Diapositiva 1

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Laboratorio di Strumentazione Biomedica
(SMMCE) (3CFU)
Agostino Accardo Università di Trieste accardo_at_uni
ts.it
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Obiettivo del laboratorio progettare e
realizzare uno strumento biomedicale Si prevede
che gli studenti abbiano già seguito il corso di
Progettazione di Strumentazione Biomedica
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ESAMERELAZIONE COMPLETA DELLE MISURE EFFETTUATE
SULLO STRUMENTO REALIZZATO (da consegnare entro 2
giorni prima dellappello di esame) ESAME
ORALE(prenotazione via e-mail)
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(No Transcript)
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Progettazione per passi

• SCELTA SCHEDA CONVERSIONE A/D (nr bit, freq.
  camp., range input)
• SCELTA PREAMPLIFICATORE (Instrumentation /
  Isolation)
• SCELTA FILTRI (freq. taglio, ordine, tipologia e
  schema circuitale)
• SCELTA MODALITA DI ISOLAMENTO (sul preampl,
  ottico, batteria)
• SCELTA STADIO REGOLAZIONE GUADAGNO (range, conv.
  moltipl.)
• VALUTAZIONE DEL GUADAGNO COMPLESSIVO MINIMO E
  DISTRIBUZIONE TRA GLI STADI (evitare saturazione)
• SELEZIONE DEI COMPONENTI LIBERI (gradi di
  libertà)
• CALCOLO COMPONENTI VINCOLATI

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Caratteristiche dei segnali bioelettrici
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Caratteristiche di alcuni segnali bioelettrici
Tecnica o parametro di misura Intervallo Frequenza, Hz Metodo di misura
Elettrocardiografia 0.5 - 4 mV 0.01 - 250 Elettrodi di superficie
Elettroencefalografia 5 - 300 ? V 0.5 40/150 Elettrodi di superficie
Elettromiografia 0.1 - 5 mV 50 3000 ?V 0 - 10000 0.1 - 300 Elettrodi ad ago Elettrodi di superficie
Elettroretinografia 0 - 900 ?V 0 - 50 Elettrodi di contatto
Frequenza respiro 2 - 50 respiri/min 0.1 10 Strain gage sul petto, impedenza o termistore nasale
Temperatura 32 - 40 C 0 - 0.1 Termistori, termometri, termocoppie
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Preamplificatori per biosegnali

• CARATTERISTICHE
• ALTO CMRR (gt80dB)
• ALTA IMPEDENZA INGRESSO (gt10M?)
• GAIN 100 10000
• INGRESSI DIFFERENZIALI
• LARGHEZZA DI BANDA NON ELEVATA
• EVENTUALE ISOLAMENTO gt APPARECCHI TIPO BF o CF

INSTRUMENTATION AMPLIFIER ISOLATION AMPLIFIER
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Preamplificatori Instrumentation Amplifier (3OP)
CARATTERISTICHE 3OP ALTO CMRR (100dB), ALTA Zin
(108-1012?)
1 Stadio GCM 1 VaV-(1(2R1)/RG) VbV(1(2
R1)/RG)
Se R1R 1 GDIFF_TOT(V-V-)(1(2R1)/RG) R3/R2
GCM_TEOR 8
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Preamplificatori Isolation Amplifier
Sopportano elevate VCM 3-10KV e VDIFF 240VRMS,
10KV impulsivi gt OK con defibrillatori
Ingressi flottanti rispetto riferimento in
uscita, non serve il 3 elettrodo, possibile
fonte di loop di terra CMRR elevata (gt 120dB)
indipendente da G, ZIN elevata
(gt1011?) Correnti perdita max lt 10mA (ok CF),
Rumore introdotto max lt 10mVPP Difetti
ingombrante, alto costo, ripple residuo (
20-60KHz)
Esempio 2-Port AD215
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Preamplificatori Isolation Amplifier
2-Port
RL di protezione RG regolazione Gain
G1Rf/(RGRi) CMRR limitato dalle capacità
parassite, non legato a G Attenzione al layout
circuitale gt modifica C parassite Banda limitata
e ripple residuo Possibili battimenti
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Condizionamento del segnale
Filtro P.Alto
Anti aliasing
Filtro P.Basso
Isolamento
Regolazione Guadagno
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Filtri Determinazione ordine
Filtri di Butterworth di ordine N
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Filtri Determinazione ordine
Ordine del filtro di Butterworth anche
attraverso formule ricavate dalla definizione,
come p.es. N ½(k/10)/log10(?k/?t) con
kattenuazione in dB alla pulsazione ?k Ritardo
di Gruppo Tg - df(?)/d? Per Butterworth f(?)
/- k?
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Filtri Realizzazione
Realizzazione mediante Cascata di stadi di ordine
2 e/o di ordine 1 Stadio di ordine 1 Filtri RC
attivi
Configurazione non invertente

• W(s) KZ1/(Z1Z2)
• K1R5/R6
• per P.Basso Z11/(sC), Z2R
• W(s)K/(1sRC),
• ?c 2pfc 1/(RC)
• per P.Alto si rovesciano Z1 e Z2

Nota fcut off non dipende dal guadagno!
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Filtri Realizzazione
Stadi di ordine 2 Filtri attivi di Sallen Key
Configurazione non invertente

• Yammettenze
• Se Y11/R1, Y31/R3
• Y2sC2, Y4sC4
• Filtro P.Basso
• Se scambiati
• Filtro P.Alto

Attenzione fcut off dipende dal guadagno k!
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Filtri Realizzazione
Esempio Filtro Butterworth p.Alto del 2ordine
con guadagno unitario e freq. taglio 0.1Hz
fc R50, R6 assente, ?c2pfc
Funzione realizzabile
Funzione desiderata
Scegliendo le Capacità si ricavano le Resistenze
Da cui
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Filtri Realizzazione
Accorgimenti pratici Se possibile, utilizzare
K1 negli stadi di ordine 2 (guadagno certo
semplificazione nella funzione di
trasferimento) Leventuale gain si può inserire
in uno stadio di ordine 1 Fissare le Capacità
(minore disponibilità di valori commerciali) e
ricavare le Resistenze Considerare Resistenze
all1 e in generale componenti con migliore
tolleranza gt avvicinarsi ai poli desiderati
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Isolamento -- Optoaccoppiatore
Configurazione invertente Punti di lavoro diodo e
fototransitor gt ID, IC Calcolo Resistenze
Es. CNY17
RR1R2 RR3R4
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Guadagno variabile Convertitori moltiplicatori
Controllo digitale del guadagno
Vo/Vin - (DATA/256)(R2R)/R
Es. AD7524
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Convertitori moltiplicatori
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Compensazione offset
Compensazione OFFSET in uscita 3OP
potenziometro analogico
Compensazione digitale con convertitore
moltiplicatore
VREF
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Compensazione offset
Compensazione OFFSET in ingresso 3OP
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Interfaccia A/D e Strumento Virtuale (NI VI)
Esempio scheda acquisizione (NI- USB6008)
Esempio interfaccia utente di Strumento Virtuale
(realizzato con LabView)
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ESEMPI - PROGETTI DA REALIZZARE
COMPONENTI CAPACITA RESISTENZE FILTRI A
CAPACITA COMMUTATE APPARECCHI DA
PROGETTARE ECG (1Canale) EEG (1
Derivazione) EMG EOG PULSIOSSIMETRO
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ECG (1Canale) -- SPECIFICHE DI PROGETTO
ampiezza segnale in ingresso 100 µV - 2 mV
(minimo 20 µV) filtraggio passa basso (4
alternative) a) fc100 Hz e attenuazione lt0.5dB
almeno fino a 50 Hz b) fc100 Hz e attenuazione
lt0.5dB almeno fino a 70 Hz c) fc150Hz e 3
ordine (ECG adolescenti) d) fc250Hz e 3 ordine
(ECG pediatrico) filtraggio passa alto (4
possibilità) a) fc 0.67 Hz e 2 ordine b) fc
0.1 Hz e attenuazione lt0.5dB almeno fino a 0.14
Hz c) fc 0.05 Hz e attenuazione lt0.5dB almeno
fino a 0.14 Hz d) fc 0.015 Hz e attenuazione
lt0.5dB almeno fino a 0.14 Hz Scheda conversione
5 V, fc500Hz Determinare Gain totale e negli
stadi, gain variabile, scelta ordine dei filtri
P.A. e P.B., scelta componenti
16 casi
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EEG (1 Derivazione)
SPECIFICHE DI PROGETTO ampiezza segnale in
ingresso 5 µV - 300 µV banda del segnale
0.5 Hz - 40/60/150 Hz Scheda conversione 5
V filtro di Butterworth passa alto del II ordine
con fc a) 0.2 Hz, b) 0.5 Hz filtro di
Butterworth passa basso del III ordine con fc a)
40 Hz, b) 60Hz, c) 150Hz Determinare Gain
totale, suddivisione gain tra gli stadi, range
guadagno variabile, componenti (OA,
Optoaccoppiatore, Convertitore/Moltiplicatore)
6 casi
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EMG
SPECIFICHE DI PROGETTO Elettrodi ad ago
ampiezza segnale in ingresso 100 µV - 5 mV
banda del segnale 0.1 Hz - 10000 Hz Elettrodi
superficiali ampiezza segnale in ingresso
50 µV - 3 mV banda del segnale 0.1 Hz -
300/1000 Hz Scheda conversione 5 V filtro di
Butterworth passa alto del II ordine filtro di
Butterworth passa basso del III
ordine Determinare Gain totale, suddivisione
gain tra gli stadi, range guadagno variabile,
componenti (OA, Optoaccoppiatore,
Convertitore/Moltiplicatore)
3 casi
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EOG
SPECIFICHE DI PROGETTO ampiezza segnale in
ingresso 17µV/ di rotazione range 70
(oppure 40) banda del segnale DC - 100/150
Hz Scheda conversione 5 V filtro di
Butterworth passa basso del III
ordine Determinare Gain totale, suddivisione
gain tra gli stadi, range guadagno variabile,
circuito per compensare loffset, componenti (OA,
Optoaccoppiatore, Convertitore/Moltiplicatore)
2 casi
30
PULSIOSSIMETRO