CALCOLATORE. Laurea Triennale in Tecniche di Neurofisiopatologia. Corso: MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE STRUMENTAZIONE BIOMEDICA. D.S.

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1 Laurea Triennale in Tecniche di Neurofisiopatologia Corso: MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE 1 D.S. dicembre 99

2 MEMORIA CPU ROM RAM ALIMENTAZIONE BUS tastiera monitor stampante fax memorie di massa imaging PERIFERICHE nastro magnetico disco magnetico CD rom CD riscrivibili interfaccia raccolta dati modem rete scanner fotografia digitale telecamera digitale DVD 2 D.S. dicembre 99

3 UNITA' INFORMATICHE unità di codificazione binaria: bit (b) (0, 1) unità di misura della parola binaria: byte (B) (8 bit; esempio: ); la lunghezza della parola influisce sulla precisione di macchina velocità di calcolo: flop (operazione s 1 ) unità digitale di immagine 2D: pixel unità digitale di volume 3D: voxel velocità trasmissione dati: baud (bit s 1 ) 3 D.S. dicembre 99

4 MEMORIA DI MASSA nastro magnetico contenuto ~1 GB accesso medio-lento impiego: back-up disco magnetico CD rom CD riscrivibili contenuto GB accesso medio-rapido varietà modelli - dischi (1.4 MB) - dischi zip (100 MB) - dischi interni (>10 GB) contenuto ~ 600 MB accesso rapido 4 D.S. dicembre 99

5 GENERAZIONI SUCCESSIVE DI CALCOLATORI generazioni "0" Pallottoliere, 2500 a.c. (Siddarta Gautaba detto Budda) RAM tempo / operazione '50 "I" valvole ~ 1 kb ~ ms unità nastro 256 b/inch segnali ~ 10 volt '60 "II" transistors ~ 30 kb ~ µs unità nastro 800 b/inch segnali ~ 1 volt sviluppo periferiche time sharing '70 "III" circuiti integrati (IC) ~ 1 MB ~ 200 ns unità nastro 3200 b/inch central processors rapidi time sharing pooling di calcolatori 5 D.S. dicembre 99

6 GENERAZIONI SUCCESSIVE DI CALCOLATORI generazioni RAM tempo / operazione '80 "IV" IC e circuiti microprogrammati ~ 100 MB ~ 100 ns unità disco processori paralleli calcolo parallelo '90 "V" microprocessori (0.5-1 milione transistors) ~ 1 GB ~ 10 ns processori paralleli calcolo parallelo sviluppo periferiche (imaging) reti (LAN e WAN)ottiche internet desk e portable computers estensione aumento Gflop estensione 6 D.S. dicembre 99

7 VALVOLE/TUBI 1 cm ampiezza segnali: ~ decine volts alimentazione rete TRANSISTORS 1 cm ampiezza segnali: alcuni volts alimentazione ~ decina volts CIRCUITI INTEGRATI 1 cm ampiezza segnali: ~ volt Alimentazione: ± 5 volt MICROPROCESSORI 7 (0.5-1 milione di transistors) 1 cm ampiezza segnali: ~ volt Alimentazione: ± 5 volt D.S. dicembre 99

8 CIRCUITI INTEGRATI 1 cm 1 cm 1 cm 8 D.S. dicembre 99

9 STRUMENTAZIONE BIOMEDICA CIRCUITI INTEGRATI componenti componenti componenti 131 componenti 9 D.S. dicembre 99

10 CIRCUITI INTEGRATI STRATO DI ALLUMINIO STRATO DI SiO 2 CONTATTI PRE-OHMICI FINESTRE PER LE RESISTENZE ELETTRODO INFERIORE DEL CONDENSATORE RESISTENZE DI NICHROME RESISTENZE DI NICHROME Al 2 O 3 - SiO 2 INTERCONNESSIONI DI ALLUMINIO FINESTRE PER SALDATURE SALDATURE ELETTRODO SUPERIORE DEL CONDENSATORE deposizione a strati di materiali conduttori, isolanti, semiconduttori su piani successivi (tipo wafer) SiO 2 10 D.S. dicembre 99

11 STRUMENTAZIONE BIOMEDICA CIRCUITI INTEGRATI 104 IC/cristallo taglio collegamenti impacchettamento test 11 D.S. dicembre 99

12 Analogico significa continuo. Il tachimetro dell automobile (se a lancetta), l orologio a lancette (se queste non si muovono a scatti), la manopola del volume di uno stereo (se non ha gli scatti), un termometro a mercurio: sono tutti esempi di strumenti analogici. Il problema è che i segnali analogici non si possono rappresentare direttamente con numeri ma solo con grandezze (angoli per le lancette, segnali elettrici, l altezza del mercurio) e, purtroppo, queste grandezze a loro volta non possono essere trattate ed elaborate da un computer! Digitale. Digitale significa avere a che fare con numeri. Se l analogico è il regno del continuo, nel mondo digitale domina il discreto. In un orologio digitale che visualizza solo i minuti, in un determinato istante sono le 15.30, dopo un minuto sono le 15.31: non è possibile visualizzare gli infiniti attimi intermedi che sono invece rappresentati nell orologio analogico dall impercettibile ma (attenzione al termine!) continuo movimento delle lancette!

13 Il successo del digitale è dovuto al fatto che i computer sono perfettamente in grado di trattare ed elaborare numeri (anzi, non sanno fare altro!!). Il punto fondamentale è questo: i computer possono manipolare esclusivamente informazioni digitali. Dal momento che i computer moderni sono in grado di elaborare diversi tipi di informazioni, si pone il problema di come renderle tutte di tipo digitale o, con un verbo piuttosto utilizzato, come digitalizzarle. Non è quindi questione di qualità o di modernità ma soltanto di una esigenza pratica, legata al mondo dell informatica.

14 TECNICHE DI NEUROFISIOPATOLOGIA Corso: Misure elettriche ed elettroniche 1 D.S. ottobre 99

15 linguaggio binario (successione di 2 simboli) microprocessore periferiche memoria unità binaria: bit (b) (0, 1) unità di parola binaria: byte (B) (8 bit; esempio: ) velocità di calcolo: flop (operazione s 1 ) unità digitale di immagine 2D: pixel unità digitale di volume 3D: voxel velocità trasmissione dati: baud (bit s 1 ) 8 bit 2 8 = 256 codifiche diverse 2 D.S. ottobre 99

16 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 1 sistema di misura sensore, amplificatore, filtro convertitore analogico-digitale microprocessore memoria periferiche conversione numerica: numeri decimali numeri digitali 3 D.S. ottobre 99

17 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 2 conversione segnali elettrici: segnali analogici linguaggio binario (segnali digitali) la conversione si ottiene mediante il campionamento del segnale analogico la frequenza di campionamento determina la precisione di riproduzione del segnale analogico conversione A-D: il numero di bit che compongono il n.ro digitale convert Determina la precisione con cui viene digitalizzata la grandezza fisica 8 bit 2 8 = 256 parti (in cui viene suddivisa l ampiezza massima del segnale) precisione relativa = (256) 1 = 0.4% (ad es. all ampiezza di 1 Volt corrisponde una precisione di circa 4 mv, sufficiente) 4 D.S. ottobre 99

18 V V o o CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 3 start t Periodi troppo lunghi! T esempio ECG segnale analogico stop tempo esempio ECG campionamento tempo campionamenti dev essere T << t (=minimo intervallo di tempo in cui si hanno variazioni significative del segnale analogico) 5 D.S. ottobre 99

19 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 4 se la frequenza di campionamento è molto elevata -> calcoli lenti segnali biologici sufficienti T millisecondo, corrispondenti a frequenza campionamento:1 10 khz esempio EEG: analisi armonica Τ = 20 secondi armonica fondamentale: ν = 1 20 s = 0.05 Hz Calcolo del numero massimo di armoniche n max: t più piccolo in cui si hanno variazioni di segnale: t 0.01 s ν 100 Hz ν max = 200 Hz 6 (x2 per sicurezza) D.S. ottobre 99

20 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 5 esempio EEG: analisi armonica ν max = 200 Hz periodo tracciato = 20 s ν min = 0.05 Hz n max = 200 Hz 0.05 Hz = ampiezze A i e 4000 ampiezze B i (oppure 4000 ampiezze C i e 4000 fasi φ i) 8000 incognite 7 D.S. ottobre 99

21 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 6 esempio EEG: analisi armonica numero dati da acquisire : > 8000 frequenza di campionamento : 1 khz periodo del tracciato : 20 secondi numero conversioni : ok occupazione di memoria : 20 kbyte tempo impiegato per analisi di Fourier (tecnica FFT): somme x integrali = operazioni elementari calcolatore 100 megaflops 10 8 operazioni elementari secondo 1 (risparmio FFT : fattore 10) 8 t 0.16 secondi D.S. ottobre 99

22 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 7 esempio EEG: analisi armonica banda passante = ν risolta dallo strumento ( 1 Hz) unità di misura spettro di potenza : µv 2 Hz energia associata ad ogni Hz di frequenza 9 D.S. ottobre 99

23 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE 8 esempio EEG: analisi armonica 2 µv Hz o V 02-AVG Hz 10 5 o soggetto normale occhi chiusi soggetto normale occhi aperti ν 2 µv Hz V 02-AVG ν Hz 10 D.S. ottobre 99

24 IMMAGINI DIGITALI quantità di calcolo (n operazioni s 1 ) flessibilità connessioni periferiche (interfaccie, reti, memoria) dimensione di memoria (RAM, ROM, memoria di massa) trattamento delle immagini calcolatore 1 immagini digitalizzate unità binaria : bit (b) (0, 1) parola binaria : byte (B) (8 bit : esempio ) velocità di calcolo : flop (operazione s 1 ) unità digitale di immagine 2D : pixel unità digitale di volume 3D : voxel velocità trasmissione dati : baud (bit s 1 ) 11 D.S. ottobre 99

25 IMMAGINI DIGITALI unità digitale di immagine 2D : pixel N x matrice M x N 2 j y risoluzione M, N 1 1 k M pixel : livelli grigio, colore 1 byte = 8 bit 2 8 = 256 combinazioni (grigio, colore) alta risoluzione 1000 pixel x 1000 pixel = = 10 6 pixel 1 MB 12 D.S. ottobre 99

26 ADC preparato su tavolino motorizzato MICROSCOPIO SENSORE segnali analogici CONVERTITORE ANALOGICO-DIGITALE segnali digitali elaborazione immagine IMMAGINI DIGITALI esempio: microscopia digitale matrice di pixel memoria digitale (immagine) 255 pixel 0 nero bianco 3 tonalità di grigio D.S. ottobre 99