Appunti Strumentazione biomedica

PROGETTO DI UN SISTEMA DI MISURA

Per avere informazioni utili a finalità di monitoraggio e diagnostiche è sempre necessaria una fase di

acquisizione delle grandezze fisiche coinvolte.

Per questo, avendo a che fare con un soggetto vivente, bisogna prendere tutte le precauzioni per evitare,

nei limiti del possibile, ogni rischio, in primo luogo, e disagio, in secondo luogo, al soggetto stesso. Allo

stesso tempo le misure devono essere compiute meglio possibile perché da esse può dipendere anche una

vita.

L’interfacciamento con il soggetto per prelevare l’informazione desiderata è compiuto da strumenti, i

trasduttori, che variano secondo la grandezza fisica e secondo le condizioni di accessibilità.

I passi da seguire per la progettazione di un sistema di misura sono:

1. Definizione degli obiettivi

2. Grandezze fisiche

3. Range

4. Trasduttori. Se non esistono trasduttori adeguati tra quelli a disposizione, bisogna cercare altre

soluzioni.

5. Modo di installazione del/dei trasduttori scelti. Problemi: allineamento, fissaggio, ecc.

6. Calcoli che portano all’obiettivo desiderato partendo dalle grandezze misurate. Se la misura è

indiretta, indicare le problematiche.

7. Hardware per l’acquisizione: alimentazione dei trasduttori, scheda di acquisizione, configurazione

degli ingressi, frequenza di campionamento, collegamenti dei sensori con la scheda, misure di

minimizzazione del rumore, ecc.

8. Sviluppo del sistema (HW e SW)

9. Costruzione del prototipo

10. Test del prototipo

11. Validazione del prototipo analizzando i risultati e confrontandoli statisticamente con quelli ottenuti

in parallelo da uno strumento di riferimento

12. Implementazione e sviluppo di un sistema definitivo ed eventuale integrazione come sottosistema.

Miniaturizzazione e produzione

Alcuni motivi per cui non è possibile utilizzare un trasduttore che compia direttamente la misura della

grandezza fisica desiderata:

• Il trasduttore adeguato non esiste/non è disponibile/costa troppo

• Il range del trasduttore non è sufficiente. Per esempio, se devo misurare una distanza percorsa da

un soggetto, anche solo di alcuni metri, vorrei poter usare un trasduttore di posizione ma ciò

richiederebbe un sensore così lungo da essere ingombrante e di ostacolo al soggetto.

• Difficoltà/Impossibilità pratica di utilizzo. Per esempio, nel caso del soggetto che cammina, misurare

la distanza percorsa con un trasduttore di posizione come un potenziometro significherebbe trovare

un punto di fissaggio sul soggetto e uno su di un riferimento esterno. Entrambi sono di difficile

praticabilità.

Integrazione di un segnale acquisito per avere la grandezza fisica desiderata

Dalle specifiche del progetto deve essere possibile calcolare non solo il range della grandezza desiderata,

ma anche di quella misurata.

Esempio: integrare un’accelerazione per ottenere una velocità.

Perché si possa ottenere una misura valida di velocità da quella di accelerazione, deve, innanzitutto, essere

nota la velocità iniziale.

Perché la misura abbia senso non basta che tutto funzioni “matematicamente”. Si deve tenere in conto che

le specifiche del trasduttore forniscono le caratteristiche di accuratezza, nel caso, della misura di

accelerazione.

L’operazione d’integrazione fatta sul segnale affetto da rumore fa si che, nel caso questo non avesse media

nulla, ci sarebbe un “accumulo” di errore. Come conseguenza si avrebbe che lo scostamento del valore

misurato da quello vero crescerebbe sempre più. GRAFICO ACQUISITO (ACCELERAZIONE)

Si può notare che la presenza di rumore a

media non nulla non è distinguibile sul

tracciato del segnale acquisito.

Cioè, il tracciato rosso e quello blu sono

apparentemente equivalenti.

GRAFICO INTEGRATO (VELOCITA’)

La presenza di un rumore a media non nulla

sull’accelerazione, provoca una deriva che

allontana il segnale con rumore sempre più

da quello “pulito”.

Derivazione di un segnale acquisito per avere la grandezza fisica desiderata.

Esempio: derivare una posizione per ottenere una velocità.

Matematicamente tutto funziona semplicemente, ma il filtraggio che s’introduce derivando un segnale

dipende dall’algoritmo utilizzato. Sicuramente la presenza di un rumore su segnale acquisito fa si

che anch’esso sia derivato e come risultato si otterrà un segnale,

in genere, più “sporco” di quello che si sarebbe ottenuto

misurando direttamente la velocità.

Si noti come la presenza di rumore apparentemente non troppo

elevato sul segnale acquisito, provochi su quello derivato un

rumore tanto grande da rendere il segnale derivato in sostanza

inutilizzabile.

CONFIGURAZIONI PARTICOLARI DI AMPLIFICATORI

AMPLIFICATORE DI TRANSIMPEDENZA (TIA)

La grandezza elettrica più facilmente utilizzabile da sistemi di misura che utilizzano schede di acquisizione è

la tensione.

Alcuni sensori (fotodiodi) forniscono risposte in corrente. →

Trasformazione dell’informazione da corrente a tensione e amplificazione Amplificatore differenziale

nella configurazione a transimpedenza (TIA).

Esempio: fotodiodo La corrente che fluisce nel fotodiodo attraversa la resistenza in

retroazione, Rf, e genera una tensione in uscita che è, quindi, legata

all’intensità luminosa rilevata, secondo la relazione:

=

0

Il guadagno del TIA è, perciò, uguale al valore della resistenza in

retroazione.

=

Anche la banda passante del TIA dipende dal valore della resistenza: √

3 2 ∙( + + )

Con GBP che è Prodotto Banda Guadagno del TIA, Cf che è la capacità in retroazione, Cd è la capacità del

fotodiodo e Ctia è la capacità in ingresso del TIA.

FILTRO PASSA-BASSO (LP)

Un filtro passa-basso è utile per attenuare il rumore in alta frequenza. L’utilizzo di un filtro attivo ha il

vantaggio che esso può avere un guadagno ed ha un’impudenza di uscita molto bassa.

La risposta in frequenza è ottenuta dal rapporto tra le impedenze di retroazione e di ingresso:

() 1

=− ∙

() 1 +

FILTRO PASSA-ALTO (HP)

Un filtro passa-alto serve per amplificare una piccola tensione alternata sovrapposta ad una preponderante

tensione continua o ad eliminare una lenta deriva del segnale.

La risposta in frequenza è ottenuta dal rapporto tra le impedenze di retroazione e di ingresso:

()

=− ∙

() 1 +

FILTRO PASSA-BANDA (BP) Un filtro passa-banda amplifica le componenti a frequenze nell’intervallo

desiderato e attenua le componenti a frequenze esterne a tale intervallo.

CONFIGURAZIONE DEGLI INGRESSI

Ogni segnale, per ottenere una misura, va confrontato con un riferimento.

Le misure possono essere di tipo:

• Unipolare

• Differenziale

Nel primo caso (unipolare) il valore assoluto del segnale è relativo a un riferimento

prefissato. Nelle misure differenziali il riferimento cambia sempre.

Esempi di questo tipo si possono trovare in elettrocardiografia:

Derivazioni unipolari VF, VL, VR. Utilizzano come riferimento il terminale di Wilson. La

tensione di ciascun elettrodo è riferita a massa (riferimento comune).

Derivazioni differenziali (la misura consiste nella differenza di due segnali). Derivazioni

bipolari periferiche, I, II, III dove I è da LA a RA. II da LL a RA. III da LL a LA.

Il segnale elettrico è prelevato all’uscita di un trasduttore (per esempio, un elttrodo) in un punto specifico

dello spazio e deve essere portato all’ingresso dell’apparecchiatura che compie la misura.

Il trasporto dell’informazione elettrica avviene utilizzando cavi che, normalmente, sono composti da

un’anima metallica (conduttore interno) rivestita da un involucro isolante (guaina esterna).

Questo trasporto avviene in un ambiente in cui è presente rumore elettromagnetico generato da sorgenti

di vario genere e dalle stesse linee elettriche che alimentano le apparecchiature. Questo rumore agisce sui

cavi elettrici provocando interferenze sui segnali.

Tutto ciò fa sì che le connessioni tra sorgente di segnale e apparecchiatura di acquisizione richiedano

particolare attenzione allo scopo di limitare le interferenze stesse.

L’informazione differenziale desiderata è immune dal rumore a condizione che:

- Si utilizzi un amplificatore in configurazione differenziale;

- Il rumore raccolto dai cavi sia lo stesso (percorsi identici).

L’utilizzo della configurazione differenziale è quindi assolutamente consigliato.

Perché ci sono altri tipi di configurazione?

Tutte le schede di acquisizione a basso costo prevedono la possibilità di campionare un certo numero di

ingressi N i cui valori più comuni sono 8, 16, 32 e 64.

Il campionamento di tutti gli ingressi è garantito dalla presenza di un multiplexer che compie la selezione da

N a 1.

Agli ingressi dell’amplificatore vengono così connessi uno per volta tutti gli ingressi desiderati. Quando si

utilizza la modalità differenziale gli ingressi devono essere utilizzati due alla volta: uno è portato al morsetto

positivo, l’altro a quello negativo. Il numero di segnali che è possibile campionare è quindi N/2.

Nel caso che la quantità di segnali fosse >N/2 e <N non è possibile usare il modo differenziale. Bisognerà

passare a un modo che prevede l’utilizzo di un solo ingresso per ogni segnale.

Ci sono quindi delle regole:

• Possono essere campionati al massimo N/2 ingressi.;

• Ciascun segnale, s, può essere collegato solo agli ingressi numerati da 0 a (N/2)-1;

• Il riferimento r del segnale s deve essere collegato all’ingresso avente numero d’ordine ottenuto

sommando N/2 al numero dell’ingresso cui è collegato s.

Ci sono delle alternative alla differenziale: RSE e NRSE. Entrambe consentono di campionare un numero di

segnali che può essere al massimo uguale al numero di ingressi, con il vincolo di utilizzare un solo

riferimento per tutti.

CONFIGURAZIONE RSE

In questa modalità il segnale da acquisire viene confrontato con un segnale di riferimento che è fornito dal

GND del circuito di acquisizione.

A tale GND devono essere connessi tutti i riferimenti di tutti i segnali provenienti dal campo. In questo modo

l’informazione di rumore sui cavi dei riferimenti di segnale è cancellata poiché è connessa a GND.