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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Con"ig$ra!ione in&ertente
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Comparatori e rile&atore i pi##o
I comparatori di tensione sono di+ario tipo, ma i tipi principali sonoil #omparatore sempli#e e il
#omparatore #on isteresi. Il primo0 semplicemente un %PA&Pcostruito per la+orare quasi semprein regione di saturazione e rice+ein ingresso una tensione "issa !efV
da comparare con un ingresso+ariabile iV *+. a lato-.
Il "unzionamento 0 semplice se latensione di""erenziale in ingresso 0
positi+a, luscita sar 2V 5 se in+ece
0 negati+a, luscita sar 2V .Simbolicamente, il "unzionamento0 cos9 descritto
2u!efid
2u!efid
VVVVVVVVV
VVVVVVVVV
=
=
++
++
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#B
In"ine, un altro circuito ad %PA&P importante non solo per l'!7 ma in assoluto 0 il rile&atore ipi##o, cos9 con"igurato
!ome "unzionaE Supponiamo che il diodo sia ideale, cio0 che conduca per tensioni dV positi+e, e
che inizialmente la tensione cV sia nulla, e perci) che il condensatore sia scarico e uV sia anchessa
nulla. Il primo %PA&P LtrasportaM tensione di""erenziale uid VVV =
, e quando questa 0 positi+a,cio0 quando ui VV , il diodo conduce e carica il condensatore. Il +alore di tensione assunto ai capi
del condensatore rappresenta il nuo+o +alore di uV , poich= in mezzo c0 uno stadio inseguitore, che
+err con"rontato coi nuo+i ingressi e +ia +ia si ripeter il procedimento. :el caso in cui il diodonon "osse ideale, iV do+rebbe essere maggiore di cV pi8 un termine che rappresenta la soglia di
accensione del diodo per poter rile+are il picco.
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> SICUREZZA E3ETTRICA
3Tutt% ci4 c2e pu4 gua$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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