Strumentazione Biomedica

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1 Sensori termici Univ. degli studi Federico II di Napoli ing. Paolo Bifulco Misure di temperatura In campo biomedico la temperatura ricopre un ruolo molto importante poiché essa rappresenta un fattore condizionante e spesso perturbante lo stato di salute o di benessere di un soggetto. La sua misura, quindi, viene utilizzata sia per scopi diagnostici che di semplice monitoraggio. Essa, inoltre, è una delle variabili più sottoposte ad un rigido controllo dal corpo umano. La temperatura interna, infatti, di un soggetto sano è quasi indipendente dall'ambiente esterno e si attesta sui 37 C. Essendo un sistema omeostatico, la regolazione termica è basata su un meccanismo di retroazione. 1

2 Misure di temperatura In generale possiamo affermare che la temperatura è una grandezza fisica, che, a differenza per esempio della lunghezza la cui determinazione è diretta, viene misurata o rilevata attraverso la manifestazione di un suo effetto, come la dilatazione di un solido o di un liquido (classico termometro a mercurio). Un sensore di temperatura (di tipo non radiativo) prevede sempre un elemento sensibile che deve entrare in contatto con il corpo. Un sensore ideale dovrebbe avere capacità termica nulla, in modo da non influire sulla temperatura dell' oggetto di misura, resistenza termica tra sensore e corpo nulla in modo da non alterare la lettura, resistenza termica tra sensore e l'ambiente infinita, per impedire l'influenza della temperatura ambientale sul corpo. Applicazioni cliniche della termometria Temperatura interna del corpo. La misura con sensori a contatto della temperatura in questo caso è il più comune e diffuso metodo di rilevazione. Temperatura superficiale del corpo. Anche in questo caso la conoscenza della temperatura può rappresentare un importante strumento diagnostico. Un elevato valore, per esempio, della temperatura di particolari masse tessutali rispetto ai tessuti circostanti può essere un indicatore della presenza di un sospetto tumore. Anche la riduzione della temperatura dell'alluce può essere un campanello d'allarme in anestesiologia. Viene misurata sia con tecniche a contatto diretto che per via radiativa. Temperatura sanguigna. La temperatura del sangue è abbastanza vicina a quella interna e generalmente è misurata con tecniche di cateterismo intravascolare.

3 Temperatura interna del corpo Non esiste una correlazione semplice tra la temperatura della pelle e quella interna del corpo, per cui per misurare quest'ultima bisogna accedere a particolari siti corporei: tradizionalmente l'interno della cavità orale, rettale o sotto il braccio o, per via radiante, nel condotto uditivo. Un classico e tradizionale strumento per misurare la temperatura interna è il termometro a mercurio. Nonostante sia uno degli strumenti più diffusi, soprattutto per il suo basso costo, presenta una serie di svantaggi legati alla lentezza ed alla imprecisione della lettura, alla sua fragilità e in caso di rottura all'inquinamento dell' ambiente. Recentemente si stanno affermando termometri digitali elettronici a basso costo in sostituzione dei tradizionali termometri a mercurio. Essi hanno una risposta relativamente veloce ed una buona visibilità del display, ma richiedono l'uso di batterie. Misura della temperatura superficiale La distribuzione della temperatura superficiale può essere rilevata di telecamere ad infrarosso che mettono in evidenza mappe isointensità convertite in isoterme. Una telecamera ad infrarosso è generalmente costituita da una matrice di sensori a semiconduttore (per esempio HgCdTe) raffreddati in azoto liquido. Una telecamera termica operante a temperatura ambiente può essere costruita utilizzando materiali piroelettrici. Sono anche in uso, per misure semiquantitative di mappe termiche superficiali, placche flessibili a cristalli liquidi colesterici. 3

4 Misura della temperatura sanguigna La misura della temperatura del sangue è generalmente invasiva ed è effettuata attraverso cateteri. Nei cateteri possono essere utilizzati come elemento sensibile la termocoppia o il termistore, ma un approccio interessante consiste nell'utilizzare cateteri a fibra ottica in cui l'elemento sensibile è costituito da un cristallo di alexandrite che ha uno stato eccitato di fosforescenza tale da poter monitorare la temperatura nel range fisiologico con una risoluzione di 0, C. Trasduttori termoresistivi I trasduttori termoresistivi sfruttano la proprietà di alcuni metalli e semiconduttori di cambiare la loro resistenza con la temperatura. Tale dipendenza è descritta da opportune equazioni che introducono un coefficiente termico della resistenza caratteristico del tipo di metallo o semiconduttore utilizzato. Esso è definito come: TCR =α = dr dt Se il TCR è positivo allora la resistenza cresce con la temperatura, mentre se è negativo decresce con la temperatura. 1 R 4

5 Trasduttori termoresistivi: Metalli In un conduttore metallico l'aumento della temperatura non induce un incremento significativo del numero di elettroni che concorrono alla conduzione della corrente elettrica, ma provoca un aumento dell' ampiezza delle oscillazioni dell' atomo intorno alla sua posizione di equilibrio, determinando una dispersione del flusso di elettroni ed una conseguente diminuzione della loro mobilità media. La resistenza elettrica in un metallo, quindi, aumenta con la temperatura (TCR positivo) e segue un andamento del tipo: n ( 1+ α T + α T ) R= R α 0 1 n T dove R 0 è la resistenza alla temperatura di riferimento T 0 e T = T-T 0 Problemi: autoriscaldamento, eventuali deformazioni meccaniche Trasduttori termoresistivi: Metalli I principali vantaggi di questi tipi di trasduttori risiedono nella loro semplicità, buona sensibilità, alta ripetibilità ed accuratezza (soprattutto per il platino) e basso costo (rame e nickel). Per i tre metalli citati, che sono anche i più impiegati, nel loro intervallo lineare, la precedente equazione si semplifica in: R= R ( 1 + α 0 1 T) La gamma di temperatura misurabile va da circa -00 C fino a circa 300 C per il nichel ed il rame e fino a 900 C per il platino. La sensibilità varia da 0,4 Ω/ C per il platino a circa 0,7 Ω/ C per il nichel (con riferimento ad un dispositivo da 100 Ω). Il platino offre le prestazioni migliori, ma è il più costoso; il più economico è il rame, ma presenta gli inconvenienti di avere bassa resistività (questo potrebbe creare problemi durante il collegamento con i dispositivi di misura), facile corrodibilità ed un certo livello di tossicità 5

6 Trasduttori termoresistivi: termistori Per le loro piccole dimensioni, ottima stabilità nel tempo e coefficienti termici elevati, i termistori sono eccellenti candidati per le misure di temperatura in campo biomedico. In funzione della loro composizione possiamo distinguere 3 tipi di termistori: 1. Miscele di ossidi metallici (Fe, Cu, Ni, Co) opportunamente pressati ad elevate temperature (sinterizzazione) fino ad ottenere composti solidi con caratteristiche simili ai semiconduttori. Presentano un coefficiente termico negativo (NTC).. Miscele di titanato di bario e stronzio. Presentano un coefficiente termico positivo (PTC). 3. Singoli cristalli di semiconduttore drogato. Presentano un coefficiente termico positivo (PTC). Trasduttori termoresistivi: termistori La caratteristica resistenza-temperatura è fortemente non lineare ed è data dalla seguente legge empirica: 1 1 β T T0 R= R0e dove R 0 è la resistenza alla temperatura di riferimento T 0 espressa in gradi Kelvin, mentre β è un parametro denominato temperatura caratteristica del materiale. Un suo tipico valore è 4000 K, ma dipende dal tipo di materiale e dal metodo di fabbricazione; il suo intervallo di variazione è K. Differenziando l'espressione della resistenza espressa nell'equazione precedente rispetto alla temperatura, otteniamo il coefficiente di temperatura (TCR). 1 dr α = RdT β = T Tipicamente alla temperatura di 300 K α= -0,044 C -l La caratteristica ha un andamento non lineare, ma esistono diverse tecniche per ottenere una soddisfacente linearizzazione, almeno in un campo di temperatura ristretto, tipico del settore biomedico, anche se attraverso una riduzione della sensibilità. 6

7 Trasduttori termoelettrici: termocoppie Effetto Seebeck Se due metalli di natura differente vengono connessi come in figura e le regioni delle due giunzioni sono posti a diversa temperatura si produce una differenza di potenziale, correlata sia alla natura dei metalli che al gradiente termico fra le giunzioni. V ( T T ) + ( T ) α T 1 T = γ 1 1 T Metallo A Metallo B dove α e γ sono costanti intrinseche della coppia dei metalli. Un sensore di temperatura che sfrutta tale fenomeno è definito termocoppia. Mantenendo fissi i materiali ed una temperatura, è possibile utilizzare V per misurare l'altra temperatura. Trasduttori giunzione a semiconduttore Una giunzione p-n di un semiconduttore polarizzata direttamente presenta la caratteristica corrente-tensione V D ηvt I = 1 D I 0 e Dove η= per il silicio, I 0 la corrente inversa di saturazione, V T =kt/q=t/11600 Volt. (se V D >>V T si può trascurare l unità) I 0 è funzione della temperatura secondo la relazione I ηkt ( T ) T e Dove E g rappresenta il salto tra la banda di valenza e quella di conduzione a 0 K ; f(t) risulta essere circa proporzioanle a T -3/, per cui si ottiene: E g ηkt VD = ( ln H ln I D) q q Dove H è una costante indipendente dalla temperatura. Da ciò, il trasduttore, se alimentato a corrente costante, presenta una in tensione lineare decrescente con la temperatura 0 = f 3 E g 7

8 Termometri a radiazione Ogni corpo ad una temperatura superiore allo 0 K irradia energia elettromagnetica in funzione delle sue proprietà fisiche e della temperatura. A temperature superiori ai 500 C la radiazione emessa ha una forte componente nella banda visibile dello spettro, mentre a temperature più basse, inclusa quella ambiente, prevale la radiazione infrarossa, per cui l'energia può essere percepita sotto forma di calore. Della quantità di energia incidente su un corpo, parte è riflessa, parte è diffusa in tutte le direzioni, parte è assorbita e parte è trasmessa. Si definisce "corpo nero" un corpo ideale che assorbe tutta la radiazione incidente su di esso. Una cavità chiusa con le pareti nere a temperatura controllata e fornita solo di una piccola fessura si comporta approssimativamente come un corpo nero. Il rapporto tra l'energia emessa da un dato corpo per unità di area nell'unità di tempo e quella emessa da un corpo nero nelle stesse condizioni si definisce emissività del corpo ε. Per un corpo nero ε = 1. L'emissività può dipendere dalla lunghezza d'onda, dalla temperatura, dallo stato fisico e dalle caratteristiche della superficie. Termometri a radiazione L'energia W λ emessa da un corpo nero nell' unità di tempo, per unità di superficie, ad una data lunghezza d'onda λ e temperatura T è data dalla legge di Plank: c1 W = Wcm µ m λ [ ( c λt) ] / λ 5 exp / 1 dove: c 1 = 7πc h = 3, [Wµm 4 /cm ] c = hc/k = 1,44 [cmk] h = 0, [Ws ] (cost. di Plank) k = 1, [Ws/K] (cost. di Boltzmann) C = [m/s] (velocità della luce) 8

9 Termometri a radiazione I vantaggi di un approccio di misura a radiazione risiedono nell'assenza di contatto diretto con la sorgente e la possibilità di scansionare la superficie di un oggetto ricostruendo una mappa visiva della distribuzione della temperatura. In campo biomedico la misura della distribuzione della temperatura sulla pelle è stata negli ultimi anni uno strumento di indagine clinica molto importante; in particolare nella individuazione di tumori, nello studio di malattie del sistema circolatorio periferico, nella rivelazione di insufficienza circolatoria dell'arteria carotide: tutti fenomeni associati a distribuzioni anomale della temperatura. 9