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Strumentazione Biomedica

Strumentazione Biomedica Introduzione alle misure biomediche

Univ. degli studi “Federico II” di Napoli ing. Paolo Bifulco Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

Strumentazione Biomedica

Testi consigliati • G. Avanzolini. Strumentazione biomedica progetto ed impiego dei sistemi di misura. Patron editore. Collana di ingegneria biomedica n. 4 • D. De rossi et al. Sensori per misure biomediche. Patron editore. Collana di ingegneria biomedica n. 10 • F. P. Branca. Fondamenti di Ingegneria Clinica. Vol. 1 . Springer editore • J. G. Webster. Medical instrumentation application and design. John Wiley and sons Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Strumentazione Biomedica

Strumentazione biomedica generalizzata Segnale calibrazione

misurando

sensore

condizionamento

elaborazione display

Memor. effettore Comunicazione

• Il sensore converte energia o informazioni provenienti dal misurando in un’altra forma (normalmente elettrica). Tale segnale opportunamente condizionamento ed Radiazioni, corrente, altri tipi di energia… elaborazione è opportunamente rappresentato (display, etc.). Eventualmente ci può essere un feedback. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Misurando • La quantità fisica, la proprietà o la condizione che la strumentazione biomedica tende a misurare. • L’accessibilità del misurando è molto importante potendo esso essere interno (ad es. pressione sanguigna), disponibile sulla superficie corporea (potenziali bioelettrici), può essere irraggiato dal corpo (emissione infrarossa), può essere ricavato da un campione di tessuto (prelievo di sangue, biopsia), etc. • I misurandi di interesse biomedico possono essere così elencati: biopotenziali, pressione, flusso, dimensioni (bioimmagini), spostamenti (velocità, accelerazioni, forze), impedenza, temperatura, concentrazioni chimiche, etc. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Condizionamento del segnale • In generale, un sensore non può essere connesso direttamente all’unità di visualizzazione. Ad esempio il segnale in uscita al sensore deve essere semplicemente amplificato, filtrato (per eliminare componenti indesiderate di segnale) o adattato (per adattarne l’impedenza verso gli stadi successivi, oppure convertito in segnali digitali per l’interfaccia con P). Altre tecniche più sofisticate possono essere anche utilizzate in particolari misure o situazioni (ad es. media correlata, etc. ) Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Sensore • In genere, il termine trasduttore è definito come un dispositivo che converte una forma di energia in un’altra. Un sensore, generalmente, converte un misurando fisico in una grandezza elettrica (in maniera diretta o indiretta). • Il sensore dovrebbe : – rispondere solo alla forma di energia presente nel misurando – Interfacciarsi al sistema biologico in maniera minimamente invasiva, minimizzando l’energia estratta. –… Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Visualizzazione del segnale • Il risultato del processo di misura deve poter essere opportunamente visualizzato in una forma tale che un operatore umano possa percepirlo. In generale, le forme di visualizzazione possono essere numeriche o grafiche, discrete o continue, permanenti o temporanee, etc. • Si consideri anche di sfruttare anche altri sensi della persona come ad esempio l’udito, (ad es. fonoendoscopio, segnali velocimentrico doppler, etc.) • Si ricordi a tal proposito anche i segnali di allarme (spesso ottico- acustici) largamente impiegati in varie strumentazioni biomediche. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Elementi ausiliari • Un segnale di calibrazione (con le stesse proprietà del misurando) può essere particolarmente utile nell’effettuare una misura • Varie forme di controllo e feedback possono essere utilizzate per stimolare la risposta del misurando, per variare le proprietà del sensore o altro, dirigere il flusso di uscita, etc… • I segnali misurati possono essere registrati in modo permanente in modo da poter essere semplicemente richiamati o successivamente elaborati differentemente • I dati e segnali ricevuti possono essere sempre più facilmente trasmessi anche avvalendosi delle moderne reti di telecomunicazioni Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Modalità di funzionamento • Modalità diretta e indiretta • DIRETTA: Se il misurando può essere interfacciato direttamente ad un sensore (direttamente accessibile o possibilità di misure invasive) • INDIRETTA: Se il misurando non è accessibile. Si può utilizzare un altro misurando che contiene informazioni sul primo o forme di energia o materiali che interagiscono con il primo misurando generando un altro misurando accessibile. Esempi: output cardiaco (volume di sangue pompato dal cuore al minuto) con tecniche di diluzione, morfologie di organi interni in radiografia (raggi X), volume polmonare determinato con variazioni di impedenza toracica. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Modalità di funzionamento

• Modalità a campioni e registrazione continua • Misure in alcuni istanti temporali: Alcuni misurandi (ad es. temperatura, concentrazione ionica, etc.) variano molto lentamente e possono essere misurate un volta ogni tanto • Misurazioni continue: Altri misurandi (ad es. ECG, flusso respiratorio, etc.) richiedono un misurazione continua (o molto frequente). In generale, contenuto frequenziale del misurando, le condizioni del paziente l’obiettivo della misura, etc. determinano la frequenza di acquisizione delle misure. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Modalità di funzionamento • Sensori che generano o modulano l’uscita • Vi sono sensori che generano il segnale di uscita prelevando energia dal misurando (ad es. una cella fotovoltaica: si genera una differenza di potenziale che varia al variare dell’intensità di luce che incide sulla cella) • In alternativa vi sono sensori che utilizzano il misurando per variare un flusso di energia proveniente da un’altra sorgente (ad es. un fotocellula: la luce modula la corrente che passa attraverso le fotocellula) Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Modalità di funzionamento

• Analogica / Digitale • Una distinzione può essere quella tra: segnali intrinsecamente continui (analogici) e discreti (digitali) che possono assumere soltanto un numero finito di valori. • … • Si considerino anche gli indicatori analogici rispetto a quelli numerici

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Modalità di funzionamento • Real-time / tempo differito • Un sensore che fornisce immediatamente la stima del misurando si dice che agisce in real-time. • In alternativa la misura può non venir fornita nel momento stesso della misurazione ma con un certo ritardo, ad es. dovuto all’elaborazione del segnale (tempo differito). Si consideino alcune misura di laboratorio analisi (ad es. colture cellulari) che necessitano di giorni per fornire la misura desiderata. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

Alcuni segnali fisiologici Flussi ematici

1 - 300 ml/s

0 – 20

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Elettromagnetico, ultrasuoni

Pressione sanguigna

0 - 400 mmHg

0 – 50

strain gage o cuffia

Portata cardiaca

4 - 25 l/min

0 – 20

Fick, diluzione color. o term.

Elettrocardiografia(ECG)

0.5 - 4 mV

0.05 – 150

Elettroencefalografia(EEG) 5 - 300

Elettrodi cutanei

V

0.5 – 150

Elettrodi cutanei

Elettromiografia(EMG)

0.1 - 5 mV

0 – 10000

Elettrodi cutanei o ad ago

Elettroretinografia (ERG) Elettrooculografia (EOG)

0 - 900 V 50 - 3500 V

pH

0 – 50 0 – 50

Lente Elettrodo Elettrodi cutanei

3 - 13 pH units

0–1

Elettrodo per pH

CO2

40 - 100 mmHg

0–2

Elettrodo per CO2

O2

30 - 100 mmHg

0–2

Elettrodo per O2

Pneumotachography

0 - 600 L/min

0 – 40

Pneumotacometro

Frequenza respiratoria

2 - 50 atti/min

0.1 – 10

Temperatura

32 to 40 °C

0 - 0.1

Impedenziometria,sens. dilataz. toracica, termistore nasale Termistori, termocoppie, etc.

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Ampiezza

Caratteristiche di alcuni biopotenziali

Frequenza Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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… • …

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Caratteristiche statiche e dinamiche di un strumento di misura

• E’ importante specificare le caratteristiche offerte da uno strumento di misura per conoscere quanto fedelmente uno strumento di misura riproduca il misurando, quanto dipenda da possibili interferenze. • Normalmente le prestazione di uno strumento di misura si dividono in statiche e dinamiche (in base alla frequenza del segnale di ingresso) • Le caratteristiche STATICHE descrivono le prestazioni dello strumento in continua. Ad es. la risposta dello strumento ad un ampio intervallo di valori in ingresso, le non-linearità, effetti statistici, etc. • Le caratteristiche DINAMICHE descrivono le prestazioni dello strumento in alternata. Richiedono l’uso di equazioni differenziali per esprimere il comportamento. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Errori nelle misure • Errori dovuti allo strumento di misura – Variazioni di temperatura – Invecchiamento – Imperfette tracciatura e suddivisione della scala dello strumento – Imperfezioni della struttura meccanica dello strumento

• Errori di lettura – Errore di parallasse – Errore di apprezzamento

• Errori causati dalle operazioni di misura Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Errori nelle misure • Errori SISTEMATICI – Rimangono costanti ripetendo l’operazione di misura, oppure hanno un andamento prevedibile. Ad esempio gli errori dovuti agli strumenti di misura sono errori sistematici: l’imperfetta tracciatura della scala comporta un errore costante. La variazione dell’indicazione con la temperatura è invece un errore avente andamento prevedibile.

• Errori ACCIDENTALI – Sono errori che non si mantengono costanti e non hanno un andamento prevedibile ripetendo l’operazione di misura; hanno un andamento fluttuante in alcune misure in eccesso, in altre in difetto. Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Definizioni degli errori: Errore Assoluto • Si definisce come errore assoluto a di una misura la differenza tra il valore misurato della grandezza xm ed il valore esatto x:

a

= xm -x

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Definizioni: Errore Relativo e Percentuale • Nella pratica interessa riferire l’errore al valore misurato; infatti si può dire che l’errore è piccolo o grande, e quindi più o meno tollerabile, se lo si confronta con la misura della grandezza. • Errore RELATIVO r = a/xm = (xm-x)/xm • Errore PERCENTUALE % = [ a/xm]100 = [(xm-x)/xm]100 Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Esempio • Valore misurato: • Valore vero:

223 V 220 V

• Errore assoluto

223 V– 220 V

= 3V

• Errore relativo

3 V/ 220 V

= 0.0136 …

• Errore percentuale

(3 V/ 220 V)100

= 1.36 %

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PRECISIONE (ACCURACY) di una misura

Dati sperimentali con bassa precisione (accuracy)

Dati sperimentali con alta precisione (accuracy)

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RIPRODUCIBILITA’ di una misura

Dati sperimentali con bassa riproducibilità

Dati sperimentali con alta riproducibilità

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Campo di misura • E’ il massimo intervallo entro cui lo strumento è in grado di misurare la grandezza di ingresso (rispettando le specifiche dichiarate) • Per uno strumento lineare è è di uso comune il termine campo di funzionamento lineare.

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• La sensibilità statica di uno strumento è la pendenza della curva ingresso-uscita in corrispondenza di uno specificato valore dell’ingresso. • Se la curva ingresso uscita è una retta, la sensibilità non dipende dal valore di ingresso e coincide con il coefficiente angolare della retta

Uscita

Sensibilità statica Deriva di sensibilità

Deriva di zero (offset) Caratteristica desiderata

Ingresso

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SENSIBILITA’ OUT

OUT

IN

IN

Bassa sensibilità

Alta sensibilità

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Linearità • Un sistema è lineare se soddisfa il principio di sovrapposizione degli effetti

Ingresso

Uscita

Ingresso

Uscita

x1

LTI

y1

x1 + x2

LTI

y1 + y2

x2

LTI

y2

K x1

LTI

K y1

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Scostamento dalla linearità • Nella pratica nessuno strumento ha una risposta perfettamente lineare (ed è utile sapere di quanto). • Come indice di scostamento dalla linearità si assume la massima deviazione di un qualunque punto di calibrazione dalla retta dei minimi quadrati, espressa come percentuale dei valori letti, o del fondo scala, o di una loro combinazione. • Questo ultimo metodo è probabilmente il più realistico e porta alla definizione di un indice detto di non-linearità indipendente secondo il quale si assume come errore di linearità il maggiore tra A% l’errore percentuale sul valore letto e B% l’errore percentuale del fondo scala. • Cioè si scelgono i valori A e B in modo che l’errore sia sempre inferiore al più grande tra A y(z)/100 e B FS/100

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• Il primo termine (±A%del valore letto) riconosce la desiderabilità di un errore percentuale su tutto il campo di misura. Ciò richiederebbe errori assoluti tendenti a zero quando tende a zero il valore letto. • Il secondo termine (±B% del fondo scala) tiene proprio conto dell’impossibilità di avere errori assoluti estremamente piccoli presso lo zero.

Uscita

Scostamenti dalla linearità Retta ai minimi quadrati B% del fondo scala

FS

A% della lettura

B FS/A

Ingresso

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Calibrazione statica • Le prestazioni statiche di uno strumento si misura si ottengono determinando la relazione ingresso uscita denominata curva di calibrazione statica. • Durante la calibrazione statica si cercano di mantenere costanti tutti gli altri ingressi (indesiderati o modificanti), mentre l’ingresso in esame è fatto variare entro un prefissato intervallo di valori e si osservano i corrispondenti valori dell’uscita, una volta raggiunto l’equilibrio. • Ovviamente nel processo di calibrazione statica l’ingresso deve essere misurato con uno strumento dotata di precisione superiore (ad es. 10 volte maggiore) Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Calibrazione statica • Esempio: calibrazione statica di un manometro nell’intervallo 0-10 Kpa dapprima in senso crescente (cerchietti) e poi in senso decrescente (astrerischi) Università degli Studi “Federico II” di Napoli ing. P. Bifulco: tel: 081 7683794 e-mail: [email protected]

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Calibrazione statica • La curva di calibrazione statica può essere spesso approssimata da una retta (nel nostro caso possiamo esprimerla coma z=ay+b). • Si pone allora il problema di trovare quale sia l’equazione della retta che meglio approssimi i dati sperimentali (ad es. si minimizzi la somma dei quadrati delle differenze tra i dati indicati dallo strumento e quelli previsti dalla retta). • Tale problema ha la seguente soluzione:

a

n∑ n zy n∑ n y 2

∑ y∑ z ∑ y n

n 2

b

n

∑ z∑ n∑ n

y n

n

∑ zy∑ ∑y

2

n

n
...