Sensori Biomedici: Forza, Pressione e Temperatura

Sensori e Dispositivi per Applicazioni Biomediche

• Il corso vale 6 CFU.
• Il professore è Aldo Minardo.

Programma del Corso

• Verranno esaminate le caratteristiche e i principi di funzionamento dei sensori utilizzati in strumentazione biomedicale.
• Si tratteranno sensori per misurare forza, pressione, movimento, accelerazione, temperatura, umidità, concentrazione di gas, radiazione elettromagnetica e nucleare.
• Saranno analizzati sensori piezoelettrici, piroelettrici ed elettrochimici.
• Verranno studiati i sensori a fibra ottica.
• Verrà approfondito il condizionamento dei sensori.

Testi di Riferimento

• Il testo principale è "Sensors in Biomedical Applications: Fundamentals, Technology and Applications" di Gabor Harsanyi, pubblicato da CRC Press nel 2000.
• Altri testi consigliati includono "Handbook of Modern Sensors, Physics, Designs, and Applications" di Jacob Fraden (Springer-Verlag New York, 2010), "Medical Instrumentation: application and design" di John G. Webster (Wiley&Sons, 2009), e "Sensors and signal conditioning" di Ramon Pallás-Areny e John G. Webster (Wiley&Sons, 2000).

Caratteristiche dei Sensori

• Un sensore è un trasduttore che converte una grandezza fisica (misurando) in un segnale contenente l'informazione desiderata.
• Il segnale può essere elettrico (molto comune), ottico (sempre più diffuso) o meccanico (in disuso).
• I sensori possono essere classificati in base al tipo di grandezza che misurano.
• Le grandezze misurabili includono meccaniche (posizione, spostamento, forza, accelerazione, pressione, portata, onde acustiche), termiche (temperatura, flusso termico), campi elettrici e magnetici, intensità di radiazione (elettromagnetica, nucleare), chimiche (umidità, gas, ioni), e biologiche (enzimi, DNA, antigeni, anticorpi).
• I sensori "attivi" (o generatori) non richiedono alimentazione esterna, come termocoppie, celle fotovoltaiche, microfoni ad elettrete e piezoelettrici.
• I sensori "passivi" (o a modulazione) necessitano di alimentazione esterna, come termistori e piezoresistori.

Caratteristiche Statiche e Prestazioni

• La caratteristica statica descrive la relazione tra il segnale di uscita e il misurando in condizioni di variazione lenta.
• La sensibilità (o guadagno) corrisponde alla pendenza della caratteristica statica.
• Il fondo scala (FSO, full-scale output) è l'uscita massima del sensore.
• La linearità indica quanto la caratteristica si discosta da una retta ideale, espressa in percentuale dell'FSO.
• L'errore di isteresi è la massima differenza tra le uscite per valori crescenti e decrescenti del misurando.
• Il limit of detection rappresenta il valore minimo del misurando rilevabile.
• La risoluzione è la più piccola variazione del misurando che il sensore può rilevare.
• La ripetibilità è la capacità del sensore di fornire la stessa uscita per lo stesso misurando in condizioni operative identiche.
• Il tempo di risposta è il tempo necessario all'uscita per raggiungere una certa percentuale (solitamente il 90%) del valore finale dopo una variazione improvvisa del misurando.
• La selettività è la capacità del sensore di minimizzare l'influenza di interferenze ambientali, come la temperatura.

Requisiti Ideali dei Sensori

• Buona linearità.
• Bassa isteresi.
• Basse derive termiche.
• Bassi effetti interferenziali.
• Buona intercambiabilità (possibilità di sostituire il sensore con un altro simile).
• Stabilità e affidabilità a lungo termine.

Requisiti Speciali dei Sensori Biomedicali

• I requisiti speciali includono il range di misura e i tempi di risposta.
• In molti casi, i valori del misurando sono piccoli, come tensioni in µV o pressioni in kPa.
• Le frequenze sono generalmente basse, rientrando spesso nella banda audio.
• Le variabili corporee sono raramente deterministiche e possono variare nel tempo nonostante il controllo di fattori esterni.
• I sistemi fisiologici sono interconnessi da meccanismi di autoregolazione, rendendo difficile isolare l'effetto di una singola variabile; spesso sono necessari sensori multiparametrici.
• Per applicazioni invasive, i sensori devono essere economici e monouso per evitare problemi di sterilizzazione e infezioni.
• La miniaturizzazione e la biocompatibilità sono essenziali.
• I sensori a contatto con sangue o tessuti devono essere resistenti ad ambienti chimicamente aggressivi.

Esempi di Parametri e Tecniche di Misura in Biomedica

• Pressione vescicale: range di 0-100 cmH2O, frequenza DC-10 Hz, metodo con strain gauge (1 cmH2O ≈ 98Pa).
• Flusso sanguigno: range di 1-300 ml/s, frequenza DC-20 Hz, metodo con ecografia Doppler.
• Pressione sanguigna non invasiva: range di 25-400 mmHg, frequenza DC-60 Hz, metodo con sfigmomanometro + stetoscopio (1 mmHg ≈ 133Pa).
• Pressione sanguigna invasiva: range di 10-400 mmHg, frequenza DC-50 Hz, metodo con strain gauge.
• pO2 nel sangue: range di 30-100 mmHg, frequenza DC-2 Hz, metodo elettrochimico.
• pCO2 nel sangue: range di 40-100 mmHg, frequenza DC-2 Hz, metodo elettrochimico.
• pH nel sangue: range di 6.8-7.8, frequenza DC-2 Hz, metodo elettrochimico.
• Parametri e tecniche di misura in biomedica (Segue):
• Elettrocardiografia: range di 0.5-4 mV, frequenza 0.01-250 Hz, metodo con elettrodi di superficie.
• Elettroencefalografia: range di 5-300 μV, frequenza DC-150 Hz, metodo con elettrodi di superficie.
• Elettromiografia: range di 0.1-5 mV, frequenza DC-10,000 Hz, metodo con elettrodi ad ago.
• Elettro-oculogramma: range di 50-3500 μV, frequenza DC-50 Hz, metodo con elettrodi a contatto.
• Frequenza respiratoria: range di 2-50 respiri/min, frequenza 0.1-10 Hz, metodo con strain gauge, impedenza, termistore nasale.
• Temperatura corporea: range di 32-40 °C, frequenza DC-0.1 Hz, metodo con termistore, termocoppia.