Tecniche di misura e schermatura di apparecchiature biomedicali in ambiente ospedaliero

Modern medical devices are made up of electronic elements ranging from simple amplifiers to highly sophisticated microprocessors. These devices are sometimes affected by EMI (Electromagnetic Interference) problems. Sometimes equipment whose use is of vital importance to the patient are victims of EMI, so improper operation of the equipment can put the patient's life at risk. EMI disturbances therefore affect different environments such as operating theaters, ambulances or the patients' homes. EMI disturbances can cause parts of medical devices to malfunction or even break. In particular, this thesis examines the disorders acting on devices used in rehabilitation medicine during a continuous monitoring of brain activities. Also reported are the results obtained from a campaign of measures aimed at identifying radiated disturbances and conducted within an operating room of the former Polyclinic of the Campus Bio-Medico University located in via Longoni. Rehabilitation therapy is usually administered to post-ictal patients, or in any case to those patients who have suffered trauma or have congenital problems that are evident with motor difficulties. The establishment of an effective therapy in these cases involves the use of electronic equipment capable of providing an aid to the doctor who administers the therapy. The best feedback about the given therapy is given by continuous monitoring of brain activity. Technological advances have led to the creation of very sophisticated investigation systems, such as MRI (Nuclear Magnetic Resonance) or MEG (MagnetoEncephalography). The use of rehabilitation systems, which include electric actuators for their operation, within these environments is not immediate in relation to EMI problems. In fact, both systems are very sensitive to variations in background electromagnetic emission. The presence of these possible problems has therefore led to the need for an electromagnetic characterization of these rehabilitation devices, and where necessary to the design of an electromagnetic screen capable of reducing the level of radiation to levels that no longer cause disturbance. With regard to the investigation carried out inside the Polyclinic and the Outpatient Clinic of the former building in via Longoni of the Campus Bio-Medico, this investigation was carried out in order to assess the possible presence of problems deriving from conduit type disorders and disturbances of the radiated type. This thesis therefore examined two different electromagnetic compatibility problems in the medical field. The first problem is related to EMI (Electro Magnetic Interference) that can occur in the use of devices for rehabilitation in environments particularly sensitive to this type of disturbance such as MRI (Nuclear Magnetic Resonance) or MEG (MagnetoEncephalography). In the second aspect, a hospital environment was electromagnetically characterized, studying the radiated and conducted disturbances that can occur, especially inside an operating room during a surgery. The study relating to the first aspect is essentially composed of three parts. In the first part, a simulation program was created in MATLAB that would allow to theoretically identify the values of the shielding efficiency as a function of the frequency of use, the type of material used and its thickness. In the second part, the study was articulated using two different measurement set-ups in order to identify the electromagnetic disturbances produced by the tested devices. The first set-up allowed to carry out the electromagnetic characterization at high frequencies, the second allowed the electromagnetic characterization at low frequencies. The electromagnetic characterizations obtained, together with the maximum values allowed by the EN 55011 standard and the consideration of the environments of use, then led to the identification (design) of the most suitable shielding. The results obtained from the characterization of the devices (two electric actuators and two pressure sensors) at high frequencies showed emission peaks equal to a maximum of -58 dBm both in the case of the actuators and in the case of pressure sensors (load cells) . The difference between the peaks detected for the different devices lies in the frequency value at which they occur. For the actuators this peak was detected around the frequency of 1.2 MHz, while for the pressure sensors the maximum peak was detected around the frequency of 33 MHz. Following these characterizations, the screen, a sheet of 0.5 mm thick aluminum. The results obtained have shown that the shielding efficiency of this screen is sufficient to completely reduce the maximum emission peaks. The results obtained at low frequencies for the actuators led to the same conclusions, namely the design of a shield capable of completely eliminating disturbances but for frequencies above 2 kHz. As regards the low frequency characterization of the sensors, on the other hand, no relevant values emerged with respect to the measured background radiation, for this reason it was deduced that this sensor has an electromagnetic characteristic with emission peaks substantially around the frequencies of a few tens of MHz . In conclusion, it can be stated that the design of the screen, supported by the results obtained from the experimental measurements, allows the use of the JR3 load cells in an NMR (after appropriate anchoring) and MEG environment. In the third part measurements were performed in the MEG environment. As regards the brushed actuator, an excellent result was obtained with the shielding in the case of a powered motor not active, while the situation with the motor in motion sees (despite the shielding) a saturation of the signal detected by the MEG sensors in accordance with what is detected in the laboratory tests, which showed poor shielding efficiency at low frequencies (below 2 kHz). As regards the JR3 load cells, very encouraging results have been obtained regarding their use in the MEG environment. In fact, both for the compatible sensor and for the incompatible one, an attenuation of the noise in the presence of shielding was obtained, which made it possible to use these sensors during the normal procedure for detecting the patient's brain activity. Finally, the study relating to the second aspect allowed the analysis of radiated disturbances and conducted in some rooms of the former Polyclinic and the Outpatient Clinic of the Campus Bio-Medico. This analysis highlighted the presence of both radiated and conducted disturbances within the limits set by the regulations, such as not to pose risks for the operation of the equipment in the operating room. It has been observed, however, that shielding the walls of the operating room is recommended for greater safety in the most critical environments.

I moderni dispositivi medici sono costituiti da elementi elettronici che spaziano da semplici amplificatori a sofisticatissimi microprocessori. Questi dispositivi sono alcune volte interessati da problemi di interferenza elettromagnetica EMI (Electromagnetic Interference). Talvolta apparecchiature il cui utilizzo è di importanza vitale per il paziente sono vittime di EMI, per cui un funzionamento non corretto delle stesse può mettere a rischio la vita del paziente. I disturbi EMI interessano quindi diversi ambienti come le sale operatorie, le ambulanze o le case stesse dei pazienti. I disturbi EMI possono causare un cattivo funzionamento o addirittura la rottura di alcune parti dei dispositivi medici. In particolare nella tesi sono esaminati i disturbi agenti su dispositivi impiegati in medicina riabilitativa durante un monitoraggio continuo delle attività cerebrali. Sono inoltre riportati i risultati ottenuti da una campagna di misure volta ad individuare i disturbi radiati e condotti all'interno di una sala operatoria dell'ex Policlinico dell'Università Campus Bio-Medico sito in via Longoni. La terapia riabilitativa è solitamente somministrata a pazienti post-ictali, o comunque a quei pazienti che hanno subito traumi o hanno problematiche congenite che si evidenziano con difficoltà motorie. L'istituzione di una terapia efficace in questi casi prevede l'utilizzo di apparecchiature elettroniche in grado di fornire un ausilio al dottore che somministra la terapia. Il feedback migliore circa la terapia impartita è dato da un monitoraggio continuo delle attività cerebrali. I progressi tecnologici hanno portato alla realizzazione di sistemi di indagine molto sofisticati, come la RMN (Risonanza Magnetica Nucleare) o come la MEG (MagnetoEncefaloGrafia). L'utilizzo di sistemi di riabilitazione, che prevedono attuatori elettrici per il loro funzionamento, all'interno di questi ambienti non è immediato in relazione a problematiche EMI. Infatti entrambi i sistemi sono molto sensibili a variazioni di emissione elettromagnetica di fondo. La presenza di queste eventuali problematiche ha portato dunque alla necessità di una caratterizzazione elettromagnetica di questi dispositivi di riabilitazione, e dove necessario alla progettazione di uno schermo elettromagnetico capace di ridurre il livello di radiazione a livelli tali da non arrecare più disturbo. Per quanto riguarda l'indagine eseguita all'interno del Policlinico e del Poliambulatorio dell'ex edificio di via Longoni del Campus Bio-Medico, tale indagine è stata eseguita al fine di valutare la possibile presenza di problematiche derivanti da disturbi di tipo condotto e disturbi di tipo radiato. Nella tesi si sono esaminate quindi due diverse problematiche di compatibilità elettromagnetica in ambito medicale. La prima problematica è relativa alle EMI (Electro Magnetic Interference) che possono verificarsi nell'utilizzo di dispositivi per la riabilitazione in ambienti particolarmente sensibili a questo tipo di disturbo come la RMN (Risonanza Magnetica Nucleare) o la MEG (MagnetoEncefaloGrafia). Nel secondo aspetto si è caratterizzato elettromagneticamente un ambiente ospedaliero, studiando i disturbi di tipo radiato e condotto che possono verificarsi, soprattutto all'interno di una sala operatoria durante un intervento chirurgico. Lo studio relativo al primo aspetto è composto sostanzialmente da tre parti. Nella prima parte si è provveduto a realizzare un programma di simulazione in MATLAB che permettesse di individuare, in maniera teorica, i valori dell'efficienza di schermatura in funzione della frequenza di utilizzo, del tipo di materiale utilizzato e dello spessore dello stesso. Nella seconda parte lo studio si è articolato utilizzando due diversi set-up di misura al fine di individuare i disturbi elettromagnetici prodotti dai dispositivi testati. Il primo set-up ha consentito di effettuare la caratterizzazione elettromagnetica alle alte frequenze, il secondo ha consentito la caratterizzazione elettromagnetica alle basse frequenze. Le caratterizzazioni elettromagnetiche ottenute, unitamente ai valori massimi consentiti dalla normativa EN 55011 ed alla considerazione degli ambienti di utilizzo, hanno portato poi all'individuazione (progettazione) della schermatura più idonea. I risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei dispositivi (due attuatori elettrici e due sensori di pressione) alle alte frequenze hanno evidenziato dei picchi di emissione pari al massimo a -58 dBm sia nel caso degli attuatori che nel caso dei sensori di pressione (celle di carico). La differenza tra i picchi rilevati per i diversi dispositivi sta nel valore di frequenza in corrispondenza al quale essi si verificano. Per gli attuatori questo picco è stato rilevato intorno alla frequenza di 1,2 MHz, mentre per i sensori di pressione il picco massimo è stato rilevato intorno alla frequenza di 33 MHz. A seguito di queste caratterizzazioni è stato progettato lo schermo, una lamina di alluminio di spessore pari a 0.5 mm. I risultati ottenuti hanno dimostrato che l'efficienza di schermatura di tale schermo è sufficiente ad abbattere completamente i picchi massimi di emissione. I risultati ottenuti alle basse frequenze per gli attuatori hanno portato alle medesime conclusioni, ovvero alla progettazione di una schermatura capace di abbattere completamente i disturbi ma per frequenze superiori ai 2 kHz. Per quanto riguarda la caratterizzazione in bassa frequenza dei sensori invece, non sono emersi valori rilevanti rispetto alla radiazione di fondo misurata, per questo motivo si è dedotto che tale sensore ha una caratteristica elettromagnetica con picchi di emissione sostanzialmente attorno alle frequenze di qualche decina di MHz. In conclusione, si può affermare che la progettazione dello schermo avvalorata dai risultati ottenuti dalle misure sperimentali, permette l'utilizzo delle celle di carico JR3 in ambiente RMN (previo opportuno ancoraggio) e MEG. Nella terza parte si sono eseguite misurazioni in ambiente MEG. Per quanto riguarda l'attuatore brushed si è ottenuto un ottimo risultato con la schermatura nel caso di motore alimentato non attivo, mentre la situazione con motore in movimento vede (nonostante la schermatura) una saturazione del segnale rilevato dai sensori MEG concordemente con quanto rilevato nelle prove di laboratorio, che mostravano una scarsa efficienza di schermatura alle basse frequenze (sotto i 2 kHz). Per quanto riguarda le celle di carico JR3, si sono ottenuti risultati molto incoraggianti circa il loro utilizzo in ambiente MEG. Infatti sia per il sensore compatibile che per quello non compatibile si è ottenuta un'attenuazione del rumore in presenza di schermatura che ha reso possibile l'utilizzo di questi sensori durante la normale procedura di rilevazione dell'attività cerebrale del paziente. Infine, lo studio relativo al secondo aspetto ha consentito l'analisi dei disturbi radiati e condotti in alcuni locali dell'ex Policlinico e del Poliambulatorio del Campus Bio-Medico. Tale analisi ha evidenziato la presenza di disturbi sia radiati che condotti nei limiti previsti dalla normativa, tali da non porre rischi per il funzionamento delle apparecchiature presenti in sala operatoria. Si è osservato, tuttavia, che per una maggiore sicurezza negli ambienti più critici è consigliata la schermatura delle pareti della sala operatoria.