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
Acquisizione: l’amplificatore differenziale
• 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
Acquisizione: l’amplificatore differenziale
Z= V/I
Vin(-)= (Zin)100/(Zs)5+(Zin)100 x Vi(-) = 0.95 x Vi(-)
Vin(-)= (Zin)50/(Zs)5+(Zin)50 x Vi(-) = 0.90 x Vi(-)
Acquisizione: l’amplificatore differenziale
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
Vin(-)= (Zin)100/(Zs)5+(Zin)100 x Vi(-) = 0.95 x Vi(-)
Vin(-)= (Zin)100/(Zs)80+(Zin)100 x Vi(-) = 0.55 x Vi(-)
• 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.
Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi
SalvataggioSalvataggio
AnalogicoAnalogico DigitaleDigitale
AmplificazioneAmplificazione CampionamentoCampionamento DecimazioneDecimazione
VisualizzazioneVisualizzazione
QuantizzazioneQuantizzazione
StimolatoreStimolatore
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
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
CONVERSIONE A/D campionamento
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).
CONVERSIONE A/D campionamento
• 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.
CONVERSIONE A/D campionamento
• 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
CONVERSIONE A/D campionamento
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
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)
CONVERSIONE A/D quantizzazione
• 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)
Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi
SalvataggioSalvataggio
AnalogicoAnalogico DigitaleDigitale
AmplificazioneAmplificazione CampionamentoCampionamento DecimazioneDecimazione
VisualizzazioneVisualizzazione
QuantizzazioneQuantizzazione
StimolatoreStimolatore
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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