Appunti di Sensoristica per la strumentazione biomedicale

ELETTROMIOGRAMMA (EMG)

La contrazione del muscolo scheletrico provoca la generazione di potenziali d'azione nelle singole fibre muscolari, un

record di cui è noto come elettromiogramma.

il segnale deve essere decomposto (con dei filtri)

per riuscire ad analizzare le informazioni di interesse

L'attività elettrica della massa muscolare sottostante può essere

osservata mediante elettrodi di superficie sulla pelle.

ELETTRODI a seconda dell’applicazione

possiamo utilizzare diversi

elettrodi.

Gli eventi bioelettrici devono essere raccolti dalla superficie del corpo prima di poter essere inseriti nell'amplificatore

per la successiva registrazione o visualizzazione. Gli elettrodi fanno un trasferimento dalla conduzione ionica nel

tessuto alla conduzione elettronica.

2 tipi di elettrodi:

- Superficiali

- Profondi

Gli elettrodi sono dei TRASDUTTORI= trasformano una grandezza in un segnale elettrico.

In ingresso abbiamo una corrente ionica e in uscita una corrente elettrica, proprio per questo elettrodo può essere

visto come un trasduttore.

ELETTRODI DI SUPERFICIE

→INTERFACCIA ELETTRODO-TESSUTO

Le caratteristiche di un elettrodo di superficie dipendono dalle condizioni a:

~ l'interfaccia metallo-elettrolita

~ l'interfaccia elettrolita-pelle

~ la qualità del l'elettrolita

Un elettrolita è un mezzo contenente ioni che sta conducendo elettricamente attraverso il movimento di quegli ioni,

ma non gli elettroni conduttori.

Questo include la maggior parte dei sali solubili, acidi e basi disciolti in un solvente polare, come l'acqua.

Dopo la dissoluzione, la sostanza si separa in cationi e anioni, che si disperdono uniformemente in tutto il solvente.

Per gli elettrodi di superficie si deve tenere conto dei problemi che si possono riscontrare.

Interfacce che ci sono su un elettrodo

- Interfaccia tra l’elettrolita (liquido dove si ha

la generazione di corrente ionica) e pelle

- Interfaccia tra l’elettrolita e l’elettrodo stesso

(parte metallica)

→INTERFACCIA METALLO-ELETTROLITA

Alla transizione metallo-elettrolita

[1] Ogni elettrodo tende a scaricare ioni nella soluzione

[2] Gli ioni nel l'elettrolita tendono a combinarsi con ciascun elettrodo

[3] Il risultato è un gradiente di carica (differenza di potenziale) ad ogni elettrodo, la cui disposizione spaziale è

chiamata strato elettrico a doppio strato o strato di Helmholtz.

--> Quando il metallo entra in contatto con l’elettrolita si sciolgono degli ioni.

Per ognuna delle interfacce, appena mettiamo in contatto in contatto con l’elettrolita si ha una

distribuzione di cariche positive sull’elettrodo che a loro volta attraggono delle cariche

negative→si genera un potenziale (STRATO DI HELMOLTZ)

Circuito equivalente per un elettrodo biopotenziale a contatto con un

elettrolita:

→esempio di CIRCUITO EQUIVALENTE: è sostanzialmente un filtro PASSA-

BASSO (dipende dall’elettrolita e dal metallo dell’elettrodo)

Ep - potenziale di mezza cellula

Cd - capacità attraverso lo strato (decine di nf)

Rd - resistenza alla dispersione attraverso lo strato (resistenza piccola che

modella il passaggio di corrente)

Rs - resistenza in serie nell'elettrolita e nel filo di piombo (centinaia di Ohm)

In base al tipo di elettrodo:

Per una prima approssimazione, il potenziale delle semicelle è uguale al potenziale dell'elettrodo del metallo

Normalmente il potenziale viene normalizzato

rispetto all’idrogeno.

Gli amplificatori differenziali utilizzati per

misurare i potenziali tra due elettrodi sono

generalmente progettati per annullare il

potenziale di offset dell'elettrodo in modo che

vengano registrati solo i segnali di interesse.

→INTERFACCIA ELETTROLITA-PELLE La pelle agisce come un diaframma disposto tra due soluzioni (elettrolita e

fluidi corporei) di diverse concentrazioni contenenti gli stessi ioni, che è

destinato a dare potenziali differenze, chiamati potenziali di contatto.

Il potenziale di contatto dipende da diversi fattori e può produrre un segnale

di interferenza che supera più volte il segnale utile.

Anche l’interfaccia pelle-elettrolita ha la forma di un filtro PASSA-BASSO.

CIRCUITO EQUIVALENTE PER UNA COPPIA DI ELETTRODI

ARTEFATTI DA MOVIMENTO Il movimento artefatto è un problema nelle misurazioni biopotenziali. Il

movimento del soggetto sotto misura crea artefatti che possono anche

mascherare il segnale desiderato o causare un brusco spostamento nella linea di

base. Questi artefatti possono risultare in una visualizzazione illeggibile, uno

strumento di registrazione che supera la sua portata.

Quando un elettrodo metallico contatta una pasta elettrolitica, viene generato un

potenziale di mezza cella nell'interfaccia elettrodo-pasta. Quando la pasta è

agitata, il potenziale delle semicelle varia a causa del gradiente di ioni metallici

alterati all'interfaccia.

segnale rosso: segnale che vogliamo misurare

segnale blu: segnale dovuto all’artefatto (movimento)

Se il segnale satura non si riesce più ad estrarre il segnale.

ELETTRODI PER ECG

ELETTRODI PER ARTI Di solito, sono in argento tedesco, nichel argento o acciaio nichelato.

Il valore tipico dell'impedenza di contatto di questi elettrodi, che sono di

dimensioni normali, è di circa 2-5 kW se misurato a

10 Hz.

Gli elettrodi degli arti sono generalmente preferiti per l'uso durante l'intervento chirurgico

perché gli arti del paziente sono relativamente immobili.

Le tensioni elettromiografiche generate dall'attività dei muscoli degli arti li rendono

inadatti all'uso durante il monitoraggio di pazienti coscienti e semi coscienti.

Questi elettrodi vengono messi sugli arti inferiori e superiori.

Il segnale proveniente da questi elettrodi è molto influenzato dal movimento dei muscoli

→elettrodi molto influenzati dal movimento del paziente.

Quindi questi elettrodi vengono utilizzati quando il paziente è sedato e non si muove

ELETTRODI “MOBILI” ELETTROLITA: viene messo in un materiale (celeste) che

permette di mantenere l’elettrolita in una determinata

posizione

Sono poco costosi quindi di fatto vengono utilizzati come

“usa e getta”.

Impedenza di contatto ~ 50 kOhm

Leggero, economico, traspirante

Eccellente per il monitoraggio a lungo o l'attività fisica.

ELETTRODI A VUOTO (getto d’ario o a vuoto)

Basato sul concetto della pompa Venturi.

Il vuoto consente agli elettrodi di rimanere attaccati alla pelle.

Il metallo viene direttamente messo in contatto con il tessuto tramite

una pompa a vuoto (EFFETTO VENTURI).

ELETTRODI SUPERFICIALI

MICROELETTRODI Utilizzato per studiare l'attività elettrica delle

singole cellule.

Questo tipo di elettrodo è abbastanza piccolo

rispetto alle dimensioni della cella in cui è

inserito in modo che la penetrazione da parte

dell'elettrodo non danneggi la cella.

I microelettrodi tipici hanno dimensioni della

punta che variano da 0,5-5 µm.

7.FOTOSENSORI E SENSORI A FIBRA OTTICA

TRASDUTTORI FOTOELETTRICI

I trasduttori fotoelettrici si basano sul principio della conversione dell'energia

luminosa in energia elettrica.

Come?

[1] Un fascio di luce cade su un elemento fotosensibile

[2] Gli elettroni sono rilasciati dall'effetto fotoelettrico

[3] Gli elettroni sono raccolti da un elettrodo collettore

CELLE FOTOVOLTAICHE

Gli elementi fondamentali di una cella

fotovoltaica sono:

Semiconduttore (Selenio)

1. Base metallica (Ferro)

2. Collettore a strato sottile

3. (Argento/Oro)

Apertura (Vetro)

4. Connettori (+ e -)

5.

PRO

- Robustezza nella costruzione

- Passivo (senza alimentazione)

- Elevata fotocorrente (120μA/lumen)

- Sensibile a quasi l'intera gamma di lunghezze d'onda dello spettro, in particolare allo spettro visibile

Questo tipo di trasduttori sono molto robusti e in generale non hanno bisogno di una sorgente di alimentazione.

La corrente viene generata per effetto fotoelettrico che devono essere mantenute da un’alimentazione.

Ha una buona sensibilità soprattutto nello spettro del visibile.

CONTRO

- Bassa resistenza interna, quindi, difficile da amplificare

- Lento, non adatto a strumenti dove i livelli di illuminazione cambiano rapidamente

L’occhio ha una risposta più stretta rispetto a quella della fotocellula

FOTOTUBO

I tubi fotoemissivi si basano sulla tecnologia dei tubi a vuoto (si ha un tubo

all’interno del quale viene generato il vuoto).

Elementi fondamentali:

1. Fotocatodo (Cesio)

2. Base catodica (ossido d'argento)

3. Anodo (filo metallico)

4. Inviluppo evacuato (vetro)

5. Alimentazione

Quando la sorgente luminosa incide sul catodo per effetto fotoelettrico vengono generati e- che vengono recuperati

dall’anodo (la sorgente di alimentazione fa sì che gli e- vengano accelerati)

Caratteristiche:

• La risposta spettrale dipende dalla sostanza che riveste il catodo

• La risposta spettrale dipende dalla trasparenza alle diverse

lunghezze d'onda del mezzo che deve essere attraversato dalla luce

prima di raggiungere il catodo

• Saturazione della fotocorrente

La corrente di saturazione può essere evitata utilizzando un gas

inerte come l'argon all'interno del tubo.

Le caratteristiche di questo trasduttore dipendono dal catodo e dal

materiale fotosensibile.

Ha un comportamento fortemente non lineare.

FOTOMOLTIPLICATORE

Viene utilizzato per rilevare intensità luminose molto deboli.

Si basa sull'effetto fotoelettrico e sull'emissione secondaria (cioè la fotomoltiplicazione).

Componenti principali:

1) Fotocatodo

2) Dinodi

3) Anodo

4) Tubo a vuoto

5) alimentazione

Elettromoltiplicazione:

Il fotoelettrone accelera sotto l'effetto del campo elettrico del primo dinodo e acquisisce energia cinetica.

L'urto dell'elettrodo del primo dinodo provoca l'emissione di elettroni di minore energia che vengono a loro volta

accelerati dai dinodi successivi.

Una tensione molto elevata applicata tra inizio e fine e ripartita tra i vari dinodi, quindi la tensione ai capi delle varie

resistenze è elevata ed è sempre la stessa per ogni resistenza, ovvero la ddp tra un dinodo e l’altro è costante.

Un fotone entra in contatto con il catodo e per effetto fotoelettrico genera un elettrone.

Un e- all’interno di un campo elettrico accelera e viene attratto dal primo dinodo. Mentre accelera acquisisce Energia

cinetica. Quando tocca il 1° dinodo perde la sua Energia cinetica e genera 2 e- lenti.

Gli e- lenti sono all’interno di un campo E quindi vengono accelerati.

Sbatt