La Registrazione Dei Biosegnali

Question 1

Fasi di gestione del biosegnale

Answer 1

1) raccolta segnale (elettrodi/trasduttori)
2) amplificazione e filtraggio
3) conversione analogico/digitale e salvataggio
4) Analisi 1o livello (correzione/scarto artefatti, elaborazione, riduzione dati, estrazione parametri rilevanti)
5) Analisi 2o livello (statistica)

Question 2

Corrente AC/DC

Answer 2

Corrente continua (DC) = il flusso è unidirezionale e di intensità costante. Es. batterie sono generatori in DC a bassa tensione.

Corrente alternata (AC) = il flusso varia periodicamente in ampiezza e in direzione – i poli cambiano alternativamente di segno (v. ad es. segnale sinusoidale). La corrente di rete è alternata e ad alta tensione.

Un segnale bioelettrico è complesso, contiene spesso componenti alternate e continue, ed è molto piccolo e debole.

Question 3

Segnali bioelettrici

Answer 3

EEG, ERP, EMG, ECG, EOG, EGG, SPR, HRV, TWA

Question 4

Funzione degli elettrodi (gel)

Answer 4

1) abbassare l’impedenza di contatto (minimizza il rumore raccolto dall’ambiente e quello degli amplificatori). Una impedenza ottimale deve essere sotto i 5-10 KOhm; gel fa da ponte riducendo impedenza (+aumenta superficie di conttatto)

2) diminuire gli artefatti damovimento: il gel fa da ponteche stabilizza il contatto e l’impedenza riducendo gli artefatti da movimento;

Question 5

Tensione, corrente, resistenza

Answer 5

V= forza che spinge la carica elettrica - misurata in Volt (V)
I= quantità di carica elettrica che scorre nell’unità di tempo - misurata in Ampere (A)
R= resistenza offerta al passaggio della corrente - misurata in ohm

Question 6

Legge di ohm

Answer 6

V=I x R
I= V / R
R= V / I

Question 7

Frequenza e periodo

Answer 7

Frequenza (f) = n cicli/eventi periodici nell’unità di tempo - reciproco del periodo - misurata in hertz (Hz),o cicli al secondo
f=1/T

Periodo (T) = tempo necessario per compiere 1 ciclo completo (sec o msec);
T = 1/f

Question 8

Frequenza nei segnali lenti

Answer 8

• frequenza cardiaca (HR) in Bpm
• frequenza respiratoria (RR) in cicli/min
• frequenza di ammiccamento (BR) in n eventi/min

Question 9

Configurazioni possibili amplificatore

Answer 9

-Single endend: unico ingresso, vale per amplificatori generici (audio, da strumentazione, da misura, etc. si usa per es. per i trasduttori)

-Differenziale:cdue ingressi rispetto alground. Per biosegnali deboli si usa il differenziale. Sono due amplificatori identici riferiti al ground dei quali si fa la differenza.

Question 10

Impedenza

Answer 10

Resistenza opposta da un materiale al passaggio di una corrente alternata
(segnali registrati dalla pelle del corpo umano sono segnali che contengono componenti alternate-periodiche, più o meno complesse, e non una corrente continua)

Question 11

Tipi di bioamplificatori

Answer 11

1) dedicati con guadagno fisso (EEG,ECG, EMG)

2) Universali che hanno diversiguadagni e filtri e vanno bene per tutti i segnali ( permettono, usando lo stesso amplificatore, di misurare vari indicatori fisiologici )

*L’amplificatore operazionale integrato permette di avere guadagni molto alti e rimuovere il rumore ambientale indesiderato attenuandolo fino a 100.000-300.000 volte

Question 12

Funzionamento amplificatore Differenziale

Answer 12

Segnale tra ingressi + e - (voltaggio differenziale) viene amplificato, mentre quello comune tra Gr e + e Gr e - (voltaggio comune es. Rumore di rete 50Hz comune tra i 2 fili) viene eliminato

Question 13

CMRR (Common mode rejection ratio)

Answer 13

Caratteristica fissa degli amp, corrisponde alla capacità di eliminare un segnale comune.
Non dipende da G ma da quanto i due amp + (non-invertente) e - (invertente) sono matched, ovvero identici (spazialmente e funzionalmente). Se i due ampli differiscono in alcuni dei loro elementi allora la reiezione peggiora.

Question 14

Rumore

Answer 14

qualsiasi segnale di origine conosciuta o sconosciuta che si sovrappone al processo che si vuole indagare, con insorgenza e frequenza tipicamente casuale, cioè non prevedibile. Il rumore può nascondere e coprire il segnale e saturare gli amplificatori o la scheda AD e rendere non recuperabili e/o utilizzabili le registrazioni.

Question 15

Come ridurre i diversi tipi di rumore?

Answer 15

Il rumore esogeno si riduce in fase di preparazione del partecipante, apposizione elettrodi, setting di amplificatori e filtri.

• Il rumore endogeno (quello che produce in un qualche modo l’individuo ed è molto variabile) alla misura si controlla con il disegno sperimentale (n. trials, durata, condizioni sperimentali e di controllo, n. partecipanti, scelta stimoli, etc.) e con il disegno statistico.

Question 16

Tipologie di filtri

Answer 16

Filtri analogici: circuiti situati all’ingresso o all’uscita dell’amplificatore prima della digitalizzazione per evitare la registrazione di segnali distorti; sono fissi e rigidi; Si usano in tempo reale durante la registrazione;

Filtri digitali: si applicano durante (raramente) o dopo laregistrazione del segnale digitale. Utili in fase di analisi per ridurre gli artefatti; sono filtri numerici molto flessibili. Posso usarne infiniti tipi e configurazioni, ma se il segnale è stato registrato male non si recupera l’informazione persa.

Question 17

Categorie di filtri

Answer 17

-passa-alto
-passa-basso
-stop-banda (notch)–> tolgono tutte le frequenze in un intervallo molto ristretto, cioè mi vanno a togliere un artefatto di cui conosco bene la frequenza, come il disturbo di rete.
-passa-banda –>passa alto + un passa basso: fa passare le frequenze più alte e fa passare le frequenze più basse di un certo valore (intervallo frequenze in mezzo)

Question 18

Categorie di filtri

Answer 18

-passa-alto
-passa-basso
-stop-banda (notch)–> tolgono tutte le frequenze in un intervallo molto ristretto, cioè mi vanno a togliere un artefatto di cui conosco bene la frequenza, come il disturbo di rete.
-passa-banda –>passa alto + un passa basso: fa passare le frequenze più alte e fa passare le frequenze più basse di un certo valore (intervallo frequenze in mezzo)

Question 19

caratteristiche dei filtri

Answer 19

1) pendenza (db/ottava)
2) frequenza di taglio (Hz)–> attenuazione 30% (-3db)
3) tipologia filtro (butterworth, bessel, chebuschev, ellittico)

Question 20

Costante di tempo filtri

Answer 20

Kt= 1/2pigreco *fc = 0.159/fc

Fc= 0.159/kt

Question 21

Scheda conversione A/D

Answer 21

Processo di digitalizzazione—> Trasforma un segnale continuo in un segnale digitale, ossia una sequenza di numeri dove ciò che appare continuo viene convertito sullo schermo del pc in una serie di punti discreti (ogni punto rappresenta l’ampiezza del segnale in volt)

Question 22

Risoluzione scheda A/D

Answer 22

• la risoluzione nel tempo dipende dalla frequenza di campionamento
• la risoluzione in ampiezza dipende dal guadagno dell’amplificatore e dal guadagno della scheda stessa. La risoluzione nell’ampiezza è misurata in bit. Il bit indica i livelli di ampiezza massimi (+livelli=+ fedele a forma originale). –> qual è il più piccolo segnale che posso vedere e dipende dai bit della scheda.

N livelli =2^n bit–> 8bit=256 livelli; 22bit= 4194304 livelli

Question 23

Range dinamico scheda A/D

Answer 23

segnale max in ingresso oltre cui: clipping. Per esempio può essere di +/- 5V o +/- 10V , oltre questointervallo il segnale viene distorto e tosato (artefatti, movimenti);

Se voglio aumentare al massimo la precisione della scheda devo sfruttare tutto il suo range, se amplifico poco perdo risoluzione, se amplifico troppo rischio la saturazione (clipping).

Question 24

Dimensioni fondamentali schedaA/D

Answer 24

• Ampiezza (risoluzione in bit + range dinamico in V)
• Tempo (Sampling rate in Hz)

Question 25

Risoluzione minima

Answer 25

range dinamico / n. livelli .

Es..Se il range è +/- 5 mV e la risoluzione 8 bit —>la risoluzione minima Rm= 10 mV/256= 0.039 mV = 39 uV

Question 26

Sampling rate

Answer 26

intervallo di Campionamento (o periodo) T in ms

la frequenza di campionamentosi misura in Hertz

Question 27

Frequenza di campionamento totale della scheda A/D

Answer 27

Devo dividere la frequenza di campionamento per il numero di canali, comprende tutti i canali/siti EEG

ad esempio un amplificatore EEG a 32 canali può avere indicazioni di una frequenza di campionamento totale di 64 Khz–> 64/32=2 khz x canale= 2000 hz x canale

Question 28

Come evitare l’aliasing?

Answer 28

Aliasing: comparsa di frequenze fantasma (alias) legate alla scelta di campionare un segnale fisiologico che ha frequenze alte (anche non note) con un campionamento a frequenza troppo bassa.

Fc dev’essere almeno il doppio della frequenza del segnale (cicli nell’unità di tempo). La frequenza di taglio dev’essere meno della metà di quella di campionamento.