Sistemi
Ingressi ed uscite di un sistema
Diagramma a blocchi di un sistema
Decibel
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Elettroencefalografo
Sistema di misura dei potenziali evocati
Elettromiografo
Sistemi
Un sistema può essere definito come:
Un qualsiasi volume chiuso dove tutti gl’ingressi e uscite sono note
Ad esempio:
• motore termico
• multimetro
• un ecosistema
Ingressi e uscite determinano la natura del sistema
Ingressi e uscite di un sistema
I sistemi possono spesso essere descritti
mediante le grandezze in ingresso in uscita
ed il loro rapporto. Le grandezze in
ingresso ed in uscita possono essere
funzione del tempo o della frequenza.
La natura delle grandezze
in ingresso ed in uscita
dipende da dove sono definiti
I limiti del sistema. Per
esempio:
Modificando i limiti del sistema
varia la natura delle grandezze
in ingresso ed in uscita.
Ingressi e uscite di un sistema
I componenti che interagiscono con il mondo esterno sono denominati
• sensori ed
• attuatori
nell'esempio precedente il microfono rappresenta un sensore
nell'esempio precedente l'altoparlante rappresenta un attuatore
Diagramma a blocchi di un sistema
Spesso è conveniente rappresentare sistemi complessi mediante un
diagramma a blocchi semplificato
Sistema elettrico
In un sistema elettrico in ingresso ed in uscita sono presenti grandezze come:
tensioni, correnti o potenze elettriche.
Di seguito è mostrato un sistema con un solo ingresso e una sola uscita,
• I'ingresso è connesso a un sensore che costituisce la sorgente
• l’uscita è connessa all’attuatore che rappresenta il carico
Sistemi complessi sono spesso suddivisi in sottosistemi o moduli
• l'uscita di ciascun modulo rappresenta la sorgente per la sezione successiva
• l'ingresso di ogni modulo rappresenta un carico alla sezione precedente
Diagramma a blocchi di un sistema elettrico
VPo
Sottosistema
A
VPiCos( t)
ZL
VPi
t
VPoCos( t+
Zi (f ) Ri (f )
jX i (f )
Vi (f )
I i (f )
ZL (f ) RL (f )
jX L (f )
v)
Vo (f )
Io (f )
L’effetto dei componenti reattivi varia in frequenza, per cui il guadagno di una rete con
elementi reattivi varia in frequenza. Tal comportamento è denominato risposta in frequenza.
La risposta in frequenza è descritta tramite modulo e fase del guadagno.
Guadagno di tensione
Vo (f ) VPo (f ) j v
Av (f)
e
Vi (f ) VP i (f )
Guadagno di Potenza AP (f)
Av (f) e
Po (f )
Pi (f )
j
V
Guadagno di corrente
I (f ) IPo (f ) j I
Ai (f) o
e
AI (f) e j
I i (f ) I P i (f )
i
Decibel (dB)
Il guadagno in potenza dei moderni amplificatori elettronici è spesso molto elevato, sono
comuni guadagni di 106 o 107
4
Esempi di guadagni
P
A P (dB) = 10 log10 o
Pi
3
Log10 x
Con tali valori è conveniente usare un'espressione
logaritmica come i decibel.
Il decibel è una cifra adimensionale di AP
2
Log10 (x)
10y =x
1
0
1
10
100
1000 10000
x
40
Ap dB
30
20
10
0
1
10
100
Ap
1000 10000
Usando i dB si semplifica il calcolo del
guadagno nei circuiti in cascata.
Decibel (dB)
Il guadagno di potenza è legato al guadagno di tensione. Assumendo Vi e VL come tensioni in
ingresso ed in uscita e Zi e ZL come le impedenze d’ingresso e di carico .
VPo 2
A P (dB)
P
10log10 o
Pi
10 log10 2 2
VPi
2
Re[1/ ZL ]
Re[1/ Zi ]
Se Re[1/Zi ]=Re[ 1/ZL]
VPo 2
AP (dB) 10 log10 2
VPi
20 log10
VPo
VPi
20 log10 (A V )
Tuttavia, è molto comune descrivere il guadagno di tensione di un circuito in dB come
A V (dB)
Perfino quando Re[1/Zi ]
Re[1/ZL ]
20 log10
Vo
Vi
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Il misurando è la quantità, grandezza, proprietà, o una condizione che viene misurata da un
sistema di strumentazione ed è denominato segnale bioelettrico, come quelli generati dai
muscoli o cervello, segnale chimico o meccanico che viene convertito in un segnale elettrici.
Misurando
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
I sensori sono usati per convertire misurandi fisici in segnali elettrici.
I segnali prodotti da questi biosensori sono segnali analogici (segnali continui) che sono
inviati al blocco di elaborazione analogica dove sono amplificati, filtrati e condizionati.
Misurando
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Successivamente i segnali ottenuti sono inviati al blocco di conversione digitale.
Una volta che i segnali analogici sono stati digitalizzati essi possono essere memorizzati e
elaborati in modo digitale, in questa fase possono essere applicati molteplici metodi di
condizionamento del segnale.
Misurando
In alcuni dispositivi, il
segnale viene memorizzato
brevemente in modo che si
possano effettuare ulteriori
trattamenti o così che un
operatore può esaminare i
dati.
In altri casi, i segnali sono memorizzati in modo permanente in modo che in un secondo
momento possano essere applicati ai segnali più schemi di elaborazione,
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Sistemi di strumentazione di base includono anche i dispositivi di visualizzazione dei dati
che consentono a operatori umani di visualizzare il segnale in un formato che è facile da
comprendere.
Misurando
La maggior parte dei dispositivi
di
visualizzazione,
sono
destinati ad essere osservato
visivamente,
ma
alcuni
dispositivi forniscono anche
segnali acustici (esempio il
battito cardiaco).
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Mediante il telefono ed internet, i segnali possono essere acquisiti con un dispositivo in una
postazione, forse a casa del paziente, e trasmessi a un altro dispositivo per la lavorazione
e/o immagazzinamento.
Misurando
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Altri due componenti svolgono un ruolo importante nei sistemi di strumentazione.
La calibrazione, un segnale noto in ampiezza e contenuto di frequenza viene applicata al
sistema di strumentazione all'ingresso del sensore.
Misurando
Il segnale di calibrazione
permette ai componenti del
sistema di essere regolati in
modo
che
l'uscita
e
l'ingresso
abbiano
un
rapporto noto ottenuto da
misura.
Il secondo è un elemento di
retroazione, dove alcuni
dispositivi di retroazione
raccolgono i dati fisiologici e
stimolano una risposta, ad
esempio, il battito cardiaco
o il soffio.
Oppure fanno parte di sistemi biofeedback in cui il paziente è a conoscenza di una
misurazione fisiologica.
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Un sistema di indagine biomedica è quindi un sistema di misura elettronico realizzato
per monitorare, registrare ed eventualmente elaborare le misure di una o più
grandezze fisiche.
Il segnale acquisito è sottoposto ad amplificazione e filtraggio, la prima permette di
rafforzare la dinamica il secondo riduce l’entità dei disturbi che si accoppiano al
segnale utile.
Dopo la conversione dalla forma analogica a quella digitale, il segnale è inviato ad un
processore per l’elaborazione, l’analisi e l’eventuale visualizzazione dei risultati.
I sistemi di indagine biomedica possono essere suddivisi in sistemi:
• supportati da PC o
• portatili.
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
Nel caso dei sistemi supportati da PC, la sezione di acquisizione si interfaccia con un
PC, che svolge funzioni di elaborazione del segnale e di memorizzazione. L’utente può
usufruire di un’interfaccia grafica con la quale controllare e regolare i parametri di
acquisizione e di elaborazione ed esaminare i risultati.
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica
I sistemi di acquisizione dati portatili presentano dimensioni e consumi ridotti e
pertanto permettono il monitoraggio dei segnali biologici anche al di fuori dei
laboratori clinici.
La figura mostra il range in tensione e in frequenza di alcuni tipici segnali
EOG elettrooculografia
EEG elettroencefalogramma
ECG elettrocardiogramma
EMG elettromiografia
AAP potenziale d’azione assone
Elettroencefalografo
Il funzionamento di un elettroencefalografo dipende dal fatto che le cellule nervose nel
cervello producono costantemente piccoli segnali elettrici.
I neuroni, trasmettono le informazioni in tutto il corpo elettricamente. Essi creano
impulsi elettrici dalla diffusione di calcio, sodio e ioni potassio attraverso le membrane
cellulari.
Quando una persona sta pensando, o guardando la televisione diverse parti del
cervello vengono stimolate. Questo crea diversi segnali elettrici che possono essere
monitorati da un elettroencefalogramma.
Elettroencefalografo
I potenziali elettrici generati dall'attività neurale del cervello possono essere osservati sul
cuoio capelluto con appropriate tecniche di amplificazione.
I segnali misurati costituiscono l’elettroencefalogramma (EEG), che riflette le funzioni
globali del cervello.
In un tipico esame clinico, l'EEG è registrata per un
periodo di circa 15 a 20 minuti, con il paziente
seduto e rilassato. L'attività misurata in queste
condizioni è denominata EEG di background, per
distinguerla da attività misurate mentre il paziente
è sottoposto a
stimoli esterni. Applicazioni
avanzate di EEG, quali gestione del sonno,
monitoraggio della funzione cerebrale nel reparto
di terapia intensiva, e così sono effettuate in
periodi di diverse ore o addirittura giorni di
registrazione.
Elettroencefalografo
Blocchi fondamentali di un Elettroencefalografo
Componenti essenziali dell’elettroencefalografo:
• Elettrodi e cavi,
• Amplificatori e filtri,
• un modulo di controllo (computer) ,
• un dispositivo di visualizzazione,
Elettroencefalografo
Elettrodi
Essi fondamentalmente devono facilitare la conduzione dei piccoli segnali prodotti nel
cervello. In altre parole gli elettrodi devono minimizzare la resistenza di contatto tra
l'elettrodo e la pelle di superficie e garantire un contatto stabile e affidabile.
Gli elettrodi sono dischi metallici collocati sul cuoio capelluto in posizioni particolari.
Ogni singolo elettrodo è etichettato con una lettera e un numero. La lettera si riferisce
alla zona del cervello sottostante dell'elettrodo es F - lobo frontale e T - del lobo
temporale. Anche i numeri indicano il lato destro della testa e numeri dispari sul lato
sinistro della testa.
Esiste una grande varietà di elettrodi. La maggior parte sono piccoli dischi di acciaio
inossidabile, stagno, oro o argento coperto con un rivestimento di cloruro di argento.
Elettroencefalografo
Amplificatori
Con valore minimo di ingressi pari a 25 (21 sul cuoio capelluto, il riferimento a terra del
sistema e 2 extra) sono raccomandati 32 ingressi (9 elettrodi extra).
L’impedenza di ingresso deve essere maggiore di 10 Mohm.
Il rapporto di reiezione di modo comune dovrebbe essere di almeno 100 dB per ogni
ingresso.
Fotostimolatore
E’ un dispositivo lampeggiante (flash) che emette una luce la cui
intensità, frequenza e durata sono controllate da un operatore. Il
flash viene posizionato ad un metro di distanza dalla testa del
paziente tale stimolazione è usata come parte dei test di routine
dell’EEG.
Elettroencefalografo
Computer e software
Computer di tipo normale possono essere utilizzati in attrezzature mediche.
Non ci sono componenti aggiuntivi da utilizzare, tranne schede video con capacità tale
da effettuare il monitoraggio video.
La maggioranza dei computer impiegati per le apparecchiature di neurofisiologia
utilizzano come sistema operativo Microsoft Windows.
Un software medico specializzato è utilizzato per analizzare, visualizzare e fornire
funzioni speciali.
Sistema di misura dei potenziali evocati
I potenziali evocati (PE) sono esami che studiano le risposte del sistema nervoso
centrale ad uno stimolo sensoriale, analizzando le vie nervose che dalla periferia
portano le informazioni verso il cervello.
In relazione all'organo sensoriale stimolato si possono ottenere: potenziali
evocati somato-sensoriali (PESS), visivi (PEV) e acustici (PEA)
Uno schema dei principali componenti necessari
per registrare un PE è fornito in figura.
PE possono essere estratti dall’EEG se i soggetti
sono esposti a ripetuti e brevi stimoli sensoriale.
La maggior parte dei metodi comuni di
stimolazione sono :
(1)click uditive tramite auricolari (PEA),
(2)brevi impulsi elettrici a nervi sensoriali periferici come il nervo tibiale o mediano ,
(3) Immagini a scacchiera su uno schermo di computer (PEV).
(4) Stimoli olfattivi o termici (PESS).
In contrasto con gli andamenti casuali dell’EEG, i PE sono in larga misura riproducibili
quando gli stimoli periferici sono ripetutamente proposti. Questo è il motivo per cui
possono essere misurati, nonostante il fatto che la loro ampiezza è molto inferiore a
quello dei segnali EEG.
Sistema di misura dei potenziali evocati
In contrasto con l’EEG, il PE è generalmente realizzato mediante pochi (tipicamente due)
elettrodi posti sulle specifiche aree cerebrali. Inoltre, uno o due elettrodi supplementari
sono a volte messi sul collo per registrare i PESS cervicali. Così, solo 2-4 canali PE sono
generalmente nrcessari.
L'attività elettrica è misurata rispetto gli elettrodi posizionati da qualche altra parte sul
cranio dove l'attività relativa al PE è trascurabile.
Sistema di misura dei potenziali evocati
Il sistema di registrazione dei segnali PE può essere suddiviso nei seguenti stadi:
• Stimolatori
• Elettrodi
• Preamplificatore analogico
• Convertitore analogico-digitale
• Blocchi di elaborazione del segnale digitale (filtraggio, media e ridimensionamento)
• Supporti di visualizzazione del segnale (schermo, carta)
• Blocchi di memorizzazione e recupero dei dati
Elettromiografo
L’elettromiografo è utilizzato per studiare il sistema nervoso periferico e i muscoli
scheletrici dal punto di vista funzionale.
Un elettromiografo consiste di:
• un amplificatore EMG
• una scheda di acquisizione e
• un PC equipaggiato con software dedicato alla
visualizzazione e acquisizione dei segnali e al loro
riesame e elaborazione off-line.
• Una scheda opzionale per l’acquisizione di
attività
EMG
provocate
elettricamente.
Quest’ultima può essere utile per la misura della
velocità di conduzione dei nervi motore (MNC).
Applicando uno stimolo elettrico su un nervo
motore e misurando il ritardo della risposta MNC
provocata sulla superfice del muscolo stimolato.
BIOMEDICAL TECHNOLOGY and DEVICES H A N D B O O K
Elettromiografo
Diagramma a blocchi del sistema generale.
1
2
Elettromiografo
1) Il front-end analogico è costituito da un insieme di amplificatori per strumentazione
che permettono, per mezzo di una rete di interruttori di configurazione , il
rilevamento del segnale EMG in varie modalità (monopolare , differenziale singolo e
differeziale doppio) . Il guadagno e in alcuni casi le frequenze di taglio (bassa e alta )
sono selezionabili dall’utente.
2) Tutti i circuiti elettricamente in contatto con il paziente sono isolati dal resto
dell’apparecchio per mezzo di un isolamento ottico e galvanico per garantire un
elevato grado di sicurezza al paziente perfino nei casi di malfunzinamento.
Elettromiografo
Datalogger
Parecchie applicazioni, tali come medicina dello sport o del lavoro richiedono misure EMG
a lungo termine su campo. In questi casi un sistema di acquisizione EMG, portatile e
alimentato con batterie è fondamentale . Questo tipo di apparecchio conosciuto come
datalogger, consiste di:
• un numero di sonde EMG superficiali e
• una unità di acquisizione multicanale portatile.
L’unità di acquisizione contiene:
• una memoria rimovibile e/o
• un PC di interfaccia per
scaricare off-line i segnali
EMG acquisiti
su un
computer esterno
• una interfaccia utente (display e tastiera) che per
mezzo di microprocessore, microcontrollore o DSP
interno, permettono di fissare varie opzioni di
acquisiszione, come il numero di canali, frequenze
di campionamento, etc
Elettromiografo
Per migliorare l’immunità alle interferenze esterne e per distribuire il peso
complessivo l’EMG front-end analogico è di solito inserito dentro le sonde, e i segnali
condizionati e amplificati sono inviati all’unità di acquisizione per mezzo di sottili cavi
portatili. I datalogger EMG rispondono soltanto a un limitato numero di funzioni
rispetto ai elettromiografi fissi, essi non includono la scheda di stimolazione, di solito
non permettono la visualizzazione in tempo reale del segnale EMG e generalmente
hanno un numero limitato di canali.
