Appunti Strumentazione Biomedica

STRUMENTAZIONE BIOMEDICA prof. Pedrocchi, 2019/2020

Di Gabriele Santicchi

Sommario

SENSORE ......................................................................................................................................................................... 2

SEGNALE.......................................................................................................................................................................... 2

REGOLE DI CLASSIFICAZIONE DISPOSITIVI MEDICI ............................................................................................................ 3

CARATTERISTICHE DI UNO STRUMENTO .......................................................................................................................... 4

CARATTERISTICHE STATICHE ........................................................................................................................................ 4

LINEARITA’ DI UNO STRUMENTO ................................................................................................................................. 5

APPROCCIO GENERALE ALLE NON LINEARITA’ .............................................................................................................. 6

CARATTERISTICHE DINAMICHE..................................................................................................................................... 6

TRASDUTTORI .................................................................................................................................................................. 8

Trasduttori Resistivi ..................................................................................................................................................... 8

Trasduttori Di Forza: ................................................................................................................................................ 8

Trasduttori Di Spostamento ................................................................................................................................... 11

Elettrodi Per Biotepotenziali ...................................................................................................................................... 14

Interfaccia Tra Elettrodo - Elettrolita: Reazioni Redox............................................................................................. 14

Elettrodo AgCl / Ag ................................................................................................................................................ 15

Categorie di elettrodi ............................................................................................................................................. 16

AMPLIFICAZIONE E FILTRAGGIO ..................................................................................................................................... 17

Amplificatore per strumentazione (INA)..................................................................................................................... 19

Filtraggio ................................................................................................................................................................... 20

CAMPIONAMENTO E QUANTIZZAZIONE (p.69)............................................................................................................... 23

Quantizzazione .......................................................................................................................................................... 24

CONVERTITORI ANALOGICI/DIGITALI ............................................................................................................................. 24

1 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020

SENSORE

Converte energia del misurando in un’altra forma (SEGNALE ELETTRICO). E’ costituito da ELEMENTO SENSIBILE +

ELEMENTO DI CONVERSIONE.

PROPRIETÀ:

Risponde alla forma di E del misurando

 Si interfaccia con il sistema vivente, minimizzando l’E assorbita

 Deve essere MINIMAMENTE INVASIVO



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; num che esprime l’estensione di una grandezza

DIRETTA: Misurando accessibile

 INDIRETTA Se misurando NON accessibile

 Nec altro M, di cui conosco relazione con misurando desiderato (es. P)



o Uso un materiale/E che interagendo con misurando desiderato genera Mis accessibile (es.

 ∆

o ELETTRODI: Convertono il interno in variazione elettrochimica sulla sup 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/D

RUMORE 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 INVASIVITA’

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, diversa da quella generata direttamente dal corpo umano o dalla

gravità e che agisce convertendo tale energia. Un dispositivo medico destinato a trasmettere, senza

modificazioni di rilievo, l'energia, le sostanze o altri elementi tra un dispositivo medico attivo e il paziente non è

considerato un dispositivo medico attivo.

DISPOSITIVO ATTIVO TERAPEUTICO Dispositivo medico attivo utilizzato da solo o in combinazione con altri

 dispositivi medici, destinato a sostenere, modificare, sostituire o ripristinare le funzioni o le strutture biologiche

nel contesto di un trattamento o per alleviare una malattia, una ferita o un handicap.

DISPOSITIVO ATTIVO DESTINATO ALLA DIAGNOSI

 Rivedere Slide 26-32, Lezione 2

3 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020

CARATTERISTICHE DI UNO STRUMENTO

CARATTERISTICHE STATICHE

ne descrivono il comportamento in continua, a transitorio esaurito

ERRORE PUNTUALE introdotto da uno strumento di misura rispetto al valore vero della grandezza misurata può

 essere CASUALE (nessuna polarizzazione); all’aumentare di N misure, la media di esse converge a R

 !

SISTEMATICO (sistema polarizzato); all’aum 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 + q

Y (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 val 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. Idem

per il dopo del P. di discrimine

Casi in cui NON è possibile ricorrere a linearizzazione

Se un oggetto ha caratteristica fortemente NON-LINEARE allora si procede con linearizzazione a tratti (CALIBRAZIONE A

PORZIONI = PIECEWISE; metodo min.quad. applicato per ogni singolo range)

5 - Appunti Strumentazione Biomedica Gabriele Santicchi 2019/2020

APPROCCIO 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;

0

ottengo polinomiale di cui è necessario stimare i parametri, attraverso il metodo min.quad. per ogni coefficiente.

IP: INGRESSO SINUSOIDALE x=x sinwt

m 2 3 4

In un sistema caratterizzato da una polinomiale y= a +a x+ a x +a x +a x +....

0 1 2 3 4

Ricordando 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.. 0)

Eliminazione OFFSET (

 Raddoppio SENSITIVITA’ STATICA (2x)

 Riduz DISTORSIONE ARMONICA (No termini pari)



CARATTERISTICHE DINAMICHE

A volte contenuto del misurando NON è valore a regime ma durante 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 eq. diff

Necessarie 2 IPOTESI PER ANALISI SISTEMI

Considero SISTEMI LINEARI Principio Sovrapposizioni Effetti



 Considero SIST AD 1 VARIABILE (tempo)



L’uscita del sistema, dato l’ingresso e le condizioni iniziali, si ottiene dall’integ