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BioingegneriaLezione 1
Ing. Elisabetta M. [email protected]
Bibliografia
Sonnleitner B. Instrumentation of biotechnological processes. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 2000; 66:1–64.
Medical Instrumentation JG WebsterJohn Wiley & Sons, 2010
The Biomedical Engineering Handbook BronzinoCRC Press, 2006
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 BiomedicheFINALITA’• 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 trasduttoreTrasduttori: 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
• 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)
misurato vero
vero
V V
V
−
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
• Accuratezza
• 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)
misurato vero
vero
V V
V
−
Range o campo di misura
Specifiche dei sensori: Caratteristiche interne
• Accuratezza • Range
• 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)
misurato vero
vero
V V
V
−
Calibrazione
• Determinazione curva risposta statica dello strumento su tutto l’intervallo di misura
• Funzione analitica: Se lineare: Sensitività
• Tabella• Grafico
AccuratezzaBiasLinearitàRipetibilitàIsteresi
y = 1.2902x - 0.3771
-1.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
Val
ore
Mis
ura
to P
eso
(lb
)
Valore Vero Peso (lb)
Dati
Grafico degli scostamenti
-0.50
-0.40
-0.30
-0.20
-0.10
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
Erro
re d
alla
re
tta
di c
alib
razi
on
e(l
b)
Valore Vero Peso (lb)
Ciclo_I
Ciclo_II
Ciclo_III
Ciclo_IV
Ciclo_V
Ciclo_VI
ACC+
ACC -RIPETIB.
ISTERESI.
Scostamenti medi
BIAS (+)
BIAS (-)
LINEARITA’
-0.50
0.00
0.50
0.0 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
Enzimi BuonaCellule e Tessuti Buona LungoImmunosensori Alta LungoRecettori Alta Bassa
Sensitività Tempo di risposta
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 fasePerchè 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
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x,y
t [s]
x(t)
Esempio
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*0.15=0.6
• 30-50=-20°;180-150=30°;90-165=-95°;
• y(t)=4.8sin(2π -20°)+sin(2π4t+30°) +0.6sin(2π 6t-95°)
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x,y
t [s]
x(t)
y(t)
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
Es: Termometro a liquido
Risposta segnalea gradino
Risposta segnalea rampa
t=τ 63% ∆T=4τ 98% ∆
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
Es: Bilancia
Risposta segnale a gradino
;2
n
K ch
M KMω = =
h elevato: < oscillazioni, ma > tempo per arrivare a regime; con h ottimo=0.7 ωnt=6
Risposta a un segnale sinusoidale
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
f/fn
x/x
0
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’
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)
Modulo
Fase
E’ lineare perchè∆φ=2πf∆t, se∆t costante per tutte le armoniche
Sensore reale
a