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
• Linearità di uno strumento ................................................................................................................................. 5
• Approccio generale alle non linearità .............................................................................................................. 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: Dovuti 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, 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;

R 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

Linearità 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 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-linearità di lettura e non-linearità 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 discrimine 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 linearità

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 sinwtm 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-linearità 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 sensitività 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