strumentazione biomedica 2.1

8/10/2019 Strumentazione Biomedica 2.1

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STRUMENTAZIONE

BIOMEDICA


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Sommario

1 Introduzione ai sistemi per misure biomediche Pag. 4

2 Sensori Pag. 23

3 Acquisizione dati, termocoppie, bilancia a estensimetri Pag. 34 !ircuiti con ampli"icatori operazionali Pag. 4#

$ !ircuiti ad %PA&P in ambito biomedico Pag. $$

# Sicurezza 'lettrica Pag. #


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1 INTRODUZIONE AI SISTEMI PER MISURE

BIOMEDICHE

Aspetti generali

(a strumentazione biomedica pu) essere classi"icata in base alla grane!!a "isi#a mis$rata, alprin#ipio "isi#o s"r$ttato per misurarla *resisti+o, capaciti+o, indutti+o, elettrochimico, aultrasuoni-, in base allam%ito i inter&ento, inteso come organo, sistema o "unzione biologica,o in base allarea i impiego in mei#ina, sia essa la diagnosi o la terapia/riabilitazione.

Propriet' i $n sistema i mis$ra

Se, istante per istante, grazie al contenuto del segnale -*tz come 0 rappresentato in "igura, si pu)risalire ai +alori del segnale -*ty , allora il sistema & pu) essere considerato un sistema di misura, a

prescindere dalla natura della sorgente S del segnale -*ty . n sistema i mis$ra ieale 0 un

sistema di misura che soddis"a le seguenti propriet l$s#ita do+r essere sensi%ile seletti&amentesolo alla grandezza "isica in ingresso che si

+uole misurare e non ad altre grandezze5 la sua rela!ione ingresso($s#ita de+e essere nota, in qualunque "orma essa sia espressa

*genericamente -*yfz= -5 linterconnessione tra sorgente e sistema di misura non de+e alterare in modo apprezzabile il

segnale -*ty rispetto al suo stato non perturbato in cui 0 generato dalla sorgente.I problemi "ondamentali che si pongono durante la progettazione di un sistema di misura riguardanola gestione, entro limiti accettabili per la qualit della misura, delle sue non idealit, e cio0

lin"l$en!a ei ist$r%isul segnale in uscita dal sistema di misura5

lerrore i inter#onnessione *o e""etto di carico-, cio0 la perturbazione introdottaine+itabilmente sul segnale da misurare dallo scambio di energia tra sorgente e sistema dimisura una +olta che questi +engono collegati. 6 possibile tutta+ia inter+enire sullentit diquesta perturbazione in "ase di progetto.

7li obietti+i perseguibili nella misura di uno o pi8 segnali sono monitoraggio si e""ettua la misura per poter semplicemente +isualizzare landamento del

segnale *es. "requenza cardiaca di un paziente ospedaliero-5 #lassi"i#a!ione si e""ettua la misura con procedure particolari per poter assegnare ogni

segnale ad una speci"ica classe *ad es. in base alla gra+it o alla patologia, come nei modernielettrocardiogra"i-5

#ontrollo si e""ettua la misura per poter inter+enire adeguatamente sulla sorgente e "ar s9

che generi un segnale che rientri entro determinati parametri *es. in"usori di glucosio perdiabetici-5


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ienti"i#a!ione si e""ettua la misura, s"ruttando ingressi standard, per poter determinare larelazione ingresso/uscita dello strumento di misura.

Ar#)itett$ra "$n!ionale ei sistemi per mis$re %iomei#)e

Il "lusso principale +a chiaramente dalla sorgente al sensore +erso il sistema di +isualizzazione(a semplice catena sensoresistema di manipolazionesistema di +isualizzazione 0 detta #atenaelementare i mis$ra. :ellordine le caratteristiche dei +ari blocchi sono

sorgente 0 in genere il tessuto +i+ente e genera il segnale da misurare *mis$rano, -*ty -5 sensore con+erte la grandezza "isica da misurare in un segnale, per lo pi8 elettrico, che sar

poi s"ruttato dai restanti blocchi del sistema di misura5 i sensori sono composti da unelemento sensi%ile primario, che 0 a diretto contatto col misurando e risponde ad esso+ariando una sua propriet "isica, e da un elemento i #on&ersione, che traduce tale+ariazione in un segnale elettrico5

alimenta!ione necessaria per i sensori passi&i, in particolare per il loro elemento dicon+ersione. Se in+ece i sensori sono atti&i, essi rica+ano lenergia per la con+ersione insegnale elettrico direttamente dal misurando e non necessitano di alimentazione elettrica *es.sensori piezoelettrici-5

%lo##o i manipola!ione e #oni!ionamento 0 necessario per ampli"icare luscita delsensore, in genere molto debole in ampiezza, in modo che essa sia su""icientemente intensa

per poter essere apprezzata dagli altri sistemi che la tratteranno, in particolare e+entuali

con+ertitori analogico/digitale. :ormalmente il segnale +iene qui anche "iltrato e ormai, inmolti casi, anche digitalizzato5 %lo##o i &is$ali!!a!ione consente la +isualizzazione dellandamento del segnale misurato

su qualsiasi supporto, sia esso lo schermo di un oscilloscopio o un supporto "isico *es. cartamillimetrata per tracciato elettrocardiogra"ico-5

sistema i #ali%ra!ione ser+e per +eri"icare che il sensore abbia la relazione ingresso/uscitae il comportamento in "requenza, o in altre parole le prestazioni statiche e dinamiche, +oluti5

sistema i memori!!a!ione sal+a i dati su supporti di +ario tipo *cartaceo, dischimagnetici, dischi ottici, etc.-, per renderli cos9 disponibili per e+entuali elaborazioni "uture5

sistema i trasmissione consente lin+io dei dati ottenuti anche a utenti remoti5 sistema i #ontrollo agisce in retroazione sulla sorgente di segnale, per ottenere segnali

con particolari caratteristiche, ma pu) agire anche sui sistemi di memorizzazione etrasmissione.


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#

Classi"i#a!ione egli ingressi

7li ingressi di un sistema di misura sono di+isibili in 3categorie

ingressi esierati * dy - sono rappresentati dai

segnali che e""etti+amente il sistema 0 costruitoper misurare. Ad essi il sistema risponde con una"unzione di tras"erimento dG 5

ingressi inesierati * iy - sono grandezze

"isiche di+erse dal/i misurando/i a cui il sistemadi misura 0 accidentalmente sensibile. Ad essi ilsistema risponde con una "unzione di

tras"erimento iG 5

ingressi moi"i#anti o inter"erenti * mdy , miy - possono a loro +olta essere di+isi in

desiderati e indesiderati, ciascuno con una propria relazione ingressouscita. 'ssiinter+engono modi"icando le "unzioni di tras"erimento dG e iG .

!omplessi+amente gli ingressi indesiderati e gli ingressi modi"icanti sono detti ingressi sp$ri.(uscita 0 perci) legata ai +ari ingressi dalla seguente relazione

-*-* mimiiimdmddd yGyGyGyGz +++= 6 opportuno anche de"inire una grandezza molto importante nellanalisi dellin"luenza dei disturbisu un sistema generico, cio0 il rapporto segnale*r$more o signalnoise ratio *S:;-. 'sso pu)essere calcolato sia per lingresso che per luscita del sistema ed 0 espresso come

-,*-,*

mii

mdd

yyDyyS

DSSNR ==

Metoi i ri$!ione ell+in"l$en!a ei ist$r%i

1- Metoo ell+insensi%ilit' intrinse#a attra+ersomodi"iche "isiche dello strumento di misura lo sirende sensibile esclusi+amente agli ingressidesiderati *


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in "requenza. !hiaramente i "iltri de+ono essere progettati accuratamente, conoscendo apriori le caratteristiche dei disturbi che si +ogliono "iltrare5

.iltri s$ll+ingresso .iltro s$ll+$s#ita

4- Metoo ella retroa!ione a ele&ato g$aagno consiste nellampli"icazione degli ingressidesiderati, come rappresentato in "igura

H

y

HG

yG

HG

yGS

SNRyGyG

DSSNR

yDySHG

yG

HG

yGz

yGHzyGz

d

d

dd

d

ddu

u

ii

dd

u

uu

iudu

d

ii

d

dd

iidd

=//

//

+=

==

+=+

++

=

+=

1

-*-*11

-*

?i conseguenza, pi8 alto 0 @, meno luscita +err in"luenzata dal guadagno dG e da ci) che

lo modi"ica e dagli ingressi indesiderati.

Ponte i /)eatstone

Il ponte di heatstone 0 una con"igurazione circuitale comune a molti sensori passi+i, soprattuttoresisti+i o capaciti+i, che basino il proprio "unzionamento sulla +ariazione di resistenza o capacitindotta dalla de"ormazione. 6 un circuito dotato necessariamente di unalimentazione esterna.


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B

I +ertici A e C sono detti &erti#i i alimenta!ione, mentre ! e? sono i &erti#i i rile&a!ione. Applicando il partitore ditensione, per il ponte di heatstone +ale

+

+

=

+=

+=

=

43

4

21

2

43

4

21

1

RR

R

RR

RVV

RR

RVV

RR

RVV

VVV

AOUT

AD

AC

DCOUT

* 1R tra A e !, 2R tra C e !,NdR-Si possono anche in+ertire i +ertici di alimentazione e rile+azione, ottenendo uno schema del tipo

+

+=

+=

+=

=

cb

c

da

dAOUT

cb

cAb

da

dAa

baOUT

RR

R

RR

RVV

RR

RVV

RR

RVV

VVV

Se il ponte di heatstone ha tensione di uscita nulla quando le resistenze che contiene non hannoancora subito +ariazioni rispetto al loro +alore nominale, si dice che esso 0 %ilan#iato. Dual 0,

perci), la #oni!ione i %ilan#iamentodel ponteE !onsiderando il ponte con un ramo atti+o, cio0occupato da una resistenza o altro componente circuitale +ariabile, tale che per esso +alga unarelazione del tipo RRR += < , e considerando il primo schema circuitale per il ponte di

heatstone, con 1R +ariabile *e perci) pari a 11


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( )

( )

{( ) 1

In questo circuito +algono le seguenti relazioni per le tensioni

=

+=

=

+=

+

+

+

VVV

VVV

VVV

VVV

d

c

dc

dc

2

2

2

=dV tensione di""erenziale in ingresso

=cV tensione di modo comune

=np II , correnti di polarizzazione

=c# impedenza dingresso di modo comune=d# impedenza dingresso di""erenziale

=u# impedenza duscita

:ormalmente limpedenza dingresso di modo comune 0 molto maggiore di quella di""erenziale. (atensione di modo comune 0 la tensione che a+rebbero i 2 morsetti di ingresso se "ossero entrambicortocircuitati a massa, perci) in presenza di un generico ingresso tra di essi e la massa c0necessariamente unimpedenza, che 0 appunto quella di modo comune. (a tensione di modocomune, nellanalisi circuitale, +iene inoltre assunta come LcontenitoreM della maggior parte deglie+entuali disturbi presenti in ingresso, con poche eccezioni.(a progettazione di un circuito ad ampli"icatori operazionali 0 di+isa in 2 "asi dapprima si progetta

il circuito assumendo una serie di condizioni di idealit per gli ampli"icatori, quindi se ne +alutanole non idealit in separata sede, in base a speci"iche di progetto e parametri "orniti dal costruttore.&a quali sono queste idealitE n %PA&P ideale de+e rispettare le seguenti condizioni

per"etta i""eren!ialit' la tensione in uscita dipende esclusi+amente dalla tensionedi""erenziale, e quindi dalla di""erenza dei 2 ingressi -* + == VVAVAV dddu 5

impeen!e i ingresso in"inite e pri&e i #omponenti reatti&e +?2= ,


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4B

Con"ig$ra!ione in&ertente


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4


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$

Comparatori e rile&atore i pi##o

I comparatori di tensione sono di+ario tipo, ma i tipi principali sonoil #omparatore sempli#e e il

#omparatore #on isteresi. Il primo0 semplicemente un %PA&Pcostruito per la+orare quasi semprein regione di saturazione e rice+ein ingresso una tensione "issa !efV

da comparare con un ingresso+ariabile iV *+. a lato-.

Il "unzionamento 0 semplice se latensione di""erenziale in ingresso 0

positi+a, luscita sar 2V 5 se in+ece

0 negati+a, luscita sar 2V .Simbolicamente, il "unzionamento0 cos9 descritto

2u!efid

2u!efid

VVVVVVVVV

VVVVVVVVV

=

=

++

++


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#B

In"ine, un altro circuito ad %PA&P importante non solo per l'!7 ma in assoluto 0 il rile&atore ipi##o, cos9 con"igurato

!ome "unzionaE Supponiamo che il diodo sia ideale, cio0 che conduca per tensioni dV positi+e, e

che inizialmente la tensione cV sia nulla, e perci) che il condensatore sia scarico e uV sia anchessa

nulla. Il primo %PA&P LtrasportaM tensione di""erenziale uid VVV =

, e quando questa 0 positi+a,cio0 quando ui VV , il diodo conduce e carica il condensatore. Il +alore di tensione assunto ai capi

del condensatore rappresenta il nuo+o +alore di uV , poich= in mezzo c0 uno stadio inseguitore, che

+err con"rontato coi nuo+i ingressi e +ia +ia si ripeter il procedimento. :el caso in cui il diodonon "osse ideale, iV do+rebbe essere maggiore di cV pi8 un termine che rappresenta la soglia di

accensione del diodo per poter rile+are il picco.


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> SICUREZZA E3ETTRICA

3Tutt% ci4 c2e pu4 gua$ta!$i5 p!ima % p%i5 in effetti5 $i gua$te!67

(e comuni pratiche della medicina espongono pazienti e addetti ai la+ori a quantit maggiori disostanze chimiche e "enomeni "isici potenzialmente noci+i rispetto a quelle che si rice+erebberomediamente nella quotidianit. %ra ci preoccupiamo di analizzare il pericolo insito in uno di questiagenti, ossia lelettricit, e le +arie contromisure che si possono adottare nel nostro ambito.

Intera!ione #ol #orpo $mano7 prin#ipali e""etti

7li e""etti principali dellelettricit sul corpo umano sono stimola!ione elettri#adei tessuti eccitabili *ner+i e muscoli-5 s&il$ppo i #alorenei tessuti eccitabili, per e""etto `oule5 $stioni elettro#)imi#)e e anneggiamento ei tess$ti legato a tensioni ele+ate e alla

presenza di correnti continue.&a come si pu) descri+ere linterazioneE &olto semplicemente, se una persona entra in contattocon un punto di un oggetto non isolato posto ad un certo potenziale elettrico, si creer dal punto dicontatto un percorso condutti+o +erso la terra attra+erso il corpo, in cui inizier a scorrere unacorrente di intensit basata sulla resistenza o""erta dai tessuti al suo passaggio. :ella "attispecie,sono stati rile+ati questi +alori di impedenza nel corpo umano

pelle nel punto di contatto 11


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