Bioingegneria e Informatica Medica. Ing. Elisabetta M. Zanetti

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1 Bioingegneria e Informatica Medica Ing. Elisabetta M. Zanetti elisabetta.zanetti@unipg.it

2 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.

3 Bioingegneria Ingegneria per la medicina Strumentazione: - scelta - manutenzione - modalità di utilizzo Modelli matematici e fisici per simulazione Elaborazione dei segnali

4 Argomenti del corso Specifiche della strumentazione Principi di funzionamento dei sensori Trattamento del segnale (acquisizione, digitalizzazione, filtri, elaborazione) Sicurezza elettrica

5 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 V O2, V CO2, pressioni p O2, p CO2 ph ematico, Specie chimiche

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7 Sensore Intervento Terapeutico

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9 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

10 Caratteristiche generali dei Segnali Biomedici PICCOLE AMPIEZZE (5mV 5mV): NECESSITA AMPLIFICAZIONE (x x ) 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)

11 Specifiche richieste

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13 Specifiche dei sensori: Caratteristiche esterne

14 Specifiche dei sensori: Caratteristiche Range V misurato V V vero vero interne Sensitività S=DV out /DV i 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)

15 Specifiche della strumentazione Tonometro Icare Pressione intraoculare dell occhio umano Valore Dimensione Min 13 max 32(larghezza) * 45-8 (altezza) * 230(lunghezza) Unità di misura mm Peso 155(senza batterie), 250(con 4 batterie AA) g Range di misurazione da 7 a 50 mmhg Range di visualizzazione 0-99(stima della pressione intraoculare IOP oltre l'intervallo di misurazione) mmhg Precisione (95 % intervallo di tolleranza relativo alla manometria) ± 1,2( 20) e ± 2,2(> 20) mmhg Ripetibilità (coefficiente di variazione) <8 % Precisione del display 1 Alimentazione 4 batterie AA Temperatura funzionamento Da +5 a +40 C

16 Termometro Geratherm Duotemp Valore Range di misura temperatura Da 0 a 100 Da32 a 212 Precisione da 35,5 a 42,0 : +/- 0,1 da 95,9 a 107,6 : +/- 0,4 Approssimazione 0,1 0,1 Unità di misura Celsius Farheneith Celsius Farheneith Celsius Farheneith Alimentazione batteria al litio da 3 V tipo CR2032 Volt Dimensioni 150 (L) x 36,7 (P) x 44 (A) Metri X10^-3 Peso 47 batteria inclusa Kilogrammo X10^-3 Conformità Dispositivo Medico di classe I conforme alla Direttiva CEE 93/42

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18 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

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20 Specifiche dei sensori: Caratteristiche Accuratezza V misurato V V vero vero interne Sensitività S=DV out /DV i 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)

21 Range o campo di misura

22 Specifiche dei sensori: Caratteristiche Accuratezza Range V misurato V V vero vero interne 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)

23 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

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25 Calibrazione sensore amperometrico! Unico ciclo, sola SALITA, >peso dati bassa concentrazione

26 Valore Misurato Peso (lb) Dati y = x Valore Vero Peso (lb)

27 Grafico degli scostamenti Errore dalla retta di calibrazione(lb) ACC ISTERESI. RIPETIB. ACC - Valore Vero Peso (lb) Ciclo_I Ciclo_II Ciclo_III Ciclo_IV Ciclo_V Ciclo_VI

28 Ripetibilità = Massimo scostamento tra i valori ottenuti per lo stesso valore della grandezza di input (0-5 kg), raggiunto nello stesso modo (crescente/descrescente= ramo inferiore o ramo superiore) Isteresi = massimo scostamento trai valori letti per uno stesso ciclo (stesso indicatore, es: triangolo) e per uno stesso valore della grandezza di input (0-5kg), raggiunto con pendenza positiva o negativa

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30 Deviazione media (lb) BIAS (+) Scostamenti medi Media tra i cicli, salita Media trai cicli e media salita e discesa Media tra i cicli, discesa LINEARITA BIAS (-) 0.50 Valore Vero Peso (lb)

31 Errore di bias: massimo scostamento dei valori mediati trai diversi cicli (curva blu e curva rossa) dal valore interpolato sulla retta Errore di linearità = massimo scostamento tra i valori mediati trai diversi cicli e tra semiciclo di salita e di discesa ( media delle medie =curva azzurra) e la retta terminale = retta che unisce il primo e l ultimo punto dei valori mediati tra i diversi cicli (prima e ultima stellina azzurra)

32 Risposta nel tempo: DERIVA

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34 Correzione/Riduzione errori Errori di BIAS: si possono eliminare completamente con calibrazione accurata (= conosco il valore vero ) Errori di precisione: si possono ridurre eseguendo la media campionaria ( ) = media di n valori: =