditiadeoprireesteca marimea ( )===A = AA =101012,IiJjijkqijkkKkkw f gg r sa fie de acelasi ordin de marime cu energia zgomotului aleator. 5. Reconstructia obiectelor n miscare pe baza paradigmei conexionisteMetodeledereconstructieprezentatesunteficientepentruprobefixe,statice.ncazul unororganenmiscare(inima, plamn) multimea proiectiilor nu este consistenta n raport cu distributia absorbantei probei (proiectiile nu apartin aceleiasi faze a variatiei n timp) si imaginea obtinuta va avea artefacte de miscare. Reducerea timpului de scanare si folosirea unormetodespecialedeesantionarenurezolvacompletproblema.Folosirearetelelor neuronaleartificiale(RN)pentrureconstructiadintr-osecventadeproiectiiesantionate liniarntimpsedovedestefoarteeficienta|Chi94|.Formulareaproblemeieste urmatoarea: Avnd o functie de doua variabile s(x,y), transformata Radon a lui s este } } + =2 1 2 1 2 1)) sin cos ( ( ) , ( ) , ( ds ds s s s s s p u u o u , ncareeRm,ue0,tsio()estefunctiadeltaaluiDirac.Secventadeproiectiia obiectului variabil poate fi calculata pentru o multime finita de raze de proiectii, adica ) ,12 , ( ) , , (2 1kT t RNRjNi p k j i pmm= = = = tu, pentrui=0,1,,N1-1,j=0,1,,N2-1,k=0,1,,N3-1,Tfiindintervaluldintre douaproiectiiconsecutive.Definindxke2 1xN NR proiectiacompletalamomentulkT,nct elementul (i,j) al lui xk este p(i,j,k), multimea proiectiilor poate fi scrisa ca | |TTNT T1 1 03,= x , , x x X e 2 3 1xN N NR . Transformata Fourier se scrie sub forma matriceala complexa ca 78)) 1 )( 1 ( 2exp(1iiknNn k jN =tF. Obtinemunsistemdeecuatiiliniareavndcanecunoscuteproiectiileobiectuluivariabil n timp. Ecuatiile sistemului se determina astfel: 1.nfasuratoareaspectralaaproiectiilortrebuiesaaibaformadearc.DefinimU e2 3 1xN N NZ siu e2 1xN NZ , nct U = 1N3x1 u ( denota produsul Kronecker) iar u(i,j) = 1 n afara spectrului si nul n interiorul sau. Rezulta expresia | |2 3) (1 3 xN N1NT2U F X F I 0 ~ - ,(1) ncare(-)esteprodusulmatricealSchur-HadamardsiIiestematriceaidenticade dimensiune Ni Ni. 2.Spectrultemporalalproiectiilortrebuiesafiedebandalimitata.Sedefinesc W e2 3 1xN N NZsi wij e3NZ , nct ) 1 ] ([ ) , 1 (3+ = +Nkw j kijW, pentru i = k modN +3, j = 0, 1, ,N2-1,k=0,1,,N1xN3-1siwij=110011T.Numarulde0nwij(i,j) determina latimea benzii variatiilor temporale ale obiectului. Avem deci | |2 3) (1 3 xN N1N 2W I X I F 0 ~ - .(2) 3.Valorileproiectiilorreconstruite,pentruunghiulmasurat,trebuiesafie aceleasicuvalorileproiectiilormasurate,adicaXtrebuiesaseapropiededatele disponibile, D: | |2 3) (1 3 xN N1N 2D - V I X I I 0 ~ - ,(3) undeVe2 3 1xN N NZ ,V(l,m)=0dacaX(l,m)nuestedisponibilsiV(l,m)=1dacaX(l,m) este disponibil, l = 0, 1, , N1xN3 -1 si m = 0,1, , N2 - 1. Ecuatiile(1),(2),(3)formeazaunsistemdeecuatiiliniaresupradeterminat(necunoscute maiputinedectecuatii).nloculcalculariiexactealuiXputemfolosimodelul conexionistpentruaminimizaeroareapatraticamedietotala(MSE)pentrusistemulde mai sus. Rezolvam deci )`- + - + - 22 1 322 1 322 1 3] ) [( ] ) [( ] ) [( minF F FTD - V I X I I W I X I F U F X F IX.(4) 79 Figura 4.20aTopologia retelei neuronale pentru reconstructie TC RNacareiantrenaresupervizataimplementeazaproblema(4)esteformatadintrei subretele, ca n Figura 4.20a. Vectorii de intrare F(0,i ), F(1,i ), , F(N2-1,i )T si I(0,i ), I(1,i),,I(N2-1,i)Tsuntrespectivcoloaneleialelui TF2si I2. Vectorul Y de la iesirea RN este (((((

=((((

=2 1 32 1 32 1 3) () () (I X I II X I FF X F IyyyY, ,,T. PrinantrenaresevordeterminavalorileponderilorX(celelalteponderisuntfixe),astfel nct iesirea sa aproximeze valorile dorite, conform criteriului de minimizare 802FVWUD00Y min((((

-|||.|

\|((((

X. Celetreisubretelepotfiantrenatenparalelntimpulfiecaruicicludeinstruireiarlao iteratieseprezintaRNcteocoloanaavectorilorindicati.Rezultateleraportateindicao eroare de reconstructie foarte buna, de cca. 2%. 4.4Tomografia computerizata cu emisie de pozitroni (PET) Posibilitateainvestigatiilorimagisticecuajutorulemisieidefotonidenaltaenergie produsi prin anihilarea pozitronilor emisi de anumiti izotopi a fost demonstrata de aproape 50deani.Dezvoltareatehnologieidetectorilor,precumsiaalgoritmilordereconstructie deimagini,audeterminatcalasfrsitulanilor80PETsadevinauninstrumentputernic ndiagnosticulmedicalsipentrustudiuldinamicalmetabolismului.Sensibilitateamult maimare(demilioanedeori)cancazulRMN(Figura8.21)afacutcaPETsafiede nenlocuitnstudiulneuroreceptorilordincreiersialaltortesuturi,maialespentru concentratii nanomolare. Aplicatiilecliniceincludtumorialecreierului,plamni,sni,tractulinferior gastrointestinal, bolile Alzheimer, Parkinson, epilepsie, boli arteriale coronariene s.a. Substanteledecontrast,ncazulPET,suntmoleculebiologicecarecontinizotopi emitatoridepozitroni,cumsunt 11C, 13N, 18F, 15O.Acesteaseacumuleazancteva minutentesuturipentrucareexistaafinitate:deexempluglucozamarcata cu 11C sau 18F seadunancreier,undeestefolositacasursadeenergie.Radioizotopulemitepozitroni, astfel:unprotonnuclearsetransformantr-unpozitronsiunneutron.Pozitronulse combinarapidcuunelectron(anihilare),energiaimplicatafiindde1,022MeV.Aceasta energiesemparteegalpentrudoifotoniemisindirectiiopuse,detectatideoariede detectori care nconjoara pacientul (Figura 4.22). Figura 4.21Malformatie arteriovenoasa. PET indica metabolism deficitar al glucozei 81PrincipiulcodificariispatialenPETesteurmatorul:cndsenregistreazasimultandoi fotonidecatreoperechededetectori,anihilareacarei-aprodusaavutlocpedreapta ce unesteceidoidetectori.Dupacca.100.000deprocesedeanihilaresepoatedetermina distributia traseelor cu emisie de pozitroni, prin reconstructie tomografica 2D sau 3D. Detectiafotonilorrezultatisefacefolosinduncristal,caretransformafotoniidenalta energienluminavizibila.Unfotomultiplicatorproduceunpulsdecurentelectric, proportionalcunumaruldefotoniluminosi.Sensibilitateaglobalaacaiideimaginefiind proportionalacupatratuleficienteidetectorului,rezultacaaceastadinurmatrebuiesafie de aproape 100%. CamerelePETmodernecontinunnumarde1547straturitransaxiale(Figura4.23). EcranuldeplumbprevineefecteparazitedatoratepacientuluiiarfireledeTungsten eliminafotoniirezultatidinefectulComptondemprastierenpacient.Datele sunt culese n planuri transversale. Figura 4.22Principiul fizic al PET Figura 4.23Detector PET multistrat RezolutiaPET.ElementelecareafecteazarezolutiaspatialaaPETsuntprezentaten Figura4.24.Unprimfactorestemarimeadetectorului.Deexemplu,pentruunblocde cristaledescintilatietipBGOscaderea rezolutiei este de 2,2 mm. Exista o necoliniaritate ntredirectiilefotonilordeanihilare,careducelamicsorarearezolutiei,proportionalcu 82marimeaineluluidetector.Unaltelementestedistantadintrepunctuldeemisieal pozitronuluisiceldeanihilare.Rezolutiaobtinutadepindedetipulradionucleului.Pentru 18F, rezolutia masurata la nivelul imaginii reconstruite este de 2,6 mm. RezolutiatemporalaaPETestede10ns.Dacadouaanihilariaulocnacesttimp, efectulestecrestereaactivitatiidefond(parazita)atomografului.Pentruoperechede cristale rata evenimentelor aleatoare creste cu patratul activitatii individuale. Reconstructia tomografica Formarea imaginilor PET este precedata de corectii, la nivelul fiecarei raze proiectate, ale eficienteicristalului,atenuariisieficienteialeatoare.nplus,estenecesaraetalonarea detectoruluifaraprezentapacientului.nfazadelucrupacientulesteinjectatcuizotop, apoisemasoararataevenimenteloraleatoare,caresescadedinratadeemisie.Diferenta se mparte la factorul de atenuare si la eficienta detectorului. Rezultatul se reconstruieste, de obicei folosind aceiasi algoritmi ca n cazul tomografiei curazeXsaucuRMI,adica,deexemplu,printransformataFourierfiltrata.Imaginea obtinuta, I, are forma I P =( ) ( ) ( ) PI F FTS F1u, undePIesteoperatorulproiectieiinverse,FestetransformataFourier,FTSestefunctia filtrului trece-sus iar P este matricea proiectiei. Figura 4.24Elemente care determina rezolutia PET Figura 4.25Proprietati statistice 83Proprietati statistice ale PET Pentruestimareacorectaaconcentratieidefotoni,decipentruoimaginedecalitate, trebuie achizitionate suficiente date. Datele disponibile depind de sensibilitatea sistemului, doza de izotopi injectata si de acumularea biomedicala a acestora. Erorile de reconstructie au ca efect cresterea zgomotului cu un factor proportional cu radicalul numarului de pixeli din imagine.Formula care modeleaza statistic reconstructia imaginii este gradul de incertitudinenr total de evenimentenr total de evenimente(%), ( . )( . )//= 12 1003 41 2. Cerinteledeordinstatisticsuntlegatedirectderezolutiaspatiala(Figura8.25).Pentruo precizie(sauechivalentraportsemnal/zgomot)datasipentruodistributieuniforma, numaruldeevenimentecerutesteliniarcrescatorcunumaruldepixeliefectivi.Rezolutia efectivaesteegalacunumaruldepixeliocupati,ponderatcuactivitateaaferentafiecarui pixel.

84Capitolul 5 ELEMENTE DE BIOREZONANTA Organismulumanreprezintauncampelectromagneticcarepoatetransmitesireceptiona oscilatiimagnetice.Corpulomenescemite diferite oscilatii, celulele, tesuturile si organele avandfiecarepropriileoscaliispecifice.Acesteoscilaiiformeaympreunspectrul total de oscilaie al fiecrui individ. Tipareleenegeticealecorpuluipotfimodificatedeboal,infecie,toxinesauradiaii. Laaciuneadiferiiloragenipatogenictilambolnvireaorganismuluidincauye internesauexterne,aparoscilaiielectromagneticediferitedestareadesntate,numite oscilaii patologice. Oscilaiilespecificeorganismuluisntoscticelepatologicepotfinregistrateprin msurareafinapunctelordepemeridianeleenergetice,metodanumindu/se biorezonan. Biorezonana reprezint metoda de nregistrare a oscilaiilor specifice organismului bolnav prin msurarea fin a punctelor de pe meridianle energetice (nadisuri). Timpdemaibinedeunsecol,maimulticercetatoriauincercatsaaflecumfunctioneaza energiaininteriorulorganismuluiumansideasemeneasaomasoaresauchiarsao vizualizeze. Primelestudiiraportatesuntinregistratein1897,cndDr.Baraducaincercatsaprinda "aura"peplacifotografice.Apoi,R.Steiner,filozofulspiritualistcarene-alasatmedicina antropozofica,adezvoltatotehnicadecristalizaresenzitivacare,prinanalizasangeluiin urmacristalizariiintr-osolutiedecloruradefier,apermisindirectapreciereastarii functionaleaorganismuluidelacares-aobtinutesantionuldesangedar.Abiain1947,sotii Kirlianaudescoperitrezistentaelectricaaorganismului.In1974Dr.Mandel,inclinicile saledinGermania,astudiatmaimultde20.000depacienti,legandleganddiagnosticul conventional de fotografii Kirlian, lui datorandu-se prima scara de citire in acest scop. PrimuldispozitivdebiorezonantaafostcreatsifolositdeNASApentrutestareastariide sanatateaparticipantilorlaprogramulspatial.Dispozitiveleconstruitepentrutratamentau labazaemitereasitransmitereacatreorganismdeimpulsurielectromagneticecaresaaduca membranelecelularealeorganismuluilafrecventedeoscilatiecuprinseintre1010si1011 Hz,frecventepropriicelulelorsanatoase.Astfelsepoateoptimizaactiuneatratamentelor medicamentoase, apifitoterapice sau homeopate. In1947auurmat sotiiKirliandupanumelecaroraafostdenumita o metoda care a aratat ca mediulbiologicasupracaruiaseaplicauncurentdefoarteinaltatensiunesiintensitate scazutanupermiteacestuicurentsatreacauniform.Deatunci,foartemultioamenide stiintaauincercatsaexplicefenomenulelectromagneticalorganismuluiviu.Dintreacestia, pentru a numi doar cativa, fac parte Y. Rocard, T. Moss, L.C. Vincent, E. Guille. Inzilelenoastre,energiaisigasesteexplicatiainmedicinavesticaprinintermediul neurofiziologiei.Energiaeste,defapt,uncurentelectriccarecirculaprinorganism.Acest 85curentesteprodusdeschimburilecelularecaredeterminaodiferentainpotentialulde membrana de ordinul a 60mV. LucrarileluiPoppauaratatexistentarazelorlaserlanivelulADNinfiecarecelulaa organismului.DatoritaincarcaturiielectricesiradieriilaseraADN-ului,celulaesteatat receptorcatsiemitatordeundeelectromagnetice,iarlimbajulintercelularsubformade undeelectricepermiteorganismuluisasementinaintr-unechilibrusi,astfel,intr-ostare bunadesanatate.Coordonatorulacestuilimbajintercelularestecreierul.Acestaactioneaza printr-unocdelectromagneticsiprineliberaredesubstantechimice(hormonisi neuromediatori). Aparatuldebiorezonantainregistreazaacestecircuiteelectrice(conductivitatea)si,astfel, monitorizeaza schimbul celular la nivelul intregului organism. 5.1 Funciile aparatului de biorezonan a.Detectareaanomaliilorlanivelulschimburilorcelularesaulimbajuluiintercelularin diferite organe si sisteme;b. Practicarea medicinei preventive;c.Intocmireaunuiprofilpsihologic(ocresteresauscadereaneuromediatorilorinanumite zone);d. Prescrierea unor tratamente bio-electrice (homeopatie, oligoelemente, fitoterapie).e. Masurarea micro-curentilor biologici LucrariledecercetareinbielectronicaaleluiL.C.Vincentaupermisutilizareaunortehnici demasurareamicro-curentilorbiologici.Acestetehniciaufostautomatizatesi computerizatedecatrecompaniagermanaMed-Troniksisebazeazapeprincipiul "electrotitrarii". Campulelectriccreatdeungeneratorintredoielectrozicutantati,alternativanodapoi catod,inducepolarizareavolumuluibiologictraversatdecamp,fluxuldeelectroni transformandu-se in curent ionic. AplicandlegealuiOhm,sistemulpoateapoicalculacantitateadeioniacizi(H+)siioni bazici(HCOO-,acidperformic)indiferiteletesuturidinzoneletraversate. Proceseleredoxcareregleazapermanenttoatemecanismelecelularedeechilibru membranal,schimburiionice,activitateenzimatica,presiuneaosmoticasauoncotica,rH2si pHsi,infinal,campulelectricuman.Acesteasesupununorlegisiconstrangeri.Bio-electronicaluiVincentpermiteanalizapH-ului,apotentialelorderezistivitatesiredoxale sangelui (rH2), ale urinei si salivei, precum si masurarea micro-curentilor biologici. f. Masurarea rezistentei sistemelor si organelor corpului uman In1954Dr.ReinholdVoll,unmedicdinPlochingen,amasuratprinelectro-acupunctura (organometrulVoll)rezistentaorganelorsisistemelorumanelatrecereaunuicurent 86continuude1,28V(seaplicaunvoltajminimalintre2electrozipentruaobtinetrecerea curentului fara a modifica sistemele biologice). Au fost testate in acest fel cateva sute de pacienti. LucrarileluiVollaufostcorelatesipublicatein1986decatreFritzAlbertPopp,unexpert de renume mondial de la Centrul de Biofizica din Kaiserslautern, Germania.Vollapututmasurarezistentaorganelorsisistemelorlaoameni.Rezistentaseintindeaintre 2si1000Kohmi.Unindividsanatos,inechilibruhomeostatic,aveavaloride100Kohmi pe ramura de masurare, cu limite intre 140 si 94 Kohmi. Oricecresterearezistenteiindicaunprocesdehiporeactivitatesauhipofunctie,iarorice scadere a rezistentei indica fie un proces iritativ fie un proces inflamator sau intoxicatie. g. Utilizarea principiului rezonantei magnetice nucleare in biologie Dr.RaymondDamadian,matematiciansibiofizicianincadrulCentruluiMedicalalNew YorkStateUniversity,astudiatrezonantamagneticaaprotonilordinmoleculadeapadin celulelevii(timpulderelaxareaprotonilor,cuprivirelalegaturilehidrostaticeH+/OH-). Elademonstratcaatuncicandaudevenitparteauneicelulecanceroase,acestiprotoniau avut un timp de relaxare diferit fata de al acelora din tesuturile sanatoase.Toatetesuturilesanatoaseautimpiderelaxarecuprinsiintre0,26si0,90secunde,intimp ceaceleasitesuturi atunci cand sunt atinse de o tumora contin mai putina apa legata, ceea ce necesitaintre1si1,5secundepentruastergeefecteledeorientarealecampuluirezistent. Printr-ocomparatimecanica,sepoateconsideracaaplicareaRMNimplicamasurarea elasticitatii moleculei.Damadianaajunsinfinallaconcluziacamoleculeledeapadintesuturilecanceroases-au comportat complet diferit fata de cele din tesuturile normale.Dupaparereasa,apareprezintacomponentaprincipalaatuturorcelulelor,iarmoleculelede apaformeazadipoli,adicagrupurialcatuitedindouasarcinielectricesaumagnetice,egale sidepolaritateopusa.Intr-ocelulasanatoasa,dipoliisealiniazade-alungulcampurilor electrice create de ionii intracelulari, intr-o ordine corespunzatoare structurii celulare. Incelulelecanceroase,sarcinileelectricesuntperturbate,iarstructuraceluleieste dezorganizata,centrioliicareerauperpendicularidevinparaleli(acestfaptexplicapierderea inpozitionareaspatialaacelulei).LucrarileDr.Damadianauconfirmatintotalitate explicatia bioelectronica cu privire la originea celulelor canceroase. 87Capitolul 6 AMPLIFICATOARE N INSTRUMENTAIA I ELECTRONICA BIOMEDICAL 6.1Introducere Semnalulfiziologicestegeneratpermanentsaucvasiperiodic,nsoindunprocesfiziologic autonomsauepisodic,caurmareauneiaciunivoluntare,fienimpuls,reflectndrspunsul involuntarlaunstimul.Semnalulfiziologicestedisponibilfiedirectcavariaieelectric detectabilcuelectrozi,fiesubformavariaieialteimrimineelectrice,transformatn semnal electric cu ajutorul unui traductor. Aacumsepoateobservadindiagramaprincipialasistemuluiinstrumentaiei biomedicale,reprezentatnFigura6.1,indiferentdesurs,semnalulelectricpurttorde informaiefiziologicnecesitnprimulrndoamplificarecaretrebuiesincontde problemele ce apar la interfaa dintre mediul electronic i mediul fiziologic. SUBIECT StimulareElectroziTraductorAmplificarePrelucrareprimar Figura 6.1Un sistem de instrumentaie biomedical nTabelul6.1suntsintetizateoseriedintrecaracteristicilesemnalelorelectrofiziologice prelevate des la intrarea sistemului instrumentaiei biomedicale. nFigura6.2esteprezentatunmodelaluneiconfiguraiitipicedeculegereasemnalului bioelectric. 88Tabelul 6.1Caracteristici ale semnalelor electrofiziologice Parametrul fiziologic Variabila msurat Traductorul sau procedeul Val. tipic vrf la vrf Caracteristicade frecven Funda-mentala (Hz) Spec-trul (Hz) SISTEMUL CIRCULA-TOR Activitatea electrica cordului Electrocardiograma (ECG) Electrozi de suprafa Electrozi epi/endocardici 2 mV 50 mV 1,3 1,3 0,05100 0,05100 Vectorcardiograma (VCG) Electrozi de suprafa 2 mV1,30,0560 Electrocardiograma fetal (F-ECG) Electrozi de suprafa (abdomen matern) 10 V2,52 100 SISTEMUL NERVOS Activitatea electrica creierului Electroencefalograma (EEG) Electrozi pe scalp Electrozi intracranieni 50 V 500 V 10 10 0,5 100 0,5 100 Poteniale evocate intracelulare Microelectrozi 100 mV--110 kHz Poteniale evocate extracelulare Electrozi-ac 50 V--1 1000 89SISTEMUL MUSCULAR Activitatea electric muscular Electromio-grama (EMG) Electrozi-acsaude suprafa 1 mV--10 5.000 Electromio-gramacu stimulare (potenial muscular evocat) Electrozi-acsaude suprafa,stimularecu electrozi de suprafa 10 mV--100 5.000 SUBIECTInterferen de lareeaua dealimentare de c.a.(50Hz, 220V)A- Semnal util- Brum inerent(CMRR finit)- Brum adiional(Z1=Z2)vout=Avin=+-GND vinZ1Z2ZinZineE Figura 6.2Configuraia tipic de culegere a semnalelor electrofiziologice Pentrufigurademaisus:esemnifictensiuneavrf-la-vrfaunuigeneratorsinusoidalcu frecvena de civa Hz, care modeleaz semnalul util, bioelectric; Esemnifictensiuneavrf-la-vrfaunuigeneratorsinusoidalcufrecvenade50deHz, modelndsemnalulinterferentceaparedatoritvecintiireeleidealimentarencurent alternativ; Zin este impedana de intrare a amplificatorului la 50 Hz; Z1 i Z2 sunt impedanele electrozilor. La 50 Hz, impedanele de contact ale electrozilor au uzual modulele ntre 1kO i 50kO, iar diferenantreelepoateajungela10kO.Obuntehnicdeelectrodpoatemeninevaloarea absolut a impedanelor n jurul a civa kO, ceea ce nseamn o diferen mic 2 1Z Z , un obiectiv important. n aceast configuraie amplificatorul diferenial trebuie s amplifice semnalul bioelectric i s atenueze (sau s rejecteze) semnalul interferent; tratarea diferit a celor dou semnale este 90posibil datorit faptului c, prin natura sa, semnalul util este generat ntre electrozii cuplai la intrareaamplificatorului-decicasemnaldiferenial-ntimpcesemnalulinterferent, reflectndoinfluenrelativuniformareeleidecurentalternativasuprastructurii investigate,estepracticacelailaambiielectrozi-deciseprezintcasemnalcomun. Semnalul diferenial este, aadar, + = = V V V Vin d, iar semnalul de mod comun se definete prin 2V VVmc + +=, unde V+ i V sunt tensiunile (fa de mas) la intrrile amplificatorului diferenial. nliteraturadespecialitateacesttipdeamplificatorsentlnetesubdenumireade amplificator de instrumentaie. 6.2Modelul ideal al amplificatorului de instrumentaie nmodideal,amplificatoruldeinstrumentaierspundenumailadiferenantreceledou semnaledeintrareimanifestimpedaneextremde ridicate ntre cele dou borne de intrare i ntre fiecare dintre acestea i mas. Tensiunea de ieire este furnizat n mod asimetric fa demasiesteegalcuprodusuldintrectigulamplificatoruluiGidiferenadintrecele doutensiunideintrare,(e2-e1).Simbolulunuiamplificatorinstrumentaieidealeste prezentat n Figura 6.3. Figura 6.3Simbolul unui amplificator de instrumentaie ideal Ctigulamplificatorului,G,estenmodnormalfixatdinexteriordectreutilizatorcu ajutoruluneisingurerezistene.Proprietileacestuimodelpotfienunatenmodsintetic astfel: - impedan de intrare infinit; - impedan de ieire nul; 91- tensiune de ieire proporional numai cu diferena de tensiune e2 - e1; - ctig controlat i cunoscut cu precizie (fr neliniariti); - band de trecere infinit; - rejecie total a componentelor comune ambelor intrri; - nu prezint tensiuni de decalaj; - nu prezint deriv de tensiune. Evident,nupoateexistanpracticuncircuitcaressatisfacacesteproprieti,cidoar caressatisfacanumitecerinealemodeluluiideal.Schemelesealegdupanumitecriterii privindimpedanadeintrare,ctiguldemodcomun,erorilestaticeidinamice,acurateea ctigului etc. 6.3Caracteristicile amplificatorului de instrumentaie real n practic se dorete s se ndeplineasc pe ct posibil caracteristicile modelului ideal. Pentru optimizareaperformanelortrebuiecunoscutecaracteristicileamplificatoarelorde instrumentaie reale. Unmodelsimplificatalansambluluielectrozi-amplificatordeinstrumentaierealeste prezentat n Figura 6.4. Figura 6.4Model al circuitului electrozi - amplificator de instrumentaie real 926.3.1Rejecia modului comun Reprezintcapacitateaunuiamplificatordiferenialdeatratadiferitsemnaluldiferenialfa desemnaluldemod comun. n aplicaiile biomedicale acest factor de merit al circuitului este vizatnprincipaliestecaracterizatnumericprinraportulderejecieamoduluicomun (CMRR): VViesire aceeasi produce careVVVVl diferentia semnalulcomun mod de semnalulCMRR = Obinuit CMRR se exprim n decibeli: ( )CMRR 20 CMRRdBlg =. Amplificatoruldiferenialreal,chiarmonolitic,nupoateevitaouoarasimetrie constructiv(ceaaetajuluideintrareestedeterminant)datoritcreiaunsemnalcomun celor dou intrri se regsete nc la ieire, 0 Vcm o=,. Se definete drept amplificare de mod comun raportul cmcm occVVA,=. Astfel, rezult o definiie echivalent a raportului de rejecie a modului comun, ccdAACMRR =. Prinurmare,aplicndprincipiulsuprapuneriiefectelorrezultpentrutensiuneadeieire expresia cmdd d oVCMRRAV A V + =. Ceeaceintereseazeste,ns,modulncaresereflectlaieiretensiunilesimitela electrozi,eiE(veziFigura6.2).Oanalizsimpl,bazatpeprincipiulsuprapunerii efectelor,aratctensiunileeiEproduclaintrrileamplificatoruluidiferenialurmtoarele efecte: un semnal diferenial net (e); un semnal de mod comun net (E); unsemnaldiferenialderivatdinsemnaluldemodcomunprinasimetriaimpedanelorde contact, in2 12 in21 in1ZZ ZZ ZZZ ZZ ~+ E E, 93dac 2 1 inZ Z Z , . La ieire, tensiunea va conine cele trei componente, in2 1ddd oZZ ZACMRRAA V + + = E E e, dintre care prima reprezint semnalul util iar celelalte semnalul de interferen. Proprietateaderejecieamoduluicomunpentrusistemulamplificator-electrozi,este descris prin CMRRefectiv, definit prin 1in2 1efectivZZ ZCMRR1CMRR||.|

\|+ =. Metodeledecreterearaportuluiderejecieamoduluicomun,sugeratederelaia precedent, sunt: reducerea diferenei dintre impedanele de contact; mrirea impedanei de intrare a amplificatorului diferenial; utilizarea amplificatoarelor cu CMRR ct mai ridicat. Diferenantreimpedanesereduce,practic,princontactemaibunela electrozi. Tehnicile specificeutilizatenacestsensfacinsobiectulunuialtcapitol,aicipreocupareafiind focalizat n principal pe ultimele dou dintre metodele enunate. n ceea ce privete CMRR, experiena a artat c sporirea sa peste un anumit nivel - 100dB -numaiproduceefectenotabileasuprasemnaluluideinterferenlaieire.Cauzao constituieprezenalaintrareaamplificatoruluidiferenialauneiapatracomponente:o tensiunedebrumautenticdiferenial,generat prin circulaia unor microcureni cu frecvena reelei prin rezistena finit prezentat de subiect ntre electrozii calzi. n multe amplificatoare de msur de semnal bioelectric nu este necesar extinderea limitei inferioareabenziidefrecvenpnlac.c.;cuplajulnc.a.,ncepndchiardela intrare, are avantajuleliminriioricreiinflueneadecalajuluielectrochimicasupraconfiguraieide intrare.Acestprocedeuins,poatedegradaconsiderabilrejeciaefectivdemodcomunca urmareanemperecheriicondensatoarelordecuplaj.Astfel,serecomandintroducerea condensatorilordecuplajnetajeleintermediaredeamplificare,lsndetajuldeintrares-i valorificectmaibineproprietateaderejecieamoduluicomun,determinantpentru CMRR-ul global. Dezvoltareaamplificatoarelormonoliticecufactorderejecieamoduluicomundevalori foarteridicateapermisreducereasensibiladificultilorlegatedebrumnnregistrrile electrofiziologice.ncondiiileunuiCMRRmareialeuneitehnicirezonabiledeelectrod, 94introducereafiltrelorderejeciepe50Hzsedovedeterarimperativ,iardistorsiunea introdusprin"decuparea"uneizone,chiarrestrnse,dinspectrulmajoritiisemnalelor bioelectrice, nu mai reprezint un ru necesar. 6.3.2Impedana de intrare Schema echivalent a intrrii unui amplificator diferenial arat ca n Figura 6.5. eE~~Ipo1Ipo2Rd2Rd22Cd2CdRc Cc1-+2 Figura 6.5 Schema echivalent a etajului de intrare Pentru caracterizarea amplificatorului de instrumentaie real, privind impedana de intrare a acestuia, se definesc: rezistenadeintrarediferenial(Rin,dif)esterezistenavzutlaunterminaldeintrarecual doilea pus la mas; rezistenadeintraredemodcomun(Rin,mc)esterezistenavzutlaterminaleledeintrare unite. innd cont c n mod curent Rc>>Rd, (v. Figura 6.5), rezult Rin,dif = Rd i Rin,mc = Rc. Asemntor pot fi tratate capacitile de intrare diferenial i de mod comun. ImpedanadeintrareevocatnFigura6.2reprezint,nesen,dublulrezisteneidemod comundefinitcamaisus.Prinurmare,orejeciebuna brumului n msurrile bioelectrice implic o valoare mare pentru Rin, mc, peste 10MO i preferabil peste 100MO. nceeacepriveterezistenadiferenial,practicaimpunerealizareaunuianumit compromis ntre urmtoarele tendine: 95fenomeneleceauloclanivelulinterfeelorelectrod-electrolit,nspestabilizarea potenialelordedecalajelectrochimic,depinddencrcareaintrodusdeamplificatorulde msurarenschemaechivalent.Astfel,ostabilizarearapidimplicovaloaremicpentru rezistena diferenial, valori mici ale rezistenei difereniale produce distorsionarea semnalului recoltat. npracticorezistendiferenialde2MO,careasigurstabilizareainterfeelorn2-3 minute, s-a dovedit optim pentru nregistrrile cu electrozi de suprafa. Multeamplificatoarediferenialemonoliticeauetajuldeintrareechipatcutranzistoarecu efectdecmp(FET),cugril-jonciune(J-FET)saucugrilizolat(MOS-FET), caracterizate printr-o rezisten extrem de mare (>1000MO), care practic poate fi considerat infinit.DeiFET-urilenupotrealiza,ncondiiicomparabile,acelaiCMRRca tranzistoarelebipolare,rezistenadeintrareinfinitpermiteutilizatoruluis-iconstruiasco configuraiedeintrarebinecontrolatfolosindrezistoareconvenabile,conectatentre terminaleledeintrareimas.InFigura6.6suntpropusectevaconfiguraiideintrare realizabile pe aceast cale. RRGGLa gril FETRin, mc=0,5RRin,dif =2R+- RRGGLa gril FETRin, mc=0,5RRin,dif =2R||R1+-R1 RRGGLa gril FETRin, mc=0,5R+R2Rin,dif =2R+-R2 Figura 6.6Etaje de intrare, n tehnologie monolitic, realizate cu FET ncazulnregistrrilorintracelulare,cumicroelectrozi,efectelecapacitivevordistorsiona potenialuldeaciunecuduratasub1msifronturipemsur.Efectelecapacitivesunt provocatedecapacitilede intrare n FET dar, mai ales, de capacitatea fa de ecranul legat lamasafiruluideconexiunelamicroelectrodsaudecapacitateaparazitasociatcuo rezistenfoartemare,ohmicdarifizic,cumesteceade100MO.Opartedinefectul capacitivglobalsepoatereducerecurgndlaconexiuneabootstrap,unprocedeugeneralde mrire a impedanei de intrare. nFigura6.7(a)esteexemplificatointrareasimetricntr-unetajcuFETlucrndca repetorpesurs.ImpedanadeintrareestenesencompusdinRnparalelcuC, capacitatea fa de ecran. 96DSGRRS+-IeireCapacitate de ecranCVgZin=R||XCZin, FET DSGRRS+-IeireCapacitate de ecranCVgZin=R||XC1-AZin, FET (a)(b) Figura 6.7Etaje de intrare cu FET ncazulconfiguraiei(a)valoarearedusarezisteneiechivalentedeintrarecencarc generatorul de semnal se datoreaz efectului de untare a impedanei propriu-zise a FET-ului, Zin,FET,dectrerezistenadepolarizareRidectrereactanaimplicatncircuitde capacitatea distribuit a liniei de transmisie a semnalului. n acest caz, C FET in CinX R Z X R Z ~ =,. Diminuareasemnificativaacestuiefectdeuntare,nregimdinamic,serealizeazuzual printr-oconexiunedetipboostrap.nesenaceastaurmreteaplicareaaceluiaipotenial, aproximativ,laambeleterminalealeimpedaneiR||XC.Astfel,ncazulconfiguraiei(b), cdereadetensiunedesemnalpeR||XCvafiVg -AVg.Cumetajullucreazcarepetorpe surs, factorul de amplificare n tensiune este aproximativ unitar (tipic A=0,99) i prin urmare aceast cdere de tensiune de semnal este foarte mic, ceea ce echivaleaz cu o valoare foarte mare a impedanei, respectiv A 1X RA 1Z X RZCFET in Cbootstrapin~=,. nculegerilebioelectrice,semnalelecvasicontinuedemodcomunpotevoluacu amplitudini de ordinul zecilor de mV, n timp ce semnalul alternativ de 50Hz, de mod comun, poateatingeuorcivavolinncperineecranate.nconsecin,pentruaseasigurao rejeciedecalitatea brumului, artefactul major, configuraia de intrare trebuie s determine o valoaredeosebitdemarenuattpentruRin.mcctpentruZin,mc.Osoluienacestsenso constituie conexiunea boostrap n c.a. ilustrat n Figura 6.8. 97 DSG10MO+-VgZin, FETDSG33MO22MO10MO0,03F5,6FZin, FETA=150Hz Figura 6.8Conexiune bootstrap n curent alternativ n c.a. un repetor de tensiune aduce att ecranul ct i capetele reci ale rezistoarelor de 10 MOlaunpotenialalternativfoarteapropiatdecelprezentpeterminaleledeintrare. Conexiuneaboostrapreducecurentulabsorbitdelasursadesemnalprinlimitareadiferenei de potenial ntre capetele impedanei de intrare. 6.3.3Tensiunea i curentul de decalaj. Cureni de polarizare Aacumsevededinconfiguraiadeintrare,rezisteneledeintrarenamplificatorul diferenialnuspecificcompletschimbuldecurenintresursadesemnaliacesta.Chiarla tensiuni de intrare nule exist un curent Ipo n terminalul de intrare care, n cazul FET, este de ordinul100pA.Pentrumulteamplificatoaredifereniale,pentruaceticureniindependeni de tensiunea de intrare este valabil inegalitatea 2I II I2 po 1 po2 po 1 po+ , justificatprinfaptulc,ngeneral,cureniiauacelaisensivalorirelativapropiate. Curentuldepolarizarelaintrare,aacumesteprezentatdecataloage,sedefinetecamedia curenilor n cele dou terminale puse la mas, 2I II2 po 1 poB+=, iar decalajul de curent la intrare prin 2 po 1 po offI I I =. 98Simetria imperfect a intrrilor este descris i prin decalajul de tensiune la intrare (offset), masa la intrare de terminale ambeleooffAVV =, care exprim faptul c, dei semnalul pe intrri este acelai, ieirea nu este totui n zero. Voff poatefireprezentatcaosursconectatnseriecuunuldinterminaleleunuiamplificator diferenialideal,cellaltfiindpuslamas.Ladecalajultotallaintrarecontribuieatt decalajuldeelectrodidecalajuldetensiuneinerentamplificatorului,darsefaceresimiti un al treilea efect. Astfel, n prezena unei surse de semnal cu rezisten intern mare, curenii de polarizare determin la intrare un decalaj suplimentar de tensiune. Dac RB1, respectiv RB2 suntrezisteneleechivalentevzutedinspreterminaleledeintrarectreexteriorul amplificatorului (denumite rezistene de polarizare), atunci decalajul suplimentar se scrie 2 B 2 po 1 B 1 po l offR I R I V =sup. DacRB1=RB2=Ratunciseobinenunumai|Voff-supl| = |IoffR|, dar i rejecia maxim de mod comun. 6.3.4Caracteristica de transfer Fadecazulideal,amplificatoareledeinstrumentaieutilizatenpracticprezinto caracteristic de transfer, Vo / Vi, nelinear. n Figura 6.9 este prezentat funcia de transfer a unui dispozitiv cu o nelinearitate exagerat. c+c-vovi-Vi+Vi0CaracteristicarealCarcateristicaideal Figura 6.9Caracteristic de transfer neliniar Eroarea de nelinearitate se definete printr-o relaie de forma 99iesirii a dinamica Gamacalculata iesire de Valoarea curenta iesire de ValoareaL N=A. .. Se observ c specificarea acestui parametru presupune cunoaterea a priori a caracteristicii ideale. Cataloagele utilizeaz, n principal, dou metode de specificare: Cea mai bun aproximaie linear - Figura 6.10(a) - caz n care caracteristica ideal determin egalitatea valorilor maxime ale deviaiilor pozitive i negative. Aceast metod determin cea maibunspecificaredarestedificildeimplementatdeoarecenecesitcautilizatoruls examinezentreagagamasemnaluluideieirepentruadeterminavalorileextremeale deviaiilor; Metodapunctelordecapt-Figura6.10(b)-cazncareesteasiguratcoincidenavalorilor furnizate de caracteristica ideal i cea real la extremitile gamei. Aceast metod este mult maiuordeimplementatdarpoatefurnizaeroridenelinearitateaproapedubledectcele atinsecumetodaprecedent.Cazulcelmaidefavorabilvaapareatuncicndfunciade transfer este "nclinat" doar ntr-o singur direcie. c+c-vovi-Vi+Vi0CaracteristicarealCarcateristicaidealc+c-vovi-Vi+Vi0CaracteristicarealCarcateristicaideal|c-|=|c+| |c-|>|c+| (a)(b) Figura 6.10Specificarea erorii de nelinearitate Neglijareametodeiutilizatenspecificareanelinearitiiconducelaeroriireductibile.Cu altecuvinte,acesteerorinusuntfixateinici proporionale cu tensiunea de intrare sau ieire i nu pot fi reduse prin ajustri. 6.3.5Caracteristici dinamice Gama dinamic la ieire este excursia maxim de tensiune care se poate obine la ieirea unui amplificatordiferenial.Spreexemplu,specificareagameide 5Vindic faptul c o tensiune deieirenintervalul[5V,+5V]segsetentr-orelaielinear(ncontextuldiscuiei 100precedente) cu semnalul de intrare, n timp ce dac semnalul de intrare este excesiv ieirea se blocheazsus(+5V)saujos(5V).nacestultimcazsespunecamplificatoruldemsur estesuprancrcat.Suprancrcareapoarefirelativatuncicndprinscdereactigului tensiuneadeieirepoatefiadusnzonalineardelucru,sauabsolutcndacestlucrunu mai este posibil, indiferent de valoarea ctigului. Gamadinamicdifereniallaintraresedefineteprintensiuneamaximcarepoatefi aplicat diferenial fr s se determine o suprancrcare absolut a amplificatorului. Gamadinamicdemodcomunestetensiuneamaximaplicabilnmodcomunfr apariia suprancrcrii absolute. Fereastradinamicestesemnaluldiferenialmaximprelucratlinear,adicfr suprancrcare relativ, de un amplificator diferenial cu ctig fixat. naplicaiilebioelectrice,tensiunitranzitorii(sautranzieni)cuctevaordinedemrime pestenivelulsemnaluluibioelectricnusuntoraritate.Carspuns,ieireaamplificatorului diferenial se blocheaz la limita de sus sau de jos, revenind apoi n zona linear de lucru cu o ntrziere care depinde de structura circuitului. Timpul de revenire se poate referi la revenirea dupuntranzientngamadinamicde intrare sau la revenirea dup o suprancrcare sever. Amplificatoarelediferenialecuplatenc.c.irevinpracticinstantaneuduptranzienin gamadinamic,ntimpcerevenireaduposuprancrcareseverpoateduramaimulte secunde. Caracteristica de revenire a amplificatoarelor de c.a. se poate nruti datorit constantelor detimpalecuplajelorntreetaje(t).Astfel,frprecauiispeciale,timpulderevenirepoate ajungelavalorideordinul10t.Multeamplificatoarencorporeazsoluiidecircuitpentru ameliorarea revenirii. Revenirea rapid este o caracteristic preioas care se valorific deplin dupdefibrilare,cndaccesulimediatlasemnalulECGestedemaximimportanpentru reanimator. Zgomotuldesemneazoricesemnalnedorit,carepoatefiprodusdeosursexterioar amplificatorului(brumul,deexemplu)saupoatefigeneratintern.Zgomotulinternserefer la mici fluctuaii de curent sau tensiune reflectnd ceea ce este ntmpltor n deplasarea unui numr de sarcini discrete. Deriva se refer la componentele sub 0,1 Hz ale zgomotului intern. Zgomotulinternimpuneolimitinferioarsemnaluluideamplificat.Subaceastlimit semnalul este "necat" de zgomotul etajelor de intrare iar calitatea semnalului de ieire devine inacceptabil.Expresia"amplificarelimitatdezgomot"esteoaluzielafaptulcobservrii unorsemnaleextremdeslabeiseopunenulipsauneiamplificrisuficientdemari,ci zgomotulinterndinetajeleiniialealeamplificatoruluidemsur.Devineastfelclardece nivelul de zgomot este un criteriu important la alegerea unui amplificator EEG. Zgomotul este adesea specificat n V, reprezentnd tensiunea unui generator echivalent de zgomot care, dac s-ar aplica diferenial la intrarea unui amplificator diferenial identic cu cel n discuie, dar fr zgomot, ar produce un semnal de ieire identic cu cel real. Specificarea se 101facenVvv(vrflavrf),nVef(efectivi),nVtangenialisausubformauneirezistene echivalente de zgomot. Setiecunrezistorproduceunzgomottermiccaredepindedemrimearezistenei,de temperatur i banda n care este observat, f R T k 4 v2A =, undekesteconstantaluiBoltzmann,TestetemperaturaabsolutiAfestebandade frecven n care se msoar zgomotul. Se calculeaz uor f R T 10 4 7 v v122efA = =, [V]. Reprezentareantreguluizgomotalunuiamplificatordemsurprinzgomotultermic generatdeunrezistorechivalentplasatlaintrareesteunprocedeucorectpentru amplificatoareledebandlarg(>100kHz),caretrebuiensreconsideratncazul amplificatoarelordebandngust.Astfel,ocomponentdejoasfrecvennFET-urilede laintrarecapt,nzgomotultotal,oproporiecarenupoatefineglijat;estevorbadespre aa numitul zgomot de licrire (sau zgomot de tip 1/f). Derivasespecific,caizgomotul,printensiuneaunuigeneratorechivalentplasat difereniallaintrare,careconcentreaztoatefluctuaiilelentecuoriginearealndiferitele etajealeamplificatoruluidemsur.Odescrierecompletaderiveitrebuiesincludatt specificaiile pe termen lung, ct i cele pe termen scurt. Deriva pe termen scurt se exprim n V/minutiaratutilizatoruluilacefluctuaiisepoateateptan decurs de un minut, dup ceamplificatorulaatinsregimultermicstaionar.Derivapetermenlungsespecificn V / h. Ambele specificaii presupun temperatura ambiant constant, de obicei tA = 25 C. Deriva dat de modificarea temperaturii este catalogat separat n V / C. Variaiidetipulderiveiaparlaieireidincauzavariaiilortensiuniidealimentare,cu originea,deexemplu,nfluctuaiiledetensiunealereeleidec.a.Sensibilitateaieiriila tensiuneadealimentareseexprimnVraportailaintrare /1Vvariaiepealimentarecndaparen cataloage ca rejecie a alimentrii, sau n Vraportai la intrare / 10%variaie pe alimentare. Vitezadevariaiemaximatensiuniideieire,notatncatalogcuS(slewrate),reflect performanadevitezaamplificatoruluidemsur.Deexemplu,ncazuluneiieiri sinusoidaledeformav=Asinet,vitezamaximdevariaievafiAe,ceeacedetermino amplitudinemaxim,nregimsinusoidal,laieireaunuiamplificatorcuspecificaiaS,de valoare Amax = S/e. nconcluzie,alegereaamplificatoruluiestenfunciedeaplicaiafiziologic. AmplificatorulECGpentrumonitorizareanterapiaintensivcoronariantrebuiesfie protejatlaintrareitrebuiesaibrevenirerapid(dupdefibrilare).PentruEEG 102specificaiiledezgomotsuntcritice.Competiiantreamplificatoarelepentrumicroelectrozi arelocndomeniulimpedanelordeintraredarialbenzii,caretrebuiesseacomodeze spectruluidepnla20-30kHzalpotenialuluideaciuneintracelular.Oorientarerelativ recentestegrupareaaceeaceesteparticular,launpreamplificatorcarepreiasemnalul bioelectricnimediataapropiereapacientuluisauapreparatuluiitransmiteprincablu ecranatunsemnalpretratatunuiamplificatordetipgeneral.Astfel,trecerealaunnoutipde msurareimplicnumaischimbareapreamplificatorului,ocomponentrelativieftina sistemului.Lungimeaconexiuniintreelectrodipreamplificatorullocalnupoatetotui coborsub1m.Utilizareacabluluitorsadatesterecomandatpentrureducereasuprafeei buclei,nchisprinsubiectiprinrezistenadeintrareaamplificatoruluidemsur,ncare reeaua de alimentare induce brum. n sfrit, ndoirea sau agitarea cablului de electrod este o surs specific de zgomot. Cauza artefactului"decablu"estefrecareantremiezulconductoriteacadeplastic,prinurmare zgomotultriboelectricpoatefiprivitcaotraducerepiezoelectricandoiriicablului.S-a demonstratcreducereasaobliglaimpedanejoaselacapetelecablurilor,ori preamplificatorul local rspunde tocmai acestui deziderat. 6.4Realizri practice de amplificatoare de instrumentaie Realizareaamplificatoarelordeinstrumentaiesebazeazpentrebuinareaamplificatoarelor operaionale (AO). Pentru analiza (de regim staionar) a AO vom folosi n cele ce urmeaz un model idealizat, caracterizat de urmtoarele proprieti: Impedan de ieire nul: RO = 0 Potenialele bornelor de intrare egale: V+ = V- Cureni de intrare (polarizare) nuli: Iin+ = Iin- = 0 Ctig infinit n bucl deschis: G0 = . Deasemenea,seconsidercfuncionareaAOestedescris(nregimstaionar)deo caracteristicstaticperfectlinear.Modelullinearpermitesimplificareasemnificativa analizei diferitelor configuraii, prin utilizarea teoremei suprapunerii efectelor. AcesteidealizriasigurobunmodelareaAO.Erorilecareaparsedatoreazpractic abateriicaracteristicilorrealefadecelealemodeluluiidealisepotstudiacurelativ uurin (dup determinarea caracteristicilor ideale). FolosindAOsepotrealizatreiconfiguraiidecircuiteamplificatoare.Vomanalizan continuare aceste configuraii, folosind proprietile enunate mai sus. 1036.4.1Amplificator inversor Schema electric a amplificatorului inversor este prezentat n Figura 6.11. Figura 6.11Amplificator operaional inversor Avem relaiile: 0 =V: deci , 0 =V - +. i=i: deci , 0 =I=I 2 1 - b b+. : deci ,Rv=RV-v=i1i1- i1 vRR- =V+i*R- =vRv=i i12- 2 2 o1i2. Se obine n final expresia amplificrii de mod inversor, Ai: RR- =vv=A12ioi(6.1) 6.4.2Amplificator neinversor Schema electric a amplificatorului neinversor este prezentat n Figura 6.12. Rv=i=i: deci ,Rv=RV=i: dar ,i=i: i dec, 0 =I=I v=V=V1i1 21i1-1 2 1 - b + b i - +. 104 Figura 6.12Amplificator operaional neinversor Se obine pentru tensiunea de ieire expresia: i12i1i2 2 2 ovRR1 vRvR V i R v ||.|

\|+ = + = + =. Rezult pentru amplificarea de mod neinversor, An , expresia: RR+ 1 =vv=A12ion.(6.2) 6.4.3Amplificator diferenial Schema electric a amplificatorului diferenial este prezentat n Figura 6.13. Figura 6.13Amplificator operaional diferenial 105Modelulamplificatoruluioperaionalfiindlinear,folosimpentruanalizteorema suprapuneriiefectelor.Mainticonsidermactivintrareainversoareipasivizatintrarea neinversoare.Pentrupasivizaresentrerupecircuitulperamuraintrriineinversoaredup generatoareledetensiuneiseleaglamascaptuldinstngaalrezisteneiR2.Apareo grupareparalelarezistenelorR2iR4,cuuncaptlegatlamasicellaltlaintrarea neinversoare(+)aoperaionalului.Conformmodeluluiidealutilizatpentruoperaional,Ib+= 0, deci cderea de tensiune pe grupul paralel este 0 i se obine schema din Figura 6.14. Figura 6.14 Seobservcs-aobinutconfiguraiainversoare,pentrucareputemexprimadirect tensiuneadeieire,voi,inndseama c tensiunea supus amplificrii, vi-, este egal cu suma tensiunilor de semnal v1 i de mod comun vic. Se obine expresia: )v+v(RR- =vRR- =v ic 113i-13oi .(6.3) Considermacumpasivizatintrareainversoareiactivgeneratoruldesemnaldepe intrarea neinversoare. Se obine schema din Figura 6.15. Seobservcs-aobinutoconfiguraiedeamplificatorneinversor.Conformrelaiei(6.2), tensiunea de ieire din acest circuit, von, este: ( )ic 24 24i13onv vR RRunde vRR1 v + +||.|

\|+ =+:,(6.4) undevi+reprezinttensiuneaaplicatborneineinversoareaAO.Aceasttensiuneseobine prinpreluareadeperezistenaR4dindivizorulrezistivR2-R4apriicorespunztoaredin tensiunea obinut din sumarea tensiunii de semnal v2 i tensiunii de mod comun, vic.106 Figura 6.15 Se obine n final pentru tensiunea de ieire din acest caz expresia: ( )ic 24 2413onV vR RRRR1 v + ||.|

\|+||.|

\|+ =.(6.5) Aplicndteoremasuprapuneriiefectelor,tensiuneadeieirevoaredoucomponente:una datoratmoduluiinversor,voi,respectivceade-adouadatoratmoduluineinversor,von.Se obine expresia: unde de,v+v=v on oi o ( ) ( )ic 113ic 24 2413oV vRRv vR RRRR1 v + + ||.|

\|+||.|

\|+ =(6.6) Dac este ndeplinit condiia (6.7), de echilibru ntre rezistenele circuitului, RR=RR2413,(6.7) rezult: )v-v(RR= )v-v-v+v(RR=v 1 213ic 1 ic 213o .(6.8) Se obine pentru amplificarea de mod diferenial Ad expresia (6.9): RR=v-vv=A131 2od.(6.9) Dinanalizaacestorrezultateseobservcndeplinireacondiieideechilibru(6.7) determineliminareatensiuniidemodcomunvicdinexpresiatensiuniideieirea amplificatorului diferenial. 107n cele ce urmeaz vom utiliza rezultatele obinute, respectiv expresiile pentru amplificarea demodinversor,neinversoridiferenial,identificndpentruschemelecomplexemodulde lucru al etajelor folosite. 6.4.4Amplificator diferenial de baz Dintreconexiunileposibilealeamplificatoareloroperaionale,ceamaiapropiatdestructura unuiamplificatordeinstrumentaieesteceadiferenial,prezentatnFigura6.13.Practic aparanumiteabateridelamodelulidealfolosit,ceeaceducepedeopartelaexistena ctiguluidemodcomun,iarpedealtpartelaapariiaerorilorstatice.Evident, din punctul devederealutilizatorului,prezintundeosebitinteresevaluareaabaterilorceaparfade modelul ideal. Amplificarea de mod comun a amplificatorului diferenial este definit ca fiind vv=v+vv2=intrare de r tensiunilo mediav=Aico2 1o oc.(6.10) Dac amplificatorul diferenial este perfect echilibrat (conform relaiei de echilibru (6.7)) i amplificatoruloperaionalnuarectigdemodcomun(CMRR=),atuncicircuituln ansamblulsunuvaaveactigdemodcomun.Practicnsestedificilsneapropiemde acest model. Dac circuitul nu este perfect echilibrat i / sau amplificatorul operaional prezint ctig de mod comun (CMRR finit), atunci etajul diferenial va prezenta ctig de mod comun, ceea ce vaconducelaapariiantensiuneadeieireauneicomponentedependentdetensiunede intraredemodcomun,suprapuspestecomponentadeterminatdetensiuneadiferenialde intrare: )v+v(A 21+ )v-v(A=v 1 2 c 1 2 d o .(6.11) ntructceledoucauzecedeterminapariiactiguluidemodcomunsuntnesen independente, efectul fiecreia se va studia separat.Dac amplificatorul operaional are CMRR = (ideal), dar circuitul rezistiv nu este perfect echilibrat,apareocomponentactiguluidemodcomunAccdatoratneechilibrrii circuitului. Din relaia (6.6) separm termenii n vic (considernd v1 = v2 = 0, ceea ce conduce la anularea termenilor difereniali), obinndu-se: ( )( )ic134 2 13 1 4ic13ic4 2413ovRRR R RR R RvRRvR RRRR1 v ((

+ + = +||.|

\|+ =, v )R+R(RR R-R R=v ic4 2 13 2 1 4o . (6.12) 108Rezult pentru ctigul de mod comun din acest caz expresia: )R+R(RR R-R R=vv=A4 2 13 2 1 4icocc . (6.13) DaccircuitulrezistivesteperfectechilibratdarAOprezintCMRRfinit,apareo componentactiguluidemodcomunAco,datoratnumaiAO.Pentruaanalizaaceast situaie,inemseamacfactorulderejecieamoduluicomun(CMRR)estedeterminat funcie de tensiunea de mod comun care apare efectiv pe bornele de intrare (+) i (-) ale AO. Ctiguldemodcomunalcircuituluiechilibrat,Aco,funciedectiguldemodcomunal AO, Ac, rezult din egalitatea (de echivalen a efectelor): v A=v A=v +,- icc ic co oc ,(6.14) unde:vocreprezinttensiuneadeieiredatorattensiuniideintraredemodcomun,iarvic+, reprezinttensiuneademodcomunceapareefectivpeborneledeintrare(+)i(-) ale AO. Rezult: RR=A: unde ,A CMRR1=Adeci ,AA= CMRR dar ,A vv=A13d d ccdcic+,- ic co . Se obine: 24134213co13cRRRRdarCMRRRR1RRA deciCMRR1RRA =||.|

\|+= = :. Rezult pentru ctigul de mod comun Aco expresia: ( ) CMRR R R RRCMRRRR11RRA3 1 1233113co + =||.|

\|+ = .(6.15) Decelemaimulteorindateledecatalogseprecizeazrejeciademodcomun,CMR. Pentru majoritatea operaionalelor CMR este peste 60 dB.TensiuneadeieiredatoratcomponenteiAcovicesteindependentdeceadatorat componenteiAccvic.Dacconsidermsimultanambeletipuridectigdemodcomun,se obine o tensiune de ieire de forma v)A+A( =V A+v A=v ic cc co ic cc ic co oc .(6.16) 109Sepoateexprimaunfactorderejecieamoduluicomunpentruntregansamblul(circuit rezistiv + AO), CMRRc, conform relaieiA+AA=v/vA=comun mod de total castigull diferentia castigul=CMRRcc codiv odc.(6.17) Peduratautilizriiamplificatoruluidiferenialdebazsepuneproblemastabilitii tensiuniideieire, n timp i cu temperatura. Multe aplicaii ale amplificatorului diferenial se referlaamplificareaunorsemnaledenivelredusceimpunvalorimarialectigului diferenialAd.Tensiuneadeoffsetdeintrarevio,tensiuneadederiv(drift),cureniide polarizaredeintrareIb+,Ib,precum i curentul de decalaj la intrare Iio, determin termeni de eroarestaticcepotficalculai.ntructacestemrimicedeterminapariiaerorilorstatice sunt n esen independente ntre ele, studiem efectul lor n mod separat (considerm mrimea studiat diferit de zero i toate celelalte nule), iar efectul total l obinem prin suprapunere. Pentruadeterminatermenuldeeroaredatorat tensiunii de decalaj (offset) de la intrare vio, folosimschema electric din Figura 6.16(a, b). n Figura 6.16(a) se prezint situaia real din circuitulamplificatoruluidiferenial.Generatoruldetensiunevioexprimdiferenade potenial ntre bornele de intrare (+) i () ale AO. Conform proprietilor modelului ideal, V+ =Viavndnvederefaptulcs-aconsideratnaceastfazIb+=Ib=0,rezultc potenialulborneineinversoareestezero.Pentruaceastschemseobineunpotenialal bornei inversoare de valoare vio, ca i n cazul schemei din Figura 6.16(b). Figura 6.16Efectul tensiunii de offset de intrare Seobservcapareoconfiguraiedeamplificatorneinversorpentrugeneratorulvio,ceea ce conduce la un termen de eroare AVo de formaio13ovRR1 V ||.|

\|+ = A.(6.18) nexpresiaacestuitermensefolosescambelepolariti(),ntructncatalogseprezint modulul tensiunii de offset, fr a putea preciza semnul (semnul depinde de modul concret de dezechilibrare a etajelor difereniale de intrare n operaional, pentru care nu poate fi prevzut sensul abaterii).110nceeacepriveteefectulcurenilordepolarizare,considermIb+=Ib=0ivio=0. Pentru analiz folosim schema din Figura 6.17. Termenul de tensiune de eroare ce apare, Voi , rezult dup cum urmeaz: I R+I)R+R( =I R+ )I+I(R=I R+I R=V - b 3 1 1 3 1 1 - b 1 3 1 1 3 3 oi , unde: RV=I1-1. Exprimm potenialele celor dou intrri ale operaionalului: I R+I R)R+R(R R)R+R(- =V: unde de , )R_R(I- =V=V - b 3 + b1 4 24 2 1 3oi 4 2 + b + - . Dac este respectat condiia: R+RR R=R+RR R R R=R R3 13 14 24 24 2 3 1 || ||, se obine: )I-I(R=I R+I R- =I R+I R)R+R(R R)R+R(- =V b+ - b 3 - b 3 b+ 3 - b 3 b+1 1 33 1 1 3oi . DiferenaIb-Ib+=Iioreprezintcurentuldeoffset(decalaj)laintrare.Seobinenfinal expresia (6.19) pentru termenul de eroare datorat curentului de offset la intrare: I R=V io 3 oi.(6.19) Evident,pentrucurenidepolarizareegaliIb=Ib+,Iio=0,Voi=0,decinuapareacest termen al erorii. Eroarea total se obine prin suprapunere, rezultnd expresia : deci ,V+V=V oi ov oA |I|R|v|RR+R=V io 3 io13 1o A.(6.20) 111 Figura 6.17Efectul curenilor de polarizare Oaltproblemdeinteresoreprezintevaluareaimpedanelordeintrareale amplificatorului diferenial de baz. Impedanadeintrare de mod diferenial Rind rezult din Figura 6.18, innd seama c V+ = V . Figura 6.18Schema pentru calculul impedanei de intrare de mod diferenial Folosindmetodageneratoruluidetestiobservndfaptulcintrrileoperaionaluluisunt la acelai potenial (ceea ce permite scurtcircuitarea lor) se obine pentru Rind expresia R+R=R 2 1 ind.(6.21) ImpedanadeintraredemodcomunRincsedeterminpe baza schemei din Figura 6.19(a) inipotezacamplificatorulnuprezintctigdemodcomun.Peintrrile amplificatorului operaional se stabilete un potenial constant VR = V+ = V de valoare V R+RR=V ic4 24R. 112Se obine pentru calcul schema echivalent din Figura 6.19(b). Figura 6.19 Schema pentru calculul impedanei de intrare de mod comun R+RR RV R+RR-R+R=R+RR RV R+RR-V=R||RV-V= I : unde ,IV=R2 12 1ic4 24 4 22 12 1ic4 24ic2 1R ic icinc. V )R+R(RR+R=)R+R(R RV)R+R(R= Iic4 2 12 14 2 2 1ic 2 1 2 . Rezult n final expresia pentru impedana de intrare de mod comunR+R)R+R(R=IV=R2 14 2 1 incinc. (6.22) Relaiile(6.21)i(6.22)aratfaptulcimpedaneledeintrarenamplificatoruldiferenial debazauvalorifinite,ceeacediferdemodelulidealalamplificatoruluiinstrumentaie,la care impedanele de intrare sunt infinite. Pentru a obine impedane de intrare ct mai mari cu acest montaj suntem obligai s folosim rezistene de valori ridicate. Analizaamplificatoruluidiferenialdebazapusnevidenanumiteabaterifade modelulidealalamplificatoruluiinstrumentaie.ntruct n practic nu avem nevoie de multe oridetoateproprietilemodeluluiideal,s-auelaboratschemeadecvatecare,pebaza renunriilaanumiteproprieti,permit,pentrurestulproprietilor,performaneridicatela un pre sczut. 6.5Amplificatorul de instrumentaie flotant 113Adjectivul flotant este folosit pentru circuitele separate de masa sistemului de msur printr-o impedanmaredeizolaie.nc.c.acestlucrunseamnorezistendeizolaiedeordinula miilordeMO,ntimpcenjoasfrecvenimpedanadeizolaieestecombinaiaparalela rezistenei de izolaie de mai sus cu o capacitate de civa pF. nanumitemprejurriconsiderenteledeelectrosecuritatecercasubiectuldelacarese culegpotenialelebioelectricesfieizolatnraportcumasasistemuluidenregistraresau vizualizare. S examinm cile n care putem s realizm acest deziderat. Oprimcalearfidesfiinareaelectroduluidemas,electrodul3alculegeriidifereniale, deciutilizareaunuiamplificatordiferenialcuintrriflotante.Electrofiziologiitiuc,n cazulamplificatoareloralimentatedelareeaua de c.a., acest lucru nu este fezabil: brumul ar acopericatastrofaloriceinformaie.Pedelatpartenuneputempermiteniciintroducerea uneirezistenemarin serie cu electrodul de mas deoarece tim c tehnica de culegere d o ateniespecialtocmaiasigurriiunuictmaibuncontactlaelectroduldemas,ocondiie necesarpentruaobineuntraseufrbrum.Experienademonstreazdecicnabsena uneilegturidejoasimpedanlapmnt,brumulaparecasemnaldemodcomundeun nivel inacceptabil la intrrile unui amplificator diferenial alimentat de la reeaua de c.a. Dacamplificatoruldiferenialestealimentatdelao baterie iar masa (referina) sa nu este legatlapmnt,experienaaratcdesfiinareaelectrodului3produce,nc,oanumit cretereainterferenei,ceeacearatfiecoparteabrumuluirejectatnmodobinuitca semnaldemodcomunapare,nabsenaelectroduluidereferin,diferenial,fiesemnal comun sporit. Configuraiacutreielectrozilasubiect(doicalzi+referin)este deci aproape imperativ cndestevorbadeoriceculegerediferenial,iarpentruculegereaconvenionalcu amplificator diferenial alimentat de la reeaua de c.a. formula doi electrozi calzi + referin = pmnt, este obligatorie. Sedispunetotuideunmijloccarepermitemeninereaelectrodului3legatdemasade referin a amplificatorului, izolat totui de masa sistemului global de msur, pus la pmnt. Soluia const n utilizarea, cu trei electrozi, a unui preamplificator diferenial (PAD) izolat n raport cu restul sistemului de msur alimentat la reeaua de c.a. i legat la pmnt, ansamblul fiind ntlnit n literatura de specialitate sub denumirea de amplificator de izolaie (AI ). Prinacestartificiusubiectulesteizolatdemasageneralasistemuluidemsur,ceeace sporetesecuritateaelectric,darpentruPAD-ulizolatacruireferin(masflotant) rmnelegatlaelectrodul3,brumulapare,nproporiedominant,casemnaldemod comun i este astfel rejectat. n Figura 6.20 se prezint o configuraie cu PAD flotant. Transmisia informaiei se face pe caletermic,printransformatordeizolare(cuplajmagnetic),princuplajopticsauprin radiotelemetrie. 114Surs dealimentareReeac.a.MasSurs flotantde alimentarePAD(ECG)ModulatorSUBIECTLARARFMas flotantDemodulatorMonitorECGTransmisie deenergieTransmisie desemnal util Figura 6.20Structura unui amplificator de izolaie Definiie Unamplificatordeizolaie(cusepararegalvanic)esteuncircuitacruiprimfuncieeste deaasiguraizolareaohmic(ntrerupereacontinuitiiohmice)ntresemnaleleicircuitele de intrare i cele de ieire.nprincipiu,unAIesteformatdintr-unamplificatordiferenialdeintrare(amplificator operaionalsauamplificatordeinstrumentaie),urmatdeunetajdeizolare(separare)cu ctigunitar.Uniculscopaletajuluideseparareestedeaizolacompletintrareadeieirea circuitului. nmod ideal, continuitatea ohmic a semnalului este ntrerupt (la nivelul barierei deizolaie)itotui,dupetajuldesepararecuctigunitar,semnalulsetransfercu acurateeifratenuare.OcaracteristicimportantaAIesteaceeacauintrarecomplet flotant, ceea ce contribuie la eliminarea unor conexiuni complicate la masa surselor n multe aplicaii. n Figura 6.21 se prezint schema - bloc tipic a unui amplificator de izolaie. Pentru acest amplificator, expresia tensiunii de ieire Vout este dat de relaia115IMRRVCMRRVVRRViso cmd12out+||.|

\|+ = .(6.23) TensiuneadeizolaieVisoestetensiuneaceaparepebarieradeizolaie.Contribuia adus deVisolaeroareareferitlaieireesteViso /IMRR,undeIMRRestefactorulderejecieal moduluiizolaie(IsolationModeRejectionRatio).Vdestetensiuneadiferenialdesemnal de intrare, iar Vcm reprezint tensiunea de mod comun (referit la masa circuitelor de intrare). Curentuldefugestecurentulcecirculprinbarieradeizolaiecuoanumittensiunede izolaie specificat aplicat ntre intrare i ieire. Figura 6.21Schema-bloc tipic a unui amplificator de izolaie 6.5.1Caracteristicile amplificatoarelor de izolaie n cele ce urmeaz se prezint unii termeni i caracteristici specifice AI. Tensiuneademodcomunitensiuneadeizolaie.Anumiiproductoritrateaztensiunea demodcomunitensiuneademodizolaienmod identic pentru descrierea folosirii i / sau caracteristicilorAI.nprincipalaceastimprecizienprezentareaparedinnespecificarea maseicircuituluinraportcucaresemsoaracestetensiuni.Pentruaplicaiilespecificede bioinstrumentaie,esteesenialnelegereaexactasemnificaiiloracestortermenii difereneledintreei.Astfel,cndsefaclegturilencircuituldeintrarecanFigura6.21, tensiuneadiferenialdesemnaldeintrareVdpoatefisuprapuspestecomponentaVcmn raportcumasacircuitelordeintrare.Vcmestetensiuneademodcomuniarengeneral ordinuldemrime10V,limitatdegamatensiuniidemodcomunaetajuluidiferenialde intrare. 116TensiuneadeizolaieViso,aadupcumrezultdinFigura6.21,reprezintdiferenade potenial ntre circuitul de mas de intrare i circuitul de mas de ieire. Mrimea tensiunii de izolaiedescriediferenadepotenialpecarebarieradeizolaiepoatesosuportefr strpungere. Ordinul de mrime al tensiunii de izolaie este de sute sau mii de voli. AceastcaracteristicaAIpermitedouconexiunidemasdistinctecesepotrealiza oricndestenecesar.Caurmare,AIsepotfolosinaplicaiicepresupuntensiunidemod comun foarte mari i n aplicaii cu ntreruperea buclelor de mas. n acest caz conexiunile se efectueaznaafelncttensiuniledemodcomunsaparreferitelamasacircuitelorde ieire(catensiunedeizolaie).Utilizndaceastconexiune,amplificatorulpoateprimi tensiuni de mod comun de ordinul 2000 V sau chiar mai mari. Rejecia de mod comun i rejecia de mod izolaie. Rejecia de mod izolaie (IMR) este un alttermenlacareuniiproductorisereferidenticcurejeciademodcomun(CMR). Confuziaaparedinacelaimotivcucelprecizatanterior,respectivdincauzanespecificrii circuituluidemasnraportcucaresefacdeterminrile.Discuiademaisusneajuts identificm diferena ntre IMR i CMR. Rejecia de mod comun, CMR, este msura n care etajul de intrare rejecteaz semnalele de mod comun referite la masa circuitelor de intrare n timp ce amplific intrarea diferenial. Rejeciademodizolaie,IMR,estemsurancareamplificatorulrejecteaztensiunilede mod comun referite la masa circuitelor de ieire n timp ce se transmite semnal prin bariera de izolaie. Factorul de rejecie al modului izolaie, IMRR, este definit de ecuaia (6.23). n acest fel, cunoscnd capacitatea de rejecie a modului izolaie a AI, acestea se pot utiliza n aplicaii undesuntnecesarerejeciialetensiunilordemodcomunfoartemari,deordinul100...140 dB.Valoareatensiuniideizolaie.Tensiunedetest.Esteimportantscunoatemsemnificaia tensiuniideizolaiedecurentcontinuu(precizatigarantatdeproductorncatalog)i relaiasacuvaloarearealatensiuniidetestaplicate.ntructuntestcontinuulavaloarea nominalnuesteposibilncazulproduselordeconsum(implicndoduratinfinit),se acceptngeneralrealizareatestelordenalttensiune(devaloaremultmaimaredect valoareacontinunominal),darpentruoduratscurt(ibineprecizat)detimp.ntruct testuldenalttensiuneestedistructiv(circuitelecarenurezistsedistrugntotalitate, devenind irecuperabile), este important de tiut ce relaie exist ntre condiiile reale de test i valoareacontinuminimgarantat.Pentruaceastasefolosescmaimultereguliempirice.De exemplu, firma Burr-Brown a ales o formul foarte restrictiv: Vtest = 2 Vcontinuu + 1000 V . Relaiademaisusestefolositnaplicaiincaresistemuldetensiunitranzitoriinupoatefi precizat.Cndtensiunilerealesuntbinedefinitesaucndtensiuneadeizolaienueste continu,utilizatorulpoatealegepentrutestareorelaiemaipuinrestrictivpentruastabili condiiiledetest,ceeacereducenumrulcircuitelordistruseprintestare,respectivreduce costul. 117Principiilefizicepecaresebazeazconstruciabariereideizolaiedeterminitipulde cuplaj utilizat. Astfel ntlnim: cuplajul magnetic, bazat n esen pe utilizarea transformatoarelor, la care nu apare conexiune ntre circuitul primar i cel secundar; cuplajuloptic,utilizndoptocuploare,transferulinformaieifiindasiguratprinmodularea unei radiaii; cuplajultermic,utilizndncircuituldeintrareorezistendenclzire,iarncircuitulde ieireotermorezisten,transferuldeinformaiefiindasiguratprinintermediulfluxului termic. PerformaneleAIvariaznmodsemnifica