Modulo Biosensori Sensori Fisici

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1 Modulo Biosensori Sensori Fisici t i i i i it

2 Trasduttori induttivi Variazione dell'induttanza di un singolo avvolgimento o la mutua induttanza di due avvolgimenti in seguito ad una variazione della geometria delle bobine o del flusso magnetico concatenato Fenomeni di auto e mutua induzione ione corrente I campo di induzione magnetica B l'induttore è costituito da N spire Φ flusso concatenato con la spira generica k k Φ = Σ Φ k k In un mezzo a permeabilità costante ΦΣ è proporzionale alla corrente I Φ Σ = L I L = coefficiente di autoinduzione o induttanza Page 2

3 Per una bobina avente sezione trasversale A e lunghezza l molto più grande della sua dimensione trasversale si definisce riluttanza permeabilità relativa del nucleo magnetico μ r all'interno dell'avvolgimento R = 1 μ 0 μ r l A μ0 la permeabilità magnetica nel vuoto Il legame tra l'induttanza e la riluttanza è data da L = N R 2 Una variazione perciò di N, μ r o della geometria (l, A) può essere sfruttata come principio di trasduzione Due circuiti si dicono magneticamente accoppiati fra loro quando una qualunque parte delle linee di forza del campo di induzione B, creato dalla corrente di uno di essi, si concatena anche con l'altro. Il circuito percorso dalla corrente si dice inducente e l'altro il circuito indotto. Page 3

4 Contrassegnando con 1 il circuito inducente e con 2 quello indotto e indicando con il flusso prodotto dal primo concatenato t con la spira k-esima dl del Φ 12k secondo, diremo flusso complessivo di mutua induzione dal primo al secondo valendo anche il comportamento duale. Φ = 12 Σ Φ k 12k Si definisce M coefficiente di mutua induzione o mutua induttanza fra i due circuiti il rapporto fra ciascuno dei flussi complessivi di mutua induzione e la corrente che lo produce M = Φ 12Σ I 1 = Φ 21Σ I 2 La mutua induttanza tra due bobine coassiali è influenzata, tra gli altri fattori geometrici, anche dalla distanza delle due bobine. bi Questo principio i i può essere sfruttato nella traduzione della posizione. Alimentando un avvolgimento con tensione alternata la tensione indotta sul secondo avvolgimento è correlata alla loro distanza geometrica Page 4

5 Applicazioni biomediche I trasduttori di posizione che fanno uso del metodo induttivo sono usati in campo biomedico in diverse applicazioni: o misurare il cambiamento dimensionale di alcuni organi o monitorare la respirazione nei neonati o misurare le fluttuazioni del diametro interno delle arterie Un esempio è l'uso di due bobine con nucleo di ferrite poste ai lati opposti della parete del cuore per misurare i cambiamenti dinamici delle dimensioni del ventricolo sinistro nelle operazioni a torace aperto. Applicando un segnale alternato ad una delle due bobine e connettendo l'altra laltra ad un amplificatore ad alto guadagno e ad un demodulatore viene generata un'uscita che è proporzionale all'inverso del cubo della distanza di separazione delle bobine. Attraverso opportuni circuiti di condizionamento questa relazione può essere linearizzata i e si può risalire in questo modo alla variazione volumetrica del cuore Page 5

6 Trasformatore differenziale Trasformatore differenziale, LVDT, è il trasduttore induttivo più diffuso. Costituito da 3 avvolgimenti. Due secondari sono identici, ma avvolti in senso opposto e collocati in posizione simmetrica rispetto al primario. Funzionamento Il primario è alimentato da una tensione alternata, quando il nucleo ferromagnetico si trova in posizione centrale della struttura, equidistante da ciascun avvolgimento secondario, la tensione indotta su ciascun secondario sarà la stessa ma di segno opposto, per cui la tensione di uscita sarà nulla. Non appena il nucleo si sposta dalla posizione i centrale la tensione di uscita sarà non nulla e linearmente correlata alla posizione (almeno in un certo intervallo della posizione del nucleo). Page 6 Vantaggi: Il trasformatore differenziale presenta dei vantaggi dovuti all'assenza di contatti striscianti, ad un lungo tempo di vita, ad una legge di tipo lineare e a robustezza meccanica

7 Trasformatore differenziale Page 7 Applicazioni biomediche Il trasformatore differenziale è usato in in sistemi di trasduzione dello spostamento o indirettamente della forza e della pressione. Infatti il primo catetere usato per misurare la pressione sanguigna faceva uso di un LVDT per misurare lo spostamento di un diaframma elastico.

8 Trasduttori capacitivi Un condensatore è costituito da due conduttori elettrici (armature) separati da un dielettrico (solido, liquido o gassoso) o dal vuoto. La carica elettrica Q immagazzinata sui due conduttori è correlata alla loro differenza di potenziale V attraverso un parametro definito capacità Q C = V Tale capacità dipende dalle caratteristiche geometriche dei conduttori e dal tipo di dielettrico. Per esempio per un condensatore formato da due armature piane parallele aventi area A, posti ad una distanza reciproca d e con dielettrico interposto avente costante dielettrica relativa, la capacità è pari a A C = ε 0 ε r m d dove ε 0 = 8.85 pf / ε r è la costate dielettrica del vuoto. Ciascuna delle quantità dell'equazione può subire una variazione per dare luogo ad un trasduttore di posizione: variazione di d; muovendo un'armatura rispetto all'altra, la capacità varierà in modo inversamente proporzionale rispetto alla distanza d. La caratteristica capacità-spostamento avrà un andamento iperbolico; variazione di A; le armature possono muoversi nella direzione laterale, lasciando inalterata la distanza d ed agendo sull'area A di interfaccia tra le due armature. La caratteristica capacità- spostamento questa volta sarà lineare. Page 8

9 variazione di ε ; una lastra di materiale dielettrico avente costante dielettrica differente rispetto a quella del vuoto, può scivolare all'interno di un condensatore con armature di forma fissa ed interdistanziate sempre della stessa quantità. L'effettiva costante dielettrica del condensatore dipenderà dalla porzione di lastra all'interno delle armature e dalla regione occupata solo dall'aria. aria. Anche in questo caso la caratteristica capacità-spostamento può assumere un andamento lineare. Applicazioni biomediche Esistono diverse versioni commerciali di trasduttori di tipo capacitivo per uso biomedico. In particolare vengono utilizzati per: misurare piccole variazioni di volume in pletismografia registrare i movimenti del cuore e delle pulsazioni vascolari Vantaggi Il grande vantaggio di questa metodologia è l'assenza di contatto, anche se, per le applicazioni cliniche, particolare cura deve essere riservata all'isolamento del paziente per le ampie tensioni in alternata che spesso sono usate per alimentare i trasduttori Page 9

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11 Trasduttori ad effetto Hall Se ad un semiconduttore di tipo n o p, posto in un campo magnetico B costante, si applica una forza elettromotrice in modo che la direzione della corrente che circola nel semiconduttore sia perpendicolare al campo magnetico, si avrà un addensamento di cariche ih positive e negative sulle superfici del semiconduttore in modo tale che si costituirà un campo elettrico, E H perpendicolare sia a B che ad I. Tale comportamento, scoperto da E. H. Hall nel 1879 nei metalli, va sotto il nome di effetto Hall (vedi figura 3.10). La spiegazione di questo fenomeno risiede nel fatto che le cariche elettriche sono sottoposte ad una forza di Lorenz F = qv B diretta perpendicolarmente sia alla direzione della corrente I che a quella di B. Tale forza dfltt deflettentet magnetica spinge i portatori tt idi carica verso il bordo dl del materiale producendo d un accumulo di portatori sulle superfici originando il campo elettrico E H, la cui forza elettrica bilancerà quella delcampo magnetico. La tensione di Hall V H generata dipende dallo spessore del materiale t, dalla corrente I, dal campo magnetico applicato e dalle proprietà elettriche del materiale (densità di carica e mobilità dei portatori). Page 11

12 Queste dipendenze sono descritte dal coefficiente di Hall A H VH t = I B A H VH tensione misurata T spessore I corrente applicata B campo di induzione magnetica Possiamo dedurre che le comune applicazioni per elementi che sfruttano l'effetto Hall sono trasduttori di campi magnetici, di correnti elettriche o anche di grandezze ad esse riconducibili. Applicazioni biomediche I sensori di posizione ad effetto di Hall, per le ridotte dimensioni e sensibilità, si prestano molto bene per applicazioni biomediche in cui bisogna monitorare il movimento del corpo. In genere, si associa un magnete permanente all'elemento di cui si vuole misurare la posizione e nelle vicinanze si colloca un elemento di Hall, alimentato a corrente costante. L'avvicinamento e l'allontanamento del magnete rispetto all'elemento di Hall (gli spostamenti relativi devono essere tali da conservare la perpendicolarità tra il campo magnetico e la direzione della corrente), indurranno una variazione sull'intensità del campo magnetico che investe l'elemento di Hall, producendo un cambiamento della tensione che sarà correlata alla posizione. Esistono delle versioni commerciali di guanti sensorizzati che utilizzano questa tecnologia per misurare le variazioni angolari delle articolazioni delle dita. Page 12

13 Trasduttori ottici i Effetto fotovoltaico Dalle conoscenze di microelettronica sappiamo che nella regione di giunzione tra due semiconduttori, uno drogato di tipo p e l'altro di tipo n, a causa dell'agitazione termica si verifica un flusso diffusivo di elettroni verso la zona di tipo p e di lacune verso la zona di tipo n. Essi si ricombinano con i portatori di carica di segno opposto generando su entrambi i lati della regione di contatto una concentrazione di ioni positivi nella zona n e ioni negativi nella zona p, fissi nelle loro posizioni di equilibrio del reticolo cristallino, con pochi portatori di carica liberi (regione di svuotamento) Page 13

14 Page 14 Questa distribuzione di cariche produce un campo elettrico che si oppone alla diffusione di cariche libere creando un regime di equilibrio. La figura illustra che una radiazione incidente con contenuto energetico ( E ) superiore alla differenza tra la banda di p valenza e di conduzione del semiconduttore ( ) produce una coppia lacuna-elettrone E g che sarà sottoposta al campo elettrico. L'accumulo di lacune nella regione p e di elettroni nella regione n provoca una variazione del potenziale di contatto che può essere misurata da un apposito circuito esterno. Fotodiodi e fototransistori t t i L'effetto fotovoltaico è sfruttato nei fotodiodi e fototransistori in cui si impone una polarizzazione inversa per aumentare la larghezza della regione di svuotamento e quindi ridurre il tempo di risposta. Tali dispositivi permettono di misurare l'intensità della radiazione incidente, ma attraverso particolari arrangiamenti è possibile utilizzarli per realizzare un trasduttore di posizione. Se il movimento dell'elemento di cui vogliamo valutare la posizione è rettilineo, si può collegare in maniera solidale ad esso un LED che si affaccia ad un fotodiodo o fototransistore. Se il LED emette luce costante, l'intensità della radiazione incidente è correlata alla sua distanza dal fotorivelatore. Lo stesso principio può funzionare a riflessione, in cui un emettitore e rivelatore sono affiancati; la radiazione proveniente dall'emettitore riflette sul materiale di cui vogliamo conoscere la posizione che verrà captata dal rivelatore. L'intensità della radiazione riflessa dipenderà anche dal suo cammino ottico e quindi dalla distanza del materiale. Esistono anche dispositivi con area attiva rettangolare che si basano sullo stesso principio descritto sopra (la giunzione sarà di tipo n-p-n o p-n-p) in cui un LED può scorrervi sopra ed il rivelatore genererà una corrente correlata alla posizione dello spot di luce incidente.

15 Svantaggi: come trasdsuttori di posizione o sono o legati alle interferenze e e edelle e radiazioni a presenti nell'ambiente, e e, facilmente superabili attraverso una schermatura del sistema. Una eventuale dipendenza dalla temperatura può essere compensata attraverso opportuni accorgimenti. Applicazioni biomediche I trasduttori di posizione basati su fenomeni ottici sono molto utilizzati in campo biomedico utilizzati senza necessità di contatto e questa proprietà li candida a diverse applicazioni, soprattutto nel campo della biomeccanica per monitoraggio del movimento del corpo. In particolare sono utilizzati in campo sportivo per la valutazione dei movimenti degli atleti durante il loro allenamento. In campo multimediale per misurare la posizione ed il movimento del corpo e proiettare lo stesso in un ambiente virtuale. In campo riabilitativo per valutare la postura e i movimenti degli arti che hanno subito delle lesioni. Inoltre, gli encoder ottici sono praticamente sempre associati ai motori alimentati in corrente continua per il loro controllo in posizione, quindi tutte le applicazioni biomediche che fanno uso di motori, indirettamente utilizzano anche gli encoder ottici, sia assoluti che incrementali. Page 15

16 Misure di velocità ed accelerazione Tecniche a differenziazione ed integrazione In linea di principio i i èpossibile determinare la velocità e l'accelerazionel istantanea differenziando elettronicamente l'uscita dai trasduttori di posizione: la derivata prima produce la velocità e la derivata seconda l'accelerazione. Nella realtà un processo di differenziazione accentua le piccole non linearità, errori di misura e rumori presenti nel segnale di partenzaeseciòpuò p produrre un grado di accuratezza accettabile per la derivata prima, una differenziazione ulteriore comporterebbe errori troppo grandi. Partendo dall'accelerazione, invece, attraverso una tecnica duale di integrazione si può risalire alla velocità ed alla posizione. In questo caso, poiché un integratore elettronico è anche un filtro passa-basso, i disturbi in alta frequenza presenti nel segnale originale vengono attenuati, ma l'uso di tale blocco può risultare critico per i segnali aperiodici dove la presenza di una componente continua porta un'amplificazione dell'uscita fino alla saturazione. Page 16

17 Metodi ultrasonici Gli ultrasuoni sono delle radiazioni meccaniche (onde di compressione e rarefazione) con frequenza superiore al limite della banda uditiva umana (circa 20 KHz). Come per tutte le radiazioni, quando un'onda ultrasonica incide su un bersaglio, una parte viene riflessa, una parte viene trasmessa ed una parte viene assorbita. In campo biomedico, gli ultrasuoni rappresentano un collaudato strumento di indagine clinica, ma in questo paragrafo verranno analizzati soltanto i trasduttori di posizione basati sulla tecnica degli ultrasuoni. Se la velocità della onda ultrasonica nel mezzo è costante, il tempo che impiega un impulso a propagarsi dal trasmettitore al ricevitore sarà proporzionale alla distanza tra i due trasduttori d = c t Page 17 dove c è la velocità dell'ultrasuono nel mezzo, t è il tempo di transito e d è lo spostamento. Attraverso la misura di t è possibile risalire alla distanza d. Applicazioni biomediche In campo biomedico questa tecnica viene utilizzata per misurare diametri di vasi sanguigni o dimensioni di cavità, come atri o ventricoli. Nella figura è riportato un diagrammi a blocchi che descrive la tecnica di misura del diametro di un vaso sanguigno. Un generatore ad ultrasuoni produce un treno di impulsi che attraversa un vaso e giunge ad un ricevitore, il quale amplifica il segnale e lo convoglia ad un oscillatore bistabile, il quale è pilotato anche dal generatore ad ultrasuoni. Esso produce un impulso rettangolare la cui durata risulta proporzionale p al tempo di attraversamento dell'onda all'interno del vaso. Attraverso un integratore è possibile convertire questo tempo in una tensione ad esso proporzionale. Se la velocità di attraversamento dell'onda ultrasonica è costante, allora si può facilmente risalire al diametro del vaso.

18 Sistema di misura del diametro di un vaso sanguigno basato su trasduttori ultrasonici. Page 18

19 Sistemi Doppler Gli ultrasuoni vengono utilizzati sia nei trasduttori di posizione che in quelli di velocità; in particolare trovano ampia applicazione nel campo della flussimetria, in cui si misura la velocità del flusso sanguigno sfruttando un fenomeno che va sotto il nome di effetto Doppler. L'effetto Doppler consiste nella variazione di frequenza subita da una radiazione quando viene riflessa da un bersaglio in movimento relativo rispetto all'emettitore. Tale variazione di frequenza è proporzionale alla velocità relativa tra emettitore e bersaglio e risulta è la frequenza emessa; Δf = f e f r = m2 f e v cosα c m v fe f r è la frequenza rivelata; v è la velocità del bersaglio; c è la velocità di propagazione del suono; Page 19 α è l'angolo compreso tra la direzione della velocità del flusso e quella della propagazione dell'onda. I segni + e - dipendono dall'avvicinamento o allontanamento tra sorgente e ricevitore. Gli ultrasuoni rappresentano una tecnica efficace e non invasiva per la misura del flusso sanguigno, ma anche della velocità della valvola mitrale e ventricolare. Un inconveniente di questa tecnica potrebbe derivare dalla riflessione prodotta da tutte le interfacce statiche o in movimento che il fascio ultrasonico incontra durante il suo percorso dando luogo ad un complesso segnale difficile da decifrare. Un rimedio consiste nell'eccitare l'emettitore in modo che generi un impulso di breve durata con una frequenza prestabilita; l'impulso limpulso sarà parzialmente riflesso a ciascuna interfaccia, e, se quest'ultima è in movimento, subirà una variazione di frequenza. Al ricevitore arriveranno allora tanti impulsi riflessi quante sono le interfacce alle diverse profondità con una cadenza temporale che permetterà di isolare il segnale voluto.

20 Sensori inerziali Sfruttano la proprietà dei corpi di mantenere costante la propria velocità se non disturbati da forze esterne Sistema vestibolare umano Sensore inerziale biologico Sensibile alle accelerazioni lineari e angolari della testa Equilibrio e mantenimento della postura eretta Sensori Accelerometri e giroscopi Tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) Bassi ingombri, robusti, economici, consumo di potenza limitato Facilmente applicabili ai segmenti corporei di interesse Page 20

21 Accelerometri I trasduttori di accelerazione sono basati sulla legge di Newton F=Ma, in cui conoscendo la massa M è possibile risalire all'accelerazione misurando la forza F. Quest'ultima ultima può essere valutata misurando la deformazione di una molla alla quale è collegata la massa attrverso uno strain gage o un sensore piezoelettrico. Sistema del secondo ordine: a regime La deformazione misurata è proporzionale all accelerazione accelerazione Page 21

22 Accelerometri (1) Accelerometro monoassiale Massa collegata ad una molla libera di muoversi in una sola direzione Principio di funzionamento Equilibrio delle forze Lo spostamento (x) è proporzionale alla differenza tra a e g ed è misurato con un sensore di deformazione K x = M( a g) n ( a g) n= K x M a accelerazione del sistema g accelerazione di gravità x allungamento Page 22

23 Accelerometri (2) Uscita accelerometro in tensione V = k ( a g) n+ V = k(a g ) + V o n n o k sensibilità V 0 offset Segnale n i versore asse di sensibilità y i = ( a g) ni + bi + q b i i offset q i termine di rumore Page 23

24 Accelerometri (3) Accelerometro triassiale Tre accelerometri monoassiali montati perpendicolarmente tra loro y ( a g) n + b + q 1,k k 1,k 1,k 1,k Sk, k = y 2,k = ( k ) 2,k + b2,k + q 2,k = ( k k) + k + k y 3, k ( k ) 3,k b3,k q a g n + + 3,k y a g n a g b q L accelerometro triassiale misura la differenza tra accelerazione del sistema e gravità espresse in un sistema di coordinate solidale all accelerometro Page 24

25 Giroscopi (1) Misurano velocità angolari Principio di funzionamento Massa libera di vibrare all interno del sensore a velocità v Rotazione (ω): la forza di Coriolis induce una vibrazione secondaria ortogonale al senso di vibrazione originale. Misurando la deformazione dovuta alla vibrazione secondaria si può determinare la velocità angolare. 2m ( ) F c = ω v Page 25

26 Giroscopi (2) Giroscopio triassiale Realizzato montando tre giroscopi monoassiali perpendicolarmente p tra loro y1,k ω 1,k + b1,k + v1,k ω yk = y2,k = ω2,k + b2,k + v2,k = ωk + bk + v b offset k y 3,k 3,k + b3,k v ω + 3,k v termine di rumore Il giroscopio triassiale misura il vettore velocità angolare espresso nel sistema di coordinate del sensore Page 26

27 Accelerometri per la misura di inclinazione di segmenti corporei (1) Si consideri un accelerometro applicato ad un segmento corporeo Condizioni statiche ( a << g ) L accelerometro misura il vettore gravità espresso nel sistema di riferimento del sensore. È possibile determinare l inclinazione del segmento rispetto alla verticale. Page 27

28 Accelerometri per la misura di inclinazione di segmenti corporei (2) R = [ X Y Z ] FS S S S T k k k k Rotazione dal sistema fisso a quello solidale l Versori della terna fissa espressi nel sistema solidale Inclinazione F,k (y1k 1,k b 1k 1,k ) y1k 1,k FS S,k FS FS g= Rk g= Rk (y2,k b 2,k ) = Rk y2,k b 3k (y 3,k 3,k) y3k 3,k y1,k 0 0 FS 1 FS T S y Z k ottenuto in funzione dei 2,k ( k ) 0 ( k ) 0 = R = R valori misurati dal sensore y 3,k g c g c Page 28