Sistemi Ingressi ed uscite di un sistema Diagramma a blocchi di un sistema Decibel Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica

Transcript

1 Lezione 3-4

2 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

3 Sistemi Un sistema può essere definito come: Un qualsiasi spazio chiuso dove tutti gl ingressi e uscite sono note Ad esempio: motore termico multimetro un ecosistema Ingressi e uscite determinano la natura del sistema

4 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.

5 Ingressi e uscite di un sistema I componenti che interagiscono con il mondo esterno sono denominati sensori ed attuatori il microfono è un sensore l'altoparlanteèun attuatore

6 Diagramma a blocchi di un sistema Spesso è conveniente rappresentare sistemi complessi mediante un diagramma a blocchi semplificato

7 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

8 Diagramma a blocchi di un sistema elettrico Sottosistema A Vi () f Vo () f Zi ( f ) Ri ( f ) jxi ( f ) ZL( f ) RL( f ) jxl( f ) I ( f ) I ( f ) i Z L V Po o V Pi Cos(wt) V Pi V Po Cos(wt+Dj v ) 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. t Guadagno di tensione Guadagno di corrente Vo ( f ) VPo ( f ) j v j V Av(f) e Av(f) e Io( f ) IPo( f ) j I Vi ( f ) VP i ( f ) Ai(f) e AI(f) e I ( f ) I ( f ) i P i j i Guadagno di Potenza A P (f) P () f o Pf () i

9 A p d B Il guadagno in potenza dei moderni amplificatori elettronici è spesso molto elevato, sono comuni guadagni di 10 6 o 10 7 Decibel (db) Con tali valori è conveniente usare un'espressione logaritmica come i decibel. Il decibel è una cifra adimensionale di A P Esempi di guadagni Ap A P(dB) = 10 log10 P o L og10 x Log ( 10 x) y 10 =x Pi x Usando i db si semplifica il calcolo del guadagno nei circuiti in cascata.

10 Decibel (db) Il guadagno di potenza è legato al guadagno di tensione. Assumendo V i e V L come tensioni in ingresso ed in uscita e Z i e Z L come le impedenze d ingresso e di carico. P A (db) 10log 10 log 2 Po o P Pi VPi V 2 2 Re[1/ Z ] L Re[1/ Z ] i Se Re[1/Z i ]=Re[ 1/Z L ] V V A (db) 10 log 20 log 20 log (A ) 2 P Po Po V Pi V Pi 10 V Tuttavia, è molto comune descrivere il guadagno di tensione di un circuito in db come Vo A V (db) 20 log10 V Perfino quando Re[1/Z i ] Re[1/Z L ] i

11 Sorgenti di potenza: Rete elettrica Sistema monofase E il più semplice sistema di distribuzione di energia elettrica in corrente alternata (AC=Alternating Current). E caratterizzato da V eff =V p / 2=230V, f=50 Hz V P VP cos( t) t 2 fili FASE: su cui è presente la totale variazione sinusoidale della tensione. NEUTRO: ha costantemente tensione ZERO. per la sicurezza si aggiunge il filo di TERRA. La figura mostra lo schema di principio di un generatore di tensione alternata monofase.

12 Sorgenti di potenza: Rete elettrica Standard europeo a due poli (C) Standard italiano a tre poli (L): terra connessa al terminale centrale Standard tedesco a tre poli (F): con contatti di terra laterali C 2.5 A L F 16 A

13 Sorgenti di potenza: Rete elettrica Sistema trifase Un sistema trifase è un sistema combinato di 3 circuiti a corrente alternata aventi la stessa frequenza e tre tensioni alternate uguali, ma sfasate tra loro di 120. I tre circuiti sono caratterizzati da V eff =V p / 2=230V, f=50 Hz 3 fili FASE (L1, L2, L3): dove ci sono le variazioni sinusoidali delle tensioni. NEUTRO (N): ha costantemente tensione ZERO. per la sicurezza si aggiunge il filo di TERRA.

14 Sorgenti di potenza: Rete elettrica Schema di principio di un generatore di tensioni alternate trifase, d (A, B, C nella figura), ognuna ruotata di un terzo di giro (120 ) rispetto alla precedente. Ogni spira si trova nella posizione della precedente dopo un terzo di giro, conseguentemente il sistema genera tre tensioni sfasate fra loro di 120 e con medesima frequenza. Se le tre tensioni indotte alimentano tre impedenze uguali, si genera un analogo sistema di correnti alternate. Dato che ognuno dei tre circuiti alimentati dalle tre spire impegna la stessa potenza, il generatore trifase della figura genera una potenza elettrica tripla di quella che verrebbe prodotta da una macchina monofase. L'energia elettrica prodotta proviene sempre dalla trasformazione di una corrispondente energia meccanica. Anzi, poiché ogni macchina presenta attriti ed altre cause di dissipazione dell'energia, l'energia prodotta è sempre minore di quella consumata; il rapporto fra l'energia o la potenza prodotta e quella assorbita si chiama rendimento, ed è sempre minore di uno.

15 Sorgenti di potenza: Rete elettrica In realtà i generatori trifasi utilizzati in pratica per la produzione di energia elettrica, hanno la struttura duale mostrata in figura. I due sistemi sono equivalenti, e che la scelta di uno rispetto all altro si basa su ragioni di praticità costruttiva. Se i fasori delle tensioni generate dalle tre spire sono sommate la loro somma è uguale a zero. Lo stesso vale per le tre correnti se le tre impedenze di carico sono tutte uguali. Questi concetto si esprime dicendo che il sistema di tensioni è simmetrico e il sistema di correnti è in equilibrio.

16 Sorgenti di potenza: Rete elettrica Se la corrente risultante è nulla, allora si può fare a meno dei tre conduttori di ritorno, e collegare i generatori e i carichi secondo gli schemi mostrati nelle figure. Il primo tipo di collegamento si chiama "a triangolo" e il secondo "a stella" ; in entrambi, i sei conduttori apparentemente necessari sono ridotti a tre, con notevole riduzione dei costi. Nella seconda figura appare tratteggiato un collegamento fra i due punti 0 e 0': questo collegamento costituisce il neutro. Esso è introdotto in quanto nel caso in cui il sistema non è in equilibrio (perché le tre impedenze Z1, Z2 e Z3 non sono identiche) il conduttore neutro sarà attraversato da una corrente.

17 Sorgenti di potenza: Rete elettrica La tensione fra i morsetti A, B e C (tensione concatenata) dei circuiti delle figure precedenti è 400 V e mediante una semplice costruzione geometrica si ottiene che la tensione tra uno dei morsetti ed il centro stella è 230. V1 A C V3 120 V2 B La tensione domestica di 230 V è effettivamente prelevata tra un morsetto e il neutro di un sistema trifase a 400 V. Sono trifasi gli impianti di produzione e trasmissione e tutti gli impianti industriali che fanno uso di motori elettrici.

18 Sorgenti di potenza: Rete elettrica Linea ac 220 V (rms) 50 Hz + -

19 Sorgenti di potenza: Batterie Le batterie non immagazzinano carica ma immagazzinano energia chimica che può essere convertita in corrente quando viene introdotto un percorso esterno necessario affinché la reazione chimica proceda. D H D H D H D H W L H

20 Sorgenti di potenza: Batterie Pile ricaricabili

21 Sorgenti di potenza: Batterie Parametro fondamentale della batteria è il capacty rating che indica quanta energia è capaci di erogare in un determinato periodo. Questo parametro è pari alla corrente di scarica iniziale massima che può essere garantita per un ora. Le unità per le capacità della batteria sono Ampere-ora (Ah) e milliampere-ora (mah). Esempio Supponendo di avere una batteria da 1.5 V con cap. rat. di 1000 mah. Quanto dura questa batteria se utilizzata per fornire una corrente a un carico da 1000? 1) Si deduce la corrente di scarica iniziale I si V 1.5V 1.5mA R ) Trovare il tempo il tempo di scarica Capacity Rating I si 1000mAh 1.5mA 666h

22

23 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 elettrico. Misurando

24 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

25 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,

26 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).

27 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

28 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.

29 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.

30 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.

31 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.

32 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

33 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.

34 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. In altri esami le misure sono condotte 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.

35 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,

36 Elettrodi Elettroencefalografo Costituiscono il sistema di rilevazione del segnale. Essenziali nell acquisizione del segnale in quanto sono il mezzo di contatto tra il punto in cui si vuole rilevare il segnale e l amplificatore. 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. I numeri indicano il lato destro della testa e numeri dispari sul lato sinistro della testa.

37 Elettroencefalografo 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. Cuffie premontate Gli elettrodi sono posizionati, in base al Sistema Standard Internazionale 10-20, su una cuffia di cotone elastico perfettamente calzante sulla testa del paziente. Questo sistema permette di ridurre al minimo i tempi di preparazione: la cuffia premontata è veloce da usare e assicura la stabilità degli elettrodi, anche se può risultare fastidiosa per monitoraggi di lunga durata.

38 Elettrodi a Coppetta Elettroencefalografo Gli elettrodi sono posizionati singolarmente, ognuno con il proprio cavo, sulla testa del paziente, attraverso una pasta adesiva e conduttiva. Generalmente la preparazione del paziente prevede una leggera abrasione della cute per rimuovere le cellule morte della pelle e ridurre così l impedenza. I tempi di preparazione sono lunghi ma spesso tale metodo viene usato per un maggiore comfort del paziente.

39 Elettrodi a Ponte Elettroencefalografo Gli elettrodi sono bagnati con soluzione fisiologica prima di essere posizionati sullo scalpo attraverso una cuffia in silicone su cui sono fissati. Il tempo di preparazione è più lungo rispetto a quello delle cuffie premontate ma inferiore rispetto a quello degli elettrodi a coppetta grazie all utilizzo della cuffia in silicone che ne facilita il posizionamento. Tale sistema è comunemente usato per registrazioni che necessitano un alta densità di elettrodi.

40 Elettroencefalografo Amplificatori Con un numero minimo di ingressi pari a 21 (19 sul cuoio capelluto più 2 di riferimento) sono raccomandati 32 ingressi. 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.

41 Fotostimolatore Elettroencefalografo 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.

42 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.

43 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), potenziali evocati visivi (PEV) e potenziali evocati acustici (PEA) Uno schema dei principali componenti necessari per registrare un PE è fornito in figura.

44 Sistema di misura dei potenziali evocati 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 uditivi 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.

45 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. Così, sono generalmente necessarisolo 2-4 canali PE. L'attività elettrica è misurata rispetto gli elettrodi posizionati da qualche altra parte sul cranio dove l'attività relativa al PE è trascurabile.

46 Sistema di misura dei potenziali evocati Il sistema di registrazione dei segnali PE può essere suddiviso nei seguenti stadi: 1) Stimolatori 2) Elettrodi 3) Preamplificatore analogico 4) Convertitore analogico-digitale 5) Blocchi di elaborazione del segnale digitale (filtraggio, media e ridimensionamento) 6) Supporti di visualizzazione del segnale (schermo, carta) 7) Blocchi di memorizzazione e recupero dei dati

47 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.

48 Elettromiografo Diagramma a blocchi del sistema generale. 2 1

49 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.

50 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 una interfaccia di PC per scaricare off-line su un computer esterno i segnali EMG acquisiti 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

51 Elettromiografo Per migliorare l immunità alle interferenze esterne e per distribuire il peso complessivo il 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.