Elettromiografo Amplificatore Stimolatori Computer Dispositivi di Uscita: Monitor Casse Stampante...

ElettromiografoElettromiografo

AmplificatoreAmplificatore

StimolatoriStimolatori

ComputerComputer

Dispositivi di Uscita:Dispositivi di Uscita:MonitorMonitorCasseCasseStampanteStampante

Dispositivi di Ingresso:Dispositivi di Ingresso:TastieraTastieraMouseMousePedalieraPedalieraTastierino di ControlloTastierino di Controllo

Gli elementi che compongonoGli elementi che compongono

un Elettromiografo sono:un Elettromiografo sono:

AccessoriAccessori

anima sistemi computerizzati

“testina di acquisizione”

Elettromiografo

Elettromiografo

amplificatori

Testina paziente

interfaccia

Conversione A/D

acquisizione elaborazione

Controlli (sensibilità, filtri)

Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi

SalvataggioSalvataggio

AnalogicoAnalogico DigitaleDigitale

AmplificazioneAmplificazione CampionamentoCampionamento DecimazioneDecimazione

VisualizzazioneVisualizzazione

QuantizzazioneQuantizzazione

StimolatoreStimolatore

Acquisizione: l’amplificazione

Gli amplificatori sono dei circuiti a transistor

che amplificano il segnale bioelettrico

mantenendo inalterate in uscita le

caratteristiche in frequenza.

• L’amplificatore differenziale è un dispositivo elettronico che

• amplifica la differenza tra i due segnali presenti ai suoi ingressi

• permette di eliminare componenti uguali per ampiezza e fase dei

segnali di ingresso, la cui differenza algebrica è praticamente nulla

Acquisizione: l’amplificatore differenziale

Acquisizione Segnale: Amplificazione Amplificazione (10000 Volte) della Differenza di Potenziale tra due punti Amplificazione (10000 Volte) della Differenza di Potenziale tra due punti

mediante mediante Amplificatore DifferenzialeAmplificatore Differenziale

VVOUTOUT=(V=(VAA-V-VGG)-(V)-(VBB-V-VGG)=V)=VAA-V-VBB

Ingresso (+)

Ingresso (-)

Uscita

Massa

VA

VB

VOUT

VG

CMRR = Indice di Reiezione dei Rumori Comuni ai due IngressiCMRR = Indice di Reiezione dei Rumori Comuni ai due Ingressi

vale circa 1000000, minimo 100 dB @ 50 Hzvale circa 1000000, minimo 100 dB @ 50 Hz

• Elevato guadagno (rapporto tra segnale in ingresso e segnale in uscita) per

amplificare il basso segnale di ingresso (10000 volte)

• CMRR (common mode rejection ratio): rapp. di reiezione di modo comune

• indica la capacità dell’amplificatore di reiettare/attenuare le

componenti uguali dei segnali in ingresso e di amplificarne le

differenze (100 dB).

• un alto CMRR è importante nelle applicazioni in cui l’informazione

rilevante è contenuta nella differenza di potenziale tra due segnali


• Una caratteristica importante degli amplificatori

differenziali è l’impedenza d’ingresso Zin

(caratteristica costruttiva).

• Elevata impedenza di ingresso (decine di

MOhm); questa impedenza molto superiore a

quello dell’impedenza degli elettrodi, assicura

che il segnale registrato sullo scalpo venga

trasmesso praticamente senza alcuna

attenuazione ai circuiti di ingresso

• Zs = impedenza dell’elettrodo registrante


Z= V/I

Vin(-)= (Zin)100/(Zs)5+(Zin)100 x Vi(-) = 0.95 x Vi(-)



Attenzione alle impedenze!

MOLTO BASSE

• se Zs<<Zin Vin(-) Vi(-)

• se Zs Zin Vin(-) ½ Vi(-) !!!

E BILANCIATE!!!

se Zs1 Zs2 Vin(-) Vi(-)

Zin

Zs



• Il segnale prelevato dagli elettrodi, amplificato e filtrato è un

SEGNALE ANALOGICO e deve essere trasformato in un sequenza

finita di numeri per poter essere acquisito, visualizzato manipolato,

stampato e memorizzato in un computer.

• L’operazione attraverso la quale avviene questo risultato è la

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D), realizzata

attraverso dispositivi chiamati convertitori A/D.

• E’ di fondamentale importanza che questa operazione venga svolta

correttamente perchè eventuali errori introdotti in questa fase non

possono essere più corretti.

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

Il tempo di campionamento (Tc), o

frequenza di campionamento (Fc)

determinano la risoluzione del segnale

(traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE

CONVERSIONE A/D campionamento

campionamento

tempo

segnale analogico

campionamento

Fc

tempo

tempo

segnale analogico

campionamento

Fc

• Il tempo di campionamento (Tc), o frequenza

di campionamento (Fc) determinano la

risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE

ORIZZONTALE

• Più corto è il Tc o più alta è la Fc

• più sono i punti della traccia

intercettati,

• più fedele è la riproduzione del segnale

digitale


Il teorema di Nyquist (teorema del campionamento o di Shannon)

stabilisce le condizioni necessarie e sufficienti per la corretta

conversione A/D di un segnale:

la frequenza di campionamento deve essere

almeno il doppio della frequenza più elevata nel

segnale (Frequenza di Nyquist).


• Quando questa condizione è rispettata la forma d’onda originale può essere

ricostruita con l’accuratezza desiderata usando opportune formule di

interpolazione a partire dall’informazione memorizzata in forma numerica.

• Al contrario se la frequenza di campionamento è troppo bassa rispetto alla

frequenza massima del segnale da convertire la forma d’onda numerica

risulterà distorta

• In particolare le frequenze superiori alla metà di quella del campionamento

(Fc/2) appariranno come frequenze più basse (ALIASING).

• Questo errore non può essere corretto successivamente.


• Per evitare questa distorsione senza ricorrere ad una frequenza di

campionamento molto alta rispetto alle caratteristiche del segnale

(oversampling) con conseguente notevole incremento della quantità di dati da

memorizzare è necessario filtrare il segnale analogico con un filtro per le alte

frequenze prima di effettuare la conversione A/D.

• La frequenza di campionamento per il segnale EEG non dovrebbe essere

inferiore a 100 Hz


Digitalizzazione EMG: Valori Tipici

Tipo SegnaleTipo Segnale AmpiezzaAmpiezza VVININ RisoluzioneRisoluzione Banda Banda FFCC IntervalloIntervallo

EMG ad AgoEMG ad Ago 0.1 – 20 0.1 – 20 mVmV 25600 25600 VV 0.39 0.39 V/digitV/digit 2 – 10000 2 – 10000 HzHz 32768 Hz32768 Hz ContinuoContinuo

VCMVCM 0.1 – 20 0.1 – 20 mVmV 25600 25600 VV 0.39 0.39 V/digitV/digit 2 – 10000 2 – 10000 HzHz 32768 Hz32768 Hz 50 msec.50 msec.

VCSVCS 1-100 1-100 VV 3200 3200 VV 48.8 48.8 nV/digitnV/digit 5 – 2000 5 – 2000 HzHz 8192 Hz8192 Hz 50 msec.50 msec.

Singola FibraSingola Fibra 0.5 – 10 0.5 – 10 mVmV 25600 25600 V V 0.39 0.39 V/digitV/digit 500 – 5000 500 – 5000 HzHz 32768 Hz32768 Hz 5 msec.5 msec.

P300P300 10-40 10-40 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 0.16-100 0.16-100 HzHz 256 Hz256 Hz 800 msec.800 msec.

PESPES 2-10 2-10 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 3-2000 3-2000 HzHz 8192 Hz8192 Hz 100 msec.100 msec.

PEVPEV 5-20 5-20 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 1-200 1-200 HzHz 512 Hz512 Hz 250 msec.250 msec.

PEATCPEATC 0.2 – 1 0.2 – 1 VV 800 800 VV 12.2 12.2 nV/digitnV/digit 3 – 3000 3 – 3000 HzHz 16384 Hz16384 Hz 15 msec.15 msec.

Calcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bitCalcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bit

Valori ricavati da:Valori ricavati da:

““Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition. Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition.

Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.

Edited by G. DEUSCHL and A. EISEN - ElsevierEdited by G. DEUSCHL and A. EISEN - Elsevier

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

Determina la risoluzione del segnale (traccia)

sull’ASSE VERTICALE

L’EEG viene trasformato in una sequenza di numeri

interi misurandone l’ampiezza ad intervalli di tempo

equidistanti (Fc) convertendo la tensione misurata

in un numero intero

CONVERSIONE A/D quantizzazione


La precisione con cui vogliamo misurare un oggetto

L’unità di misura è

rappresentata dal

numero di bit

quantizzazione

Il numero di linee è espresso dai bit e si esprime come potenza di 2 (2nbit) se sono 8 linee sarà espresso come 23

quantizzazione

Aumentando i bit si aumentano il numero di linee

• Il numero di bit (2n) utilizzato dal convertitore A/D

determina la risoluzione del segnale (traccia)

sull’asse verticale

• Il valore minimo di ampiezza rappresentabile sullo

schermo è dato dal segnale in ingresso diviso la

risoluzione

• 3 bit corrispondono a 8 livelli (23)

• 16 bit corrispondono a 65.536 livelli (216)


• I convertitori sono quindi in grado di generare numeri interi compresi tra

ZERO ED UN VALORE MASSIMO che dipende dal numero di bit di

risoluzione secondo la formula

• Valore max= 2N-1, dove N è il numero di bit

• Oppure TRA UN VALORE MINIMO NEGATIVO ED UNO MASSIMO sempre

dipendente dal numero di bit.

• Ad esempio per un convertitore A/D a 12 bit l’uscita numerica può variare da

0 a 4095 (212) o da -2048 a +2047;

• Per un convertitore a 16 bit tra 0 e 65355 (216) o da -32768 a +32768

CONVERSIONE A/D quantizzazione (n bit)

Digitalizzazione: la Visualizzazione

Problemi della visualizzazioneProblemi della visualizzazione

• Numero Pixel in Orizzontale < Numero Campioni SegnaleNumero Pixel in Orizzontale < Numero Campioni Segnale• Numero Pixel in Verticale < Numero Livelli SegnaleNumero Pixel in Verticale < Numero Livelli Segnale• Utilizzare sempre la risoluzione massima della Scheda GraficaUtilizzare sempre la risoluzione massima della Scheda Grafica

200020

1.0

f [Hz]

s(nTs(nT11)) ssFF(nT(nT11))

SERIE DI SERIE DI NUMERI NUMERI INTERIINTERI

t [sec]

S1=3,0 S1=3,0 S2=7,0 S2=7,0 S3=3,0 S3=3,0 S4=1,0 S4=1,0 S5=4,0 S5=4,0

S1=3,0 => P2 S1=3,0 => P2 S2=7,0 => P4 S2=7,0 => P4 S3=3,0 => P2 S3=3,0 => P2 S4=1,0 => P1 S4=1,0 => P1 S5=4,0 => P3S5=4,0 => P3

P4

P3

P2

P1

FILTRO DIGITALE DI VISUALIZZAZIONEFILTRO DIGITALE DI VISUALIZZAZIONE

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