Bioingegneria della riabilitazione: sensori, elettrodi ed attuatori

Bioingegneria della riabilitazione

Sommario

Bioingegneria della riabilitazione ...................................................................................................................... 1

1 – Introduzione ................................................................................................................................................ 2

2 – Sensori biomedici......................................................................................................................................... 2

3 – Elettrodi per acquisizione di biopotenziali .................................................................................................. 9

4 – Attuatori .................................................................................................................................................... 11

1 – Introduzione

La riabilitazione non è un’attività limitata nel tempo, ma un processo continuo e coordinato che

inizia quando un evento causa disabilità e dura fino a quando il soggetto recupera: deve forzare la

natura a recuperare quello che c’è, di più e meglio. L’ingegneria della riabilitazione è l’applicazione

della scienza e della tecnologia per migliorare la qualità della vita di persone con disabilità: si parte

dalla valutazione funzionale (valutazione quantitativa, oggettiva e ripetibile del grado di disabilità),

cui segue il recupero funzionale (sistemi per il ripristino delle funzionalità motorie compromesse),

sostituzione funzionale (sistemi sostitutivi dell’organo compromesso) o chirurgia funzionale, dopo

si ha rieducazione motoria con eventuali ausili tecnologici ed inserimento socio-lavorativo.

2 – Sensori biomedici

I sensori misurano le grandezze fisiche di interesse del misurando, si distinguono in primari

(convertono la grandezza fisica di interesse di output elettrico, es. sensori resistivi, induttivi,

capacitivi e piezoelettrici) e secondari (primo circuito di condizionamento, es. ponte di

Wheatstone ed amplificatori), seguono signal processing ed output per rappresentare i dati.

Un trasduttore (sensore o attuatore) converte una forma di energia primaria in un altro tipo di

energia. È caratterizzato da funzione di trasferimento (relazione tra input ed output), sensitività

(rapporto tra variazione dell’output e corrispondente variazione dell’input), range dinamico (range

di valori di input che si possono trasdurre correttamente), accuratezza (differenza tra valore dato

dal sensore e valore attuale), precisione (ripetibilità di misura del sensore), isteresi (variazione

dell’output in funzione della variazione di direzione dell’input), non linearità (massimo

scostamento dell’input da una funzione lineare), non linearità dinamica (capacità del sensore di

rispondere a variazioni con una certa frequenza dell’input), errore di offset (output che si ottiene

con input nullo), rumore, risoluzione (minima variazione del segnale di input che si riesce a

riconoscere), banda (range di frequenza in cui il sensore può misurare), tempo di risposta (tempo

per rispondere ad un gradino in input, è il reciproco della frequenza di taglio superiore) e tempo di

decadimento (tempo per tornare a zero con un gradino, è il reciproco della frequenza di taglio

inferiore). La calibrazione consente di correggere errore di offset e non linearità, si usa

condizionamento analogico, look-out table per sistemi digitali o calibrazione digitale; la

compensazione consente di correggere la sensitività a fattori esterni non legati all’input (es.

variazione di temperatura).

2.1 – Sensori di spostamento

Misurano posizione, spostamento lineare o angolare, forza e deformazione, possono essere

resistivi, capacitivi, induttivi o piezoelettrici.

2.1.1 – Potenziometro

È un sensore resistivo semplice da realizzare e condizionare, poco costoso, misura posizione

lineare o angolare (resistenza circolare), velocità ed accelerazione; è costituito da tre terminali: i

due capi della resistenza ed un cursore che si sposta su questa, l’uscita è una partizione del

generatore in ingresso.

La massima risoluzione è legata a come si realizza la resistenza (P); nel caso ideale la tensione

misurata varia linearmente con la posizione del cursore (x):

= =

(1 − ) +

Dato che la tensione si misura con un voltmetro con tensione di ingresso non infinita, la curva

ingresso-uscita non è lineare nel caso reale:

=

2

1 + −

L’errore di lettura è massimo è massimo per x=1/2:

−

() =

Per evitare di lavorare nell’intorno di x=1/2 si introduce una resistenza R per bilanciare la corrente

1

prelevata dal voltmetro, permette di lavorare a metà del fondo scala.

2.1.2 – Strain gauges

È un sensore resistivo, data un allungamento o accorciamento del materiale si ha una variazione di

resistenza; la funzione di trasferimento è:

Δ Δ Δ

(1

= + 2) +

Spesso è espressa la sensitività relativa rispetto all’allungamento come gage factor; se la

temperatura dell’ambiente di utilizzo è costante si usano strain gage a semiconduttori, altrimenti

materiali isoelastici. Dato che la variazione di resistenza è piccola, si deve convertire in tensione

con un ponte di Wheatstone.

2.1.3 – Ponte di Wheatstone

È un sensore secondario usato per condizionare segnali di sensori resistivi come gli strain gauge;

c’è un generatore di tensione con quattro resistenze in serie a due a due, se i valori delle tre

resistenze sono uguali il ponte è bilanciato e l’uscita è nulla:

−

2 3 1 4

=

0 ( + )( + )

1 2 3 4

Nel quarter bridge, R è l’unica resistenza che varia rispetto ad un valore di riposo R , la sensitività

3 0

è pari a δ/4, dove δ=ΔR/R ; permette di leggere gli spostamenti nella direzione in cui i segmenti

0

più lunghi. Il quarter bridge è sensibile alla temperatura, per rimuoverne l’effetto si deve

aggiungere nel ponte un secondo strain gage insensibile alla forza esterna le cui modifiche sono

dovute solo alla variazione di temperatura.

Nell’half bridge ci sono due resistenze variabili messe in modo che uno strain gage si allunghi e

l’altro si accorci, la sensitività è pari a δ/2; inoltre è insensibile alla temperatura.

Nel full bridge tutte e quattro le resistenze sono strain gage variabili (due si allungano e due si

accorciano), è insensibile alla temperatura e ha la massima sensitività pari a δ.

2.1.4 – Sensori capacitivi ed induttivi

La capacità è il rapporto tra la carica posseduta da due oggetti e la doro differenza di potenziale:

= =

0

Δ

dove ε è la costante dielettrica del vuoto, ε è la costante dielettrica del materiale, A è l’area delle

0 r

due armature e d la loro distanza. La corrente che scorre nel condensatore è pari a:

()

() =

quindi se il circuito è alimentato con tensione continua il ramo è un circuito aperto; non ci possono

essere gradini di tensione, mentre la corrente può variare istantaneamente.

Un induttore è un filo conduttore avvolto su un’anima di materiale conduttivo. L’induttanza è il

rapporto tra flusso magnetico e corrente che scorre nell’induttore:

2

= =

Dove μ è la permeabilità del vuoto, μ è la permeabilità relativa del conduttore, N è il numero di

0 r

spire, A è l’ara trasversa dell’anima e l è la lunghezza. La tensione ai capi di un induttore è:

()

() =

Se nel circuito c’è un generatore di corrente costante la tensione è nulla ed il ramo è un

cortocircuito; in un induttore la corrente non può cambiare in modo impulsivo.

Se due avvolgimenti sono legati magneticamente, la variazione di corrente nel primo causa un

campo magnetico variabile che induce una tensione nel secondario per la mutua induzione:

()

1

()

=

2

dove M è la mutua induttanza.

Se tra le armature di un condensatore c’è un materiale dielettrico si ha un aumento di capacità,

una minore tensione ed un minore campo elettrico; inoltre garantisce supporto meccanico ed

evita rottura per tensioni eccessive. È caratterizzato da una costante dielettrica che dipende dalle

condizioni fisiche ed ambientali:

0 0

= = = =

0 0

Nei sensori capacitivi la capacità varia con la quantità da misurare. Spesso si fa variare la distanza

tra le armature, realizzando un sensore di spostamento (va bene anche per pressione, velocità ed

accelerazione); il sensore è non lineare e permette di misurare spostamenti positivi e negativi:

Δ

= = −

0 2

Δ

In alternativa si può spostare il dielettrico interposto tra i due piani aumentandone il volume che si

interfaccia con il condensatore, ma non si può distinguere tra spostamenti positivi e negativi

(usato ad esempio per misure dell