Instrumentație Biomedicală

2014-2015sem. 1

Modul 1 (C1-C7)

Tematica disciplinei

1. Masurarea: definitie, marimi. Metode de măsură; erori de masura.

– Marimi fizice fundamentale si derivate; unitaţi de măsură; Erori de masura (singulare şi sistematice);

– Metode de măsură: metode directe si indirecte– Eroarea absolută şi relativă; Caracteristicile instrumentelor de

măsură; Precizia şi fiabilitatea

2. Biosemnale; definiţie, clasificare– Semnale continue şi discrete; Semnale deterministe şi

aleatoare; Semnale bioelectrice, biomagnetice, biomecanice şibioacustice, biochimice şi biooptice; Semnale perturbatoare

Tematica disciplinei

3. Lanţul de măsură bioelectrometric; Mijloace de captare– Structura lanţului de măsură bioelectrometric – Mijloace de captare: Caracteristici, Clasificare – Electrozi:Potenţialul de electrod; Impedanţa electrozilor;

zgomote

4. Mijloace de captare : Traductoare– Definiţie , clasificare– Traductoare parametrice resistive, capacitive, inductive– Traductoare generatoare

5. Mijloace de amplificare si prelucrare primara a biosemnalelor

– Amplificatoare pentru biosemnale– Filtrarea, integrarea, derivarea, medierea coerenta

Tematica disciplinei

6. Mijloace de vizualizare si stocare a datelor– inscriptoare– osciloscoape si ecrane cu tub catodic– sisteme de stocare a datelor

7. Mijloace de modificare a starii initiale a sistemului– Stimulatoare electrice

– Stimulatoare optice si auditive

Bibliografie selectivă

1. Corciovă C., Ciorap R. Instrumentație Biomedicală, Ed. Gr.T.Popa 2014

2. Ciorap R., Zaharia D., Topoliceanu Fl. Instrumentatie si tehnici de recuperare, Ed. PIM 2007

3. Zaharia D., Ciorap R. Monitorizarea parametrilor vitali in afectiunile cronice, Ed. Gr.T.Popa 2009

4. Topoliceanu F., Lozneanu S., Bioelectrometrie, Editura Tehnică, Bucureşti 1985

5. Strungaru R., Electronică medicală, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1984

6. Bronzino J., The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press & IEEE Press, 2000,vol. I+II

Masurarea: definitie, marimi. Metode de măsura; erori de masura

• Mărime - o proprietate a obiectelor, fenomenelor sau sistemelor care poate fi deosebită calitativşi determinată cantitativ

• Mărimea (fizică) măsurată este una din proprietăţile măsurabile ale unui obiect, fenomen sau sistem (fizic), numit obiect supus măsurării

• Obiectul are în general mai multe proprietăţi, deci este caracterizat de mai multe mărimi.

• Obiectul poate avea proprietăţi măsurabile şi proprietăţi nemăsurabile. Numai o proprietate măsurabilă poate constitui o mărime.

• Măsurarea– constă dintr-o succesiune de operaţii

experimentale pentru determinarea cantitativă a unei mărimi.

– se realizează cu ajutorul unui mijloc tehnic destinat special acestui scop, numit în general aparat de m ăsura .

Obiect AparatInteracţiune obiect - aparat

• În orice măsurare, aparatul este pus în legătură cu obiectul, pentru a fi influenţat de acea mărime caracteristică obiectului ce urmează a fi măsurată.

• Rezultă o interacţiune aparat – obiect, care are ca principal rezultat transferul unei informaţii de la obiect la aparat, numită informaţii de măsurare.

• În acelaşi timp, se produce şi un transfer de energie între obiect şi aparat, necesară ca suport fizic pentru transferul de informaţie.

• Aparatul este astfel realizat ca să măsoare numai una din mărimile caracteristice ale obiectului (măsurandul).

• Celelalte mărimi caracteristice obiectului au o influenţă nulă sau neglijabilă asupra aparatului.

• Exemplu:– în cazul măsurării debitului unui lichid cu un debitmetru cu

plutitor (rotametru), indicele de refracţie şi conductivitatea electrică a lichidului au o influenţă practic nulă asupra aparatului, iar densitatea şi vâscozitatea lichidului pot avea o influenţă semnificativă, care trebuie însă menţinută sub anumite limite acceptabile.

• Aceasta proprietate a aparatului se numeste selectivitate• Asigurarea proprietăţii de “selectivitate” a aparatului faţă

de măsurand, respectiv a “rejecţiei” mărimilor nedorite este una din problemele importante ale metrologiei.

• Pentru a stabili dacă o proprietate este măsurabilă, se va presupune că există posibilitatea de a parcurge gama întreagă a “nivelurilor” (“intensităţilor”) proprietăţii respective.

• Fie “mul ţimea st ărilor ” această mulţime posibilă a proprietăţii considerate (de exemplu: mulţimea durităţilor unui corp solid, de la cel mai moale până la cel mai dur cu putinţă).

• A măsura înseamnă a pune în corespondenţă mulţimea stărilor cu mulţimea numerelor reale (sau cu o submulţime a acestora).

• Ca urmare, se poate măsura o proprietate dacă se poate asocia fiecărei stări posibile (din mulţimea stărilor) un număr (din mulţimea numerelor reale).

• Pentru a obţine acest rezultat, sunt necesare două condiţii:– Mulţimea stărilor să fie o mulţime ordonată adică să

poată fi stabilite relaţii ca mai mare şi mai mic între toate perechile de elemente care îi aparţin

– Între mulţimea stărilor şi mulţimea numerelor reale să se poată stabili efectiv o corespondenţă biunivocă, adică fiecărui element din mulţimea stărilor să-i corespundă un număr real şi numai unul.

• Această corespondenţă, stabilită convenţional, se numeşte scară sau scară de referinţă şi ea include şi alegerea unităţii de măsură.

• Convenţia de scară trebuie să indice experimentul necesar reproducerii ei, astfel ca oricând şi oriunde ea să fie aceeaşi.

• Elementul din mulţimea numerelor reale care corespunde unui element dat din mulţimea stărilor unei anumite mărimi se numeşte valoare numeric ă a mărimii respective.

• Valoarea numerică este un număr, pozitiv sau negativ, care depinde de scara de referinţă adoptată.

• Elementul din mulţimea stărilor unei anumite mărimi, care corespunde valorii numerice 1, se numeşte unitate de măsur ă a mărimii respective.

Unit ăţi de m ăsur ă

• Unitatea de măsură poartă o denumire, pentru uşurinţa identificării şi depinde de scara de referinţă adoptată.

• Convenţia de scară implică şi stabilirea unităţii de măsură.

• Expresia mărimii sub formă de valoare numerică şi unitate de măsură se numeşte valoare a mărimii respective.

• Pentru fiecare mărime se adoptă o unitate de măsură, fără de care exprimarea cantitativă a mărimii nu este posibilă.

• Este important de subliniat că valoarea unei mărimi include totdeauna şi unitatea de măsură, care trebuie specificată de fiecare dată împreună cu valoarea numerică.

• Descrierea fenomenelor fizice se face prin legi şi teoreme, în care figurează mărimi fizice.

• Ansamblul mărimilor fizice definite pentru descrierea unei clase de fenomene fizice constituie un sistem de mărimi fizice.

• În fiecare sistem de mărimi fizice se deosebesc:– mărimi fundamentale– mărimi derivate.

• Mărimile fundamentale reprezintă un set de mărimi, într-un sistem de mărimi dat, admise ca fiind independente între ele.

• De exemplu, în mecanica clasică au fost adoptate ca mărimi fundamentale lungimea, masa şi timpul, ca fiind cele mai convenabile pentru caracterizarea fenomenelor mecanice. În electricitate, pe lângă lungime, masă şi timp s-a adoptat ca mărime fundamentală şi intensitatea curentului electric. În termodinamică, la mărimile fundamentale ale mecanicii se adaugă temperatura, etc.

• Mărimile derivate reprezintă, într-un sistem de mărimi, mărimi definite în funcţie de mărimile fundamentale.

• Pentru fiecare clasă de fenomene fizice, sunt utilizate un mare număr de mărimi derivate, care fac posibilă exprimarea concisă a principalelor legi şi teoreme ale fenomenelor respective.

• De exemplu mărimi ca aria, volumul, viteza, acceleraţia, presiunea, lucrul mecanic sunt dependente de mărimile fundamentale lungime, masă şi timp.

• Ansamblul unităţilor de măsură definite pentru un sistem dat de mărimi fizice formează un sistem de unit ăţi de măsur ă care trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:– Să fie general adică aplicabil tuturor capitolelor fizicii– Să fie coerent, ceea ce înseamnă că nu introduce

coeficienţi numerici suplimentari în ecuaţiile fizicii– Să fie practic, în sensul ca unităţile din sistem să aibă

ordine de mărime comparabile cu valorile uzuale în activitatea umană.

• Toate aceste condiţii sunt îndeplinite de Sistemul Internaţional de Unităţi adoptat în 1960.

• În Sistemul Internaţional se disting trei clase de unităţi : unităţi fundamentale, unităţi derivate şi unităţi suplimentare.

• S-a convenit ca SI să aibă la bază şapte unităţi fundamentale, considerate independente din punct de vedere dimensional: metrul, kilogramul, secunda, amperul, kelvinul, molul şi candela.

• Unităţile fundamentale pot fi formate pe baza unor ecuaţii fizice în care intervin unităţile fundamentale.

Decibelul (dB)

• În telecomunicaţii se utilizează o mărime fără dimensiune numită atenuare (a), mărimea ce exprimă cantitativ scăderea parametrilor unui semnal (U, I, P) la trecerea acestuia printru-un cuadripol liniar. În practică se utilizează atenuarea de putere şi atenuarea de tensiune, mai rar atenuarea de curent.

• Atenuarea de putere (ap) se defineşte cu relaţia:

1

2lg10P

Pap =

• În care P1 şi P2 sunt puterea la intrarea şi respectiv la ieşierea cuadripolului (fig. 1.4.a), iar ca unitate de măsură se utilizează decibelul (dB), după numele lui Graham Bell.

Metode de măsură

• Orice măsurare are la bază un fenomen, o legitate sau un efect fizic. Această bază ştiinţifică a măsurării este numită în general principiu de m ăsurare .

• Exemple de principii de măsurare:– efectul termoelectric – aplicat la măsurarea

temperaturii; – efectul Doppler – folosit pentru măsurarea vitezei; – inducţia electromagnetică prin mişcare – aplicată la

măsurarea debitului lichidului.

Metode de măsură

• Metoda de m ăsurare reprezinta ansamblul relaţiilor teoretice şi operaţiilor experimentale pe care le implică măsurarea, privite în general.

• La efectuarea măsurătorii unei mărimi operatorul dispune de mai multe metode, el trebuind să aleagă acea soluţie care oferă un compromis optim (raportat la importanţa măsurării respective) între precizie, viteză de lucru şi preţul de cost.

Metode de măsură

• Clasificarea metodelor de măsură:– Metode directe - În acest caz valoarea

mărimii de măsurat (X) se citeşte direct pe scara (sau afişajul) aparatului de măsură

– Metode indirecte - În cazul acestor metode măsurătoarea se face prin intermediul unei alte mărimi de care este dependentă mărimea ce dorim să o măsurăm

Metode de măsură

• Metode directe – permit o viteză de lucru sporită, la care trebuie adăugat şi costul

scăzut. – sunt larg răspândite în practică. – Principalele erori care apar, excluzând eroarea proprie

aparatului de măsură, sunt: eroarea de zero, eroarea de cap de scală şi eroarea datorită consumului de la obiectul de măsurat (efect de sarcină). Neajunsul acestor metode este că precizia de măsurare este relativ redusă mai ales în cazul folosirii aparatelor de măsură analogice (tipic 1-5%).

• Metoda de măsurare este considerată directă şi dacă în interiorul aparatului de măsurat are loc de fapt măsurarea unei (unor) alte mărimi, dar aparatul indică valoarea măsurandului.

Metode de măsură

• Metode indirecte – este de obicei folosită atunci când

măsurătoarea directă este dificil de realizat sau implică riscuri majore.

– poate fi privită ca un ansamblu de măsurări prin metoda directă. Ca urmare, la baza discutării metodelor de măsurare este suficient să fie luată în considerare numai metoda de măsurare directă.

Metode de măsură

• Pentru a analiza principalele categorii de metode de măsurare, trebuie pornit de la faptul că orice măsurare este o comparaţie cu valoare de referinţă a aceleiaşi mărimi, furnizată de un etalon.

• Măsurarea poate fi efectuată printr-o– comparaţie simultană – comparaţie succesivă.

• În compara ţia simultan ă, măsurandul este comparat nemijlocit cu una mai multe valori de referinţă ale aceleiaşi mărimi, furnizate de un etalon, care participă astfel la fiecare măsurare.

• În compara ţia succesiv ă, mărimea de referinţă (etalon) nu participă la fiecare măsurare: ea este folosită pentru etalonarea iniţială (gradarea) şi – dacă este necesar – reetalonarea periodică a unui aparat de măsurat, care stochează în “memoria” sa informaţia de etalonare.

• Comparaţia 1:1 directă se face prin:– metoda diferenţială– metoda de zero

• Metoda diferen ţială (direct ă) - Constă în măsurarea nemijlocită a diferenţei dintre măsurand şi o mărime de referinţă cunoscută, de valoare apropiată de cea a măsurandului: , unde x este valoarea măsurandului, xo –valoarea de referinţă cunoscută şi d – diferenţa măsurată direct.

• Dacă diferenţa d este suficient de mică faţă de xo, eroarea comisă asupra lui d este neglijabilă şi incertitudinea rezultatului este practic egală cu incertitudinea lui xo

• Metoda de zero (direct ă) Este un caz particular al metodei diferenţiale, în care diferenţa dintre măsurand şi mărimea de referinţă este adusă la zero– în acest fel aparatul de măsurat nu mai măsoară

propriu-zis, el fiind folosit doar ca indicator de nul. – influenţa sa asupra incertitudinii de măsurare este şi

mai mică

• Metoda diferenţială şi metoda de zero sunt în general cele mai precise metode de măsurare însă au dezavantajul că necesită un etalon de valoare apropiată de valoarea măsurandului, sau un etalon de valoare variabilă.

• Metode indirecte de compara ţie• Caracteristic acestor metode este faptul că

la măsurare participă şi etaloane. • Mărimea X se compară direct sau indirect

cu un etalon, ceea ce permite să se obţină o precizie mai bună decât la metodele de deviaţie (metodele directe), însă sunt mai costisitoare şI au viteză de lucru mai redusă.

• Metodele de comparaţie pot fi metode de zero de maxim şi diferenţiale.

• Metode de zero (indirecta)• La aceste metode nu este necesar ca aparatul final

(indicator de nul electronic, galvanometru,etc) să fie calibrat, ci trebuie doar să aibă sensibilitate suficient de mare şi bună stabilitate în timp, condiţii în care precizia de măsurare a lui X este apropiată de dea a etalonului utilizat.

• Principala eroare care apare este eroarea de sensibilitate.

• Din această grupă fac parte punţile şi comparatoarele echilibrate.

• Deşi sunt metode tipice de laborator punţile şi comparatoarele şunt folosite şi în industrie sub forma punţilor şi a comparatoarelor cu echilibrare automată formă sub care se aseamănă cu aparatele de măsură cu citire directă.

• Metoda diferen ţială − Reprezintă o combinaţie dintre metodele cu citire directă şI cele de zero şi se bazează pe măsurarea unei mici diferenţe: x = X – Xo dintre mărimea de măsurat (X) şi o mărime etalon (Xo) diferenţă din care se calculează: X = Xo + x.

• Metoda permite o viteză mai mare de lucru decât în cazul metodelor de zero precum şi o precizie apropiată de cea a etalonului (X) în condiţiile măsurării lui x cu un aparat de măsură de uz current.

• Metoda diferenţială este larg utilizată la punţi şi comparatoare neechilibrate (adică echilibrate parţial).

• Metoda substitu ţiei − Aceasta nu constituie o metodă de măsură propriu zisă, ci una auxiliară pentru cele directe (de deviaţie), de zero sau de rezonanţă, în vederea creşterii preciziei acestora. După efectuarea măsurării prin una din metodele enumerate se înlocuieşte X cu o mărime etalon Xo reglabilă şi calibrată şi se aduce dispozitivul de măsură din nou în starea iniţială (când era conectat X) prin reglarea corespunzătoare a lui Xo, situaţia în care rezultă direct X = Xo şi deci:

o

o

X

X

X

X ∆≈∆

Metoda are marele avantaj că necesită un singur element calibrat şi mai ales că elimină automat influenţa diverşilor factori perturbatori.

Mijloace de m ăsurare

• Prin mijloace de m ăsurare se înţeleg mijloacele tehnice care servesc la obţinerea informaţiei de măsurare.

• Mijloacele de măsurare trebuie să satisfacă un ansamblu de condiţii pentru a putea servi la efectuarea măsurărilor. Cu un termen generic, aceste condiţii sunt numite caracteristici metrologice normate (prescrise în standarde).

• După destinaţia lor mijloacele de măsurare se împart in: – mijloace de măsurare etalon care servesc la etalonare sau

verificare metrologică– mijloace de măsură de lucru care servesc la măsurarea

diferitelor mărimi fizice.

Erori de m ăsur ă

• Rezultatul unei măsurări poate fi mai mult sau mai puţin apropiat de valoarea adevărată a măsurandului.

• Eroarea de măsurare, ca diferenţă între valoarea măsurată şi valoarea adevărată, este inevitabilă din cauze multiple: imperfecţiunea mijloacelor şi metodelor de măsurare, variaţii ale condiţiilor de mediu, perturbaţii exterioare, subiectivitatea operatorului etc. În plus, valoarea adevărată este ea însăşi necunoscută şi nedeterminabilă riguros.

• Clasificarea erorilor• Din punct de vedere al modului de exprimare

– erori absolute– erori relative

• Din punct de vedere al manifestării– erori singulare, – erori sistematice, – erori aleatoare– erori maximale

• Din punct de vedere al surselor de eroare– Eroarea instrumentală– Eroarea de metodă– Eroarea datorata operatorului uman

• Eroarea absolut ă (∆X) • reprezintă diferenţa dintre valoarea măsurată (X) şi valoarea adevărată (Xa) adică : ∆X = X − Xa.

• Deoarece Xa este practic inaccesibilă în locul acesteia se utilizează o valoare de referinţă (Xo), obţinută prin măsurări mult mai precise (5-10 ori) decât cea utilizată pentru X. Această valoare mai poartă uneori denumirea de valoare efectivă.

• Eroarea absolută se exprimă în aceleaşi unităţi de măsură ca şi mărimea de măsurat (X).

• Eroarea relativ ă (ε)• reprezintă raportul dintre eroarea absolută şi

valoarea adevărată Xa. Şi în acest caz de cele mai multe ori în locul lui Xa este folosită valoarea efectivă Xo.

• Se exprimă în procente şi arată gradul de precizie al măsurării.

%100X

XX%100

X

X

a

a

a

⋅−=⋅∆=ε %100X

XX

o

o ⋅−=ε

• Erorile singulare (sau gre şelile) − se datoresc operatorului şi provin din greşeli nerepetate ale acestuia cum ar fi de exemplu citirea indicaţiei unui multimetru pe altă scară decât cea selectată prin comutatorul de game. Depistarea unei asemenea erori se poate face prin simpla comparare a rezultatului dubios cu rezultatele

• Erorile aleatoare (întâmpl ătoare) sunt erorile ale căror valori şi semn variază imprevizibil la măsurarea în condiţii practic identice. Pentru a micşora influenţa acestor erori asupra rezultatului se recomandă repetarea in condiţii identice a măsurătorilor şi prelucrarea statistică a rezultatelor.

• Erorile maximale numite şi erori limită sunt erorile care conţin o componentă sistematică şi una aleatoare şi la care din motive tehnice sau economice componenta sistematică nu se poate elimina prin corecţie.

• Erorile sistematice (de juste ţe) − se repetă la măsurările în condiţii identice iar legea de propagare se poate stabili teoretic. Printre cauzele de apariţie ale acestei erori menţionăm: imperfecţiunea reglajului de zero la aparatele de măsură, imperfecţiunea metodelor de măsură, consumul propriu al aparatului, variaţia factorilor de influenţa (temperatură, umiditate, frecvenţă, etc).

• Pentru calculul erorii sistematice este necesară o singură măsurare însă pentru o mai bună siguranţă se mai efectuează două măsurători.

• Se numeşte corec ţie eroarea sistematică absolută (∆X) luată cu semn schimbat, adică C = - ∆X unde:∆X = Xa –X

• Valoarea corectată va fi: Xc = X + C de unde se poate scrie că Xc ≅ Xa

• Eroarea instrumental ă reprezintă ansamblul erorilor de măsură datorate mijloacelor tehnice cu care se face măsurarea.

• Eroarea de metod ă apare datorită imperfecţiunii metodei utilizate. Este o eroare din categoria erorilor sistematice şi efectul ei poate fi corectat.

• Eroarea datorata operatorului uman poate fi de exemplu influenţa efectului de paralaxă asupra citirii rezultatului sau o eroare singulară.

• Precizia este calitatea unui aparat sau dispozitiv de măsură de a da rezultate cât mai apropiate de valoare adevărată a mărimii de măsurat.

• Precizia este însă determinată calitativ de două proprietăţi foarte ale aparatelor de măsură: Justeţea şi Fidelitatea (Repetabilitatea)

• Juste ţea constituie una din cele două laturi ale preciziei şi indică gradul de abatere al unui aparat faţă de un altul luat drept referinţă (etalon)

• Fidelitatea este un parametru ce indică gradul de abatere al aparatului faţă de el însuşi.

Precizia procesului de m ăsur ă

Precizia procesului de m ăsur ă• Pentru înţelegerea mai facilă a noţiunilor de justeţe şi

fidelitate vom face comparaţie cu ţintele de tir a trei trăgători.

X

X

XX

X

X

X

X

X

X

XX

X

X X

XXX

XX

X

Fidelitate bunaJusteţe redusă Fidelitate redusă

Justeţe bună

Fidelitate bunaJusteţe bună

εjεj

εj

• Precizia se exprimă cantitativ prin indicele de clasă care la rându-i se stabileşte după nivelul erorii de bază şi al erorii suplimentare (variaţie)

• Eroarea de baz ă (εεεεb) sau eroarea intrinsecă a unui aparat de măsură reprezintă eroarea totală, determinată în condiţii de referinţă (standard), adică în situaţia când factorii de influenţă au valori controlate, cunoscute, precizându-se şi toleranţele în jurul acestor valori, intervalele în interiorul cărora variaţia mărimilor de influenţă respective au un efect neglijabil asupra aparatului.

• Eroarea de bază se mai numeşte şi eroare fundamentală.

• Eroarea suplimentar ă (εεεεs) sau variaţia reprezintă eroarea care se adaugă peste nivelul erorii de bază şi care apare la variaţia unui singur factor de influenţă, ceilalţi fiind menţinuţi la valorile de referinţă. Limitele de variaţie sunt prevăzute in standarde. Acestea prevăd că la un aparat de măsură eroarea suplimentară poate fi cel mult egală cu cea de bază adică εs ≤ εb.

BIOSEMNALE

DEFINIŢIE

• Biosemnalele sunt semnalele generate de sistemele biologice vii (întregul organism, un organ, un ţesut sau o singură celulă) ca rezultat al activităţii lor biologice şi reflectă o manifestare fizico - chimică ce însoţeşte şi caracterizează sistemul, fiind indicatori fideli ai activităţii acestora. Informaţiile transmise sunt foarte utile şi pot fi folosite pentru a înţelege mecanismele fiziologice fundamentale ale unui proces sau sistem biologic precum şi pentru stabilirea diagnosticului.

CLASIFICARE

• Clasificarea biosemnalelor poate fi făcută după mai multe criterii: – în funcţie de natura biosemnalului, – în funcţia de aplicaţia biomedicală,– în funcţie de caracteristicile biosemnalului.

a. După natura biosemnalului semnalele generate de sistemele biologice pot fi împărţite în: continui şi discontinui (discrete), periodice şi aperiodice.

• Semnalele continue sunt definite de şir continuu în timp sau spaţiu şi sunt o expresie temporală a modului în care evoluează procesul în desfăşurarea sa naturală. Relaţia care defineşte această dependenţă este conoscută sub numele de funcţie semnal: f = x (t). Notatia x(t) este folosita pentru a reprezenta un semnal continuu x care variaza ca o functie de timp.

• Semnalele produse de fenomenele biologice sunt aproape întodeauna continue.

a- ECG normal 60 bpm; b- ECG - fibrilaţie ventriculară

Presiunea arteriala înregistrată cu traductor de presiune invaziv

BIOSEMNAL Mod de captare Banda defrecv.

Domeniul dinamic

Observaţii

Potential de actiune Microelectrozi 100Hz-2kHz 10µV-100mV Masurarea invazivă a pot. membranar

Electroneurograma (ENG)

Electrozi aciculari 100Hz-1kHz 5µV-10mV Potentialul trunchiurilor nervoase

Electroretinorgama (ERG)

Microelectrozi 0.2-200Hz 0.5µV-1mV Potential evocat de scintilatie

Electrooculograma (EOG)

Electrozi de suprafata

100Hz 10µV-5mV Potential stationar retino-cornean

Electroencefalograma (EEG)

Electrozi de suprafata

0.5-100Hz 2-100µV Multicanal (6-32)

Potentiale evocate (EP)Vizuale (VEP)Somatosenzoriale (SEP)Auditive (AEP)

Electrozi de suprafata

1-300Hz2Hz-3kHz100Hz-3kHz

0.1-20µV1-20µV0.5-10µV

Raspunsul sistemului nervos central la stimuli

Electromiografie (EMG)

Fibra musculara (SEFMG)

Unitate motorie (MUAP)EMG de suprafata

Electrozi aciculariElectrozi aciculariElectrozi de

suprafata

500Hz-10kHz5Hz-10kHz0.01-500Hz

1-10mV100µV-2mV50µV-5mV

Potentiale de actiune ale unei singure fibre musculare

Electrocardiograma (ECG)

Electrozi de suprafata

0.05-150Hz 1-10mV

Electrogastrogrma (EGG)

Electrozi de suprafata

0.05-1Hz 10µV-1mV Activitatea electrica a stomacului

Raspuns electrochimic cutanat (GSR)

Electrozi cutanati 0.1-1Hz 1-500kΩ

• Semnalele discrete reprezintă o altă clasă de semnale des întâlnite. Spre deosebire de semnalele continue care sunt definite de-a lungul unui şir continuu de puncte din spaţiu sau timp. Semnalele discrete sunt reprezentate de siruri sau secvente de numere, folosindu-se notatia x(n) pentru a reprezenta o secvenţă discreta x ce există numai pentru o anumită categorie de puncte n, unde n=0,1,2,3… este un întreg ce reprezintă elementul secvenţei discrete.

• Semnalele biologice mai pot fi împărţite în semnale deterministe sau semnale aleatoare.

• Semnalele deterministe pot fi descrise de funcţii sau reguli matematice şi au două subcategorii: semnale periodice şi aperiodice.

• Semnalele periodice sunt de obicei formate dintr-o suma de semnale sinusale sau componente sinusoidale şi pot fi exprimate prin relaţia x(t)=x(t + kT), unde x(t) este semnalul, k este un întreg şi Teste perioada semnalului.

• Semnalele periodice au un traseu neshimbat cu o durata de T unitati ce se repeta la infinit.

• Semnalele aperiodicevariază într-un interval finit de timp şi se descompun pe parcurs într-o valoare constantă. Traseul sinusal din fig. 1.1a este un exemplu de semnal periodic ce se repeta infinit cu o perioada de 1 secunda iar fig. 1.1b reprezintă un semnal aperiodic a cărui amplitudine se apropie de zero în timp.

• Semnalele biologice reale sunt însoţite în general de zgomot sau de o schimbare de parametri, deci nu sunt în întregime deterministe. Electrocardiograma unei inimi normale în repaus este un exemplu de semnal periodic. Forma traseului de baza este alcatuită din unda P, complexul QRS şi unda T

• Semnalele aleatoare denumite şi semnale stochastice conţin o incertitudine în parametrii ce le descriu. Din cauza acestor incertitudini, nu pot fi folosite funcţii matematice pentru a descrie semnalele aleatoare. În schimb, semnalele aleatoare sunt adesea analizate folosind tehnici statistice care tratează parametrii semnalului probabilistic.

• Un exemplu tipic de semnal stochastic este electromiograma (EMG), o înregistrare a activităţii electrice din musculatura scheletica, care este folosita in diagnosticul bolilor musculare, este un semnal aleatoriu.

• Semnalele stationar aleatoare sunt semnale al caror spectru de frecventa ramane constant in timp. Invers, semnalele nestationare aleatoare au spectrul de frecventa variabil in timp. In diferite cazuri, identificarea segmentelor stationare a semnalelor aleatoare este importanta pentru procesarea lor adecvata si diagnosticul clinic.

• În funcţie de aplicaţia biomedicală biosemnalele pot fi folosite pentru obţine informaţiile utile asupra sistemelor biologice cu următoarele scopuri:– Diagnostic: extragerea informaţiilor relevante pe baza

cărora medicul să poată pune diagnosticul unei stări patologice;

– Monitorizare: condiţiile critice ce trebuie depistate şi urmărite în timp real;

– Predicţie: evoluţia sistemelor trebuie estimată astfel încât să se poată lua măsurile corective necesare;

– Cercetarea efectelor unor medicamente sau tratamente.

CARACTERISTICILE BIOSEMNALELOR

• Semnale Bioelectrice• Celulele musculare şi nervii generează semnale

bioelectrice care reprezintă rezultatul modificarilor electrochimice întra şi inter-celulare.

• Dacă un nerv sau celulă musculară este stimulată de către un stimul destul de puternic să depăşească o valoare de prag, celula va genera un potenţial numit potenţial de acţiune.

• Membrana stimulată devine dintr-o dată permeabilă pentru ionii de sodiu, declanşându-se un flux masiv al acestor ioni dinspre exterior spre interior, curentul de intrare al Na+ atingând intensitatea de ieşire a ionilor de K+.

• Potenţialele de acţiune generate de către o celulă excitată pot fi transmite către celulele adiacente iar când mai multe celule se activează este generat un câmp electric ce se propaga prin tesutul biologic.

• Aceste modificari ale potenţialului extracelular pot fi măsurate la suprafaţa ţesutului sau a organismului folosind electrozi de suprafaţă.

• Exemple clasice – Electrocardiograma (ECG), – electroencefalograma (EEG) – electromiograma (EMG)– electrogastrograma (EGG)

• Semnale Biomagnetice• Biomagnetismul reprezintă măsurarea

semnalelor magnetice care sunt asociate cu activităţi fiziologice specifice şi sunt în general asociate câmpului electric al unui anumit organ sau ţesut.

• Diferite organe, cum ar fi inima, creierul şi plamânii generează câmpuri magnetice slabe care pot fi măsurate cu senzori magnetici.

• În general, puterea câmpului magnetic este mult mai slabă decât semnalele bioelectrice corespunzatoare.

• Cu ajutorul unui sensor magnetic foarte precis sau a magnetometrelor SQUID (superconducting quantum interference device) sunt posibile urmatoarele monitorizari directe a activităţii magnetice – Magnetocardiografie (MCG) - activitatea

magnetica a cordului – Magnetoencefalografie (MEG) -activitatea

magnetica a creierului, – Magnetoneurografie (MNG) -activitatea

magnetica a nervilor periferici, – Magnetogastrografie (MGG) - activitatea

magnetica a tractului gastrointestinal

Camera ecranată şi sistemul SQUID

MCG înregistrată cu un cardiomagnetometru cu 67 canale

• Semnale Biochimice• Semnalele biochimice conţin informaţii cu privire

la modificările de concentraţie a diferitţilor agenţi chimici din organism.

• Semnale biochimice sunt şi cele ce dau informaţii privind nivelul de glucoză şi metaboliţi din sânge

• Poate fi masurată concentraţia celulară a unor ioni cum ar fi calciu şi potasiu, cu rol foarte important în procesele fiziologice.

• Se monitorizează modificările presiunii parţiale a oxigenului (SpO2) şi a dioxidului de carbon (SpCO2) din sânge sau din sistemul respirator pentru a evalua nivelul normal al concentratiei acestor gaze.

• Semnale Biomecanice• Funcţiile mecanice ale sistemelor biologice, adică

mişcarea, deplasarea, torsiunea, forţa, presiunea şi debitul, produc semnale biologie măsurabile.

• Presiunea sanguină de exemplu reprezintă forţa exercitatade sânge asupra pereţilor vasculari.

• Porţiunea de traseu care creşte reprezintă contracţia ventriculară când sângele este expulzat din inimă către corp şi presiunea creşte până la nivelul presiunii sistolice, nivelul maxim de presiune, după cre scade până la voloarea minimă corespunzătoare diastolei

• Semnale Bioacustice• Semnalele bioacustice (bio-vibroacustice) sunt o

categorie specială de semnale biomecanice ce implică vibraţii (din domeniul audio sau nu).

• Multe procese biologice produc sunete. De exemplu, curgerea sângelui prin valvele cardiace are un sunet (zgomot) distinctiv.

• Măsurătorile semnalului bioacustic al unei valve cardiace sunt folosite pentru determinarea funcţionării corespunzatoare ale acesteia.

• Sistemul respirator, articulaţiile şi muşchii generează semnale bioacustice care se propagă prin mediul biologic şi care pot fi măsurate la suprafaţa pielii cu ajutorul unui traductor acustic ( microfon sau accelerometru).

• Semnale Biooptice• Semnalele biooptice sunt generate datorită proprietaţilor

optice ale sistemelor biologice. Semnalele biooptice pot apare în mod natural sau pot fi induse pentru a măsura un parametru biologic. De exemplu, informaţii privitoare la sănătatea fatului pot fi obţinute prin măsurarea caracteristicilor fluorescente ale lichidului amniotic.

• Se pot face estimări cu privire la debitul cardiac prin metoda diluţiei ce implică monitorizarea concentraţiei unei soluţii colorate care circulă prin sânge. Deasemeni, lumina roşie şi infraroşie este folosită pentru determinări precise ale nivelului de oxigen din sânge prin măsurarea absorbţiei luminii prin piele sau ţesut.

Curba de diluţie a unei substanţe indicatoare; n1, n2- puncte de extrem ale concentraţiei substanţeiindicatoare

SEMNALE PERTURBATOARE• Principalele clase de semnale perturbatoare sunt:

– a) Artefacte biologice. Sînt determinate de coexistenţa cu semnalul util a unor activităţi biologice de natură diversă:

– mecanice (contractii musculare, deplasari de segmente etc.);– secretorii (transpiratie);– bioelectrice (cerebrale, cardiace, oculare, musculare, gastrice etc.).– Pentru eliminarea lor se iau măsuri de utilizare corectă a mijloacelor

de captare şi a circuitelor de amplificare.– b) Artefacte de stimulare. Sînt generate de stimuli electrici, mecanici

sau chimici care prin interferenţa cu semnalul util determină perturbarea măsurării.

– c) Perturbaţii electrice. În orice încăpere dotată cu instalaţie electrică există un cîmp electric şi unul magnetic cu frecvenţa de 50 Hz (frecvenţa reţelei de c.a.). În plus pot exista câmpuri de audio- sau radiofrecvenţă, câmpuri generate de echipamente de comandă şi automatizare etc. Cuplarea între sursa de perturbaţie şi sistemul perturbat poate fi condusă prin cuplaj capacitiv , inductiv sau galvanic.

– Ecranarea electromagnetică, electrostatică şi magnetostatică, este o măsură obligatorie de protecţie, la măsurările în curent alternativ în care intervin tensiuni mici sau impedanţe mari, care permite diminuarea acestor perturbaţii.

Lanţul de măsură bioelectrometric; Mijloace de

captare: Electrozi

Lanţul de măsură bioelectrometric

• Instrumentaţia biomedicală exploratorie reprezintă ansamblul de dispozitive, aparate şi instrumente de măsură destinate scopului de captare, prelucrare, stocarea şi cuantificare diverselor tipuri de biosemnale.

• Instrumentaţia biomedicală exploratorie este utilizată în următoarele direcţii:– mijloc complementar în stabilirea diagnosticului clinic;– mijloc de control periodic al stării de sănătăte (screening);– mijloc de control al eficienţei terapeutice şi a gradului de

recuperare şi adaptare funcţională;– stabilirea performanţelor fizice şi mentale, a capacităţii de muncă şi a orientării profesionale;

– monitorizarea de durată a funcţiilor fiziologice, intra- şi post -operator (terapie intensivă);

– înregistrarea, prelucrarea statistică şi matematică, arhivarea şi regăsirea datelor medicale şi sanitare;

– cercetarea biomedicală

Lanţul de măsură bioelectrometric

• Clasificarea instrumentaţiei biomedicale se face în funcţie de mai multe criterii: – în funcţie de mărimile ce trebuiesc culese: mărimi

neelectrice (termice, mecanice, optice, sonore etc.), şi mărimi bioelectrice (pasive, active) cum ar fi: diferenţe de potenţial, rezitenţe, intensităţi etc,

– în funcţie de metodele de culegere utilizate: invazive şi neinvazive;

– în funcţie de mijloacele de achiziţie şi prelucrare folosite: analogice sau/şi digitale.

• În comformitate cu directive 93/42/EEC şi legea 176/2000 pentru instrumentaţia biomedicala se utilizeaza următorii termeni astfel:– a) dispozitiv medical activ - orice dispozitiv medical a

cărui funcţionare se bazează pe o altă sursă de putere sau de energie decât aceea generată de organismul uman sau de gravitaţie;

– b) dispozitiv medical implantabil activ - orice dispozitiv medical activ care este destinat să fie introdus şi să rămână implantat în corpul uman sau într-un orificiu al acestuia, parţial ori total, prin intervenţie medicală sau chirurgicală;

• c) dispozitiv medical pentru diagnostic in vitro - orice dispozitiv care este un reactiv, produs de reacţie, calibrator, material de control, chit, instrument, aparat, echipament sau sistem, utilizat singur sau în combinaţie, destinat de producător pentru a fi utilizat in vitro pentru examinarea de probe, incluzând sânge şi grefe de ţesut, prelevate din corpul uman sau, în principal, numai în scopul obţinerii unor informaţii: – privind starea fiziologică sau patologică ori referitoare la o

anomalie congenitală; – pentru a determina protecţia şi compatibilitatea cu un potenţial

recipient; – pentru monitorizarea măsurilor terapeutice; recipientele pentru

probe sunt considerate dispozitive medicale pentru diagnostic in vitro; recipientele pentru probe sunt acele dispozitive, tip vacuum sau nu, destinate de către producător special pentru păstrarea iniţială şi pentru conservarea probelor obţinute din organismul uman, în scopul unei examinări pentru diagnostic in vitro;

• d) dispozitiv individual la comandă - orice dispozitiv confecţionat conform prescripţiei unui practician medical calificat care elaborează sub responsabilitatea sa caracteristicile constructive ale dispozitivului destinat pentru un pacient anume; prescripţia poate fi, de asemenea, emisă de oricare altă persoană autorizată în virtutea calificării sale profesionale; dispozitivele medicale de serie mare care trebuie să fie adaptate pentru a întruni cerinţele specifice prescripţiei unui practician medical calificat sau altei persoane autorizate nu sunt considerate dispozitive individuale la comandă;

• e) dispozitiv destinat investigaţiei clinice - orice dispozitiv prevăzut să fie utilizat de practicianul medical calificat, atunci când conduce investigaţia clinică, conform anexei nr. X, într-un mediu clinic adecvat; în scopul realizării investigaţiei clinice persoana care, în virtutea calificării sale profesionale, este autorizată să efectueze astfel de investigaţii va fi acceptată ca echivalent cu practicianul medical calificat;

• f) accesoriu - un articol care, deşi nu este un dispozitiv medical, este prevăzut în mod special de către producător pentru a fi utilizat împreună cu un dispozitiv, în concordanţă cu scopul utilizării;

• Măsurarea unor mărimi asociate diverselor activităţi biologice folosind aparatura electronică se realizează prin interconectarea următoarelor elemente:– mijloace de captare;– circuite de amplificarea şi/sau prelucrare;– sisteme de afişaj;

Mijloace de captare• Pentru semnale biologice de natură neelectrică -

evaluarea unor mărimi neelectrice (debit, presiune, temperatură, etc.) – captarea semnalelor se realizează folosind diferite tipuri de traductoare (dispozitive care preiau mărimi de natură neelectrică şi le convertesc (transformă) în semnale electrice care sunt apoi evaluate prin aparatură adecvată.

• Mijloacele de captare trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:– să nu afecteze fenomenul studiat sau dacă acest lucru nu este posibil

modificăriele aduse fenomenului de cercetat să fie minime;– să fie uşor manevrabile şi să poată fi amplasate fără dificultăţi în locuri

convenabile testării dorite;– să nu irite sau să distrugă organismul viu cu care intră în contact;– să respecte normele de sterilizare, în cazul în care acestea se impun;– să prezinte o mare capacitate de protecţie faţă de interferenţele exterioare

de natură electrică, mecanică, electromagnetică, electrochimică;– să fie biocompatibili cu organul studiat;– să aibă o bună stabilitate în timp.

Mijloace de captare: Electrozi

• Procesele care au loc în ţesuturile vii sunt procese chimice la care participă un electrolit. Culegerea diferenţelor de potenţial generate de activităţile din celule şi ţesuturi se realizează cu electrozi. Electrodul reprezintă un conductor electric împreună cu electrolitul cu care este pus în contact. El este legătura conductoare între o sursă de semnal bioelectric şi un dispozitiv care reproduce sau prelucrează un curent sau o tensiune captată.

• Principala caracteristică a electrozilor este capacitatea lor de a transporta electronii.

• Conducţia electrică în electroliţi (ţesuturi) este ionică iar conducţia electrică în electrozi este electronică. La interfaţa electrod electrolit au loc fenomene care transformă conducţia ionică în conducţie electronică.

Potenţialul de electrod

• Doi electrozi de culegere a biopotenţialelor sunt în contact electric prin electrolitul interpus între ei. Când cei doi electrozi sunt uniţi în exteriorul electrolitului cu un conductor electric, prin acesta circulă un curent electric, adică circulă electroni de la electrodul negativ la electrodul pozitiv. La suprafaţa de contact dintre fiecare din cei doi electrozi şi electrolitul din jurul său, cu care împreună formează un electrod, se stabileşte o diferenţă de potenţial, numită potenţial de electrod. Forţa electromotoare a sistemului doi electrozi − electrolit este egală cu diferenţa algebrică a potenţialelor celor doi electrozi.

• Conducţia electrică în electrolit (ţesuturi) este realizată de ioni; conducţia electrică în electrozi metalici este efectuată de electroni. La interfaţa electrod - electrolit au loc fenomene care transformă conducţia ionică în conducţie electronică şi invers.

• La orice suprafaţă de contact electrod electrolit există tendinţa de difuzie a electronilor din metal spre electrolit şi de difuzie a ionilor din electrolit spre metal, în sensul stabilirii echilibrului chimic.

• La interfaţa electrod - electrolit au loc reacţii de oxido - reducere. Reacţia de oxidare este definită ca o pierdere de electroni iar reacţia de reducere ca un câştig de electroni. Deci, se pot oxida metale (electrozii metalici, anioni sau molecule neutre din electrolit) şi se pot reduce nemetale, cationi sau molecule neutre. Orice oxidare este însoţită de o reducere; când un reactant se oxidează, o cantitate echivalentă din alt reactant se reduce. reactantul care se oxidează este un agent reducător, iar cel care se reduce este un agent oxidant. Reacţia de oxido-reducere constă într-un transfer de electroni de la agentul reducător la agentul oxidant.

• Din cauza reacţiilor de oxido-reducere, la interfaţa electrod ţesut ia naştere un strat dublu electric de sarcini, care are o distribuţie, într-un spaţiu de dimensiuni atomice, în funcţie de activitatea electrolitului şi uşurinţa cu care metalul electrodului transferă electroni spre electrolit.

• Electrozii reversibili sau nepolarizabili sunt electrozii la care, aplicând o tensiune exterioară care compensează forţa electromotoare rezultată din potenţialele electro-chimice ale electrozilor nu are loc nici o reacţie chimică. Cu alte cuvinte se numeşte electrod nepolarizabil electrodul la care la interfaţa cu electrolitul apare atât o pierdere de electroni (reacţie de oxidare) cât şi o acceptare de electroni (reacţia de reducere).

• Electrozii ireversibili sau polarizabili sunt electrozii la care la interfaţa cu electrolitul au loc reacţii ireversibile, deşi global, la sistemul electrod – electrolit - electrod, reacţia de oxidare are loc în aceeaşi măsură cu reacţia de reducere.

• În primul moment, când cei doi electrozi sunt conectaţi în electrolit pentru măsurare, forţa electromotoare este egală cu suma algebrică a potenţialelor celor doi electrozi, activitatea electrolitului şi temperatură. Această forţă electromotoare scade în timp la electrozii ireversibili, deoarece electrozii metalici împreună cu electrolitul şi produşii de reacţie din vecinătatea unui electrod generează o forţă electromotoare opusă celei iniţiale, micşorând-o pe aceasta sau chiar anihilând-o.

Impedanţa electrozilor

• Impedanţa pe care o prezintă un electrod în circuitul de măsurare a fenomenului bioelectric depinde de natura stratului dublu electric format la interfaţa cu ţesutul, de aceea este numită impedanţă de polarizare.

• În circuitul de culegere şi măsurare a biopotenţialelor prin impedanţa celor doi electrozi, impedanţa ţesutului şi impedanţa de intrare în amplificator, va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din ţesut. Deoarece impedanţa de intrare în preamplificator este mare, curentul prin circuitul de măsurare este mic, iar căderea de tensiune pe impedanţa electrozilor este de obicei neglijabilă.

• Totuşi, trebuie ţinut seama de impedanţele care intervin pentru a alege corespunzător caracteristicile amplificatorului privind amplitudinea şi frecvenţa semnalului.

• O interfaţă electrod - ţesut se echivalează cu o sursă de tensiune (potenţial de electrod) şi un condensator, datorită stratului dublu electric. Distanţa dintre sarcinile electrice de semne opuse la această interfaţă este de dimensiuni moleculare, astfel încât capacitatea pe unitatea de suprafaţă a electrodului este într-adevăr mare ( ≈10µF/cm2).

• Cu toate acestea, este bine cunoscut că se poate trece un curent prin joncţiunea electrod ţesut, deci orice model pentru o astfel de interfaţă trebuie să includă şi o rezistenţă, Rf, în paralel cu condensatorul.

• Având componente capacitive impedanţă unei perechi de electrozi plasaţi pe suprafaţa unui ţesut va fi dependentă de frecvenţa semnalului bioelectric şi anume va scădea cu creşterea frecvenţei.

Testarea polarizării

• Tendinţa la polarizare este determinată de comportarea manifestată la trecerea unui curent electric. O pereche de electrozi care indică un potenţial de electrozi redus, poate prezenta o polarizare atunci când sunt purtătorii unii curent. La un curent foarte scăzut, amplitudinea polarizării este neglijabilă, dar poate deveni apreciabilă la un nivel comparativ cu cel al curentului electrodermal.

• De aceea este foarte important să testăm electrozii în aceleaşi condiţii în care se face măsurătoarea ectodermală. Aceleaşi condiţii de testare pot fi folosite şi la determinarea potenţialului de electrod, exceptând faptul că perechea de electrozi este măsurată în timpul trecerii curentului electric continuu luat în calcul. Impedanţa perechii de electrozi la 1000 cpm sau mai mult este determinată separat şi valoarea este folosită ca rezistenţă ohmică.

• Utilizând această valoare şi nivelul curentului continuu determinat, se obţine tensiunea de referinţă. Diferenţa dintre valoarea tensiunii măsurate şi cea de referinţă reprezintă o mărime a potenţialului de polarizare.

• Impedanţa electrozilor este dependentă de natura dublului strat electronic; se numeşte impedanţă de polarizare. Prin impedanţa electrozilor şi de intrare a amplificatorului trece un curent mic generat de evenimentul bioelectric. De obicei impedanţa de intrare a aparatelor de amplificare şi înregistrare este foarte mare; atunci când nu este suficient de mare, nu numai semnalul este atenuat, dar pot apare şi distorsiuni.

• La electrozii de stimulare, impedanţa electrod - electrolit este foarte importantă, din cauza naturii ei rezistive şi reactive, amândouă componentele depinzând de densitatea de curent. În plus, la electrozii de stimulare densitatea de curent este neuniform distribuită pe suprafaţa electrodului.

• În circuitul de culegere şi măsurare a biopotenţialelor prin impedanţa celor doi electrozi, impedanţa ţesutului şi impedanţa de intrare în amplificator, va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din ţesut. Deoarece impedanţa de intrare în preamplificator este mare, curentul prin circuitul de măsurare este mic, iar căderea de tensiune pe impedanţa electrozilor este de obicei neglijabilă.

• Între electrodul metalic şi piele, pentru a stabiliza potenţialul de electrod, mai ales la mişcările pacientului, se introduce fie o hârtie de filtru, fie tifon, îmbibate cu un electrolit (de obicei soluţie salină), fie o pastă electroconductivă, care este realizată special pentru aceste scopuri şi livrată odată cu aparatele de măsurări electrofiziologice de către constructori

Modelare electrică complexă a interfeței electrod - țesut

Tipuri constructive de electrozi

• Electrozii sunt de două tipuri: cu contact (ohmic) sau capacitivi.• Ca suprafață pot avea funcție de destinație de la cȃțiva micrometri

pătrați la zeci de centimetri pătrați. Indiferent de suprafața electrodului, scopul este măsurarea potențialului generatorului bioelectric fără ca prin ectrod și înterfața cu țesutul să circule curent.

• Din acest motiv amplificatorul trebuie să aibă o impedanță suficient de mare in raport cu impedanța electrodului.

• Electrozii de suprafaţă au fost folosiţi pentru prima dată de James şi Williams pentru înregistrarea ECG în 1910 pentru a înlocui electrozii de imersie (găleată) folosiţi curent până atunci.

• Din punct de vedere constructiv și al modului de atașare electrozii de suprafață sunt:

– plăci;– cu sucțiune;– electrozi de scalp (EEG);– cu bandă adezivă;– cu conductor adeziv;– electrozi uscați.

Electrozi de suprafață • (A) electrod de metal tip-placă utilizat pentru aplicarea la

membre. • (B) Electrod de metal tip -disc aplicat cu bandă chirurgicală. • (C) Electrod de unică folosință

• Pentru măsurători la diverse profunzimi se utilizează electrozi multipli din sârmă de cupru argintat, care se fixează pe un miez din tungsten de câtiva milimetri diametru sau electrozi tip ac de seringă mono- şi bipolari. Aceştia sunt introduşi în locuri specifice în vederea supravegherii activităţii musculare în timp de câteva ore.

• Firul sau perechea de fire sunt introduse în muşchi cu ajutorul unui ac de seringă. Bucla formată permite fixarea mai bună în muşchi; acul de seringă este îndepărtat.

Tipuri constructive de microelectrozi metalici a) microelectrod cu strat subţire metalic:1.– suport de sticlă sau carbură de tungsten; 2 – strat subţire de metal; 3 – izolaţie din răşină; 4 – conector aurit;

b) microelectrod integrat: 1 – substrat din siliciu; 2 – bioxid de siliciu; 3 – electrozi din aur acoperiţi cu un strat de bioxid de siliciu; 4 – suprafaţa activă de culegere

• Microelectrozii metalici se realizează din fire metalice subţiri, ascuţite electrochimic la capătul care se introduce în celulă, până la diametre de 0.1 - 10 µm.

• Se folosesc microelectrozi din oţel inoxidabil, platină, argint, aur, tungsten.

• Acoperirea cu un material izolant a părţii inactive şi controlul precis al vârfului ascuţit se face la microscop.

• Acoperirile izolatoare sunt materiale plastice sau sticlă şi se întind până la porţiunea introdusă în celulă.

• Micşorarea impedanţei se obţine prin mărirea electrochimică a suprafeţei şi prin introducerea în developator fotografic.

• Microelectrozii din sticlă se realizează din tuburi capilare din sticlă specială încălzite prin inducţie şi trase până la dimensiuni ce permit încă existenţa orificiului. Marginile tăioase sunt apoi îndepărtate cu hârtie abrazivă foarte fină.

• Umplerea cu electrolit a micorpipetei se face cuplând un dispozitiv din cauciuc ce susţine mai multe pipete la o pompă de vid; partea inferioară a pipetelor este introdusă într-o cuvă cu electrolit care, prin absorbţie, pătrunde dinspre partea îngustă spre partea mai largă a micropipetelor.

• Deoarece o concentraţie prea mică, apropiată de cea a lichidului intracelular, ar fi compatibilă cu citoplasma, dar ar duce la rezistenţe foarte mari (rezistivitatea electrolitului mare), se face un compromis pentru a avea rezistenţe limitate ale microelectrodului.

• Electrodul este un fir metalic subţire imersat în electrolit. • Se folosesc de obicei electrozi din Ag/AgCl, oţel inoxidabil, tungsten.

Microelectrod plasat cu vârful într-o celulă

Mijloace de captare : Traductoare

Traductoare

• Traductoarele sunt dispozitive ce au rolul de a stabili o corespondenţă între o mărime de măsurat aptă de a fi prelucrată de echipamentele de prelucrare automată a datelor.

• Acest lucru se realizează prin transformarea, convertirea, mărimii fizice de măsurat într-o altă mărime fizică (de obicei o mărime neelectrică într-o mărime electrică) sau în aceeaşi mărime fizică cu schimbarea parametrilor acesteia (de exemplu o mărime electrică în altă mărime electrică dar cu alţi parametri de variaţie).

• Un traductor este în general constituit din două blocuri principale: – elementul sensibil (detectorul) care transformă mărimea de

măsurat de intrare într-o mărime intermediară– convertorul de ieşire (adaptorul) prin care mărimea intermediară

se transformă într-o mărime de ieşire ce poate fi observată sau prelucrată mai uşor în cadrul sistemului de conducere.

• Convertorul de ieşire are totodată rolul de a realiza şi o adaptare cu celelalte elemente din cadrul sistemului de conducere cu care este cuplat.

Clasificarea traductoarelor

• După forma semnalului de ieşire în care este convertit semnalul de intrare:– traductoare analogice - la care semnalul de ieşire

are o variaţie continuă– traductoare numerice (digitale) - la care semnalul

de ieşire are o variaţie discontinuă

• În funcţie de mărimea de intrare traductoarele se pot clasifica în:– Electrice: frecvenţă, curent, fază, tensiune, putere– Neelectrice: nivel , debit, deplasare, viteză,

acceleraţie, temperatură, presiune

Clasificarea traductoarelor

• În funcţie de mărimea de ieşire traductoarele se pot clasifica în:– Parametrice

• Rezistive:reostatice,termorezistive,tensometrice, electrolitice

• Inductive: de înaltă frecvenţă,de joasă frecvenţă• Capacitive: cu suprafaţa armăturilor variabilă, cu

distanţa dintre armături variabilă, cu modificarea permitivităţii dielectricului

– Generatoare:• inducţie, piezoelectrice, termoelectrice, pH-metrice,

efect Hall

• Traductoare parametrice rezistive – Principiul de funcţionare al acestor

traductoare constă în modificarea rezistentei R a unui rezistor. Sub acţiunea intrării se produce modificarea unuia din parametrii care intervin în relaţia rezistenţei unui conductor:

unde: ρ = rezistivitatea (Ω mm2/m); • l = lungimea (m); • S = secţiunea (mm2)

S

lR ρ=

• Traductoare reostatice – la care variaţia rezistenţei R se realizează prin modificarea lungimii rezistorului. Sunt folosite pentru măsurarea unor deplasări liniare sau unghiulare sau a altor mărimi ce se pot transforma în aceste deplasări.Funcţionarea traductorului reostatic liniar se poate

exprima prin relaţia:

• unde: y = deplasarea cursorului; – lmax = lungimea bobinajului; – Ro = rezistenţa totală a rezistorului bobinat.

yl

RR o

ymax

=

În cazul traductoarelor reostatice unghiulare se utilizeazăun potenţiometru de formă circulară, obţinut prin bobinarea unui fir rezistiv pe un suport izolant circular, fir rezistiv peste care alunecă un cursor, astfel că, rezistenţa la ieşirea potenţiometrului şi tensiunea de ieşire, când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul de rotaţie α relaţia este similară cu menţiunea că y reprezintă o deplasare unghiulară.

unde α este unghiul maxim de rotaţie al cursorului

maxαα

oy

RR =

• Traductoarele tensometrice – sunt destinate măsurării unor eforturi sau deformaţii şi au ca principiu de funcţionare variaţia atât a lungimii cât şi a secţiunii unui fir sau filament din material conductor sau semiconductor.

• Aceste traductoare, deşi au o sensibilitate mică şi unele greutăţi în modul practic de utilizare (lipirea tensometrului pe corpul de studiat, sensibilitate la umiditate), au avantajul unui preţ de cost scăzut, frecvenţă mare de lucru şi erori mici.

Fig. 4: Marca tensometrica

Fig. 5: Montarea marcilor tensometrice în montajul în punte

- Pentru compensarea erorilor se utilizează montaje în punte. Pe un braţ al punţii se montează tensometrului activ iar pe un alt braţ tensometrul compensator. - Se utilizează două metode de măsurători statice: prin deviaţie şi prin metoda de zero.

• Traductoare parametrice inductive• Traductoarele inductive sunt realizate din una

sau mai multe bobine cu miez de fier sau aer a căror inductanţe variază sub acţiunea mărimii de intrare.

• Acest tip de traductori funcţionează pe baza variaţiei geometriei circuitului magnetic în funcţie de deplasarea unui miez magnetic sau a unei armături prin care se modifică valoarea reluctanţei magnetice.

• Se întâlnesc trei tipuri constructive de traductoare:– Traductoarele cu intrefier variabil– Traductoare de tip transformator– Traductoare cu miez mobil

N = numărul de spire al bobinei

ΣRm = suma reluctanțelor din circuitului magnetic

lk = lungimea circuitului magnetic al bobinei prin mediul k

µk= permeabilitatea magnetică a mediului k care alcătuiește circuitul

magnetic al bobinei

Sk = secțiunea mediului k care alcătuiește circuitul magnetic al bobinei

• Traductoarele cu intrefier variabil au sensibilitatea foarte mare dar caracteristica statică este neliniară şi ca urmare domeniul de utilizare este foarte restrâns.

• Pentru îmbunătăţirea performanţelor acestor traductoare se folosesc montaje diferenţiale in punte. Puntea se echilibrează astfel încât în absenţa forţei curentul Ix să fie zero.

• Aceste traductoare sunt sensibile şi la semnul forţei care acţionează asupra traductorului.

• Traductoare de tip transformator– Se prezintă sub forma a două înfăşurări a căror inductanţă mutuală poate fi

modificată sub acţiunea mărimii de intrare, fie prin modificarea poziţiei miezului sau întrefierului, fie prin modificarea poziţiei înfăşurării primare printr-o mişcare liniară sau de rotaţie.

– Sub acţiunea mărimii de intrare (de ex. o forţă) se modifică inductanţa magnetică a traductorului şi deci fluxul magnetic. Acesta din urmă induce în bobina secundară o tensiune a cărei valoare efectivă depinde de fluxul maxim în miez şi frecvenţa tensiunii din primar.

– Aceste traductoare prezintă avantajul separării galvanice a circuitelor de intrare şi ieşire.

• O varianta des utilizată în instrumentația biomedicală de traductor de tip transformator esta așa numitul transformator diferențial liniar variabil. Acest tip de traductor este foarte avantajos in cazul măsurărilor presiunilor fiziologice.

• Înfășurarea primară este alimentată în curent sinosoidal. Înfășurările secundarensunt astfel conectate încât semnalele obținute de la fiecare bobină să fie egală în amplitudine dar în opoziție de fază.

• Dacă miezul feromagnetic este plasat simetric între cele două bobine semnalul de la ieșire va fi aproximativ zero. Când mezul este deplasat într-o direcție (datorită acțiunii presiunii asupra diafragmei de exemplu) semnalul indus într-o înfăsurare va crește concomitent cu căderea în aceeași măsură în cealaltă înfășurare secundară. Pentru obținerea unor rezultate bune se folosește un montaj în punte cu posibilitatea reglajului de zero.

• Traductoare cu miez mobil– Constau dintr-o bobină cu miez mobil care este acţionat de către

mărimea de intrare. – Traductoarele de acest tip sunt utilizate de obicei în convertirea

deplasărilor mecanice într-o mărime electrică. Întru-cât caracteristica statică este neliniară se foloseşte un montaj diferenţial.

– Sunt de obicei realizate cu ajutorul unui miez feromagnetic care se deplasează în interiorul unei bobine.

• Traductoare cu distanţa dintre placi variabilă – elementul sensibil constă dintr-un condensator care are una dintre armături fixă şi alta mobilă, ultima putându-se deplasa sub acţiunea mărimii de intrare.

• Este utilizat pentru realizarea microfoanelor sau a senzorilor de presiune folosiți în metodele directe de măsură a presiunilor din organism când armătura mobila joacă rol de diafragmă.

• Traductoare generatoare• Traductoarele generatoare sunt realizate în mai multe

variante în funcţie de principiul care stă la baza transformării mărimii de intrare într-o tensiune electromotoare.– Traductoare de inducţie – principiul acestor traductoare constă în

inducerea unei tensiuni electromotoare e într-un circuit conductor ce taie liniile de forţă ale unui câmp magnetic de inducţie B [T] conform relaţiei:

unde:v = viteza circuitului conductor în m/sl = lungimea circuitului în mPe acest principiu se obţin tahogeneratoare, vibrometre, debitmetre, etc.

vlBe ⋅⋅=

Traductoare termoelectrice (termocupluri)– Principiul acestor traductoare se bazează pe efectul

termoelectric (efect Seebeck) care constă în apariţia unei tensiuni electromotoare între capetele libere ale unor fire sau tije metalice diferite la modificarea temperaturii capătului la care acestea fac contact.

– Temperatura capetelor libere (numită și temperatură de comparație) va fi luată ca referință și astfel se poate afla temperatura punctului de sudură în funcție de tensiunea electromotoare măsurată.

• Traductoarele piezoelectrice- Se bazează pe efectul piezoelectric care constă în

apariția unor sarcini electrice pe două suprafețe paralele ale unui cristal de quarț când acesta este supus unei forțe mecanice de apăsare.

- Polaritatea estre diferită după cum cristalul este supus unei forțe de tracțiune sau compresiune.

- Dezavantajul acestor traductoare îl constitue influența circuitului exterior cristalului (metalizari, fire de conexiune, amplificator etc.) asupra măsurătorii.

• Traductoare numerice• La acest tip de traductoare mărimea de ieşire este de tip discret.

Mărimea analogică măsurată este obținută prin măsurarea unei succesiuni de impulsuri codificate, rezultatul fiind exprimat direct în formă numerică. Codificarea constă din cuantificarea mărimii de măsurat analogice, adică din aproximarea acesteia prin elementele unei mulţimi finite de valori.

• Suportul fizic ce permite realizarea unei cuantificări poate fi constituit din starea instantanee a unor elemente electronice de circuit sau din poziţia contactelor unui grup de relee.

• Traductoarele numerice funcţionează după principiul discretizării în timp sau al eşantionării conform căruia mărimea analogică ce trebuie măsurată determină la ieşirea traductorului variaţii la momente discrete de timp, şi nu continui.

• Principalele avantaje ale măsurării numerice constau în:– precizia foarte bună de măsurare– posibilitatea implementării unor sisteme de reglare digitale în care achiziţia datelor să

fie compatibilă cu structura sistemului– reducerea erorilor de transmisie la distanţă a valorilor măsurate

• Traductorul incremental unghiular- Este construit pe baza unui disc optic- Discul optic este realizat dintr-un material transparent pe care sunt

alternate zone transparente și opace cu același pas unghiular. - Ansambul de măsura conține un sistem de emisie a luminii realizat

de obicei cu LED-uri in infraroșu sau lumina albă respectiv un sistem de recepție realizat cu un set de fototranzistori corespunzotor fiecărei piste de codificare.

- Semnalul astfel obținut reprezinta o codificare a informației referitoare la mișcarea unghiulară sau la viteza de rotație a discului optic.

Amplificarea si prelucrareaprimara a biosemnalelor

Amplificarea

• Măsurările biosemnalelor necesită amplificarea unor semnale de nivel foarte redus, în prezenţa unor tensiuni de mod comun mari, considerabile faţă de nivelul semnalului util şi care impun utilizarea unor amplificatoare de mare performanţă. Acest lucru este de cele mai multe ori realizat cu ajutorul unui amplificator de instrumentaţie

• Amplificatorul de instrumentaţie este un amplificator în buclă închisă care are intrarea diferenţială iar ieşirea circuitului este data faţă de o referinţă care nu este neapărat masa montajului. De cele mai multe ori impedanţa de intrare pe cele două terminale este egală, tipic având valori în jurul a 109Ω sau mai mare. La fel ca la amplificatoarele operaţionale impedanţa de ieşire este foarte mică de ordinul miliohmilor. Spre deosebire însă de AO unde câştigul în buclă închisă era determinat prin rezistori externi conectaţi intre intrarea inversoare şi ieşire, în cazul amplificatoarelor de instrumentaţie reţeaua de rezistori cu ajutorul căreia se realizează reacţia internă este izolată de terminalele pentru intrarea semnalului.

• Cel mai important parametru al amplificatorului de instrumentaţieeste rejecţia modului comun(common-mode rejection - CMR).

• Prin definiţie, tensiunile de mod comun reprezintă semisumatensiunilor măsurate în raport cu masa, în două puncte omoloageale circuitului. Similar tensiunile de mod diferenţial reprezintăsemidiferenţa tensiunilor faţă de masă, în două puncte omoloageale circuitului. De obicei semnalele de mod diferenţial sunt semnaleutile, iar semnalele de mod comun sunt semnale perturbatoare. Dinacest motiv amplificatorul trebuie să maximizeze valoareaamplificării de mod diferenţial şi să minimizeze valoarea amplificăriide mod comun. Aceasta cu atât mai mult cu cât semnalele de modcomun sunt de obicei cu câteva ordine de mărime mai mari decâtsemnalele de mod diferenţial.

• Capacitatea amplificatorului de a separa efectul util al tensiunii de intrare de mod diferenţial de efectul perturbator al tensiunii de intrare de mod comun se caracterizează prin factorul de discriminare F, definit astfel:

• unde: Add – amplificarea de mod diferenţial• Acc – amplificarea de mod comun.

cc

dd

A

AF =

• Pentru a reflecta interacţiunea între funcţionarea pe moduldiferenţial şi modul comun se defineşte amplificarea de transfer de la modul comun la modul diferenţial – Adc şi amplificarea de transfer de la modul diferenţial la modul comun – Acd . Pentru un amplificator perfect simetric ele sunt nule, datorându-se în principiuasimetriilor schemei. Cea mai supărătoare este amplificarea de transfer de la modul comun la modul diferenţial Adc, deoareceaceasta determină o tensiune de ieşire diferenţială datorată uneitensiuni de intrare de mod comun, perturbatoare, care se suprapune peste tensiunea de ieşire diferenţială datoratăsemnalului de intrare diferenţial, deci util.

• Capacitatea amplificatorului de a separa tensiunea de ieşirediferenţială datorată tensiunii de intrare diferenţiale de tensiuneade ieşire diferenţială datorată tensiunii de intrare de mod comun se caracterizează cu ajutorul factorului de rejecţie a modului comun(CMRR).

• Rejecţia de mod comun se defineşte ca fiind:

dc

dd

A

ACMRR =

CMRRCMR lg20=

• În practică amplificatoarele de instrumentaţie trebuie săamplifice semnale de ordinul milivolţilor (sau chiar de ordinul microvolţilor în cazul EEG) dar în acelaşi timp sărejecteze semnale de mod comun de ordinul volţilor. Aceasta impune o rejecţie de mod comun mare, valoriletipice fiind de la 80dB până la valori ce depăşesc 120dB.

• Pe lângă o rejecţie de mod comun ridicată un amplificator de instrumentaţie trebuie să mai aibă şi alteproprietăţi şi anume:

• Impedanţa de intrare trebuie să fie mare şi egală pe celedouă intrări, având valori tipice cuprinse între 109Ω şi1012Ω.

• Zgomot redus; deoarece semnalele de intrare înamplificator au nivele reduse amplificatorul de instrumentaţie nu trebuie să adauge semnalului propriulsău zgomot şi de aceea zgomotul la intrare ar trebui să fie mai mic decât @ 1kHz.

• Neliniaritate mică; erorile datorate offset-ului pot fi corectate printr-un reglaj extern dar neliniaritatea este o limitare inerentă a performanţelorcircuitului care nu poate fi înlăturată printr-o ajustare externă. Liniaritatearedusă este deci un parametru care trebuie realizat de producător şi estespecificată în procente referitor la întreaga gamă în care producătorul face măsurătoarea. Tipic pentru un amplificator de instrumentaţie de bunăcalitate eroarea de neliniaritate este de 0,01% dar exista şi amplificatoarede înaltă performanţă la care această eroare ajunge la 0,0001%.

• Banda de frecvenţă adecvată; un amplificator de instrumentaţie trebuie saaibă o bandă de frecvenţă corespunzătoare aplicaţiei în care este folosit. De obicei banda de câştig unitar a unui amplificator operaţional estelimitată la valori ale frecvenţei cuprinse între 500kHz şi 4MHz, de aceeaeste mai uşor de proiectat un amplificator cu amplificare mică, dar la câştiguri mari devine un parametru de care trebuie ţinut cont înproiectare.

• Tensiune de offset şi drift al tensiunii de offset reduse; ca şi în cazulamplificatoarelor operaţionale tensiunea de offset trebuie să fie redusă. Tensiunea de offset totală la ieşire va fi deci egală cu offset-ul de la intraremultiplicat cu amplificarea circuitului la care se adaugă offset-ul din ieşire, dar ea poate fi însă anulată printr-un reglaj extern. Drift-ul tensiunii de offset însă nu poate fi anulat din exterior şi cu cât amplificarea circuituluieste mai mare cu atât driftul offset-ului din etajul de intrare devine maiimportant. Valorile tipice pentru offset-ul de la intrarea unui amplificatorde instrumentaţie sunt de 100 uV respectiv 2mV pentru offset-ul de la ieşire.

• Curenţi de offset şi de polarizare reduşi; curenţii de polarizare circulândprin rezistenţa sursei de semnal generează o eroare de offset (eroarea se datorează de fapt dezechilibrului rezistenţei sursei de semnal pe cele douăintrări); Curentul de offset este definit ca fiind egal cu diferenţa dintrecurenţii de polarizare care străbat cele două intrări. Valorile tipice pentrucurenţii de polarizare în cazul Amplificatoarelor de instrumentaţie dotatecu tranzistoare bipolare pe intrare sunt cuprinse între 1nA şi 0,5µA iarpentru cele realizate cu FET curenţii de polarizare au valori în jurul a 50pA.

• OBS: Dacă rezistenţa sursei de semnal este prea mare este posibil catensiunea perturbatoare de mod comun să satureze amplificatorul şiatunci pentru a preveni această situaţie se montează o rezistenţă de valoare mare între fiecare intrare şi masă.

• Un amplificator de instrumentaţie poate fi realizat cu unul sau mai multe amplificatoare operaţionale. Există şi amplificatoare de instrumentaţie în variantă monolitică. Realizarea amplificatoarelor de instrumentaţie cu ajutorul A.O. oferă flexibilitate obţinându-se performanţe ridicate la un preţ de cost scăzut. În aplicaţiile în care este necesară o banda de frecvenţă mare a amplificatorului se obţin chiar performanţe mai bune decât în cazul folosirii amplificatoarelor de instrumentaţie monolitice. În contrast cu aceasta amplificatoarele de instrumentaţie monolitice prezintă foarte bune calităţi in privinţa rejecţiei de mod comun şi o acurateţe mult mai bună a reglajelor.

)V+e(R

R- = V

)V+e(R

R+1 = V

IC11

321

IC1

211 1

)V+e(R

R+1 = V

)V+e(R

R- = V

IC21

322

IC21

212

VeR

R-eR

R+1 = VR

R-eR

R-VR

R+

+V+eR

R+1 = )V+e(R

R-)V+e(R

R+1 = V+V = V

IC21

21

1

2IC

1

22

1

2IC

1

2

IC11

2IC2

1

2IC1

1

21211

-s

+

VR

R+1e+eR

R- = )V+e(R

R+1+)V+e(R

R- = V+V = V IC1

321

1

3IC2

1

3IC1

1

32221

+s +

R

R = R

R adica R+R

R = R+R

R

4

6

5

7

64

6

75

7

)e-e(R

R2+1

R+R

R

AR+R

R+1

A =

eR

R+eR

R-e-eR

R-eR

R+eR+R

R

AR+R

R+1

A = V

121

2

64

6

o64

4

o

21

21

1

211

1

22

1

22

64

6

o64

4

oo

• Pentru amplificatoare ideale Ao → ∞ şi expresia tensiunii de ieşiredevine:

• Calculul rejecţiei de mod comun

• Calculăm mai întâi efectul tensiunii diferenţiale de excitaţie la ieşireapoi calculăm efectul tensiunii de mod comun la ieşire.

• Se ştie că raportul rejecţiei de mod comun se defineşte ca fiind:

• Rezultă că expresia CMRR va depinde doar de parametrii AO3 pentru situaţia în care etajul de intrare este perfect simetric.

• Alegerea unui amplificator se face funcţie de caracteristicile biosemnalului (amplitudine si banda de frecvenţă).

)e-e(R

R2+1

R

R = V 121

2

4

6o

A

A = CMRRC3

D33

Cerinţe specifice pentru amplificatorul de instrumentaţie

• Vom analiza structura unui amplificator de instrumentație pentru semnale foarte mici, de ordinul μV.

• Activitatea electrică cerebrală generează semnale de nivel foarte redus, în prezenţa unor tensiuni de mod comun mari, considerabile faţă de nivelul semnalului util, care impun utilizarea unor amplificatoare de mare performanţă.

• Acest lucru este de cele mai multe ori realizat cu ajutorul unui amplificator de instrumentaţie ce reprezintă de cele mai multe ori blocul principal al unui sistem de înregistrare a semnalelor bioelectrice.

Schema bloc a unui sistem de achiziţie EEG

• Etajul principal al circuitului de achiziţie a EEG îl reprezintă amplificatorul de instrumentaţie.

• Amplificatoarele de instrumentație standard utilizează la ieșire un amplificator diferențial cu câştig unitar, soluţie ce limitează semnificativ tensiunea de mod comun.

• Totuşi tensiunea de mod comun introdusă de echipamentele adiacente precum şi diferenţele de potenţial care apar între diferitele puncte de culegere pot conduce la valori ridicate ale tensiunii de intrare diferenţială în amplificator şi implicit la saturarea acestuia.

• Saturarea amplificatorului de instrumentaţie, care de obicei echipează preamplificatorul unui echipament de achiziţie pentru semnale biomedicale, duce la apariţia unor valori eronate ale nivelului tensiunii la ieşire sau chiar la saturarea întregului lanţ de măsură.

• Tensiunile de intrare, VIN+ și VIN-, sunt definite în funcţie de polarităţile celui de al 3-lea amplificator operaţional, A3.

• Semnalele de intrare în amplificatorul de instrumentaţie sunt subdivizate în tensiunea de mod comun – VCM, şi tensiunea diferenţială – VD.

• Dacă VCM, tensiunea de mod comun pe cele două intrări, este definită ca semisuma dintre VIN+ şi VIN-, atunci VD reprezintă diferenţa netă dintre cele două tensiuni.

2−+ += ININ VV

CMV −+ −= ININD VVViar

Rezolvând cele două ecuaţii şi calculând VIN+ şi VIN- în funcţie de VCM şi VD vom obţine:

Dacă

2D

CMIN

VVV +=+ 2

DCMIN

VVV −=−și

La funcţionarea normală, amplificatoarele operaţionale A1 şi A2 aplică tensiunea diferenţială VD prin intermediul rezistorului R1, care stabileşte câştigul primului etaj, generând curentul de intrare, ID:

11 R

V

R

VVI DININ

D =−= −+

Prin urmare tensiunile de ieşire ale amplificatoarelor A1 şi A2 vor fi:

21 2RI

VVV D

DCM −−= 22 2

RIV

VV DD

CM ++=

Înlocuind curentul ID rezultă:11 2

GV

VV DCM −=

12 2G

VVV D

CM +=1

21 21

R

RG +=unde

Ecuatia de mai sus ne arată că doar tensiunea diferenţială, VD/2, este amplificată de etajul de intrare de G1 ori, în timp ce tensiunea de mod comun, VCM, trece de etajul de intrare neamplificată (cu câştig unitar). Amplificatorul diferenţial, A3, scade tensiunea V1

din V2 şi amplifica diferenţa de G2 ori: ( ) 2120 GVVV ⋅−= unde3

42 R

RG =

TOTD

GGGV

V =⋅= 210

Amplificatoare de instrumentaţie cu izolaţie

• Un amplificator izolaţie (cu separare galvanică) este un circuit a cărui primă funcţie este de a asigura izolareaohmică (întreruperea continuităţii ohmice) între semnaleleşi circuitele de intrare şi cele de ieşire. În principiu, un amplificator izolaţie este format dintr-un amplificatordiferenţial de intrare (amplificator operaţional sauamplificator instrumentaţie), urmat de un etaj de izolare(separare) cu câştig unitar. Unicul scop al etajului de separare este de a izola complet intrarea de ieţireacircuitului. În mod ideal, continuitatea ohmică a semnaluluieste întreruptă (la nivelul barierei de izolaţie) şi totuşi, dupăetajul de separare cu câştig unitar, semnalul se transferă cu acurateţe şi fără atenuare. O caracteristică importantă a amplificatoarelor izolaţie este aceea că au intrare completflotantă, ceea ce contribuie la eliminarea unor conexiunicomplicate la masa surselor în multe aplicaţii.

IMRR

V

CMRR

VV

R

RV isocm

dout +

+⋅=1

2

Pentru acest amplificator, expresia tensiunii de ieşire Vout este dată de relaţia

Tensiunea de izolaţie Viso este tensiunea ce apare pe bariera de izolaţie. Contribuţia adusăde Viso la eroarea referită la ieşire este Viso/IMRR, unde IMRR este factorul de rejecţie al modului izolaţie (Isolation Mode Rejection Ratio). Vd este tensiunea diferenţială de semnal de intrare, iar Vcm reprezintă tensiunea de mod comun (referită la masa circuitelorde intrare). Curentul de fugă este curentul ce circulă prin bariera de izolaţie cu o anumitătensiune de izolaţie specificată aplicată între intrare şi ieşire.

Caracteristicile amplificatoarelor izolaţie• Tensiunea de mod comun şi tensiunea de izolaţie. Anumiţi producători tratează

tensiunea de mod comun şi tensiunea de mod izolaţie în mod identic pentrudescrierea folosirii şi/sau caracteristicilor amplificatoarelor izolaţie. În principal această imprecizie în prezentare apare din nespecificarea masei circuitului înraport cu care se măsoară aceste tensiuni. Pentru aplicaţiile specifice de bioinstrumentaţie, este esenţială înţelegerea exactă a semnificaţiilor acestortermeni şi diferenţele dintre ei. Astfel, când se fac legăturile în circuitul de intrare, tensiunea diferenţială de semnal de intrare Vd poate fi suprapusă pestecomponenta Vcm în raport cu masa circuitelor de intrare. Vcm este tensiunea de mod comun şi are în general ordinul de mărime ± 10 V, limitată de gama tensiuniide mod comun a etajului diferenţial de intrare.

• Tensiunea de izolaţie Viso, reprezintă diferenţa de potenţial între circuitul de masă de intrare şi circuitul de masă de ieşire. Mărimea tensiunii de izolaţie descriediferenţa de potenţial pe care bariera de izolaţie poate să o suporte fărăstrăpungere. Ordinul de mărime al tensiunii de izolaţie este de sute sau mii de volţi.

• Această caracteristică a amplificatorului izolaţie permite două conexiuni de masă distincte ce se pot realiza oricând este necesar. Ca urmare, amplificatoareleizolaţie se pot folosi în aplicaţii ce presupun tensiuni de mod comun foarte mari şiîn aplicaţii cu întreruperea buclelor de masă. În acest caz conexiunile se efectueazăîn aşa fel încât tensiunile de mod comun să apară referite la masa circuitelor de ieşire (ca tensiune de izolaţie). Utilizând această conexiune, amplificatorul poateprimi tensiuni de mod comun de ordinul 2000 V sau chiar mai mari.

• Rejecţia de mod comun şi rejecţia de mod izolaţie. Rejecţia de mod izolaţie (IMR) este un alt termen la care unii producători se referă identic cu rejecţia de mod comun (CMR). Confuzia apare din acelaşi motiv cu cel precizat anterior, respectivdin cauza nespecificării circuitului de masă în raport cu care se fac determinările. Discuţia de mai sus ne ajută să identificăm diferenţa între IMR şi CMR.

• Rejecţia de mod comun CMR este măsura în care etajul de intrare rejecteazăsemnalele de mod comun referite la masa circuitelor de intrare în timp ceamplifică intrarea diferenţială.

• Rejecţia de mod izolaţie IMR este măsura în care amplificatorul rejecteazătensiunile de mod comun referite la masa circuitelor de ieşire în timp ce se transmite semnal prin bariera de izolaţie. Factorul de rejecţie al modului izolaţieIMRR este definit de ecuaţia (7.1). În acest fel, cunoscând capacitatea de rejecţie a modului izolaţie a amplificatoarelor izolaţie, acestea se pot utiliza în aplicaţii undesunt necesare rejecţii ale tensiunilor de mod comun foarte mari, de ordinul100, ..., 140 dB.

• Valoarea tensiunii de izolaţie. Tensiune de test. Este important săcunoaştem semnificaţia tensiunii de izolaţie de curent continuu (precizată şigarantată de producător în catalog) şi relaţia sa cu valoarea reală a tensiunii de test aplicate. Întrucât un test continuu la valoarea nominală nu este posibil în cazulproduselor de consum (implicând o durată infinită), se acceptă în general realizarea testelor de înaltă tensiune (de valoare mult mai mare decât valoareacontinuă nominală), dar pentru o durată scurtă (şi bine precizată) de timp. Întrucâttestul de înaltă tensiune este distructiv (circuitele care nu rezistă se distrug întotalitate, devenind irecuperabile), este important de ştiut ce relaţie există întrecondiţiile reale de test şi valoarea continuă minim garantată.

• Principiile fizice pe care se bazează construcţia barierei de izolaţiedetermină şi tipul de cuplaj utilizat. Astfel întâlnim:

• cuplajul magnetic, bazat în esenţă pe utilizarea transformatoarelor, la care nu apare conexiune între circuitul primar şi cel secundar

• cuplajul optic, utilizând optocuploare, transferul informaţiei fiindasigurat prin modularea unei rdiaţii

• cuplajul termic, utilizând în circuitul de intrare o rezistenţă de încălzire, iar în circuitul de ieşire o termorezistenţă, transferul de informaţie fiind asigurat prin intermediul fluxului termic.

• Performanţele amplificatoarelor izolaţie variază în mod semnificativ, funcţie de tipul de aplicaţie. Astfel, în aplicaţiile în care banda şi viteza de răspuns sunt criteriile cele mai importante, celmai bine se adaptează cuplajul optic. Pentru aplicaţii la care se impune acurateţe şi liniaritate pentru răspuns, cuplajul magnetic este soluţia cea mai bună. Cuplajul termic are avantajul celui mairedus cost, dar se poate utiliza numai pentru semnale de foartejoasă frecvenţă, având în vedere inerţia mare a sistemelor bazatepe procese termice.

Amplificatoare izolaţie cu cuplaj optic

• În aplicaţiile electronice biomedicale de izolaţie cu cuplaj optic se utilizează optocuploare integrate de construcţie specială. Acestea conţin o diodă electroluminescentă, un fotodetector şi un amplificator cu performanţe de viteză şi liniaritate superioare fototranzistoarelorconvenţionale. În aceste aplicaţii nu este recomandabil să se utilizezefototranzistoare întrucât, la aceste dispozitive, fotodetectorul estejoncţiunea bază-colector, astfel încât capacitatea de barieră strică timpulde ridicare din colector (prin efect Miller). De asemenea, fotocurentul ceapare este amplificat prin efect de tranzistor, curent care circulă prinjoncţiunea bază-colector (fotosensibilă), modulând răspunsul şideterminând astfel neliniarităţi însemnate.

• În optocuploarele folosite la construcţia amplificatoarelor izolaţie, fotodetectorul este o fotodiodă integrată separat, astfel încât foto-răspunsul nu este afectat de problemele semnalate pentrufototranzistoare. Izolarea optică se bazează atât pe tehnici liniare, la care principiul de realizare al optocuplorului menţionat este esenţial, cât şi petehnici digitale (cu modulare în durată, frecvenţă, cu convertoare A/D -D/A, etc.), la care viteza mare de lucru a fotodetectorului integrat permiteo mai bună liniaritate şi bandă.

• Filtrarea

• Are ca scop separarea semnalului de măsurat de semnalele de interferenţă prin limitarea benzii de frecvenţă la cea a semnlului util.

• Semnalul biologic este trecut printr-un filtru care suprimă zgomotul (semnalul perturbator), în timp ce semnalul util este lăsat relativ nemodificat. Filtrele utilizate pot fi fixe sau adaptative ( îşi modifică automat parametrii).

• Instrumentaţia biomedicală dispune de două niveluri de filtrare: filtru taie-sus (cut- up) care atenuează sau chiar elimină semnalul perturbator situat deasupra limitei superioare a semnalului util; filtru taiejos (cut down), care elimină semnalul parazitar situat sub limita inferioară a semnalului util.

• Utilizarea corectă a filtrelor în funcţie de caracteristicile biosemnalului permite încadrarea unei benzi de frecvenţă specifică pentru semnalul util.

•• Integrarea

• În termeni algebrici, integrarea reprezintă calcularea ariei delimitate de o curbă. Aceasta se poate face sumînd, pe un anumit interval de timp, arii mai mici delimitate de curbă, fiecare reprezentînd produsul dintre amplitudine (F) şi un interval de timp ∆t prestabilit.

• Metodele de integrare electronică, analogică sau digitală, sînt metode cu precizie mare.

Mijloace de vizualizare

SISTEME DE REDARE, MONITORIZARE ŞI

STOCARE A DATELOR

• Permit vizualizarea semnalului biologic sub o formă accesibilă urmăririi instantanee sau în timp a parametrilor ce au fost prelucraţi primar.

• Alegerea mijlocului de redare a unui semnal trebuie să ţină seama de : domeniul de frecvenţă, sensibilitatea de intrare, liniaritate, amplitudinea semnalului vizualizat.

• Se realizează prin intermediul unui tub catodic (osciloscop),care utilizează unul sau mai multe fascicule de electroni pentru a reprezenta valorile instantanee ale semnalului electric.

• Osciloscoapele uzuale însă nu sunt utilizabile pentru vizualizarea semnalelor biologice de foarte joasă frecvenţă deoarece:

1. declanşarea spotului în regim de sincronizare internă conduce la pierderea porţiunii iniţiale a semnalului, iar declansarea externă nu este întotdeauna posibilă;2. viteza mică de deplasare a spotului pe orizontală conduce la intesităţi mari ale spotului pe porţiunile de semnal lent variabil şi la intesităţi mici pe porţiunile rapid variabile (exemplu: "dispariţia" spotului pe fronturile impulsurilor);3. ecranele de dimensiuni mici ale osciloscoapelor nu asigură vizualizarea detaliilor din semnale;4. este dificil să se afişeze mai mult de două semnale pe un singur tub.• Aceste limitări sunt eliminate la afişoarele cu tub catodic de uz medical

prin utilizarea unor tuburi cu ecran mare şi a unui mod de desfăşurare a spotului pe verticală.

• Osciloscoapele medicale moderne sunt bazate pe o serie de noi tehnologii digitale incluzând şi folosirea microprocesoarelor precum şi selectarea opţiunilor prin metoda “touch screen”. Principiul de funcţionare al acestora este simplu. Pe marginile carcasei tubului catodic există o serie de surse de radiaţie în infraroşu şi corespunzător fiecărui emiţător câte un receptor în infraroşu pe latura opusă. În momentul în care operatorul doreşte să selecteze o anumită opţiune degetul său întrerupe fascicolul IR de la emiţător la receptor şi este selectată opţiunea respectivă.

Înregistratoarele grafice

• Un înregistrator grafic este un dispozitiv electromecanic care traduce printr-o transformare direct proporţională, semnalulelectric de înregistrat (curent sau tensiune) într-o deplasare liniarăsau unghiulară a unui element mecanic ce lasă o urmă pe hârtie

Inscripţionare curbilinie

Mişcarea de pivotare a bobinei mobileeste transformată în mişcare liniară

• Inscriptorul cu cerneală foloseşte un creion cu fibră(carioca) care prin capilaritate lasă cerneala pe hârtiaobişnuită. Sunt cele mai ieftine înregistratoare şi suntfolosite în culegerile cu volum mare de înregistrare (de ex. în electroencefalografie). La aceste dispozitive frecvenţasuperioară este limitată la 100...150 Hz din cauza maseidestul de mari a dispozitivului mobil.

• Domeniul dinamic al amplitudinii este ± 15 mm iarliniaritatea în amplitudine in jur de 5...10 %. Viteza de derulare a hârtiei este reglabilă în trepte şi uzual se întâlnesc valorile de 25; 50; 100; 200 mm/s. Viteza maximăeste limitată de banda de frecvenţă a inscriptorului , care nu permite înregistrarea unor variaţii prea rapide în timp.

Inscriptorul cu hârtie carbon sau cu scriere prin presare foloseşte o peniţă uşorrotunjită la vârf care presează hârtia suport a datelor de înregistrat pe o hârtie de copiat ce este derulată odată cu hârtia suport. Masa sistemului mobil fiind ceva maimică faţă de cazul precedent banda

Inscriptorul cu hârtie termosensibilă foloseşte o peniţă metalică care este încălzităelectric şi care arde stratul superficial sensibil la căldură al unei hârtii speciale. caracteristicila sale sunt: frecvenţa maximă 200 Hz, înscriere maximă 30 mm, liniaritate3...10%, viteza maximă de derulare a hârtiei 1m/s. Pentru că foloseşte o hârtie specialăpreţul este de aproximativ 3 ori mai mare faţă de un înregistrator cu peniţă cu cerneală.

Inscriptor cu hârtie carbon:

1 – hârtie suport înregistrare;

2 – vârf de înscriere;

3 – cuţit fix;

4 – hârtie carbon

• Inscriptorul cu spot luminos - foloseşte un traductor magnetoelectric la care bobina mobilă este înlocuită cu o buclă dintr-un conductor subţire prin care trece curentul de înregistrat, buclă de care este fixată o mică oglindă (galvanometru cu oglindă). Pe hârtia fotosensibilă se obţine traseul vizibil imediat, care trebuie însă stabilizat faţă de alte surse de radiaţii ultraviolete. Banda de frecvenţă la diferite tipuri constructive este limitată superior la 500 - 2000 Hz; domeniul dinamic al amplitudinii de înscriere poate fi mai mare de ± 100 mm, liniaritatea sub 3 %, viteza maximă de derulare a hârtiei fotosensibile poate depăşi 10 m/s.

Indicatoare

• Valorile medii sau instantanee ale variabilelor fiziologice însoţesc în mod obişnuit informaţia scopică.

• Instrumentul clasic de panou cu cadru mobil este mai ieftin decât un indicator numeric, dar accesul mai greu la informaţie îl recomandă numai pentru parametri necritici. Un sistem de repere ataşat scalei permite prestabilirea pragurilor de alarmă într-un mod mai direct decât pentru indicatoarele numerice.

• Indicatorul de maxim / minim (utilizat pentru presiunea arterială) reţine valorile de extrem ale variabilei pe parcursul unui interval de supraveghere la capătul căruia este reiniţializat.

• Indicatorul analogic cu coloană luminoasă ridică precizia citirii prin absenţa paralaxei şi oferă prin înălţimea coloanei un reper vizual care poate fi rapid evaluat de la distanţă.

• Indicatoarele numerice prezintă evantajul informaţiei care poate fi preluată dintr-o privire, de la distanţă mare. Limitele de alarmă sunt reglate în mod obişnuit cu discuri de comutaţie decadică. Tehnologia actuală de afişare cuprinde LED-uri şi cristale lichide, tubul Nixie fiind reţinut numai pemtru formatul foarte mare.

Mijloace de modificare a stariiinitiale

STIMULATOARE

• Prin stimulare se studiază în general comportarea organismului şi răspunsul acestuia la diferiţi excitanţi în vederea diagnosticării, a tratamentului sau protezării anumitor funcţii sau organe.

• Există mai multe tipuri de stimulare:• stimulare electrică

• stimulare luminoasă

• stimulare auditivă

Stimulatoare electrice

• Un stimul reprezintă pentru ţesut o modificare adusă în mediul în care se află, care îl face să reacţioneze. Din factorii fizici si chimici utilizaţi în practica medicală şi în studiul fenomenelor bioelectrice, stimulii electrici sunt cei mai utilizaţi, deoarece prin natura lor se apropie foarte mult de stimulii biologici naturali şi prezintă avantaje deosebite faţă de ceilalţi:

• -nu lezează ţesuturile;• -pot fi aplicaţi în mod repetat;• -acţionează imediat (timp de latenţă scurt) şi direct;• -generează excitaţii sau inhibiţii în orice tip de celulă sau ţesut;• -pot fi măsuraţi cu precizie şi pot fi aplicaţi oricât de localizat

se doreşte (exemplu intracelular), la nivele de tensiune, curent, viteze de variaţie, durate şi forme de undă foarte variate.

• Celulele vii şi în general ţesuturile se comportă diferit la stimulare electronică în funcţie de intensitatea stimulului, polaritate (pentru celulă polaritatea reprezentând stimul inhibator sau excitator, pentru ţesut depinzând de modul de aplicare a electrozilor, etc.), durata aplicării, viteza de variaţie a stimulului, frecvenţa de recepţie, starea fiziologică a ţesutului. Această ultimă dependenţă este utilizată în diagnosticare, dar şi în terapeutică pentru recuperarea funcţională.

• Pentru ca o celulă, respectiv un ţesut să se depolarizeze (excite), este necesar ca stimulul aplicat să depăşească o anumită valoare de prag, intensitate, respectiv tensiune liniară. Când stimulul electric (tensiune sau curent) utilizat este impuls dreptunghiular, liniară a impulsului de durată infinită este numită REOBAZĂ R. Caracteristica de a se depolariza un ţesut, la valorile minimale ale excitantului electric în funcţie de durata impulsului se numeşte CARACTERISTICĂ DE EXCITABILITATE si este specifică fiecărui ţesut în parte. Valoarea minimală a impulsului de curent sau tensiune variază invers proporţional cu durata impulsului (legea Weiss):

R

k = T , R* 2 = I a c i da , 1 = 1 -

R

I a ca D

) 1 -

R

I ( * R

k = T ; R+

T

k = I

i

ii

unde k, R sunt constante (parametri ţesutului) iar caracteristica de excitabilitate este normată pe ordonată în valoare de reobază.

• Durata minimă a stimulului electronic de amplitudine 2R care excită ţesutul este numită CRONAXIE sau TIMP CARACTERISTIC, Cr.

• Ţesuturile care reacţionează repede au o cronaxie mică faţă de cele ale ţesuturilor care reacţionează mai încet. Cronaxiile muşchiului neted si ale nervilor lui sunt mai mari decât acelea ale muşchilor scheletului şi ale nervilor somatici. Fibrele nervoase cu un diametru mai mare şi cu o conducere mai rapidă răspund la impulsuri de durate mai mici decât fibrele nervoase mai subţiri şi mai lente. Cronaxiile nervilor senzitivi sunt, în general, egale sau foarte apropiate de cele ale nervilor motori corespunzători. Cronaxia ţesutului de conducere cardiac este de trei ori mai mare decât a miocardului atrial şi ventricular.

• În cazul unei stimulări prelungite, potenţialul generator sau potenţialul receptor creşte iniţial pînă la un nivel de vîrf şi apoi scade, fenomen denumit adaptarea receptorilor (acesta este caracteristic pentru potenţialul de acţiune).

• Timpul minim între două impulsuri de stimulare care conduc la două răspunsuri distincte este numit TIMP CRITIC. Dacă impulsurile de stimulare sunt repetate prea rapid, fibrele nervoase, respectiv muşchii, răspund asemănător unui stimul de aceeaşi amplitudine, dar durată mai mare. Frecvenţa critică variază de la un ţesut la altul şi depinde în plus şi de temperatură, oboseală, etc.

• La stimuli prelungiţi cu viteză mică de creştere, pragul de excitabilitate al celulelor creşte. De aceea studiul comportării ţesuturilor la stimulare se efectuează cu impulsuri dreptunghiulare (curent sau tensiune) de amplitudini, durate, pante şi frecvenţe reglabile independent.

• Stimulatoarele electrice sunt generatoare de impulsuri de tensiune constantă şi / sau curent constant, reglabile în amplitudine (max.500V respectiv 100mA), în durată (50µs – 500ms) şi în frecvenţă (de la 0,1 Hz la 10kHz). Unele stimulatoare pot livra impulsuri unice (singulare) sau trenuri de impulsuri de durate şi frecvenţe reglabile.

diferite tipuri de impulsuri generate de stimulatoarele electrice şi anume:a - dreptunghiular monofazicb - dreptunghiular bifazicc - trifazicd, e , f - polifazicg - dreptunghiular în scară monofazicăh - dreptunghiular în scară polifazicăi - treaptă variabilă

• Pentru asigurarea unei stimulări corecte se impune pe de o parte alegerea parametrilor impulsurilor adecvat ţesutului vizat, iar pe de altă parte menţinerea unui raport convenabil între artefactul de excitaţie şi răspunsul propriu zis.

• Captarea impulsului de excitaţie prin electrozii de culegere determină pe traseul afişat (vizualizat sau înregistrat) o deflexie care precede răspunsul specific şi care este cunoscută sub numele de artefact de excitaţie. date fiind confuziile care pot apărea în disocierea artefactului de răspuns fie prin amplitudinea şi durata mult crescute ale acestuia faţă de răspuns, fie chiar prin mascarea răspunsului, se impun unele măsuri de precauţie atât în conceperea lanţului de stimulare cât şi în manipularea lui.

• În acest sens o cale de reducere a artefactului este folosirea în lantul de stimulare a unei unităţi de separaţie izolată faţă de masă prin impedanţe foarte mari (reducându-se la minim capacităţile parazite faţă de pământ). Unităţile de separaτie pot fi cu transformator de impulsuri, cu cuplaj în radiofrecventă, cu cuplaj optic.

Stimularea magnetică

• Stimularea magnetică transcraniană reprezintă o metodă neurofiziologică de explorare funcţională a sistemului nervos, dovedindu - şi utilitatea în diagnosticul şi urmărirea evoluţiei multor afecţiuni neurologice, dar şi ca mijloc terapeutic în unele afecţiuni psihiatrice (depresie) şi în recuperare.

• Stimularea magnetică transcraniană este utilizată și în studierea excitabilităţii circuitelor neuronale excitatorii şi inhibitorii din cortexul motor, cartografierii funcţionale („mapping") a cortexului, fenomenului de neuroplasticitate.

• Prima stimulare magnetică transcraniană a cortexului motor uman, a fost realizată de colectivul condus de Barker în 1985. Dispozitivul utilizat de către acesta este compus dintr- un condensator cu o capacitate de circa 4 kV care se descarcă, rezultând un curent electric de aproximativ 5 kA, care trece printr - o bobină din cupru generând un câmp magnetic care atinge 2 T după 0.16 msec. Când bobina este plasată la nivelul vertexului, câmpul magnetic pătrunde neatenuat de tegument şi calota craniană, inducând curenţi electrici stimulanţi în cortexul motor subiacent. Densitatea curentului la suprafaţă este mică, astfel încât metoda este nedureroasă, spre deosebire de ceea ce se întâmplă în cazul stimulării electrice.

• Stimularea creierului uman cu un curent electric a fost pentru prima dată descrisă de Bartholow in 1874. Stimularea electrică a creierului astăzi este posibilă neinvaziv folosind electrozi pe scalp. Totuşi, stimularea electrică transcraniană (TCES) este foarte dureroasă prin urmare este limitată ca utilizare. Primele experimente cu stimulare magnetică au fost conduse de d’Arsonval în 1896. El a scris fosfene şi vertigo, şi la unele persoane când pe capul subiectului a fost pusa o bobină inductoare. Mai târziu, mai mulţi oameni de ştiintă au scris despre fenomenul magnetofosfene, aceasta este o senzaţie vizuală cauzată de stimularea retinei în timpul schimbării câmpilor magnetici.

Fotostimulatoarele• Dispozitivele destinate să producă stimuli luminoşi de durate, intensităţi şi

frecvenţe reglabile se numesc fotostimulatoare. • Fotostimulatorul produce impulsuri unice sau impulsuri repetate cu

frecvenţa reglabilă într-o gamă precizată. Impulsurile de la ieşirea oscilatorului, amplificate, comandă aprinderea unei lămpi care poate fi un tub cu descărcare în vid sau cu vapori de Na, Hg (stimulare cu fecvenţă mare) ori un bec cu incandescenţă de putere mare (aprox. 500W – pentru stimuli unici).

• Fotostimulatoarele dau în general lumină albă iar pentru obţinerea luminii colorate se folosesc filtre cu diferite culori.

• Domeniul de frecvenţă utilizat în electroencefalografie este cuprins între stimuli şi stimuli repetaţi cu frecvenţe până la 40 Hz, iar în electroretinografie gama de frecvenţe ajunge până la 100 Hz. Fotostimulatoarele sunt prevăzute cu posibilităţi de sincronizare externă de la un oscilator care declanşează, odată cu fotostimulul, un baleaj osciloscopic.

Fonostimulatoare

• Dispozitivele destinate să producă stimuli acustici de nivel şi frecvenţă reglabile se numesc fonostimulatoare. Fonostimulatorul cuprinde un oscilator care produce semnale de audiofrecvenţă care sunt aplicate unui amplificator de putere, cu nivel reglabil, cu 1 sau 2 canale, la ieşirea căruia este conectat traductorul electroacustic (difuzor sau cască). Stimularea acustică oate fi făcută pe rând fiecărei urechi sau simultan ambelor urechi.