Appunti Strumentazione per sistemi biomedicali

Strumentazione

Biomedica

3° ANNO (2024-2025)

I SEMESTRE 1

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INTRODUZIONE, MISURE E ANALOGIE

ESAME = scritto + orale, orale ammessi con 16, voti sopra al 27 è obbligatorio orale, lab fa parte

dell’esame (si realizza prodotto software da mettere in microcontrollore) e poi si consegna software

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e si ha rilevanza su esame (avremo il nostro tornaconto all’esame )

Schema di strumentazione: da un lato abbiamo l’uomo quindi il tessuto o l’organo su cui volgiamo

fare le misure, la interfacce che abbiamo sul sistema biologico sono due, una che ci permette di

ricavare i dati e una che ci permette di interagire con il sistema, le due interfacce sono i sensori e gli

attuatori, il sensore è qualsiasi cosa che è in grado di misurare qualcosa del sistema biologico,

l’attuatore è qualcosa in grado dio trasferire energia sul sistema biologico, attuatore può essere

meccanico (generare pressione e avere contatto con sistema), ma può essere anche un ultrasuono che

è un sistema in grado di trasferire energia acustica all’interno del sistema. Da questa interfaccia che

può avere una controparte analogica o digitale, abbiamo poi una struttura circuitale detto front-end

analogico, ovvero tutta la parte di circuiteria che va a interagire con il nostro sistema di interfaccia, è

costituito da insieme di amplificatori e elementi passivi (resistenze e capacità), alcuni possono avere

anche induttanze e quindi avere circuiti del secondo ordine, la circuiteria degli gli attuatori serve a

generare segnale che permette di trasferire energia, per i sensori invece la circuiteria permette di

acquisire informazione da misurare e poi trasformarla affinché abbia le caratteristiche elettriche. Poi

abbiamo un convertitore da digitale ad analogico o viceversa, ADC trasforma grandezza analogica in

digitale e fa in modo che dinamica in ingresso venga massimizzata, si deve avere informazione

digitale per elaborare, immagazzinare ecc. quindi dobbiamo trasformare segnale analogico,

campionandolo e quantizzandolo commettendo il cosiddetto errore di quantizzazione, poi il segnale

vinee inserito in una conversione che trasforma segnale analogico in una codifica digitale, questo ci

dice quanto sarà precisa la nostra codifica digitale. Si passa da segnale analogico a segnale

completamente discretizzato, poi questa informazione può essere immagazzinata in memoria di

massa oppure elaborata per massimizzare rapporto segnale-rumore, dopodiché viene comunque

registrata e conservata e poi visualizzata e rappresentata in una forma grafica per operatore.

Negli ultimi anni c’è stata una grande proliferazione di sistemi cloud, ovvero memorie che si trovano

lontane da noi e possono essere raggiunte con la rete, se siamo un centro medico abbiamo restrizioni

dovute ad un regolamento per salvaguardare i pazienti (memoria di massa fisica deve esserci per forza

e i dati dell’ospedale non possono uscire per la regolazione del trattamento dei dati sensibili), in tutti

gli altri casi i dati possono andare su un cloud, dove vengono immagazzinati e abbiamo assicurazione

che dureranno finché paghiamo abbonamento del cloud. Questo permette di rendere dati trasferibili

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in remoto ovvero essere mandati a operatore che non risiede dove sta strumentazione, il cloud inoltre

permette di poter posizionare all’interno di un server degli algoritmi che girano in continuazione e

che possono elaborare i dati continuamente, facendo ritornare catena di acquisizione sullo stesso

paziente. Questo può essere fatto anche in locale quando si lavora offline, altre volte si lavora online

ma non c’è regolamento che ci obbliga a usare un criterio rispetto ad un altro.

La prima strategia è usare una rete cablata ovvero si ha uno strumento connesso a qualcosa (PC,

device o access point) che permette di mandare i dati in rete; possiamo senno usare una rete wireless

che utilizza una wi-fi. La comunicazione wireless è la cosiddetta comunicazione bluetooth che passa

sotto protocollo seriale, il bluetooth è il più diffuso perché ha avuto più fortuna dal punto di vista

commerciale.

Un altro modo per valutare i sistemi è la modalità di alimentazione, se un sistema deve essere sempre

connesso alla rete e quindi non portatile oppure se ha la batteria ed è portatile, un sistema connesso

alla rete elettrica ha una potenza in ingresso teoricamente infinita, un sistema può usare solo ed

esclusivamente un qualcosa relativo alla potenza in ingresso che equivale alla moltiplicazione tra

corrente e tensione, ogni sistema elettrico può usare solo la potenza che ha ingresso, quindi una

potenza elettrica data dal nostro produttore di energia è infinita perché man mano il sistema la

consuma la nostra struttura elettrica continua a rifornirla, quindi più consumiamo più si produce. I

sistemi alimentati a batteria ha una potenza in ingresso che decresce, si ha una tensione costante in

ingresso e la potenza segue l’andamento della corrente, la tensione decade con un certo tempo, la

tensione rimane costante finché la potenza consumata è minore di quella in ingresso, quando diventa

maggiore la tensione decade. Non possiamo consumare più potenza di quella che abbiamo in ingresso.

Un'altra differenza che possiamo fare è riferita al tipo di ambiente biologico, possiamo fare misure in

ambiente microscopico (ECG, RX), sistemi su ambienti macroscopici, sistemi a cui dobbiamo dare

energia, sistemi che emettono una forma di energia rilevabile dall’esterno facendo il cosiddetto

tracciato; quindi, il tipo di strumentazione può essere classificata in base al tipo di misura oppure che

la strumentazione sia di tipo invasivo o non invasivo. Una misura non invasiva è una strumentazione

che non va ad incidere sul sistema, ad esempio è la differenza tra elettrodi di ECG oppure elettrodi

che sono dei veri e propri aghi che sono invasivi, la misura è la stessa (biopotenziale) ma uno è

invasivo e uno no. Ci sono sistemi invasivi anche se non sono a contatto con il sistema, ad esempio

l’ultrasuono, che è in grado di distruggere i cavi e quindi una parte di sistema. L’ultrasuono

diagnostico manda energia ma non distrugge niente per cui è sistema non invasivo. Ci sono sistemi

basati sulle radiofrequenze come i radar, che possono essere usati per fare misurazioni del nostro

ambiente biologico, può stare a una certa distanza dal sistema biologico, le onde elettromagnetiche

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mandate a distanza penetrano il sistema, poi leggono variazione o misurano qualcosa. La miglior

definizione di sistema invasivo. E non è quanta energia il mio sistema trasferisce nel sistema

biologico, più è alta l’energia più è alta l’invasività del mio sistema.

Si hanno una serie di misure non invasive che possono essere fatte sull’uomo, sono tutte misure di

biopotenziali ovvero campi elettrici generati all’interno del sistema biologico che è il corpo, oppure

di sostanze emesse dall’uomo durante la sua fase vitale come l’emissione di anidride carbonica

oppure la voce che può servire per vedere sei ci sono lesioni, si possono fare misure anche sullo stato

emozionale del soggetto attraverso l’analisi della voce e di alcune vocali del parlato.

La pressione misurata con lo sfigmomanometro ha come range normale per una persona giovane è

120/80 mmHg, in questo dato è importante il range di normalità e l’unità di misura, comunicando

questo dato al medico deve essere dato nel modo in cui egli riconosce. La forza gastrointestinale ha

un valore compreso tra 10^(-2) e 0.5N. Oltre al range considerato normale di variazione delle

grandezze misurabili nel copro, l’altro valore da associare è la banda di frequenza in cui questa esiste,

la frequenza cardiaca è di circa 60bpm, poi si entra in tachicardia (frequenza più elevata della

normale) e bradicardia (frequenza meno elevata della normale). L’inverso del tempo è la frequenza,

per cui mi aspetto che se una persona ha 60 bpm, la frequenza è 1 Hz, ogni volta che si dà range di

funzionamento di strumento è fondamentale indicare anche la banda di frequenza in cui strumento

funziona. Il mio sistema per quanto riguarda l’atto respiratorio deve essere in grado di misurare per

qualche minuto, se invece utilizzo un ultrasuono facendo un’ecografia deve stare in una banda di

frequenza del MHz/decine di MHz, un radar va da un centinaio di MHz fino a decine di GHz.

L’uomo come sistema biologico in cui ci sono processi metabolici in atto ha la caratteristica di

generare informazioni ma non ha una connessione a massa, quando si fa una misura sull’uomo come

ECG che è attaccato alla rete, lo strumento dovrebbe dare differenza del potenziale dei due elettrodi,

il cuore non deve essere alimentato ma il mio strumento si con batteria o rete elettrica, l’amplificatore

può essere alimentato in single o dual-ended, questi sistemi che alimentano amplificatore devono

avere riferimento comune che di solito è la massa, ma l’uomo non ha riferimento a massa e soprattutto

non alla stessa massa dell’amplificatore, per cui una sorgente flottante come l’uomo non ho lo stesso

riferimento a massa con amplificatore. Di solito uomo indossa scarpe stando posato sul pavimento,

abbiamo la rete elettrica sui muri, le radiazione elettromagnetiche dei dispositivi e dei cavi che sono

collegati alla stessa rete elettrica, noi in qualche modo abbiamo un collegamento von la rete elettrica

dovuto alle grandezze che ci circondano, la rete elettrica inoltre ha dei salvavita e la terra, il

riferimento di massa è il riferimento a comune tra i componenti di una circuiteria elettronica, invece

la terra è un oggetto metallico inserito nel terreno e tutti gli impianti elettrici devono avere cavo che

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connette dispositivo a tutte le prese elettriche ed è il polo centrale, la tessa è qualcosa che ha potenziale

molto vicino allo zero perché l’unico oggetto che ha potenziali quasi nullo è il terreno. Grazie alla

messa a terra attaccando o togliendo una lampadina non succede nulla all0uomo perché fa lo scarico

a terra rispetto alla tensione di 220V oppure salta il cosiddetto salvavita.

Quando faccio una misura normalmente commetto un errore, ogni volta si fa misura errore può essere

dovuto a tanti motivi diversi, quando diamo misura diamo valore e percentuale di errore, tutti gli

oggetti che andiamo a usare nella misura di vengono forniti con valore nominale e valore percentuale

associato. Oltre agli errori dovuti ai sistemi di misura ci sono dei rumori legati all’oggetto biologico

che stiamo misurando, per esempio per fare ECG a una persona è necessario che essa stia ferma

perché movimento produce un errore, ci sono molti sistemi biologici che producono potenziale

elettrico tra cui i muscoli (si misura con elettromiografia che produce segnale che parte con banda di

frequenza sovrapposta a quella di ECG), se faccio ECG a persona che si muove si legge attività

muscolare del cuore ma anche gli altri potenziali elettrici muscolari, per cui movimento sarebbe un

artefatto per cui disturbi che devo evitare. Quando si fa EEG sugli elettrodi vedo i muscoli della faccia

e il cuore ovvero ECG, queste informazioni sono artefatte ovvero sono rumori che non vanno bene

per analisi corretta. Alcuni di questi artefatti una volta creati difficilmente si riescono a rimuovere ci

sono tecniche più avanzate von algoritmi adattativi oppure algoritmi capaci di riconoscere rumore e

rimuoverlo. Altri tipi di artefatti sono dovuti a come funziona il mio sensore, l’elettrodo ad esempio

è un pezzo di metallo che appoggio sul sistema biologico, dal punto di vista microscopico elettrodo

è metallo più o meno nobile e alla sua interfaccia elettrodo elettrolita si crea cumulo di cariche da un

lato e dall’altro un accumulo di ioni detto accumulo di Eldmonds, creando un’impedenza elettrica, è

una componente reattiva perché si crea una capacità e una componente passiva ovvero una resistenza,

si crea un parallelo RC ovvero si crea un filtro che taglia delle componenti frequenziali che non

devono stare nella banda di interesse altrimenti viene alterata la misura. La misurazione deve stare in

banda filtro, se si trova a metà banda viene tagliata per cui ottengo delle misure alterate.

Nell’ ambito dello studio di sistemi fisici si presenta soventemente il caso nel quale due sistemi di

natura diversa risultano essere descritti da equazioni formalmente identiche. Studiare un sistema di

una certa natura attraverso l’analogia con un sistema di diversa natura (es. sistema BJT -> analogia

con il funzionamento di una diga); in una prima fase si ha analogia tra sistemi meccanici ed elettrici;

interpretazione dei fenomeni elettrici, meno direttamente intuibili, in termini di fenomeni meccanici;

nella seconda fase ci si avvale di modelli elettrici, per lo studio di sistemi meccanici meno

maneggevoli sia in costruzione sia in sperimentazione più comodi da realizzare, mettere a punto e

modificare. Evitare il punto di vista secondo il quale uno dei due sistemi è quello originale e l’altro il

suo modello. 6

Le due più famose analogie per i sistemi sono l’analogia di Maxwell e l’analogia di Firestone.

L’analogia di Maxwell mette in analogia il sistema elettrico con il sistema meccanico. Un sistema

meccanico posso dunque farlo diventare un circuito e facendo le misurazioni possono conso cere tutto

ciò che accade nel sistema meccanico. Nell’analogia di Firestone è al contrario ovvero uso sistema

meccanico per modellare sistema elettrico. Un sistema del primo ordine è sempre un sistema lineare,

possiamo farne i diagrammi di Laplace o i diagrammi di Bode, che sono quelli più utilizzati, dove

vedo cosa succede ad ampiezza e fase del sistema, ovvero mi descrive cosa succede al sistema in

frequenza in relazione a ingresso. Un sistema del secondo ordine in ampiezza ha un overshoot ovvero

un picco, viene quindi amplificato il segnale. A volte tale informazione è utile saperla per sfruttarla o

per evitare di entrare in questa situazione, l’informazione più importante è però nella fase. Il sistema

lineare ha una fase lineare che è importante perché si porta dietro il concetto di velocità di gruppo che

è la derivata della fase di un sistema, quando abbiamo un sistema lo caratterizziamo in termini di

risposta all’ingresso, l’ingresso è un segnale che cambia nel tempo ovvero ha un valore di ampiezza

tempo-variante e una banda di frequenza, se voglio sapere come si comporta sistema e quindi

prevedere se sistema può fare determinate misure devo sapere come si comporta in ampiezza e fase

in una determinata banda di frequenza. Si prende dunque un insieme di componenti frequenziali e

dire che la derivata della fase ovvero che la velocità di gruppo è costante o meno mi permette di capire

che se inserisco sul sistema un insieme di componenti frequenziali se esse non vengono alterate

significa che sistema è corretto. Se sistema non corretto la morfologia del segnale in uscita sarà

diversa da ingresso e quindi è distorto. Se ho fa se lineare il ritardo o velocità di gruppo è costante e

le componenti frequenziali non vengono alterate, se non è lineare la componente di ritardo o velocità

di gruppo non è costante e le componenti frequenziali vengono distorte. Un sistema lineare però non

è sempre performante.

Riferimento all’analogia fra sistemi elettrici e sistemi meccanici: i moti traslatori corrispondono a

forza e velocità (di traslazione), i moti rotatori corrispondono a coppie e velocità angolari; per i due

sistemi si considerano generatori di tensione e generatori di corrente, generatori di forza, di velocità

e di spostamento. Nell’analogia di Maxwell l’intuizione fisica e l’analogia inducono a considerare le

forze e le tensioni come cause e le velocità e le correnti come effetti, si ha corrispondenza di forza e

tensioni e di velocità e correnti, sebbene non sia l’unica possibile: le forze corrispondono alle correnti

e le velocità (relative) alle differenze di potenziale. L’analogia di Firestone è l’inverso dell’analogia

di Maxwell (forza-corrente, velocità-tensione). Per la scelta fra l’una e l’altra di queste due analogie

si devono tenere in considerazione due fattori: il carattere più intuitivo e la maggior diffusione della

prima; la corrispondenza di struttura fra i sistemi messi in relazione: più precisamente, il grafo

associato ad uno dei due sistemi ha la stessa forma di quelle associate all’altro. 7

Per quanto riguarda le analogie nei sistemi fisici le grandezze che corrispondono ai fattori della

potenza possono essere classificate in due categorie: trans-variabili cioè quelle che ha senso associare

ad una coppia di nodi, quali una differenza di potenziale o una velocità relativa; si tratta delle

grandezze che figurano come addendi di una somma nulla in una equazione di maglia; per-variabili

cioè quelle che ha senso associare direttamente ad un ramo piuttosto che ai due nodi che ne

costituiscono gli estremi, quali una corrente e una forza; si tratta delle grandezze che figurano come

addendi di una somma nulla in una equazione di nodo. Nell’analogia di Firestone trans-variabili

corrispondono a trans-variabili e per- variabili corrispondono a per-variabili. Nell’analogia di

Maxwell invece il grafo del sistema elettrico è duale di quello dell’analogo meccanico (cioè coppie

di nodi indipendenti ed alle maglie del primo corrispondono rispettivamente maglie a coppie di nodi

del secondo).

Un sensore ha una relazione con l’ambiente, con il sistema di misura, può essere legato con sistemi

ausiliari ovvero può essere alimentato (sensore di tipo attivo) o meno (sensore passivo), molti sistemi

elettromiografici sono sensori di tipo attivo invece gli elettrodi sono di tipo passivo. Un sensore di