Appunti corso Strumentazione biomedica

ENCODER INCREMENTALE

E' costituito da due corone concentriche suddivise sfasate tra loro.

Se oltre alle due corone concentriche sfasate che mi danno l'informazione di senso di

rotazione, inserisco una corona con un solo punto di trasparenza posso ottenere una

informazione di posizione di assoluta (o, meglio, di riferimento).

TRASDUTTORI DI DEFORMAZIONE

ESTENSIMETRO STRAIN-GAGE

L'estensimetro (o ) e' costituito da un conduttore metallico filiforme,

sottile, disposto a serpentina su una superficie di supporto.

La superficie di supporto puo' essere in carta alla nitrocellulosa, in resina epossidica,

cellulosa impregnata in bakelite o fibra di vetro.

Le basi di supporto vengono scelte in funzione dell'intervallo di temperatura in cui il

dispositivo deve operare. µ,

Nel caso di conduttori a forma cilindrica, il coefficiente di Poisson, mette in relazione

∆ ∆

D L.

variazioni di diametro con quelle della lunghezza

l'Effetto Dimensionale

Il primo termine di variazione e' (cambiamenti di forma), il

l'Effetto Piezoresistivo

secondo termine e' (variazione della struttura del reticolo del

materiale).

G = Gauge Factor. Questo fattore descrive la sensibilita dell'estensimetro.

Tale fattore nei semiconduttori e' di qualche decina di volte quello nei metalli.

Nei metalli il fattore dimensionale e' dominante.

Nei semiconduttori domina l'effetto piezoresistivo (meno lineare di quello

dimensionale).

Il vantaggio di maggior sensibilita dei semiconduttori e' bilanciato dal coefficiente di

temperatura della resistivita piu' elevato -> necessita' di compensazione in

temperatura.

TRASDUTTORI DI PRESSIONE

TRASDUTTORI A DEFORMAZIONE

Membrana subisce deformazione per effetto della pressione applicata. Tale

deformazione puo' essere convertita in grandezza elettrica da estensimetro.

TRASDUTTORI A MEMBRANA CON ESTENSIMETRI

∆ l/l;

Pressione -> deformazione membrana ∆ R/R;

Deformazione -> variazione di resistenza ∆ V/V.

Ponte di Wheatstone-> variazione di tensione

La sensibilita del sensore e' data dal prodotto della sensibilita dei tre blocchi:

G = Gd* Ge* Gp µ

5 V/mmHg per Volt di alimentazione

ordine di grandezza del ponte.

Gd,

La sensibilita dell'elemento primario (membrana), diminuisce all'aumentare della

rigidezza del diaframma. adimensionale.

La sensibilita dell'estensimetro e'

La classica architettura di un dispositivo a strain-gage e' riconducibile al ponte di

Weathstone. In tal modo si fronteggia adeguatamente il problema della sensitivita

degli elementi sensibili alle variazioni di temperatura e si ottiene un segnale

amplificato.

TRASDUTTORI A DEFORMAZIONE

Il tubo di Bourdon (esempio manometro). Tubicino a sezione ellittica avvolto a spirale la

cui estremita e agganciata a un indice. Imponendo una pressione superiore a quella

esterna si ha una rotazione dell'ago.

TRASDUTTORI RESISTIVI (FSR: FORCE SENSING RESISTOR TECHNOLOGY)

Resistenza = f(Forza)

TRASDUTTORI RESISTIVI: POSIZIONE LINEARE (ANGOLARE)

Lineare: larghezza da 4 mm a 450 mm, lunghezza fino a 550 mm

TRASDUTTORI RESISTIVI: POSIZIONE ANGOLARE (ANELLO COMPLETO)

Rotazione: diametro maggiore di 18 mm, con o senza buco centrale

TRASDUTTORI RESISTIVI: TOUCHPAD

Fornisce le coordinate X e Y del baricentro del punto di pressione e il valore di

pressione.

SOLETTE SENSORIZZATE

A distribuzione discreta di sensori

Misurano la componente verticale della forza di reazione al suolo nelle aree di

interesse.

A matrice di sensori

I sensori piu' utilizzati sono quelli resistivi di tipo polimerico, e si fondano sulla

variazione della resistenza elettrica nel percorso conduttore - polimero che viene

trasdotta in tensione elettrica da opportuni circuiti, ed acquisita.

Solette sensorizzate con matrici di sensori di pressione.

Vengono posizionate all'interno della scarpa del paziente e sono in grado di misurare le

diverse pressioni tra piede e suola della scarpa, in questo modo e' possibile analizzare i

dati di piu' appoggi consecutivi (non solo uno come per le piattaforme

dinamometriche).

I sensori possono essere di tipo piezoelettrico, resistivo o capacitivo.

Sono organizzati in righe e colonne, a formare una superficie di sensori con disposizione

nota.

Esempi di sistemi a effetto resistivo e capacitivo sono, rispettivamente,

e Novel.

F-scan della Tekscan Pedar della

F-scan presenta una migliore risoluzione spaziale di Pedar, 4 sens./cm2

contro 1,5 sens./cm2

F-scan presenta una accuratezza di lettura e un errore assoluto

introdotto peggiore di Pedar.

SOLETTE SENSORIZZATE: STRUMENTAZIONE UTILIZZATA

Solette sensorizzate F-scan della Tekscan.

I sensori sono organizzati in 60 colonne e 21 righe in modo da comporre una griglia di 960

elementi sensibili. Massima dimensione: 14 men's size USA.

Risoluzione: 4 sensori /cm2. Durata 1-7 utilizzi.

Lo spessore della soletta e' di 0.18 mm e la resistenza di ogni cella e' inversamente

proporzionale alla pressione applicata alla superficie.

Il segnale elettrico in uscita dai sensori subisce una serie di trattamenti:

preamplificazione, filtraggio, conversione A/D a 50 Hz e invio ad un PC.

SOLETTE SENSORIZZATE IN POSTUROGRAFIA: IL CALCOLO DEL COP

Le solette consentono di ricavare il baricentro della pressione separatamente per i

due piedi, e quindi quello complessivo, una volta nota la posizione relativa dei due piedi.

La ricostruzione del CoP puo' essere effettuata via software, a partire dalla mappa

di pressione acquisita, o direttamente via hardware.

PULSIOSSIMETRIA

TRASPORTO DI GAS

I globuli rossi contribuiscono per il 45% al volume del sangue. Al loro interno contengono,

(Hb)

tra l'altro, l'emoglobina che e' una proteina in grado di legarsi chimicamente ai

all'O2.

gas, in particolare Ogni molecola di emoglobina puo' trasportare al massimo 4

ossiemoglobina emoglobina ossigenata

O2

molecole di e da luogo alla (o ).

dell'O2

Normalmente circa il 97-98% nel sangue e' legato chimicamente all'emoglobina

nei globuli rossi. Solo il 2-3% e disciolto nel fluido acquoso.

La percentuale di emoglobina ossigenata rispetto al totale dell'emoglobina e' detto

dell'ossiemoglobina.

grado di saturazione

E' una grandezza adimensionale normalizzata o percentuale, dove nelle formule

compaiono le concentrazioni di emoglobina ossigenata e non ossigenata.

Valori normali sono nel range tra Stati ipossici gravi sono quelli con valori

94% e 100%.

inferiori all' 80%.

MISURE DI SATURAZIONE CON OSSIMETRIA dx

La quantita di luce assorbita da uno strato infinitesimo e proporzionale alla luce

I(x), c,

incidente, ed alla concentrazione, della sostanza che assorbe la radiazione.

λ

a( ) (coefficiente di estinzione di

dove e un coefficiente di proporzionalita o λ.

assorbimento) che dipende dalla sostanza in esame e dalla lunghezza d'onda,

Integrando l'equazione precedente si ottiene la relazione

Legge di Lambert-Beer

nota come

Nel caso dell'ossimetria la sostanza e' rappresentata dall'emoglobina ossigenata e da

quella non ossigenata.

Irradiando una sostanza (sangue + tessuti) utilizzando due sorgenti luminose a due

660 nm 950 nm

diverse lunghezza d'onda: (Rosso) e (InfraRosso), otterremo due diversi

T:T(660) T(950). A(660) A(950).

valori di e E due valori di A: e

Il sangue mostra comportamenti diversi nel caso di sangue venoso (piu' scuro) ed

arterioso (piu' rosso). Il sangue venoso assorbe piu' rosso di quello arterioso. Questo e'

HbO2

piu' ricco di rispetto al venoso. λ

a( ),

In effetti i coefficienti di assorbimento, sono diversi tra l'emoglobina ossigenata

e quella non ossigenata.

I due coefficienti sono uguali in alcuni punti, detti isosbestici. In particolare, uno di

λ = 805 nm

questi punti si trova a (lunghezza d'onda isosbestica).

n,

Il sangue non e' composto da una sola sostanza, bensi da

Nel nostro caso, supponiamo di limitare il numero di sostanze a due: emoglobina

(HbO2) (Hb).

ossigenata e emoglobina non ossigenata

λ

a( ),

Essendo noti i coefficienti di estinzione, delle due sostanze a due lunghezze d'onda,

λ λ

1 2, L,

ed e la lunghezza del cammino ottico, le concentrazioni delle due sostanze, C

Hb HbO2,

e C possono essere determinate dalla soluzione del sistema di due equazioni in

due incognite. ossimetria a trasmissione.

La tecnica impiegata e' detta

La tecnica che prevede la misura della luce riflessa invece di quella trasmessa e'

ossimetria a riflessione.

denominata

La differenza tra le due e' la posizione del rilevatore rispetto all'emettitore.

Ossimetria a trasmissione

L'emettitore ed il rilevatore devono essere posti su lati opposti. La misura e' possibile

solo in alcune zone sottili: dito, lobo dell'orecchio, naso.

Ossimetria a riflessione

L'emettitore ed il rilevatore si trovano dallo stesso lato del tessuto.

Maggior flessibilita di posizionamento.

Zone piu utilizzate: dito, polso, fronte.

Il sangue ed i tessuti irradiati sono composti anche da altre sostanze, ma la

semplificazione e' lecita perche' le considerazioni vanno fatte solo su una componente

componente pulsatile.

del segnale:

I tessuti attraversati sono classificabili in:

- assorbitori di luce costante (ossa, tessuti, sangue venoso);

- assorbitori di luce variabile (sangue arterioso).

La variabilita dell'assorbimento da parte del sangue arterioso e' legata al ciclo

cardiaco.

La pulsatilita delle arterie implica un irradiamento di volume di sangue arterioso

variabile.

L'analisi ossimetrica si focalizza su questa parte.

INDICE DI PERFUSIONE

Il raffronto tra la parte pulsatile e quella continua del segnale InfraRosso fornisce un

indice adimensionale che permette di stimare la validita del sito di rilevamento.

Indice di Perfusione Perfusion Index.

Tale indice ha il nome di o

Non esiste una standardizzazione delle scala di valori.

Ciascun produttore utilizza una scala propria. Per esempio, da 0 a 15 o da 0 a 10.

In comune tutte hanno che valori piu' elevati indicano miglior stato di perfusione e,

quindi, un segnale piu' affidabile.

Questo indice non e' correlato col valore di Saturazione ne' di frequenza cardiaca.

FREQUENZA CARDIACA

Nel caso di frequenza cardiaca la rilevazione della componente DC della corrente del

(Imax-Imin)

fotodiodo puo' essere trascurata; solo la periodicita della componente AC

e' di interesse.

Per la maggior parte delle localita' del corpo, il LED verde (535 nm) potrebbe essere il

preferito.

Tuttavia, vi e' la possibilita'