Sistemi Ingressi ed uscite di un sistema Diagramma a blocchi di un sistema Decibel Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Elettroencefalografo Sistema di misura dei potenziali evocati Elettromiografo
Sistemi Un sistema può essere definito come: Un qualsiasi volume chiuso dove tutti gl ingressi e uscite sono note Ad esempio: motore termico multimetro un ecosistema Ingressi e uscite determinano la natura del sistema
Ingressi e uscite di un sistema I sistemi possono spesso essere descritti mediante le grandezze in ingresso in uscita ed il loro rapporto. Le grandezze in ingresso ed in uscita possono essere funzione del tempo o della frequenza. La natura delle grandezze in ingresso ed in uscita dipende da dove sono definiti I limiti del sistema. Per esempio: Modificando i limiti del sistema varia la natura delle grandezze in ingresso ed in uscita.
Ingressi e uscite di un sistema I componenti che interagiscono con il mondo esterno sono denominati sensori ed attuatori nell'esempio precedente il microfono rappresenta un sensore nell'esempio precedente l'altoparlante rappresenta un attuatore
Diagramma a blocchi di un sistema Spesso è conveniente rappresentare sistemi complessi mediante un diagramma a blocchi semplificato
Sistema elettrico In un sistema elettrico in ingresso ed in uscita sono presenti grandezze come: tensioni, correnti o potenze elettriche. Di seguito è mostrato un sistema con un solo ingresso e una sola uscita, I'ingresso è connesso a un sensore che costituisce la sorgente l uscita è connessa all attuatore che rappresenta il carico Sistemi complessi sono spesso suddivisi in sottosistemi o moduli l'uscita di ciascun modulo rappresenta la sorgente per la sezione successiva l'ingresso di ogni modulo rappresenta un carico alla sezione precedente
Diagramma a blocchi di un sistema elettrico Sottosistema A Vi () f Vo () f Zi ( f ) Ri ( f ) jxi ( f ) ZL( f ) RL( f ) jxl( f ) I ( f ) I ( f ) i V Po o V Pi Cos( t) V Pi t V Po Cos( t+ v) L effetto dei componenti reattivi varia in frequenza, per cui il guadagno di una rete con elementi reattivi varia in frequenza. Tal comportamento è denominato risposta in frequenza. La risposta in frequenza è descritta tramite modulo e fase del guadagno. ZL Guadagno di tensione Vo ( f ) VPo ( f ) j v Av(f) e Av(f) e V ( f ) V ( f ) i P i j V Guadagno di corrente Io( f ) IPo( f ) j I Ai(f) e AI(f) e I ( f ) I ( f ) i P i j i Guadagno di Potenza A P (f) Po () f Pf () i
A p d B L og10 x Decibel (db) Il guadagno in potenza dei moderni amplificatori elettronici è spesso molto elevato, sono comuni guadagni di 10 6 o 10 7 Con tali valori è conveniente usare un'espressione logaritmica come i decibel. Il decibel è una cifra adimensionale di A P 40 30 20 10 0 Esempi di guadagni 1 10 100 1000 10000 Ap A P(dB) = 10 log10 P o 4 3 2 1 0 Log ( 10 x) y 10 =x Pi 1 10 100 1000 10000 x Usando i db si semplifica il calcolo del guadagno nei circuiti in cascata.
Il guadagno di potenza è legato al guadagno di tensione. Assumendo V i e V L come tensioni in ingresso ed in uscita e Z i e Z L come le impedenze d ingresso e di carico. Se Re[1/Z i ]=Re[ 1/Z L ] P A (db) 10log 10 log Perfino quando Re[1/Z i ] Re[1/Z L ] Decibel (db) 2 Po o P 10 10 2 Pi VPi V 2 2 Re[1/ Z ] L Re[1/ Z ] V V A (db) 10 log 20 log 20 log (A ) 2 Po Po P 10 2 10 10 V VPi VPi Tuttavia, è molto comune descrivere il guadagno di tensione di un circuito in db come Vo A V (db) 20 log10 V i i
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Il misurando è la quantità, grandezza, proprietà, o una condizione che viene misurata da un sistema di strumentazione ed è denominato segnale bioelettrico, come quelli generati dai muscoli o cervello, segnale chimico o meccanico che viene convertito in un segnale elettrici. Misurando
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica I sensori sono usati per convertire misurandi fisici in segnali elettrici. I segnali prodotti da questi biosensori sono segnali analogici (segnali continui) che sono inviati al blocco di elaborazione analogica dove sono amplificati, filtrati e condizionati. Misurando
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Successivamente i segnali ottenuti sono inviati al blocco di conversione digitale. Una volta che i segnali analogici sono stati digitalizzati essi possono essere memorizzati e elaborati in modo digitale, in questa fase possono essere applicati molteplici metodi di condizionamento del segnale. Misurando In alcuni dispositivi, il segnale viene memorizzato brevemente in modo che si possano effettuare ulteriori trattamenti o così che un operatore può esaminare i dati. In altri casi, i segnali sono memorizzati in modo permanente in modo che in un secondo momento possano essere applicati ai segnali più schemi di elaborazione,
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Sistemi di strumentazione di base includono anche i dispositivi di visualizzazione dei dati che consentono a operatori umani di visualizzare il segnale in un formato che è facile da comprendere. Misurando La maggior parte dei dispositivi di visualizzazione, sono destinati ad essere osservato visivamente, ma alcuni dispositivi forniscono anche segnali acustici (esempio il battito cardiaco).
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Mediante il telefono ed internet, i segnali possono essere acquisiti con un dispositivo in una postazione, forse a casa del paziente, e trasmessi a un altro dispositivo per la lavorazione e/o immagazzinamento. Misurando
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Altri due componenti svolgono un ruolo importante nei sistemi di strumentazione. La calibrazione, un segnale noto in ampiezza e contenuto di frequenza viene applicata al sistema di strumentazione all'ingresso del sensore. Misurando Il segnale di calibrazione permette ai componenti del sistema di essere regolati in modo che l'uscita e l'ingresso abbiano un rapporto noto ottenuto da misura. Il secondo è un elemento di retroazione, dove alcuni dispositivi di retroazione raccolgono i dati fisiologici e stimolano una risposta, ad esempio, il battito cardiaco o il soffio. Oppure fanno parte di sistemi biofeedback in cui il paziente è a conoscenza di una misurazione fisiologica.
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Un sistema di indagine biomedica è quindi un sistema di misura elettronico realizzato per monitorare, registrare ed eventualmente elaborare le misure di una o più grandezze fisiche. Il segnale acquisito è sottoposto ad amplificazione e filtraggio, la prima permette di rafforzare la dinamica il secondo riduce l entità dei disturbi che si accoppiano al segnale utile. Dopo la conversione dalla forma analogica a quella digitale, il segnale è inviato ad un processore per l elaborazione, l analisi e l eventuale visualizzazione dei risultati. I sistemi di indagine biomedica possono essere suddivisi in sistemi: supportati da PC o portatili.
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica Nel caso dei sistemi supportati da PC, la sezione di acquisizione si interfaccia con un PC, che svolge funzioni di elaborazione del segnale e di memorizzazione. L utente può usufruire di un interfaccia grafica con la quale controllare e regolare i parametri di acquisizione e di elaborazione ed esaminare i risultati.
Struttura generale dei sistemi di indagine biomedica I sistemi di acquisizione dati portatili presentano dimensioni e consumi ridotti e pertanto permettono il monitoraggio dei segnali biologici anche al di fuori dei laboratori clinici.
La figura mostra il range in tensione e in frequenza di alcuni tipici segnali EOG elettrooculografia EEG elettroencefalogramma ECG elettrocardiogramma EMG elettromiografia AAP potenziale d azione assone
Elettroencefalografo Il funzionamento di un elettroencefalografo dipende dal fatto che le cellule nervose nel cervello producono costantemente piccoli segnali elettrici. I neuroni, trasmettono le informazioni in tutto il corpo elettricamente. Essi creano impulsi elettrici dalla diffusione di calcio, sodio e ioni potassio attraverso le membrane cellulari. Quando una persona sta pensando, o guardando la televisione diverse parti del cervello vengono stimolate. Questo crea diversi segnali elettrici che possono essere monitorati da un elettroencefalogramma.
Elettroencefalografo I potenziali elettrici generati dall'attività neurale del cervello possono essere osservati sul cuoio capelluto con appropriate tecniche di amplificazione. I segnali misurati costituiscono l elettroencefalogramma (EEG), che riflette le funzioni globali del cervello. In un tipico esame clinico, l'eeg è registrata per un periodo di circa 15 a 20 minuti, con il paziente seduto e rilassato. L'attività misurata in queste condizioni è denominata EEG di background, per distinguerla da attività misurate mentre il paziente è sottoposto a stimoli esterni. Applicazioni avanzate di EEG, quali gestione del sonno, monitoraggio della funzione cerebrale nel reparto di terapia intensiva, e così sono effettuate in periodi di diverse ore o addirittura giorni di registrazione.
Elettroencefalografo Blocchi fondamentali di un Elettroencefalografo Componenti essenziali dell elettroencefalografo: Elettrodi e cavi, Amplificatori e filtri, un modulo di controllo (computer), un dispositivo di visualizzazione,
Elettroencefalografo Elettrodi Essi fondamentalmente devono facilitare la conduzione dei piccoli segnali prodotti nel cervello. In altre parole gli elettrodi devono minimizzare la resistenza di contatto tra l'elettrodo e la pelle di superficie e garantire un contatto stabile e affidabile. Gli elettrodi sono dischi metallici collocati sul cuoio capelluto in posizioni particolari. Ogni singolo elettrodo è etichettato con una lettera e un numero. La lettera si riferisce alla zona del cervello sottostante dell'elettrodo es F - lobo frontale e T - del lobo temporale. Anche i numeri indicano il lato destro della testa e numeri dispari sul lato sinistro della testa. Esiste una grande varietà di elettrodi. La maggior parte sono piccoli dischi di acciaio inossidabile, stagno, oro o argento coperto con un rivestimento di cloruro di argento.
Elettroencefalografo Amplificatori Con valore minimo di ingressi pari a 25 (21 sul cuoio capelluto, il riferimento a terra del sistema e 2 extra) sono raccomandati 32 ingressi (9 elettrodi extra). L impedenza di ingresso deve essere maggiore di 10 Mohm. Il rapporto di reiezione di modo comune dovrebbe essere di almeno 100 db per ogni ingresso. Fotostimolatore E un dispositivo lampeggiante (flash) che emette una luce la cui intensità, frequenza e durata sono controllate da un operatore. Il flash viene posizionato ad un metro di distanza dalla testa del paziente tale stimolazione è usata come parte dei test di routine dell EEG.
Elettroencefalografo Computer e software Computer di tipo normale possono essere utilizzati in attrezzature mediche. Non ci sono componenti aggiuntivi da utilizzare, tranne schede video con capacità tale da effettuare il monitoraggio video. La maggioranza dei computer impiegati per le apparecchiature di neurofisiologia utilizzano come sistema operativo Microsoft Windows. Un software medico specializzato è utilizzato per analizzare, visualizzare e fornire funzioni speciali.
Sistema di misura dei potenziali evocati I potenziali evocati (PE) sono esami che studiano le risposte del sistema nervoso centrale ad uno stimolo sensoriale, analizzando le vie nervose che dalla periferia portano le informazioni verso il cervello. In relazione all'organo sensoriale stimolato si possono ottenere: potenziali evocati somato-sensoriali (PESS), visivi (PEV) e acustici (PEA) Uno schema dei principali componenti necessari per registrare un PE è fornito in figura. PE possono essere estratti dall EEG se i soggetti sono esposti a ripetuti e brevi stimoli sensoriale. La maggior parte dei metodi comuni di stimolazione sono : (1)click uditive tramite auricolari (PEA), (2)brevi impulsi elettrici a nervi sensoriali periferici come il nervo tibiale o mediano, (3) Immagini a scacchiera su uno schermo di computer (PEV). (4) Stimoli olfattivi o termici (PESS). In contrasto con gli andamenti casuali dell EEG, i PE sono in larga misura riproducibili quando gli stimoli periferici sono ripetutamente proposti. Questo è il motivo per cui possono essere misurati, nonostante il fatto che la loro ampiezza è molto inferiore a quello dei segnali EEG.
Sistema di misura dei potenziali evocati In contrasto con l EEG, il PE è generalmente realizzato mediante pochi (tipicamente due) elettrodi posti sulle specifiche aree cerebrali. Inoltre, uno o due elettrodi supplementari sono a volte messi sul collo per registrare i PESS cervicali. Così, solo 2-4 canali PE sono generalmente nrcessari. L'attività elettrica è misurata rispetto gli elettrodi posizionati da qualche altra parte sul cranio dove l'attività relativa al PE è trascurabile.
Sistema di misura dei potenziali evocati Il sistema di registrazione dei segnali PE può essere suddiviso nei seguenti stadi: Stimolatori Elettrodi Preamplificatore analogico Convertitore analogico-digitale Blocchi di elaborazione del segnale digitale (filtraggio, media e ridimensionamento) Supporti di visualizzazione del segnale (schermo, carta) Blocchi di memorizzazione e recupero dei dati
Un elettromiografo consiste di: un amplificatore EMG una scheda di acquisizione e Elettromiografo L elettromiografo è utilizzato per studiare il sistema nervoso periferico e i muscoli scheletrici dal punto di vista funzionale. un PC equipaggiato con software dedicato alla visualizzazione e acquisizione dei segnali e al loro riesame e elaborazione off-line. Una scheda opzionale per l acquisizione di attività EMG provocate elettricamente. Quest ultima può essere utile per la misura della velocità di conduzione dei nervi motore (MNC). Applicando uno stimolo elettrico su un nervo motore e misurando il ritardo della risposta MNC provocata sulla superfice del muscolo stimolato. BIOMEDICAL TECHNOLOGY and DEVICES H A N D B O O K
Elettromiografo Diagramma a blocchi del sistema generale. 2 1
Elettromiografo 1) Il front-end analogico è costituito da un insieme di amplificatori per strumentazione che permettono, per mezzo di una rete di interruttori di configurazione, il rilevamento del segnale EMG in varie modalità (monopolare, differenziale singolo e differeziale doppio). Il guadagno e in alcuni casi le frequenze di taglio (bassa e alta ) sono selezionabili dall utente. 2) Tutti i circuiti elettricamente in contatto con il paziente sono isolati dal resto dell apparecchio per mezzo di un isolamento ottico e galvanico per garantire un elevato grado di sicurezza al paziente perfino nei casi di malfunzinamento.
Elettromiografo Datalogger Parecchie applicazioni, tali come medicina dello sport o del lavoro richiedono misure EMG a lungo termine su campo. In questi casi un sistema di acquisizione EMG, portatile e alimentato con batterie è fondamentale. Questo tipo di apparecchio conosciuto come datalogger, consiste di: un numero di sonde EMG superficiali e una unità di acquisizione multicanale portatile. L unità di acquisizione contiene: una memoria rimovibile e/o un PC di interfaccia per scaricare off-line i segnali EMG acquisiti su un computer esterno una interfaccia utente (display e tastiera) che per mezzo di microprocessore, microcontrollore o DSP interno, permettono di fissare varie opzioni di acquisiszione, come il numero di canali, frequenze di campionamento, etc
Elettromiografo Per migliorare l immunità alle interferenze esterne e per distribuire il peso complessivo l EMG front-end analogico è di solito inserito dentro le sonde, e i segnali condizionati e amplificati sono inviati all unità di acquisizione per mezzo di sottili cavi portatili. I datalogger EMG rispondono soltanto a un limitato numero di funzioni rispetto ai elettromiografi fissi, essi non includono la scheda di stimolazione, di solito non permettono la visualizzazione in tempo reale del segnale EMG e generalmente hanno un numero limitato di canali.