Appunti Sensoristica per strumentazione biomedicale

Sensoristica

Sistema di acquisizione e misurazione

Tutti i blocchi devono essere controllati. In alcuni sistemi si ha una sorgente energetica perché il segnale non sempre proviene dal corpo umano naturalmente; esempio di segnali generati spontaneamente dal corpo - un segnale generato naturalmente è il calore (energia sotto forma di segnale a infrarossi) - contrazione muscolare - elettrocardiogramma; segnali generati sotto stimolazione - ecografia (ultrasuoni), si fanno vibrare gli organi e se ci sono delle interfacce acustiche viene registrato un eco - radiografia (energia ionizzante).

Tutto il sistema serve per fare delle misure. Una misura serve per determinare una certa quantità (un certo valore) di qualcosa come ad esempio, negli esami del sangue, si misura l’emoglobina/ferro/globuli bianchi/glucosio, altre misure sono quelle di pressione come quella sanguigna. L’obiettivo è quello di capire se lo stato del sistema è in condizioni normali oppure è fuori dai range normali. È importante quindi conoscere a priori quelli che sono i valori corretti per andarli a confrontare con quelli misurati e valutare lo stato del sistema.

Le misure hanno poi più scopi. Ci sono informazioni diagnostiche (pressione), scopi fisiologici cioè devo capire prima della diagnosi come funziona il sistema (esempio - capire come evolve il flusso nel sistema cardiocircolatorio) e infine si hanno scopi terapeutici attraverso il quale si controlla il processo ossi vedere se la terapia sta avendo effetto.

Classificazione delle misure

Le misure si classificano:

• Invasive - sono misure che danneggiano sempre il paziente; temperatura orale, glucosio.
• Non invasive - sono quelle che possono essere effettuate direttamente senza danneggiare o comunque generare danni al paziente; analisi della voce, pressione arteriosa (può essere di entrambi i tipi).

Ci sono diversi modi in realtà di misurare le grandezze, come nel caso della pressione arteriosa o la temperatura, posso andare a fare la misura sia in modo invasivo che non invasivo. In alcuni casi è necessario fare la misura invasiva perché più precisa oppure perché con la misura non invasiva non si riescono a estrapolare i dati necessari. Ci sono poi misure:

• Attive - il segnale ha un’interazione con il corpo umano, genera un altro segnale e quest’ultimo viene elaborato quindi si ha un segnale generato dalla macchina che interagisce con corpo e produce una risposta elaborabile.
• Passive - non c’è bisogno di generare un segnale per misurare il segnale modificato, ma utilizzano direttamente il segnale generato dal corpo umano.

Misure dirette e indirette

Le misure possono essere classificate in:

• Dirette - confronto il valore ottenuto con un valore con stessa unità di misura di riferimento.
• Indirette - necessitano di formule matematiche per riuscire a estrapolare i valori della misura di interesse. Termometro a mercurio è indiretta, termometro digitale è diretta.

Le misure hanno anche dei raggruppamenti: per potenziale elettrico, pressione, flusso sanguigno, velocità, forze e impedenze; per sistema fisiologico - resistivo, induttivo, capacitivo, piezoelettrico, elettrochimico; per il principio di traduzione - cardiovascolare, polmonare, nervoso; infine per la specialità medica - pediatria, ostetricia, cardiologica, neurologia, radiologia.

Il segnale

Il segnale è qualcosa che ci dà l’informazione. È un’azione, un movimento o un suono che dà un’informazione, un messaggio, un ‘warning’ oppure un ordine. In una misura, il segnale è una variazione temporale di una quantità fisica (variazione temperatura, variazione pressione, variazione concentrazione chimica, variazione di potenziale elettrico e così via). L’informazione non è quasi mai contenuta in un segnale costante.

Segnale elettrico

Noi abbiamo a che fare con segnali elettrici perché sono più facili da trattare tramite l’elettronica. Il segnale elettrico è una quantità elettrica che varia nel tempo e trasporta informazioni. Tutte le variazioni del segnale che abbiamo visto devono essere convertite in un segnale elettrico attraverso un sensore/trasduttore. Andiamo a vedere ad esempio una variazione di tensione, di corrente, di potenza, di resistenza (impedenza) variazioni di quantità elettriche.

In figura lo schermo di un oscilloscopio: si vede un segnale sinusoidale che varia nel tempo, sull’asse orizzontale c’è il tempo su quello verticale c’è la tensione. L’informazione sta nella variazione di tensione in questo caso.

Segnali biomedici

I segnali biomedici sono dei tipi particolari di segnale che possono essere molto deboli come la pulsazione dal polso oppure ad esempio la morfologia del feto. Sono tutti quei segnali o fenomeno che portano un’informazione sullo stato biologico del sistema. I segnali biomedici sono quei segnali (fenomeno che veicola informazioni) che vengono utilizzati principalmente per estrarre informazioni su un sistema biologico sotto indagine.

I biosegnali sono di diversi tipi:

• Bioelettrico - generato dai potenziali di azione dei nervi che poi vengono trasmessi ai muscoli.
• Bioacustico - generato da fenomeni che emettono suono come voce, chiusura delle valvole cardiache oppure flusso del sangue (a causa del fatto che il flusso cardiaco è turbolento).
• Biomeccanico - spostamenti, pressioni e flussi (valutabile il flusso attraverso un catetere).
• Biochimici - misura della quantità di globuli rossi nel sangue (è un segnale perché ci da un’informazione).
• Biomagnetico
• Biottici - temperatura può essere considerata un segnale ottico; generati naturalmente oppure dal metodo di misura.
• Bioimpedenze - variazioni di impedenza; da una certa tensione misurano la corrente e capiscono qual è la resistenza V = RI.

ECG: la banda che si prende è molto grande (250 Hz = 15000 battiti/min) perché è un segnale corto nel tempo quindi si ha bisogno di una banda per poterlo studiare in quanto sono necessarie tante armoniche.

Noi andremo a valutare la pulsazione cardiaca di un segnale pressorio (in funzione di come varia il volume di sangue nelle arterie), avremo necessità di una banda molto ampia per andare a valutare tutte le informazioni sul segnale in quanto questo varia molto velocemente nel tempo. La temperatura invece varia molto molto lentamente nel tempo quindi non è necessaria una banda così tanto grande. La banda si può sempre restringere via via, meglio prenderla subito grande e poi ristringerla se ci si accorge che è troppo larga.

Ampiezza e potenza

Sono due concetti utilizzati per descrivere la variazione delle quantità tempo varianti. L’ampiezza può essere definita picco picco oppure RMS. Nella formula vediamo che la potenza del segnale non c’è V (o I) elevato al quadrato quindi non è una potenza elettrica ma viene chiamata potenza perché si ha comunque una grandezza al quadrato. È qualcosa che è legato in modo quadratino alle variazioni della grandezza di interesse così come il segnale elettrico ha una potenza legata al quadrato della tensione oppure della corrente. Il segnale può essere visto come somma di sinusoidi.

Densità spettrale di potenza

Normalmente questa viene spiegata quando si parla di rumore. Potenza = potenza di un segnale / spettrale = si ha a che fare con lo spettro quindi siamo nel dominio della frequenza / densità = c’è di mezzo una sorta di somma cumulativa. Si guarda quanta è la potenza del segnale per unità di frequenza (per ogni Hz). Se prendiamo il segnale x(t) e lo filtri amo con passa-banda largo 1Hz (filtro ideale non passa altro) intorno alla frequenza f1 e ne facciamo la potenza. Quello che viene fuori è il segnale a destra che poi vado a mettere sul segnale.

Il rumore

Il rumore è qualsiasi componente indesiderata di segnale che è presente in un sistema di misura che confonde l’informazione. Il rumore è anche qualsiasi altro tipo di segnale che in quel momento non ci interessa: se faccio l’ECG se muovo il braccio non mi interessa il segnale generato dal braccio perché mi confonde l’informazione. Nel nostro test uno dei problemi è che abbiamo a che fare con un LED e quindi può essere influenzato dalla luce circostante (soprattutto se presenti luci a neon). Normalmente il rumore è una fluttuazione casuale dell’ampiezza del segnale che può causare perdita di informazione (vedi confronto tra figure a sinistra e figure a destra).

Il rumore elettrico è un qualsiasi segnale non desiderato presente in un circuito di comunicazione o di tende a confondere e mascherare il segnale desiderato. Per andare nel dettaglio si distinguono diversi tipi di componenti indesiderate:

• Rumore elettrico - (non lo toglie nessuno, è intrinseco al circuito elettronico) si può solo attenuare.
• Disturbi - (radio Maria mentre ascolto un altro canale).
• Interferenze - (interferisce nella stessa banda del segnale che sto ricevendo - cellulare che interferisce vicino alle casse del computer).
• Artefatti - (ad esempio da movimento, vanno a mascherare molto l’informazione devono essere eliminati, ma non sempre sono facili da eliminare). S è informativo, n è elettrico, d sono disturbi e interferenze che possiamo attenuare.

Non tutte le casse fanno rumore, non tutte sono sensibili a questi tipi di interferenza, perché li possiamo eliminare. Alcuni segnali hanno densità spettrale di potenza specifico. Rumore bianco è la riga nera, ha densità spettrale di potenza che è costante con la frequenza, se andiamo a filtrare il segnale intorno a 10kHz sentiamo lo stesso livello di potenza intorno a 1 kHz. Spettro blu cresce di 3dB a ottava, mentre quello viola quadruplica per ogni ?. Rumore termico è un rumore causato da agitazione termica dovuto al movimento degli elettroni, si può eliminare andando solo a 0 K. Rumore di tipo shot è fluttuazione intorno a corrente continua. Corrente dovuta a passaggio di elettroni con carica specifica, corrente che passa è quantizzata in quantità di cariche dovute alla carica dell’elettrone, passeranno più o meno elettroni e questo genera variazione di rumore. Molto piccolo questo tipo di rumore. Rumore di tipo flicker dovuto all’impurità con cui è realizzato.

Per attenuare il rumore si usa un filtro che cerca di eliminare il rumore tenendo conto di quello che voglio. Restringo la mia banda. Filtro si adatta a banda di interesse. Se non è sufficiente stringo di più il filtro con il rischio di perdere parte dell’informazione cifra di rumore. Quando abbiamo a che fare con circuito elettronico per determinare il rumore, uso. Se introduco questo dispositivo nel sistema questo andrà ad introdurre un rumore definita da questa cifra di rumore che ha a che fare con il rapporto segnale rumore. Tutti i dispositivi quando vengono inseriti in un circuito portano rumore. F è un parametro molto importante per la progettazione e il corretto funzionamento dei sistemi di misura, acquisizione ed elaborazione. Aumentando il rapporto si perde informazione, ed è difficile distinguere il segnale del rumore. Per migliorare il rapporto segnale rumore si potrebbe applicare un filtro banda, è importante adattare la banda del filtro in funzione della banda del segnale utile.

Cifra di rumore

Rappresenta la rumorosità di un dispositivo. La cifra di rumore è il rapporto tra il rapporto segnale rumore in ingresso e in uscita. Il dispositivo elettronico avrà un guadagno e da un numero (cifra di rumore). La cifra di rumore è una cifra di merito che indica il degrado del rapporto segnale/rumore causato dai componenti in una catena di segnali. La cifra di rumore è un parametro di merito che ci permette di capire in che ordine mettere i dispositivi nella catena di acquisizione.

La cifra di rumore è un parametro di merito dei vari dispositivi e ci permette di capire l’ordine con cui mettere i dispositivi della catena di acquisizione. Quando abbiamo tanti dispositivi in cascata, ognuno è caratterizzato da cifra di rumore, guadagno e rumore aggiuntivo. La formula di Friis ci permette di capire l’ordine migliore con cui mettere i dispositivi e valuta le cifre di rumori nei vari dispositivi. Il dispositivo che consente di avere un guadagno elevato se voglio aumentare l’ampiezza del segnale è l’amplificatore. La formula mi dice che se come primo blocco metto un amplificatore i guadagni successivi mi interessano il giusto, sono quasi trascurabili i termini successivi a F1. È ideale mettere come primo dispositivo un amplificatore a bassa cifra di rumore (low noise amplifier), devono avere LNA che guadagna poco (riduce impatto circa di rumore del secondo blocco) e subito dopo un amplificatore di potenza (G2 molto elevato) e va a ridurre l’impatto delle cifre di rumore dei blocchi in cascata.

Resistenza elevata significa che ho un’attenuazione del segnale e non un guadagno. Un’attenuazione fa sì che, anziché ridurre l’impatto dei dispositivi in cascare, va ad amplificarle. Gli amplificatori per funzionare hanno bisogno di alimentazione, quindi in sonda devo portare un’alimentazione e il dispositivo, consumando tanta corrente, si scalda e quindi si scalda anche la sonda. Normalmente in sonda non si può dissipare più di 2/3W. Non sempre si può mettere un trasduttore vicino all’amplificatore, soprattutto quando abbiamo dispositivi impiantabili. Se è necessario farlo si usa i cavi molto grossi.

Il primo dispositivo dovrebbe essere un amplificatore a bassa cifra di rumore. Se come primo blocco metto amplificatore, tutta la parte dopo F1 diventa trascurabile. Ma è importante che quell’F1 sia basso. Quindi normalmente è ideale mettere come primo dispositivo un amplificatore a bassa cifra di rumore. Quindi si mette un RNA che ha una cifra di rumore abbastanza bassa e poi si mette un amplificatore di potenza. Quindi si riducono le cifre dei altri blocchi. Quello è nel caso ideale. Normalmente abbiamo trasduttore e mi devo connettere al sistema con due cavetti che però essendo piccoli non mi danno guadagno ma portano attenuazione. Quindi mi vanno a ridurre. Quindi quando posso metto amplificatore prima possibile ma non lo è sempre. Non sempre posso mettere amplificatore vicino a trasduttore e si cerca di mettere cavi più grandi possibile.

Trasduttori

Un trasduttore è un dispositivo che converte una forma di energia in un’altra (da segnale a segnale elettrico). Anche negli elettrodi si ha un trasduzione, convertono una corrente ionica in una corrente di elettroni. Il trasduttore è parte essenziale di un sistema di misura, perché la qualità della misura dipende molto dal trasduttore. Primo dispositivo che si mette e deve avere un rumore molto basso.

Un dispositivo che converte una forma di energia in un’altra. Il trasduttore è fondamentale in un sistema di misura perché la qualità dipende molto dal trasduttore. Poi dipende anche dalla qualità del sistema. Nella pratica si vanno a trasferire i fenomeni in segnali elettrici perché in elettronica questo è facile da gestire. Quindi il sensore è trasduttore convertono la misura in una quantità elettrica.

I trasduttori vengono classificati in base al tipo di processo (attivo o passivo), per il principio di conversione, per la misura che vogliamo fare. Infatti per fare una misura posso usare diversi dispositivi. O per tipologia di trasduttori e poi per tecnologia.

• Attivo
• Passivo

I trasduttori sono di tipo o un trasduttore è attivo se ha la capacità di trasformare una forma di energia di un’altra senza uso di sorgente esterna. Es cristallo piezoelettrico. Quello passivo ha bisogno di una sorgente. Esempio la fotocellula con la sorgente (emettitore).

• Si classificano anche per quello che vogliamo misurare. Per esempio con lo spostamento posso misurare altre grandezze

Caratteristiche del trasduttore

Ci permette di valutare le caratteristiche di un trasduttore in condizioni statiche e dinamiche, ci sono anche caratteristiche ambientali e di affidabilità che sono meno importanti.

• Statiche - Quelle descrivono come si comporta un trasduttore per variazioni lenti del misurando, come per esempio la temperatura.
• Dinamiche - Le caratteristiche descrivono il comportamento del trasduttore quando il segnale in ingresso varia nel tempo e rapidamente, come per esempio trasduttori piezoelettrici è importante che abbiano risposte dinamiche molto buone.
• Ambientali - Le caratteristiche ci dicono come funzionano questi trasduttori sotto determinate condizioni ambientali, per esempio di temperatura.
• Affidabilità - Le caratteristiche di per quanto tempo o per quante misure funziona bene. Molto spesso dovranno essere ritarati.

Statico: descrivere le prestazioni del sensore in condizioni normali con lente variazioni dell'ingresso e in assenza di sollecitazioni esterne

Dinamico: descrive il comportamento del sensore rispetto a input vari