Strumentazione biomedica e laboratorio

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di Gip1584

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Appunti presi a lezione per il corso di Strumentazione biomedica e laboratorio nei quali sono riportate le nozioni di funzionamento dei principali strumenti biomedici usati negli ospedali (ECG, …

Esame Strumentazione biomedica e laboratori

Facoltà Ingegneria

Dal corso del Prof. Conforto Silvia

Università Università degli Studi Roma Tre

A.A. 2008-2009

325 pagine

Appunti esame

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Estratto del documento

Elementi base dell'ingegneria biomedica

Prefazione

Questa premessa che scrivo serve al solo scopo di far capire ad un eventuale lettore di questi appunti un concetto fondamentale. Quando si studia una qualsiasi materia universitaria, in questo caso strumentazione biomedica ed elaborazione di dati biomedici, non si può basare il proprio studio solo su degli appunti scritti, ma è assolutamente necessario avere sotto mano un libro di testo. Perché? Beh, ci sono molti motivi:

Un libro è sicuramente completo perché tratta più argomenti e non si limita solo a quelli che vengono spiegati a lezione dal professore.
Un libro è scritto sicuramente in una lingua più fluida e dunque i concetti vengono spiegati nel modo più semplice e in un italiano corretto.
Un libro è scritto da delle persone competenti che hanno molti anni di esperienza, viceversa gli appunti sono scritti da studenti come me. Nelle dispense può capitare che un concetto venga espresso non nel migliore dei modi o che addirittura (e spero non sia il mio caso) venga interpretato personalmente risultando alla fine scritto in modo impreciso se non del tutto errato.

Da queste quattro righe che ho scritto si capisce che usare un libro di testo per studiare è assolutamente d’obbligo, ma allora vi domanderete a cosa servono questi appunti? Questi appunti servono come integrazione al libro, come se fossero un quaderno personale sul quale si siano scritte le proprie note che vadano eventualmente corrette e/o integrate studiando dal libro e seguendo la lezione. Le dispense sono dunque un valido aiuto per ripassare ma sta allo studente capire se in queste sono presenti errori e/o inesattezze che debbano essere corrette. Comunque, spero che queste dispense che ho scritto possano essere di aiuto agli studenti e che siano scritte senza troppi errori. Giancarlo Ippolito

Indice

Introduzione pag. 9
Parte I: strumentazione biomedica

Capitolo 1: I sistemi di monitoraggio pag. 13
- 1.1 Monitor e sistemi di monitoraggio
- 1.2 L’ecocardiogramma ECG
- 1.3 ECG interpretativo a 6 canali
- 1.4 Defibrillatore
- 1.5 Frequenza respiratoria
- 1.6 Pressione sanguigna
- 1.7 Saturazione di Ossigeno SaO₂
Capitolo 2: Introduzione ai raggi X pag. 23
- 2.1 I raggi X
- 2.2 Generazione e assorbimento dei raggi X
- 2.3 Interazioni dei raggi con la materia
- 2.4 Attenuazione della radiazione X dovuta ai 3 effetti
Capitolo 3: Struttura di un sistema radiologico pag. 35
- 3.1 Introduzione agli apparati radiologici
- 3.2 Struttura di un sistema RX
- 3.3 Tubo a RX
- 3.4 Generatore di tensioni
- 3.5 La pellicola radiografica
Capitolo 4: Visualizzazione di immagini RX pag. 44
- 4.1 La pellicola radiografica
- 4.2 Qualità del film
- 4.3 Amplificatore di brillanza
- 4.4 Parametri identificativi della qualità di una immagine
- 4.5 Scelta dei parametri impostati ai fini della qualità dell’immagine
Capitolo 5: Radiografia digitale pag. 57
- 5.1 Introduzione alla radiografia digitale
- 5.2 Computer Radiology CR
- 5.3 Sistemi completamente digitali
- 5.4 Sistemi a fosfori: fosforescenza
- 5.5 Sistemi a fosfori: fluorescenza
- 5.6 Caratteristiche generali di un sistema digitale
Capitolo 6: Tomografia assiale computerizzata TAC pag. 66
- 6.1 Principio di funzionamento di una TAC
- 6.2 Algoritmi per la ricostruzione di una immagine TC
- 6.3 Il metodo iterativo
- 6.4 Metodo della retroproiezione a convoluzione e retroproiezione filtrata
- 6.5 Evoluzione dei sistemi TAC
- 6.6 Sistemi con scansione a spirale
- 6.7 Struttura di una TAC
- 6.8 Rappresentazione di una immagine TAC
- 6.9 Qualità dell’immagine, risoluzione e dose erogata
- 6.10 Caratteristiche tecniche

Parte II: elaborazione di segnali biomedici

Capitolo 7: Introduzione all’elaborazione di segnali biomedici pag. 91
- 7.1 Il segnale biomedico
- 7.2 Classificazione dei segnali biomedici
- 7.3 Cenni di elettrofisiologia
- 7.4 ElettroEncefaloGrafia EEG
- 7.5 Potenziali evocati
- 7.6 Elettromiografia superficiale sEMG
- 7.7 Ecocardiogramma ECG
Capitolo 8: Elementi essenziali per l’elaborazione dei segnali biomedici pag. 131
- 8.1 Classificazione dei segnali
- 8.2 Acquisizione del segnale: Teorema di Shannon
- 8.3 Analisi nel dominio della frequenza
- 8.4 Cenni sulla Fast Fourier Transform FFT
- 8.5 Filtri numerici
- 8.6 Artefatti nei segnali biomedici
- 8.7 Movimento degli elettrodi
- 8.8 Baseline wander nell’ECG
- 8.9 Interferenza di rete
- 8.10 Rumore elettronico
- 8.11 Movimenti oculari e blinking
- 8.12 Artefatti muscolari
- 8.13 Artefatti da attività cardiaca
Capitolo 9: Stima spettrale Metodi non parametrici pag. 158
- 9.1 Introduzione alla stima spettrale
- 9.2 Stima spettrale: il metodo indiretto
- 9.3 Stima spettrale: il metodo diretto
- 9.4 Il metodo Bartlett
- 9.5 Il metodo delle finestre
- 9.6 Il metodo Welch
Capitolo 10: Stima spettrale Metodi parametrici pag. 184
- 10.1 Introduzione alla stima spettrale parametrica
- 10.2 Modellizzazione parametrica del segnale
- 10.3 Modello AR e predizione lineare
- 10.4 Equazioni di Yule-Walker
- 10.5 Algoritmo di Levinson-Durbin
- 10.6 Il problema della predizione lineare
- 10.7 Struttura traliccio del modello AR
- 10.8 Metodo di Burg
- 10.9 Validazione del modello AR e scelta dell’ordine p
Capitolo 11: Analisi tempo-frequenza Spettrogramma pag. 215
- 11.1 Introduzione all’analisi in tempo-frequenza
- 11.2 Rappresentazione della distribuzione in tempo-frequenza
- 11.3 Short Time Fourier Transform STFT
- 11.4 Lo spettrogramma
- 11.5 Tassellatura della STFT
- 11.6 Le scelte da fare per lo spettrogramma
Capitolo 12: Reti Neurali pag. 241
- 12.1 Il cervello umano
- 12.2 Cenni storici sulle reti neurali
- 12.3 Definizione di rete neurale
- 12.4 Classificazioni delle reti neurali
- 12.5 Architettura di una rete neurale
- 12.6 La rete neurale Perceptrone a singolo strato
- 12.7 Perceptrone multistrato
- 12.8 Reti auto-organizzanti di Kohonen
- 12.9 Tipi di apprendimento
Capitolo 13: Wavelet e multi risoluzione pag. 275
- 13.1 Introduzione alle wavelet
- 13.2 La trasformata wavelet continua CWT
- 13.3 Calcolo della CWT
- 13.4 La serie wavelet
- 13.5 La trasformata wavelet discreta DWT

Brevi riassunti dei capitoli 7-13 pag. 298
File Matlab pag. 316
Bibliografia e sitografia pag. 323

Introduzione

Questo elaborato vuole dare al lettore una infarinatura riguardo due aspetti principali della bioingegneria trattati in due parti, parte I e parte II. La prima di queste due riguarda la strumentazione biomedica più comunemente usata nei centri ospedalieri come ad esempio la TAC, i raggi X o l’Eco-cardiografo, mentre la seconda parte si sofferma sui metodi usati per l’elaborazione di un segnale biomedico quale l’ECG, l’EMG e l’EEG. In aggiunta a questi due aspetti, durante l’esposizione degli argomenti, l’elaborato presenta anche dei minimi cenni sulla fisiologia per comprendere al meglio come si genera un segnale biomedico attraverso i meccanismi chimici e/o elettrochimici.

In questa breve introduzione, invece, verrà data la definizione di bioingegneria, poi la definizione di segnale biomedico affiancata da alcuni banali esempi della vita quotidiana ed infine, verranno elencate alcune caratteristiche delle strumentazioni biomediche, caratteristiche che tra l’altro non sono diverse da quelle degli strumenti di misura perché alla fine gli strumenti biomedici non sono altro che questo.

La bioingegneria è la disciplina che utilizza le metodologie e le tecnologie proprie dell’ingegneria per comprendere, determinare e tentare di risolvere problematiche d’interesse medico-biologico, mediante una stretta collaborazione tra gli specialisti dei due diversi settori (ingegneristici e medico-biologico).

I vari sistemi biologici del corpo umano generano, attraverso meccanismi elettrochimici, dei segnali elettrici che possono essere acquisiti attraverso particolari strumentazioni. Tali segnali elettrici sono i segnali biomedici.

Un segnale biomedico è dunque un segnale ottenuto da un sistema biologico o da un processo fisiologico (come ad esempio cuore, cervello, muscoli), quindi è generato all’interno del corpo umano e solitamente dipende da uno o più parametri (ad es. tempo, concentrazione degli ioni). Elaborando questi segnali e studiandoli, una qualsiasi persona esperta nel campo può dedurre se sussistono problematiche nel funzionamento del sistema osservato oppure se questo funziona correttamente.

Un cardiologo può capire se il cuore ha un battito regolare o meno osservando l’andamento del segnale ecocardiografico mostratogli da un ECG e di conseguenza può prendere le giuste decisioni sul da farsi. Ogni segnale biomedico viene acquisito attraverso una particolare strumentazione biomedica.

Le caratteristiche d’interesse per valutare la strumentazione biomedica si possono suddividere in:

Caratteristiche statiche: misura di grandezze costanti nel tempo e/o misura effettuata dopo il transitorio;
Caratteristiche dinamiche: misura di grandezze variabili nel tempo, per cui la risposta e la banda passante assumono importanza.

I segnali biomedici sono quasi sempre variabili nel tempo, di conseguenza gli strumenti di misura o monitoraggio devono possedere delle prestazioni, come ad esempio range, portata, sensibilità, risoluzione, precisione, accuratezza, linearità, rumore, ecc. Per caratterizzare le prestazioni di uno strumento è anche necessario conoscere le grandezze relative all’ambiente quali temperatura, pressione, umidità e vibrazioni, perché questi parametri possono influenzare la misurazione eseguita dallo strumento.

Di seguito sono riportate delle definizioni che si usano nel definire le caratteristiche di uno strumento di misura:

Campo di misura: è l’intervallo ammissibile tra il valore massimo e minimo della grandezza da misurare;
Curva di taratura e calibrazione: rappresenta le caratteristiche dello strumento con riferimento a campione o a strumenti di classe superiore (riferibilità);
Riferibilità: caratteristiche che lo strumento assume quando è sottoposto a taratura con misurandi le cui misure sono state assegnate con riferimento a campioni riconosciuti primari in un certo contesto;
Sensibilità: la sensibilità è espressa dalla curva di graduazione, cioè dalla caratteristica ingresso uscita. Spesso la sensibilità viene erroneamente scambiata con la risoluzione dell’apparecchiatura;
Risoluzione: è l’attitudine dell’apparecchiatura a risolvere (individuare come distinti) due valori differenti della grandezza d’ingresso;
Precisione: usato con riferimento alla capacità di dare consistentemente la stessa indicazione in occasione di ripetizione della stessa misura, indipendentemente dal valore della grandezza stessa;
Accuratezza: termine che fa riferimento ad errori aleatori e sistematici;
Ripetibilità: associato al concetto di precisione, è la capacità dello strumento di fornire, in misurazione successive della stessa grandezza, eseguite in brevi intervalli di tempo, indicazioni identiche quando in ingresso si hanno grandezze di valore identico;
Riproducibilità: associato al concetto di precisione, ha la stessa definizione dell’accuratezza ma le misurazioni vengono effettuate in un laboratorio con la presenza di operatori, strumenti e condizioni ambientali diverse;
Incertezza: data la difficoltà di definire un valore vero di una grandezza fisica, ai fini di caratterizzare gli errori, s’introduce il concetto di incertezza. Si tende a definire una fascia d’incertezza che tenga conto degli errori sistematici e casuali. La fascia d’incertezza fornisce la classe di precisione;
Classe di precisione: classe alla quale appartengono dispositivi di una certa categoria che rispettano determinati limiti di determinate caratteristiche metrologiche in determinate condizioni operative. In genere la classe di precisione viene assegnata con riferimento al fondo scala;
Linearità: uno strumento è lineare se la caratteristica ingresso-uscita è rappresentato da una retta;
Errore di deriva: l’errore di zero può corrispondere ad un errore di offset costante o variabile nel tempo presente in uscita allo strumento quando il segnale d’ingresso è 0;
Errore di inserzione: è un errore dovuto alla presenza di strumenti che in qualche modo perturbano la grandezza da misurare;
Rumore: il rumore è un segnale che può essere sovrapposto alla grandezza da misurare, dando luogo a variazioni casuali che alterano l’uscita dello strumento. Esso può anche essere generato all’interno dello strumento usato per la misurazione. Il rumore condiziona la risoluzione di uno strumento, infatti, se la grandezza sotto misura viene trasdotta in tensione, la presenza di rumore può mascherare le piccole variazioni della grandezza d’ingresso.

Capitolo 1: Sistemi di monitoraggio

1.1 Monitor e sistemi di monitoraggio

In generale, è necessario monitorare con continuità i parametri vitali del paziente quando questi è in condizioni critiche. La monitorizzazione dei parametri del paziente avviene tramite l’uso di sistemi di acquisizione e elaborazione di parametri attraverso particolari sensori (monitor).

I parametri vitali di una persona sono comunemente:

EcoCardioGramma (ECG);
ElettroEncefaloGramma (EEG);
Saturazione di ossigeno SaO₂;
Pressione sanguigna;
Temperatura corporea;
Frequenza respiratoria;

Il parametro fisiologico monitorato è acquisito, misurato, elaborato e visualizzato su di un modulo costituito da un sensore, una scheda elettronica di condizionamento ed acquisizione, un microprocessore ed infine un display.

I monitor possono essere di due tipologie:

Monitor configurati: sono dei moduli pre-assemblati usati accanto al letto del paziente;
Monitor modulari: sono moduli intercambiabili ed individuali e possono essere assemblati a seconda delle esigenze di monitoraggio. Ovviamente sono i più costosi.

1.2 L’ecocardiogramma ECG

L’ecocardiogramma, o ECG, rappresenta l’attività elettrica del cuore e rivela i principali cambiamenti della frequenza e del ritmo cardiaco. L’eventuali alterazioni riscontrabili in un ECG possono essere causate da vari fattori tra i quali vi è il cambiamento della concentrazione di elettroliti.

Attraverso degli elettrodi posti sulla cute del paziente in una particolare configurazione (detta derivazione), il monitor ECG misura la differenza di potenziale (dell’ordine dei mV) generata dall’attività del cuore. La derivazione ECG viene rilevata usando al minimo due elettrodi, un terzo elettrodo è usato come riferimento di terra per ridurre l’interferenza elettrica.

La figura 1.1 mostra le derivazioni:

Figura 1.1 Derivazioni

L’onda cardiaca generale di un cuore ha un andamento simile a quello riportato nella figura sottostante:

Figura 1.2 Onda di un ECG

I segnali che si registrano sulle diverse derivazioni offrono ai cardiologi la rappresentazione completa dell’attività del cuore, inclusa la frequenza cardiaca che viene ottenuta dall’analisi della serie temporale degli intervalli R-R (cioè tra i picchi R di due battiti successivi). La tempistica e la forma dell’ECG forniscono informazioni su eventuali aritmie o generiche alterazioni della frequenza cardiaca che necessitano di un trattamento (ad es. trattamento farmacologico, rianimazione di emergenza etc.).

1.3 L’ECG interpretativo a 3-6 canali

L’ECGgrafo interpretativo a 3-6 canali ha in acquisizione:

12 derivazioni elettrocardiografiche acquisite simultaneamente;
Ingresso protetto dagli shock di defibrillazione;
Filtri diagnostici selezionabili;
Filtri per l’eliminazione di rumore e di artefatti da movimento;

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