Indice. Capitolo 1. SPETTROSCOPIA NEL VICINO INFRAROSSO E STRUMENTAZIONE DI MISURA -----------------------------------------------------1

i Indice Capitolo 1. SPETTROSCOPIA NEL VICINO INFRAROSSO E STRUMENTAZIONE DI MISURA -----------------------------------------------------1 1.1 INTRODUZIONE--------------------------------------------------------------------------1 1.2 SPETTROSCOPIA NEL VICINO INFRAROSSO -------------------------------------1 1.2.1 Tecniche di misura -------------------------------------------------------------------4 1.3 STRUMENTO DI MISURA---------------------------------------------------------------9 1.3.1 Struttura e funzionamento --------------------------------------------------------- 10 1.3.2 Ambiti applicativi------------------------------------------------------------------- 13 1.3.3 L Ossimetro NIMO----------------------------------------------------------------- 14 Capitolo 2. ILLUSTRAZIONE DEL PROGETTO--------------------------------------------------- 17 2.1 INTRODUZIONE------------------------------------------------------------------------ 17 2.2 SCOPO DELL ELABORATO ---------------------------------------------------------- 17 2.3 CONSIDERAZIONI --------------------------------------------------------------------- 18 Capitolo 3. I MICROCONTROLLORI PIC ----------------------------------------------------------- 20 3.1 INTRODUZIONE------------------------------------------------------------------------ 20 3.2 STORIA ----------------------------------------------------------------------------------- 20 3.3 IL MICROCONTROLLORE------------------------------------------------------------ 22 3.4 IL MICROCONTROLLORE PIC ------------------------------------------------------ 25 3.4.1 La Cpu ------------------------------------------------------------------------------- 27 3.4.2 La memoria-------------------------------------------------------------------------- 30 3.4.3 Le periferiche ----------------------------------------------------------------------- 31 3.5 PANORAMICA SULLE FAMIGLIE PICMicro-------------------------------------- 33 3.6 AMBITO APPLICATIVO E PREZZI ------------------------------------------------- 35 Capitolo 4. MEMORY CARD SD e MMC ------------------------------------------------------------- 40 4.1 INTRODUZIONE------------------------------------------------------------------------ 40 4.2 LE MEMORIE FLASH------------------------------------------------------------------ 40 4.2.1 Definizione -------------------------------------------------------------------------- 40 4.2.2 Caratteristiche tecniche ----------------------------------------------------------- 41 4.2.3 Storia e panoramica sulle memorie Flash -------------------------------------- 41 4.3 SD vs MMC------------------------------------------------------------------------------- 45 4.4 SD Memory Card ------------------------------------------------------------------------ 45 4.4.1 Storia e descrizione ---------------------------------------------------------------- 45 4.4.2 Sandisk SD Memory Card--------------------------------------------------------- 48 4.4.3 Altre Tipologie ---------------------------------------------------------------------- 50 4.4.4 Applicazioni commerciali e prezzi ----------------------------------------------- 53

ii 4.5 MMC MEMORY CARD----------------------------------------------------------------- 54 4.5.1 Storia e descrizione ---------------------------------------------------------------- 54 4.5.2 Caratteristiche tecniche ----------------------------------------------------------- 56 4.5.3. Tipologie ---------------------------------------------------------------------------- 58 4.5.4 Applicazioni commerciali e prezzi ----------------------------------------------- 60 Capitolo 5. I PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE----------------------------------------------- 61 5.1 INTRODUZIONE------------------------------------------------------------------------ 61 5.2 DEFINIZIONE --------------------------------------------------------------------------- 61 5.3 I 2 C ----------------------------------------------------------------------------------------- 62 5.3.1 Bus I 2 C ------------------------------------------------------------------------------- 63 5.3.2 Protocollo I 2 C----------------------------------------------------------------------- 65 5.3.3 Segnali I 2 C -------------------------------------------------------------------------- 66 5.3.4 Considerazioni---------------------------------------------------------------------- 67 5.4 SPI ----------------------------------------------------------------------------------------- 67 5.4.1 Struttura e funzionamento --------------------------------------------------------- 68 5.5 USB---------------------------------------------------------------------------------------- 72 5.5.1 Struttura generale ------------------------------------------------------------------ 73 5.5.2 Campo di applicazione ------------------------------------------------------------ 74 5.6 PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE DEI PICMicro---------------------------- 76 5.6.1 I 2 C nei PICmicro-------------------------------------------------------------------- 77 5.6.2 SPI nei PICmicro------------------------------------------------------------------- 78 5.7 PROTOCOLLI DI COMUNICAZIONE DELLE MEMORY CARD SD/MMC -- 81 5.7.1 Protocolli SD------------------------------------------------------------------------ 81 5.7.2 Protocolli MMC -------------------------------------------------------------------- 81 5.7.3 SD vs MMC-------------------------------------------------------------------------- 82 Capitolo 6. INTERFACCE HARDWARE ------------------------------------------------------------- 84 6.1 INTRODUZIONE------------------------------------------------------------------------ 84 6.2 µmmc SERIAL DATA MODULE ----------------------------------------------------- 84 6.2.1 Descrizione-------------------------------------------------------------------------- 85 6.2.2 Caratteristiche tecniche ----------------------------------------------------------- 86 6.3 USB Mass Storage Application using a PICMicro---------------------------------- 87 6.3.1 Descrizione-------------------------------------------------------------------------- 88 6.3.2 La comunicazione ------------------------------------------------------------------ 89 6.3.3 L Hardware ------------------------------------------------------------------------- 90 6.4 TRANSCEIVER PER MEMORY CARD INTERFACE SN74AVCA406----------- 90 6.5 PIC - MMC (Multi Media Card) Flash Memory Extension------------------------ 94 6.6 MMC 3.3v prototype Board ------------------------------------------------------------ 95 CONCLUSIONI ----------------------------------------------------------------------------- 97 BIBLIOGRAFIA ---------------------------------------------------------------------------- 98

iii Elenco delle Tabelle 4.1 Tipologie di memory card e rispettive caratteristiche tecniche 45 5.1 Campo di applicazione del protocollo USB 75 5.2 Velocità di clock e burst rate delle SD e MMC 82 5.3. Velocità di clock e Tempo di trasferimento per un dato di 512byte usando i diversi protocolli 83

iv Indice delle Figure 1.1 Spettro di assorbimento in funzione della lunghezza d onda per i differenti cromografi 1 1.2 a) Fenomeno dell assorbimento 3 1.2 b) Fenomeno di Scattering 3 1.3 Segnale di ingresso ad intensità continua 6 1.4 Sorgente ad intensità modulata 7 1.5 Segnale impulsato 8 1.6 Spettro di assorbimento di Acqua ed Emoglobina Ossigenata e Deossigenata 8 1.7 Schema a blocchi dell ossimetro 10 1.8 Rappresentazione del NIMO 15 3.1 Alcuni integrati di PIC Microchip facenti parte della famiglia PIC16C5x 21 3.2 Microcontrollore ATMEL integrato 23 3.3 Immagine esterna del circuito integrato PIC16C84 25 3.4 Architettura Harvard vs Von Neumann 28 3.5 Cicli di istruzione della Pipeline 29 3.6 Cicli di clock e di istruzione 30 3.7 Schema elettrico del lampeggiatore a luci rotanti 35 3.8 Schema elettrico del pannello per scritte scorrevoli 36 3.9 Schema elettrico del interruttore elettrico remoto per cellulari 37 3.10 Schema elettrico del Logger di Temperatura 38 4.1 Flash NAND Dalla Infineon 42 4.2 Schema a blocchi Scheda SD 49 4.3 Memory card SanDisk 51 4.4 MultiMediaCard 55 4.5 Schema a blocchi della struttura interna di una MMC 57 4.6 RS - MMC con adattatore 59 5.1.a Schema a blocchi di un bus I 2 C 63 5.1.b Visuale schematica del collegamento di due dispositivi (master e slave) sul bus I 2 C 64

v 5.2 Operazioni di Lettura e Scrittura del protocollo I 2 C 66 5.3 Diagramma dei tempi dell operazione di trasferimento dati con i rispettivi segnali 67 5.4 Segnali dati e Segnali di controllo tipici del protocollo SPI in configurazione master/slave 69 5.5 Esempio di comunicazione con più slave interfacciati ad un singolo master 70 5.6 Comunicazione nel SPI 71 5.7 Trasferimento dati nell SPI 71 5.8 Connettore USB 72 5.9 Formato del dato nel caso di master transmitter in alto, e nel caso di master receiver in basso 77 5.10 Esempio di collegamento SPI tra due dispositivi 79 5.11 Schema a blocchi delle operazioni nella comunicazione SPI dal punto di vista del Master 79 5.12 Schema a blocchi delle operazioni nella comunicazione SPI dal punto di vista dello Slave 80 6.1 Immagine del µmmc della Rogue Robotics 84 6.2 Interfaccia tra il MMC-SDM e un generico microprocessore 85 6.3 Vista inferiore, lato componenti, dell interfaccia µmmc della Rogue Robotics 86 6.4 Configurazione hardware dell MSD 88 6.5 Schema a blocchi tra l MSD e il PC 89 6.6 Visuale dall alto del package che riveste il SN74AVCA406 91 6.7 Interfaccia con schede SD o SDIO in Modo SD 4-Bit 92 6.8 Interfaccia con schede SD o MMC in Modo SD 1-Bit o MMC 93 6.9 Interfaccia con schede SD/SDIO o MMC in Modo SPI 93 6.10 Schema di connessione di un espansione MMC per i PIC 94 6.11 Prototipo di interfaccia MMC -PIC16F876 funzionante a 3.3V con uscita seriale 95 6.12 Alternativa di collegamento per la scheda di memoria MMC/SD al pcb contenente il PIC 96

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 1 Capitolo 1 SPETTROSCOPIA NEL VICINO INFRAROSSO E STRUMENTAZIONE DI MISURA 1.1 INTRODUZIONE In questo capitolo è illustrata la tecnica di spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS), tecnica che può essere sfruttata per studiare le proprietà di assorbimento e scattering delle molecole tessutali mediante diversi parametri, tra i quali la percentuale di ossigeno. La Spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS, Near Infrared Spectroscopy) è stata recentemente indicata negli Annals of the New York Academy of Sciences come una tecnologia tra le più promettenti nella prossima decade nel monitoraggio finalizzato alla neuroprotezione, essendo in grado di misurare a livello regionale parametri come, appunto, l ossigenazione ed il flusso ematico tessutale cerebrale. Il dispositivo che implementa la suddetta tecnica è chiamato Ossimetro. 1.2 SPETTROSCOPIA NEL VICINO INFRAROSSO La NIRS è una tecnologia che può essere utilizzata per una vasta gamma di studi, prettamente in ambito diagnostico. Essa può essere utilizzata infatti per studi fisiologici, il monitoraggio del consumo di ossigeno e della concentrazione di emoglobina in caso di tumori (anche se la tecnologia più adatta a tal proposito è l Imaging), diagnosi di patologie del sistema vascolare (occlusioni, ischemie, ecc.), lo studio dell'effetto di farmaci su tessuti, il monitoraggio dell'ossigenazione celebrale durante operazioni chirurgiche ed in neonatologia di prevenzione fino al rilevamento di sostanze illecite nel sangue (doping).

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 2 È quindi una tecnica diagnostica non invasiva, in grado di misurare l ossigenazione tessutale utilizzando strumentazioni relativamente a basso costo agendo sulle proprietà dei cromofori 1 che compongono il tessuto da esaminare. La NIRS utilizza un mezzo innocuo per studiare i tessuti biologici, ovvero la radiazione ottica, precisamente l emissione di fotoni nella banda spettrale del vicino infrarosso (NIR, 700-950 nm). I cromofori esaminati sono l Emoglobina ossigenata (HbO 2 ) e l Emoglobina deossigenata (Hb), i quali hanno spettri di assorbimento differenti nel NIR, come si può osservare nella figura 1.1. Tale caratteristica permette di misurare separatamente le due forme dell Emoglobina e quindi la percentuale di Ossigeno nei tessuti studiati. Figura 1.1 Spettro di assorbimento in funzione della lunghezza d onda per i differenti cromografi. Come si può osservare ciascuna sostanza ha il picco massimo a λ differente. Questo significa che a seconda della radiazione che incide il tessuto verrà stimolata una determinata sostanza. 1. I cromofori sono particolari molecole in grado di assorbire la luce. Alcuni cromofori noti sono l Acqua, i Lipidi, la Melanina, L emoglobina ossigenata. Ogni cromoforo ha uno spettro ben definito che rappresenta la lunghezza d onda alla quale esso assorbe maggiormente.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 3 Il fotone NIR [1] lanciato nel tessuto biologico non lo attraversa secondo un percorso rettilineo tra sorgente e rivelatore, bensì esegue un percorso maggiore, assimilabile ad una spezzata, più o meno complessa a seconda del numero di eventi di scattering cui va incontro, che si conclude con l assorbimento totale del fotone da parte del tessuto (evento raro nella banda spettrale NIR), o con la sua fuoriuscita dal tessuto. Il fotone NIR, quindi subisce nel tessuto biologico due processi principali: la diffusione (scattering) e l assorbimento, entrambi funzione della lunghezza d onda λ. Lo scattering, processo dominante nella banda spettrale NIR, è alla base del tipico percorso a zig-zag del fotone all interno del tessuto, come si può osservare in figura 1.2.b, ed è quantificato dal coefficiente di scattering (µ s ), misurabile con le recenti metodiche NIRS risolte nel tempo. L assorbimento (rappresentato in figura 1.2.a) da parte del tessuto biologico è basso nella banda spettrale NIR, ed è principalmente dovuto all emoglobina; esso è espresso dal coefficiente di assorbimento (µ a ), misurabile indipendentemente da µ s con le recenti metodiche NIRS risolte nel tempo. a) b) Figura 1.2 a) Fenomeno dell assorbimento. I ed Io rappresentano rispettivamente i valori di intensità trasmessa ed incidente, d è lo spessore del mezzo c è la concentrazione di cromofori. b) Fenomeno di Scattering. Si può osservare come anche il percorso del fotone incidente non è rettilineo ma riproduce una spezzata. Entrambi i fenomeni di assorbimento e scattering sono calcolati mediante l espressione di Lambert-Beer il quale utilizza i rispettivi coefficienti di assorbimento e scattering.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 4 La complessità dell interazione tra la luce NIR ed il tessuto biologico è alla base del continuo evolversi delle tecnologie NIRS utilizzate in campo sperimentale e clinico. Per studiare un discreto numero di cromofori sarà di conseguenza necessario utilizzare delle sorgenti laser a più lunghezze d'onda. Un esempio di strumentazione NIRS a più lunghezze d'onda è l'ossimetro ottico, utilizzato per misurare l'ossigenazione dei muscoli. L'utilizzo di più lunghezze d'onda permette di avere un'incertezza sulla misura minore, visto che saranno stimolati diversi cromofori. 1.2.1 Tecniche di misura Le prime applicazioni della NIRS in ambito biomedico risalgono al 1977 (Jobsis) con lo studio del grado di ossigenazione di alcuni metabolismi, esse si evolvono nel decennio successivo con lo sviluppo di tecniche tomografiche. Essa si basa sul calcolo dell attenuazione dei fotoni all interno del tessuto, espresso dalla legge di Lambert Beer. Tale legge, in funzione dei valori del coefficiente di assorbimento µ a e del coefficiente di scattering µ s permette di calcolare il valore dell'attenuazione ottica e la concentrazione c dei cromofori nel tessuto. Tale legge avrà un espressione per l assorbimento ed un'altra per lo scattering. La legge che prende in considerazione entrambi i fenomeni è chiamata Equazione di Lambert Beer modificata: A = log 10 (I 0 /I) = α c d DPF + G Facendo riferimento alla figura 1.1, il primo termine della somma è legato all'assorbimento, mentre il secondo termine è una costante che tiene conto della geometria e dello scattering. DPF rappresenta la differenza di cammino percorso dai fotoni ed è funzione del tipo di tessuto, mentre α e c sono legati

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 5 alla sostanza assorbente e rappresentano rispettivamente l'assorbimento specifico e la distanza spaziale tra il punto di iniezione e di rivelazione della radiazione nel tessuto. Il valore del DPF che varia a seconda del tessuto è tabulato, ma non sempre si tratta di una quantità veritiera e ciò rappresenta un limite. In realtà non si misura direttamente il coefficiente di scattering, ma una quantità detta coefficiente di scattering ridotto µ' s, definita come: µ' s = µ s (1 - g) dove g ha un valore compreso tra 0 e 1; g=0 nel caso di scattering isotropo (stessa probabilità di diffusione in tutte le direzioni), g=1 nel caso di forward scattering, ovvero di diffusione nella stessa direzione della radiazione incidente. Questo significa che g tiene conto anche della dimensione molecolare dei cromofori, infatti, maggiore risulta essere tale dimensione e più lo scattering sarà di tipo forward. Di fondamentale importanza risulta perciò il cammino effettivo dei fotoni, che è una quantità casuale e quindi valutabile in termini statistici. In funzione della necessità o circostanza, il segnale di ingresso, ovvero quello che è inviato sul tessuto da esaminare, può essere modulato in diversi modi; si può modulare ad esempio sinusoidalmente o ad impulsi, oppure con segnali ad intensità continua. Di seguito sono riportate schematicamente tali tecniche: CW-NIRS (Continuous Wave-NIRS). Prevede l'illuminazione di un tessuto con una sorgente ad intensità costante e la valutazione dell'entità della luce trasmessa o della luce retrodiffusa. Si tratta quindi di monitorare le variazioni dell'intensità della luce uscente dal tessuto. Con questa tecnica (mostrata in figura 1.3) piuttosto semplice non è possibile

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 6 recuperare alcuna informazione sul cammino effettivo dei fotoni nel tessuto, e si possono quindi effettuare solo misure di tipo qualitativo, come ad esempio la valutazione della variazione di Hb e HbO2. Figura 1.3 Segnale di ingresso ad intensità continua. Utilizzando questa tecnica per misure di tipo quantitativo come ad esempio la valutazione assoluta delle concentrazioni dei cromofori, si necessita di informazioni aggiuntive come l'utilizzo di più lunghezze d'onda o variazioni apposite della distanza tra sorgente e rivelatore. Segnale d'ingresso modulato sinusoidalmente. È una tecnica che offre sicuramente risultati migliori modulando il segnale ottico d'ingresso ad alta frequenza (100 200MHz) e misurando intensità, fase e coefficiente di modulazione del segnale trasmesso dal tessuto, come in figura 1.4. La variazione di fase che si misura dà quindi informazioni sul cammino medio dei fotoni. Infatti, essendo maggiore il cammino rispetto allo spessore del mezzo, si ha un ritardo nell'assorbimento dei fotoni che si traduce in una variazione di fase del segnale d'uscita rispetto a quello di ingresso. La variazione dell'intensità del segnale è utilizzata invece per determinare il coefficiente di assorbimento. Dalla conoscenza del cammino medio dei fotoni e del coefficiente di assorbimento si ricava dunque la concentrazione dei cromofori.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 7 Figura 1.4 Sorgente ad intensità modulata. Il vero vantaggio di questa tecnica è dovuto al fatto che non si utilizzano sorgenti continue ma modulate eliminando quindi i problemi di interferenza dovuti alla luce ambiente che ha intensità continua. Gli svantaggi maggiori di questo tipo di strumentazioni sono legati essenzialmente alla maggior complessità del sistema e alla necessità di avere fotorivelatori piuttosto veloci. Per quanto riguarda le sorgenti laser, queste presentano potenze nettamente superiori alle potenze in gioco nei laser a intensità costante e devono avere una banda larga. Normalmente poi non si riesce ad effettuare una modulazione del 100%, per non far lavorare il laser in sottosoglia. Segnale impulsato. Si tratta di impulsare la sorgente laser d'ingresso mediante l utilizzo di impulsi dell'ordine dei ns, e di misurando in uscita dal tessuto il ritardo di tali impulsi e la loro intensità. In uscita si presenta quindi un segnale ritardato e allungato nel tempo, e questa dilatazione temporale è data da fotoni che sono stati assorbiti in profondità nel tessuto e che hanno perciò percorso un cammino maggiore (figura 1.5). La misura del cammino medio dei fotoni è data dalla misura del ritardo, mentre

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 8 l'entità del rapporto tra le intensità quantifica il coefficiente di assorbimento. Figura 1.5 Segnale impulsato Questo sistema risulta essere tra i più efficienti, presentando di contro una notevole complessità circuitale. Le sorgenti sono normalmente dei laser al titanio-zaffiro che offrono prestazioni migliori, in funzionamento ad impulso rispetto ai normali diodi laser. I fotorivelatori devono essere estremamente veloci e sensibili; normalmente si utilizzano quelli a singolo fotone che presentano, però costi piuttosto elevati. Figura 1.6 Spettro di assorbimento di Acqua ed Emoglobina Ossigenata e Deossigenata.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 9 Si nota dalla fig. 1.6, che mostra come varia il coefficiente di assorbimento dell'acqua e dell'emoglobina al variare della lunghezza d'onda, come ad esempio nel grafico dell'acqua il picco si trova a λ = 970 nm, e quindi per una valutazione efficace della concentrazione dei cromofori si dovrà utilizzare una sorgente laser con tale lunghezza d'onda. Analogo risulta il caso dell'emoglobina ossigenata e deossigenata, che presentano lo stesso valore del coefficiente di assorbimento per λ = 800nm (punto isospestico); quindi facendo lavorare il laser a tale lunghezza d'onda si può misurare la concentrazione totale di emoglobina nel sangue. 1.3 STRUMENTO DI MISURA Le sonde NIR più utilizzate rilevano la radiazione luminosa mediante una o più fibre ottiche con al vertice un Fotodiodo a Valanga (APD) posto dalla stessa parte della sorgente luminosa. I fotoni fuoriescono dal tessuto biologico dopo aver percorso un tragitto di profondità variabile e di forma paragonabile ad una banana (banana function). Questa tecnica prende il nome di spettroscopia in riflettanza, a differenza della spettroscopia in trasmissione in cui le sorgenti rivelatrice e luminosa sono posizionate ai lati opposti del tessuto da studiare. Un dispositivo volto alla rilevazione dell ossigenazione tessutale mediante la tecnica NIRS è l'ossimetro NIMO (Nirox srl). Questo dispositivo è costituito da sorgenti laser che attraverso un MUX ottico permettono di illuminare il tessuto (è utilizzata solo una fibra per volta). La luce diffusa dal tessuto è filtrata per eliminare la componente nel visibile, rivelata da un diodo a valanga, preamplificata e portata in ingresso al formatore di segnale che provvede ad inviare il segnale al Personal Computer.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 10 1.3.1 Struttura e funzionamento Il sistema, il cui schema a blocchi è riportato nella figura 1.7, rientra nella categoria degli ossimetri ad intensità continua, poiché la singola misura di attenuazione è effettuata in un intervallo temporale in cui l'intensità della radiazione luminosa di eccitazione è mantenuta costante. Figura 1.7. Schema a blocchi dell ossimetro La tecnica multidistanza è implementata mediante l'utilizzo di quattro canali ottici di iniezione realizzati da altrettante fibre ottiche poste a distanze differenti, e da un singolo canale ottico di raccolta costituito da una guida d'onda liquida che conduce la radiazione luminosa all'ingresso di un fotorivelatore. La soluzione a rivelatore singolo fa sì che ogni misura effettuata risenta in ugual modo dell effetto delle derive termiche e dell'invecchiamento dei componenti dell'elettronica di elaborazione.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 11 La sorgente La sorgente è il sistema optoelettronico preposto alla generazione dei fasci luminosi coerenti che sono iniettati nel tessuto da analizzare. Essa è costituita da sei moduli, ciascuno dei quali implementa un diodo laser caratterizzato da una lunghezza d'onda distinta dagli altri. La scelta delle lunghezze d'onda (685, 750, 808, 830, 904, 980nm) è effettuata tenendo presenti gli spettri di assorbimento nel vicino infrarosso delle sostanze di cui interessa determinare la concentrazione. L'emissione di ciascuna lunghezza d'onda può essere attivata in modo del tutto indipendente dalle altre mediante un segnale elettrico di comando in logica TTL applicato a connettori BNC. Per mezzo di un potenziometro è inoltre possibile regolare l'intensità della radiazione luminosa emessa da ciascun diodo laser. I fasci coerenti provenienti dai sei moduli sono convogliati su un unica uscita ottica in corrispondenza della quale è presente un dispositivo optoelettronico, denominato power monitor, che fornisce un segnale analogico di ampiezza proporzionale alla potenza ottica emessa. Allo stato attuale la sorgente è alloggiata in un apposito rack da strumentazione ed è separata dagli altri blocchi funzionali che compongono l'ossimetro. Il multiplexer ottico Il multiplexer ottico ha il compito di convogliare la radiazione luminosa proveniente dalla sorgente su una delle quattro fibre ottiche di iniezione. Se è di tipo multimodale, utilizza attuatori piezoelettrici in luogo dei normali meccanismi per effettuare l'allineamento della fibra ottica di ingresso con quella selezionata come uscita. Rispetto a questi ultimi, i dispositivi piezoelettrici consentono di ottenere tempi di assestamento più ridotti, maggiore affidabilità e consumi energetici inferiori. La selezione della fibra ottica di uscita è comandata mediante segnali logici TTL.

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 12 La sonda La sonda è costituita da un supporto di materiale gommoso nel quale sono stati praticati dei fori per mantenere nella posizione desiderata le quattro fibre ottiche di iniezione e la guida d'onda liquida di raccolta. Le fibre sono realizzate in silice e consentono la propagazione multimodale della radiazione. Esse sono poste ad una distanza regolare pari a 5mm l'una dall'altra. La spaziatura minima tra le fibre di iniezione e la guida d'onda liquida di raccolta è invece regolabile tra 2,5 e 3,5cm. L'utilizzo, quale canale di raccolta, di una guida d'onda liquida in luogo di un bundle di fibre è giustificato dalla fatto che essa consente una minore attenuazione e una maggiore apertura angolare rispetto a quest'ultimo. Il fotorivelatore Il fotorivelatore è un modulo commerciale a basso rumore basato su un fotodiodo a valanga (Avalanche Photodiode, APD) e caratterizzato da elevata sensibilità alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Tale modulo fornisce in uscita un segnale analogico proporzionale all'intensità ottica della radiazione luminosa rivelata. Il modulo è dotato dell'elettronica necessaria al funzionamento corretto ed affidabile del fotodiodo; in particolare è presente un circuito finalizzato a compensare le derive subite dal guadagno dell'apd al variare della temperatura. Unità di controllo L unità di controllo comanda le sorgenti ottiche, sincronizzandole con i segnali analogici processati dal ricevitore e generando i segnali per l unità di conversione A/D. L unità di controllo è infatti interfacciata al PC con appropriate schede I/O - A/D per fornire gli adeguati segnali di controllo in funzione dei segnali analogici ricevuti dall APD

Capitolo 1. Spettroscopia nel vicino infrarosso e strumentazione di misura 13 Il fascio di fotoni incidenti saranno assorbiti e deflessi compiendo un tragitto che prende il nome di Banana function, e riemergono in superficie dove sono raccolti da fotorivelatori (fotodiodi a valanga APD) collegati poi all apparato di elaborazione dell informazione. La distanza massima tra l estremità della fibra rivelatrice e quella della fibra che emette la radiazione ottica è di solito 3,5 4 cm, permettendo ai fotoni NIR di penetrare nel tessuto biologico sottostante fino ad una profondità massima di 3 3,5 cm. La profondità è quindi funzione della distanza cui sono poste le due fibre (quella in trasmissione e quella in ricezione). Il segnale ottico trasformato in segnale elettrico, va in ingresso a due convertitori A/D i quali funzionano alternativamente convertono il segnale in 16 bit che contengono l informazione ricevuta dai PD e quella inviata in uscita alle fibre. Questo poiché il bus di comunicazione interno al dispositivo è ad 8 bit, ove viaggia il dato allo stato grezzo che sarà poi elaborato nel DSP e memorizzato nella memoria interna. A questo punto il dato grezzo può venire mandato al PC esterno ed elaborato da un software apposito oppure, come è fatto prevalentemente nei dispositivi portatili, all interno del DSP, ed eventualmente o visualizzato su uno schermo apposito oppure mandato su una scheda di memoria per esempio di tipo SD. 1.3.2 Ambiti applicativi Per utilizzi diagnostici, come ad esempio nel caso perinatale, sono presenti due tipologie di Ossimetro molto diffuse, ovvero l Ossimetro ISS e l Ossimetro NIRO Hamamatsu. L Ossimetro ISS misura in modo assoluto, direttamente ed indipendentemente i coefficienti di scattering e di assorbimento del tessuto, non necessita quindi di stime a priori o di assunzioni riguardo allo scattering per ottenere una misura accurata dell assorbimento del tessuto, e quindi della concentrazione di Hb. La sorgente di luce è rappresentata da 8 diodi laser, 4 a 750 nm e 4 a