Bioingegneria Lezione 1 Ing. Elisabetta M. Zanetti [email protected] Bibliografia Medical Instrumentation JG Webster John Wiley & Sons, 2010 The Biomedical Engineering Handbook Bronzino CRC Press, 2006 Sonnleitner B. Instrumentation of biotechnological processes. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 2000; 66:1–64. Bioingegneria Ingegneria per la medicina • Strumentazione: - scelta - manutenzione - modalità di utilizzo • Modelli matematici e fisici per simulazione Esempi di grandezze biomedicali misurabili • • • • • • • • • • • • • attività elettrica cerebrale (EEG, MEG) attività elettrica cardiaca (ECG) attività elettrica muscolare (EMG), ERG, EOG proprietà meccaniche: pressione del timpano pressione arteriosa, pressione intraesofagea gittata cardiaca, flusso sanguigno suoni cardiaci, polmonari movimenti, impedenza acustica (p/Q) radiopacità, concentrazioni flusso sanguigno, mappe di potenziali, temperatura respirazione: volume VO2, VCO2, pressioni pO2, pCO2 pH ematico, Specie chimiche Sensori per Applicazioni Biomediche FINALITA’ • Diagnostiche • Terapeutiche • Riabilitazione CAMPO DI APPLICAZIONE • CLINICO – – – – • Semplice da usare (numero limitato di funzioni) Precisione sufficiente (det. se parametri entro intervalli ) ALTA affidabilità Risultati su supporto cartaceo/fotografico/magnetico per 5/10 anni RICERCA: – – – – Alta versatilità, Precisione elevata, Sufficiente/bassa affidabilità, di tipo APERTO (controllo completo), espandibile Classificazione per grandezza misurata • Elettrici (rilevati tramite elettrodi): Biopotenziali • Meccanici-Fisici (rilevati tramite sensori): – Meccanici: Pressione, Flusso, Volume, Spostamento, Velocità, Accelerazione, Forza, Impedenza meccanica, – Fisici: Temperatura, Radiazioni • Chimici (Biosensori) Classificazione per trasduttore Trasduttori: convertono una grandezza fisica in una grandezza fisica di diversa natura • • • • • • Elettrici (induttivi, capacitivi, resistivi) Elettrochimici Termoelettrici Piezoelettrici Acustici Ottici • Segnali elettrici = i più importanti in medicina: cellule nervose e muscolari il cui potenziale di membrana può venire eccitato generando un potenziale d’azione; • Cuore, polmone e cervello producono segnali magnetici di lieve entità • Molti eventi d’interesse biomedico sono accompagnati da ‘rumori’ Informazioni richieste • Valore scalare (pressione) (DIAGNOSTICA) • Storia Temporale (ECG) (FISIOLOGIA) • Distribuzione Spaziale (bioimmagini: CT, RM) • Distribuzione Spaziale e Temporale (fMRI, ECO_DOPPLER) Intervento Terapeutico Sensore Caratteristiche generali dei Segnali Biomedici • PICCOLE AMPIEZZE (5µV – 5mV): – NECESSITA’ AMPLIFICAZIONE (x1.000 - x1.000.000) – Nr. Bit CONVERSIONE A/D adeguato (8-10) • BASSI RAPPORTI S/N – PREAMPLIFICATORI CON ALTO CMRR, – FILTRI • BANDE IN BASSA FREQUENZA (<10KHz), TALVOLTA CON DC – FREQUENZE CAMPIONAMENTO OPPORTUNE – EVENTUALE REGOLAZIONE OFFSET • GRANDEZZE SPESSO INACCESSIBILI DIRETTAMENTE (p.es. Gittata Cardiaca) O SOLO IN MODO INVASIVO (p.es. Cateteri) O PER VIA INDIRETTA • ELEVATA DISPERSIONE DEI RISULTATI • STRINGENTI NORME DI SICUREZZA ELETTRICA E GENERALE (Meccanica, Chimica, Biologica, Radiologica) SIA PER IL PAZIENTE SIA PER IL PERSONALE • LIMITAZIONE DELLE ENERGIE UTILIZZABILI (RX) Specifiche dei sensori: Caratteristiche esterne Specifiche dei sensori: Caratteristiche interne V −V misurato vero Vvero • Range • Sensitività S=∆Vout/∆Vi • Risoluzione: la più piccola quantità che il dispositivo può rilevare • Stabilità: deriva della strumentazione in funzione del tempo • Impedenza in ingresso e di uscita • Tensione di alimentazione e Tensione in uscita • Risposta in frequenza • Dimensioni • Eventuali compensazioni, sensibilità alla temperatura e a fattori ambientali • • • • Specificità o Selettività: per una data specie chimica Volume minimo del campione (<10e ml) Reversibilità Sensibilità ai contaminanti e fattori esterni (ematocrito, livello idratazione) Specifiche: Accuratezza • Accuratezza (% Range) – Errori di BIAS: offset, deriva, linearità, sensitività, errori di carico (! In ambiente medico) – Errori di precisione o accidentale (errori di digitalizzazione, ripetitività) – Errore di isteresi Bias Precisione Specifiche dei sensori: Caratteristiche interne V −V • Accuratezza misurato vero Vvero • Sensitività S=∆Vout/∆Vi • Risoluzione: la più piccola quantità che il dispositivo può rilevare • Stabilità: deriva della strumentazione in funzione del tempo • Impedenza in ingresso e di uscita • Tensione di alimentazione e Tensione in uscita • Risposta in frequenza • Dimensioni • Eventuali compensazioni, sensibilità alla temperatura • • • • Specificità o Selettività: per una data specie chimica Volume minimo del campione (<10e ml) Reversibilità Sensibilità ai contaminanti e fattori esterni (ematocrito, livello idratazione) Range o campo di misura Specifiche dei sensori: Caratteristiche interne V −V • Accuratezza • Range misurato vero Vvero • Risoluzione: la più piccola quantità che il dispositivo può rilevare • Stabilità: deriva della strumentazione in funzione del tempo • Impedenza in ingresso e di uscita • Tensione di alimentazione e Tensione in uscita • Risposta in frequenza • Dimensioni • Eventuali compensazioni, sensibilità alla temperatura • • • • Specificità o Selettività: per una data specie chimica Volume minimo del campione (<10e ml) Reversibilità Sensibilità ai contaminanti e fattori esterni (ematocrito, livello idratazione) Calibrazione • Determinazione curva risposta statica dello strumento su tutto l’intervallo di misura • Funzione analitica: Se lineare: Sensitività • Tabella • Grafico Accuratezza Bias Linearità Ripetibilità Isteresi Dati 7.00 Valore Misurato Peso (lb) 6.00 y = 1.2902x - 0.3771 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.0 -1.00 1.0 2.0 3.0 4.0 Valore Vero Peso (lb) 5.0 6.0 Grafico degli scostamenti Errore dalla retta di calibrazione(lb) 0.50 0.40 0.30 ACC+ Ciclo_I Ciclo_II Ciclo_III 0.20 0.10 0.00 -0.10 0.0 -0.20 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 ISTERESI. RIPETIB. -0.30 -0.40 -0.50 5.0 Valore Vero Peso (lb) ACC - Ciclo_IV Ciclo_V Ciclo_VI Scostamenti medi BIAS (+) LINEARITA’ BIAS (-) 0.50 0.00 0.0 -0.50 2.0 4.0 6.0 Calibrazione sensore amperometrico • ! Unico ciclo, sola SALITA, >peso dati bassa concentrazione Specificità, Stabilità, Sensitività, Tempo di risposta biosensori chimici Sensitività Enzimi Cellule e Tessuti Immunosensori Recettori Buona Buona Alta Alta Tempo di risposta Lungo Lungo Bassa Risposta nel tempo: DERIVA Dispersione risultati: Media Campionaria Risposta dinamica dei sensori • Risposta ideale Segnale Monoarmonico Segnale Poliarmonico • Per definire la risposta dinamica di un sensore nel modo più generale possibile (per qualsiasi tipo di segnale di input, cioè con qualsiasi storia temporale), devo definire la risposta al segnale monoarmonico Attenzione: qui non è stato riportato lo spettro di fase Perchè nullo, MA andrebbe sempre affiancato a quello in ampiezza Studio della risposta dinamica dei sistemi lineari Funzione di Trasferimento Modulo e Fase: Funzione della frequenza Esempio x(t) 8 6 4 x,y 2 0 0 0.5 1 1.5 -2 -4 -6 -8 t [s] 2 2.5 3 Segnale x(t)=3sin(2π 2t+30°)+2sin(2π 4t+180°) +4sin(2π 6t+90°) Sua trasformata: • Funzione di trasferimento • 3*1.6=4.8;2*0.5=1;4*0.1 5=0.6 • 30-50=-20°;180150=30°;90-165=-95°; • y(t)=4.8sin(2π -20°)+sin(2π 4t+30°) +0.6sin(2π 6t-95°) 8 6 4 x(t) 2 x,y y(t) 0 0 0.5 1 1.5 -2 -4 -6 -8 t [s] 2 2.5 3 Sistema di ordine 0 • Es: Potenziometro Sistema di Ordine 1 • k = sensibilità statica: è l’output per unità di input in condizioni statiche (derivate tutte nulle) • τ = costante di tempo Risposta segnale a gradino t=τ 63% ∆ T=4τ 98% ∆ Es: Termometro a liquido Risposta segnale a rampa Risposta a un segnale sinusoidale Segnale multiarmonico IN OUT Funzione di trasferimento per diversi valori della costante τ τ crescente (sensore più lento) τ crescente (sensore più lento) Esempio Sistema del II Ordine Risposta segnale a gradino ωn = Es: Bilancia K c ; h= M 2 KM h elevato: < oscillazioni, ma > tempo per arrivare a regime; con h ottimo=0.7 ωnt=6 Risposta a un segnale sinusoidale 3 2.5 x/x0 2 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 f/fn L’area utile è quella fino 1/10-1/5 (varia a seconda dello smorzamento) della frequenza naturale del sistema. Questa definisce il range delle frequenze per le quali il sensore risponde ‘bene’ 4.5 Quale range di frequenze è richiesto per riprodurre al meglio un segnale? In teoria infinite, nella pratica si può ottenere un’ottima approssimazione con molto meno • L’onda triangolare in basso, con frequenza pari a 1000 Hz (1/T) può essere ben riprodotta considerando le prime armoniche (fino a 3000 Hz) Quale range di frequenze è richiesto per riprodurre al meglio i segnali fisiologici? Nel seguito viene riportata questa informazione (DC = 0 Hz) TF Sensore Ideale: risposta modulata e/o ritardata, ma stesso andamento • TUTTE LE ARMONICHE DEVONO AVERE UGUALE AMPLIFICAZIONE (y/x) E UGUALE RITARDO TEMPORALE (∆t) Fase E’ lineare perchè ∆φ=2πf∆t, se ∆t costante per tutte le armoniche Modulo Sensore reale a