Domande e risposte dettagliate necessarie a sostenere l'esame

DOMANDE SENSORI:

1. Spiegare la funzione di un sensore in applicazioni biomediche ed illustrare le principali

caratteristiche statiche e dinamiche

Sensori biomedici e caratteristiche statiche e dinamiche: I sensori sono strumenti che

trasformano una grandezza fisica in ingresso ( T, D, V, spostamento ) in una grandezza

elettrica ( I, V, Q ) o in una variazione di un parametro elettrico ( R, C, L ) in uscita.

In campo biomedico i sensori sono utilizzati per una valutazione oggettiva delle

variabili di origine biologica

Obiettivo della misura: valutare se una determinata variabile rientra in valori

normali.

NB: Il sensore è uno degli elementi più critici di un sistema biomedico.

Essi possiedono, principalmente due caratteristiche distinte. Quelle statiche

riguardano la risposta del sensore a regime cioè quando le grandezze fisiche in

ingresso variano lentamente. Quelle dinamiche sono correlate alla risposta del sensore

verso variazioni veloci della grandezza in ingresso.

Tra le caratteristiche statiche ricordiamo:

sensibilità:

- definita come il rapporto tra la variazione della grandezza elettrica in

uscita e la variazione della grandezza fisica in ingresso. Nel caso di un sistema lineare,

la sensibilità si configura con il guadagno del sensore.

risoluzione:

- definita come la minima variazione della grandezza fisica misurata che

sia apprezzabile attraverso una corrispondente variazione dell’uscita.

linearità:

- definita come il discostamento della curva di taratura rispetto

all’andamento lineare ideale del segnale. Specificata fornendo il valore massimo dello

scostamento dei singoli punti della curva di taratura da una retta di riferimento . Il

discostamento può essere misurato rispetto al limite inferiore, agli estremi o

indipendentemente dall’andamento lineare

soglia:

- definita come la minima variazione di Gf alla quale corrisponde una minima

variazione di Ge;

isteresi:

- definita come la quantizzazione dell’interdipendenza e dell’influenza che è

una misurazione precedente attiva su quella corrente secondo l’effetto di memoria del

sensore;

incertezza:

- definita come la differenza tra il valore reale valore misurato. Questa

dipende principalmente dal sensore e dal di scostamento dei valori raccolti da quelli

statistici.

Le caratteristiche dinamiche sono atte a ricostruire il segnale fisico in ingresso x(t)

partendo dal segnale elettrico in uscita y(t). Questa operazione può essere effettuata

in due modi: attraverso l’analisi del dominio in frequenza o del tempo.

- Analisi nel dominio della frequenza: effettuata fornendo larisposta in frequenza del

sensore

- Analisi nel dominio del tempo: effettuata fornendo la risposta al gradino, cioè la

risposta del sensore a una variazione a gradino del misurando La prima fornisce la

risposta in frequenza del sensore, la seconda fornisce una risposta al gradino.

2. Illustrare il principio di funzionamento

e le applicazioni biomediche dei sensori di

temperatura di tipo termoresistivo

I sensori di tipo termo-resistivo si basano sulla relazione che intercorre tra

temperatura e resistenza: sfruttano la proprietà di metalli e semiconduttori di

cambiare la loro resistenza con la temperatura: conversione T R.



Al fine di creare un sensore di questo tipo è necessario studiare il valore del

coefficiente termico della resistenza, definito come:

la dipendenza della

descrive

variazione di resistenza da quella

di temperatura

che determina la variazione di R in funzione della variazione di T. Questo

coefficiente può assumere due valori: positivo (PTC) o negativo (NTC). Nel

primo caso si tratta di termoresistenze realizzate in materiale metallico le cui

proprietà fisiche stabiliscono la relazione fondamentale tra R e T: all’aumentare

di T, aumenta anche R.

Questa proprietà può essere espressa nella seguente funzione lineare

Termoresistenze

Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)

Interazione elettroni di conduzione e reticolo cristallino: all’aumentare della

temperatura T, aumentano gli urti di conseguenza aumenta la resistenza R

Nel secondo caso si tratta di termistori realizzati in materiale semiconduttore.

Termistori

Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC)

All’aumentare della temperatura T, aumentano la velocità dei portatori di

carica, di conseguenza diminuisce la resistenza R

A differenza dei sensori PTC, la relazione che intercorre tra T e R nei PTC è di

-> Ciò significa

che

all’aumentare

di T,

la resistenza R

diminuisce.

tipo esponenziale:

I termistori e le termoresistenze possono essere impiegati per la realizzazione

di termometri orali clinici e, in neonatologia, per sensori termici da inserire

nell’incubatrice al fine di monitorare la temperatura dei neonati.

3. Illustrare il principio di funzionamento e le applicazioni biomediche dei sensori di

temperatura a termocoppia

I sensori temperatura sfruttano come principio di funzionamento l’effetto

seebeck.

Un conduttore contiene in ogni sua regione un certo numero di elettroni

uniformemente distribuiti. Quando un’estremità viene riscaldata, gli elettroni

migrano nella regione opposta creando così una differenza di potenziale sul

conduttore. Le termocoppie sono formate da due fili metallici di metalli diversi

congiunti per un’estremità definita “hot joint”.

L’estremità opposta è definita “cold joint” ed è formata da una barra

trasversale che collega i due filamenti metallici. Per piccole differenze di

temperatura c’è proporzionalità diretta.

La differenza di potenziale è definita come:

Le termocoppie trovano largo impiego in ambito biomedico grazie alle loro

ridotte dimensioni. Esse possono essere inserite in cateteri oppure utilizzate

come aghi ipodermici per impianti sottocutanei.

4. Illustrare il principio di funzionamento e le applicazioni biomediche

dei sensori integrati di temperatura

Sensori integrati di temperatura sono realizzati con materiale semiconduttore e

prevedono l’utilizzo di due diodi ai quali sono collegati due diversi generatori di

corrente.

Sfruttano la dipendenza da T della corrente di una giunzione p-n (diodo).

Lo schema circuitale è il seguente:

I sensori integrati di temperatura sono impiegati per la realizzazione di parti

sensibili termometri.

5. Dopo aver elencato le applicazioni biomediche dei sensori di posizione lineare,

descrivere la modalità di realizzazione e il principio di funzionamento del sensore a

potenziometro lineare /capacitivo.

Sensore a potenziometro lineare

Il potenziometro lineare viene utilizzato per la misurazione della posizione di un

punto in movimento. In ambito biomedico è utilizzato per

- nello studio dei meccanismi di contrazione dei muscoli isolati

- nell’investigazione delle proprietà dell’osso sottoposto a sforzi

- nella valutazione dei fenomeni respiratori attraverso la variazione del

volume della cassa toracica

- nella valutazione indiretta di un’altra grandezza fisica (forza, pressione)

Il potenziometro lineare può essere realizzato in due modi:

- A strato—> costituito da una resistenza planare che si sviluppa nella direzione

di spostamento del punto

- A filo avvolto—> resistenza filiforme che si avvolge su un cilindro isolato: filo

resistivo avvolto su un supporto isolante

(è una specie di solenoide).

Un cursore (contatto strisciante) si muove sulla resistenza distribuita

in modosolidale con l’oggetto del quale si vuole misurare la posizione.

Il potenziometro lineare a strato può essere schematizzato in questo modo.

Le due resistenze sono espresse come:

Al fine di misurare lo spostamento x del punto in funzione di una tensione V 1

colleghiamo il sistema a un generatore di corrente da un lato e lo mettiamo a

terra dall’altro.

In questo modo, facendo passare corrente, otteniamo:

Questa relazione è ottenuta considerando il sistema come un partitore

resistivo.

Sensore a potenziometro capacitivo

I trasduttori tipo capacitivo utilizzano dei condensatori per misurare lo

spostamento di un corpo. Possono essere realizzati due modi:

- A lamina mobile—> tre lamine delle stesse dimensioni (LxH).

Due fisse e una mobile sopra di esse.

- Cilindrico—> due cilindri metallici concentrici: un cilindro piccolo che si muove

all’interno di un cilindro più grande fisso.

scorrono una rispetto all’altra in modo da far variare la capacità ⇒ è il valore di

C che indica la posizione (e non un rapporto di C come nel trasduttore a

lamina).

Lo schema circuitale di un trasduttore di tipo capacitivo a lamina mobile può

essere assimilato a un partitore di impedenze formato da due condensatori.

1. Spiegare cos’è l’Elettrocardiografia ed illustrare i principi che stanno alla base

delle misure di ECG

L’Elettrocardiografia è la misura dell’attività elettrica cardiaca nell’intorno dello spazio

di propagazione del dipolo elettrico cardiaco: durante la propagazione del potenziale di

azione, tra due punti del miocardio si crea una differenza di potenziale che per

semplicità può essere rappresentata da un vettore planare. Questo vettore è definito

“dipolo elettrico cardiaco” e assume la seguente notazione fisica:

μ=q d

Convenzionalmente, il dipolo viene misurato in quanto punti distinti sul corpo del

paziente:

- mano destra,

- mano sinistra,

- gamba sinistra

- gamba destra che può subire pilotaggio.

Questa operazione consiste nel collegare l’elettrodo ad un potenziale di riferimento.

Se non è soggetta pilotaggio la gamba destra è collegata a massa.

Il dipolo viene misurato complessivamente considerando a 12 derivazioni:

3 bipolari,

3 unipolari

6 precordiali.

derivazioni bipolari

Le si avvalgono concettualmente del triangolo di Einthoven e

dei suoi postulati secondo cui il cuore è un conduttore sferico omogeneo e tutte le

forze elettriche vengono generate a partire dal suo centro. Inoltre, le 3 derivazioni

formano tra loro un triangolo equilatero in quanto gli estremi sono equidistanti tra loro.

Misurare una differenza di potenziale sulla derivazione significa misurare la

componente del dipolo elettrico che si trova su quell’asse. Considerando tutte e tre le

derivazioni posso ricostruire la posizione bidimensionale del vettore.

Graficamente le derivazioni bipolari descrivono un piano geometrico formato da tre

assi posti a 120° tra loro. Nel momento in cui le

variazioni del dipolo siano troppo piccole, il sistema delle derivazioni bipolari non basta

per effettu