Appunti Strumentazione Biomedica

Tipologie generanti:

Usano E direttamente ricavata dal misurando (es. termometro)

Modulanti:

Misurando modula un flusso di E di una fonte ext <-> necessitano ALIMENTAZIONE (Es. lastra rx)

Uscita sensore = misura;

Numero che esprime l'estensione di una grandezza

Diretta:

Misurando accessibile

Indiretta:

Se misurando NON accessibile

Necessita di un altro misurando, di cui conosco la relazione con il misurando desiderato (es. P) -> Uso un materiale/E che interagendo con il misurando desiderato genera misura accessibile (es. ∆o ELETTRODI: Convertono il interno in variazione elettrochimica sulla superficie dell'elettrodo)

Segnale:

"Segnali generati da un organismo vivente il cui contenuto informativo è di utilità ad una o più discipline nel settore biomedico"

Rappresenta una misura; permette di quantificarne l'evolversi nel tempo <-> Misura diventa TRASFERIBILE/MODIFICABILE <-> Funzione nel tempo

Acquisizione del segnale:

Trasduttori sono in prevalenza analogici

Tuttavia la necessità irrinunciabile di interfacciarsi con i calcolatori presuppone uno stadio di conversione A/DRUMORE SEGNALE; necessario sempre ridurre il rumore;20 log . SNR dipende anche dalla frequenza!

EFFETTI ENDOGENI: Dobuti ad altro segnale bio

EFFETTI ESOGENI: dovuti a amb esterno

2 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020

REGOLE DI CLASSIFICAZIONE DISPOSITIVI MEDICI

PRIMO CRITERIO INVASIVITÀ

DISPOSITIVO INVASIVO - Dispositivo che penetra parzialmente o interamente nel corpo tramite un orifizio del corpo o una superficie corporea.

ORIFIZIO DEL CORPO - Qualsiasi apertura naturale del corpo, compresa la superficie esterna del globo oculare, oppure qualsiasi apertura artificiale e permanente quale uno stoma (tracheotomia).

DISPOSITIVO INVASIVO DI TIPO CHIRURGICO - Dispositivo invasivo che penetra nel corpo attraverso la superficie corporea mediante o nel contesto di un intervento chirurgico.

DISPOSITIVO IMPIANTABILE - Qualsiasi

dispositivo destinato a:

• essere impiantato totalmente nel corpo umano, oppure
• sostituire una superficie epiteliale o la superficie oculare, mediante intervento chirurgico e a rimanere in tale sede dopo l'intervento.

Dispositivo impiantabile è considerato anche qualsiasi dispositivo destinato ad essere introdotto parzialmente nel corpo umano mediante intervento chirurgico e a rimanere in tale sede dopo l'intervento per un periodo di almeno trenta giorni.

SECONDO CRITERIO DURATA

• TEMPORANEA - Destinati ad essere utilizzati di norma per una durata continua inferiore a 60 minuti.
• BREVE TERMINE - Destinati ad essere utilizzati di norma per una durata continua inferiore a 30 giorni.
• LUNGO TERMINE - Destinati ad essere utilizzati di norma per una durata continua superiore a 30 giorni.

TERZO CRITERIO: FONTE DI ENERGIA

DISPOSITIVO MEDICO ATTIVO Dispositivo medico dipendente, per il suo funzionamento, da una fonte di energia elettrica o di altro tipo di energia.

grandezza misurata può essere CASUALE (nessuna polarizzazione); all'aumentare di N misure, la media di esse converge a R

SISTEMATICO (sistema polarizzato); all'aumentare di N, la media si mantiene distante;

è valore registrato da GOLD STANDARD (Sistema di misura validato)

ACCURATEZZA: capacità DI rilevare un valore della grandezza misurata + O - vicino al valore vero della grandezza biologica

NB ACC è 1 parametro puntuale; varia al variare del dato in IN lungo il campo di misura

ACC STATISTICA: Valore puntuale mediato su più misure ripetute

PRECISIONE: È il grado di dettaglio con cui lo strumento definisce la grandezza misurata.

NB >ACCURATEZZA, no >PRECISIONE! Concetti differenti!

RISOLUZIONE: la più piccola variazione incrementale che il dispositivo è in grado di rilevare

RIPETIBILITÀ: la capacità dello strumento di fornire valori di uscita uguali ad uguale ingresso

4 - Appunti

Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020

LINEARITA' DI UNO STRUMENTO

Garantita se è soddisfatta la sovrapposizione degli effetti.

Strumento è lineare se vale: mX + qY (OUT, MISURA) (IN, MISURANDO)

m = Sensività statica dello strumento

q (o b): offset dello strumento (risposta oggetto a IN nullo)

Obiettivo: trovare retta che meglio approssima la serie di punti raccolti, con il METODO DEI MINIMI QUADRATI.

Bontà della stima si quantifica calcolando lo SCARTO QUADRATICO MEDIO tra valore stimato e dato sperimentale (N: numero di osservazioni, p: parametri stimati: m e q p = 2)

Come quantifico il discostamento dalla retta trovata?

Attraverso la NON-LINEARITA' DI LETTURA E NON-LINEARITA' DI FONDO SCALA "#$ : uscita relativa a X(IN) MAX

Una misura è dentro le specifiche di NON-L. quando rispetto entrambi i parametri

NB Prima del punto di discriine è! %%irrilevante dato riguardo #$ perché se sto rispettando! %%allora anche

è dentro. Idemper il dopo del P. di discrimineCasi in cui NON è possibile ricorrere a linearizzazioneSe un oggetto ha caratteristica fortemente NON-LINEARE allora si procede con linearizzazione a tratti (CALIBRAZIONE APORZIONI = PIECEWISE; metodo min.quad. applicato per ogni singolo range)5 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020APPROCCIO GENERALE ALLE NON LINEARITA’data y(t)=g(x(t)), continua nell’intorno del punto di esercizio x , è possibile effettuare lo sviluppo in serie di Taylor;0ottengo polinomiale di cui è necessario stimare i parametri, attraverso il metodo min.quad. per ogni coefficiente.IP: INGRESSO SINUSOIDALE x=x sinwtm 2 3 4In un sistema caratterizzato da una polinomiale y= a +a x+ a x +a x +a x +....0 1 2 3 4Ricordando che..2(sinwt) =1/2-1/2(cos2wt);3(sinwt) =1/4(3sinwt-sin3wt); , , ..'Ottengo che OUT è determinato da valori di Quindi NON-LINEARITA’ è data dai coefficienti delle

armoniche successive. La distorsione armonica (D) misura il peso delle armoniche successive rispetto alla prima.

Come riduco la distorsione armonica? Utilizzo 2 trasduttori identici, ma connessi in modo opposto. In questo modo:

1. Eliminazione OFFSET
2. Raddoppio SENSITIVITÀ STATICA (2x)
3. Riduzione DISTORSIONE ARMONICA (No termini pari)
4. CARATTERISTICHE DINAMICHE

A volte il contenuto del misurando non è un valore a regime ma durante un transitorio. La risposta di un sistema a un segnale impulsivo o a gradino è indice del comportamento dinamico del sistema stesso. Le CD sono rappresentate da equazioni differenziali.

Necessarie 2 IPOTESI PER ANALISI SISTEMI:

1. Considero SISTEMI LINEARI
2. Principio Sovrapposizioni Effetti

Considero SIST AD 1 VARIABILE (tempo)

L'uscita del sistema, dato l'ingresso e le condizioni iniziali, si ottiene dall'integrazione dell'equazione differenziale.

La maggior parte dei sistemi in ambito biomedico può essere ricondotta a SISTEMI DEL II ordine.

1. ORDINE

Due risoluzioni:

2. ANALITICA:

Sostituisco nell'equazione e ricavo le radici dell'equazione caratteristica trovata

6 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020

012 3042,-. / 5042 , analizzo risposta all'impulso, introducendo 3 parametri

3. CON LAPLACE:

Ricavo la funzione di trasferimento G(s)

6K = Coefficiente elastico.

ξ = Fattore di smorzamento.

ωn = pulsazione nat del sistema

4. Analizzo ora i due poli (del metodo analitico!):

3 casi

1) Sistema SOVRASMORZATO

2) Sistema SOTTOSMORZATO

3) SMORZAMENTO CRITICO

Per capire se il sistema è stabile, analizzo la parte REALE:

1) Stabile

2) Instabile

3) Oscillazione infinita

POLO DOMINANTE = più vicino all'asse Im; determina la risposta dinamica del sistema nel tempo

5. TEOREMA DELLA RISPOSTA IN FREQUENZA

1) Sistema lineare con funzione di trasferimento che ammette la trasformata di Laplace G(s)

2) Il sistema è asintoticamente stabile

Diamo in ingresso u(t) = U sin(

ωt+ϕ);Esaurito il transitorio, anche l'uscita del sistema è<),y (t)=B ( sin( ωt+ doveB=U|G(jω)|< =ϕ +arg [G(j ω)]Ho un qualsiasi segnale, lo scompongo in somma di sinusoidi (FOURIER) che entrano in G(s) Risposta del sistema saràla somma delle sinusoidi in IN, modulate e sfasate. La risposta dinamica di un sistema di MISURA LINEARE è quindi datadalla somma delle risp armoniche delle componenti del SGN in IN!Rivedere appunti su Diagramma di Bode – Lezione 47 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020TRASDUTTORIInterfaccia sistema biologico-strumento; si basano su prop elettriche del materiale e forma/geom dell'oggetto. Fondamentaledeterminare le sue caratt statiche e dinamiche variabile )SONO CLASSIFICATI IN (In rosso:RESISTIVI V = RI>= ?@?ACAPACITIVI @ B ?C?AINDUTTIVIPIEZOELETTRICI (q = kF)ELETTROCHIMICI (Redox)Trasduttori Resistivi∆ + DEFGHF ∆Variaz del MISURANDO diventa . Esempi: