Catalogo dei Corsi di studio

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE. Il corso si prefigge lo scopo di fare acquisire allo studente le conoscenze necessarie all’esecuzione di misure elettriche ed elettroniche, con particolare attenzione alle misurazioni di potenziale interesse nel campo biomedico. Particolare enfasi viene posta sulle misure per il test di apparati elettronici e sulle misure di grandezze elettriche fisiologiche. Vengono illustrate le tecniche di misura innovative basate su spettroscopia di impedenza.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE. La parte di teoria è completata da una serie di esperienze di laboratorio in cui lo studente può mettere in pratica i concetti teorici appresi e acquisire le competenze multidisciplinari per la realizzazione di semplici apparati elettromedicali e per l’esecuzione delle misure fondamentali per un ingegnere biomedico. Inoltre, vengono applicati i fondamenti per la programmazione e gestione della strumentazione virtuale, fino allo sviluppo di interfacce utente per l’elaborazione e la presentazione di segnali fisiologici.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO. Le attività di laboratorio, parte integrante del corso e oggetto di verifica tramite apposita prova pratica, hanno, tra gli altri, l'obiettivo di sviluppare l'autonomia del candidato e di abituarlo a risolvere le problematiche che si presentano in contesti sperimentali realistici.
ABILITÀ COMUNICATIVE. La maggior parte delle attività sperimentali in laboratorio prevedono lavori di gruppo che sviluppano le abilità comunicative e di interazione. La parte orale della verifica in sede di esame sviluppa le capacità di comunicare conoscenze. Inoltre, agli studenti è richiesta la redazione di una relazione tecnica scritta relativa allo sviluppo di un sistema di interesse dell'ingegneria biomedica.
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO. Come conseguenza dell'impostazione didattica del corso, lo studente è in grado di acquisire autonomamente nuove conoscenze di carattere tecnico relative agli argomenti tema del corso stesso, anche grazie alla necessità di risolvere i problemi incontrati durante le attività sperimentali. Il materiale didattico, spesso tratto da manuali in lingua inglese e con rimandi in letteratura, sviluppa le capacità di studio autonomo dello studente.

Programma

Richiami di metrologia (4 ore): errori e incertezza di misura; valutazione di categoria A e B dell'incertezza tipo; propagazione dell'incertezza di misura per misure indirette; incertezza composta ed estesa; presentazione dei risultati; modello dell'errore nel processo di misura digitale.
Richiami di elettronica (5 ore): amplificatori operazionali; amplificatori per strumentazione; oscillatori sinusoidali; filtri attivi; divisori di alimentazione.
Sistemi automatici di misura (1 ora): generalità sui sistemi automatici di misura (ATE); strumentazione "stand alone", "da sistema" e schede DAQ; architetture dei sistemi ATE; principali standard di interfacciamento per sistemi ATE; software per la programmazione di un sistema ATE; il software LabVIEW; propagazione dell'incertezza di misura tramite metodo "Monte Carlo".
Misura di impedenze elettriche (3 ore): impedenza e ammettenza; modelli equivalenti di bipoli passivi; impedenzimetro numerico (LCR meter); ponti di misura (accenni); metodi I-V e del ponte auto-bilanciante; incertezza di misura.
Misura di bio-impedenze (9 ore): modello dell'impedenza del corpo umano vista tra due elettrodi; modello degli elettrodi; applicazioni biomediche delle misure di bio-impedenza; pletismografia di impedenza elettrica; normativa sulle correnti iniettabili nel paziente; applicazione della pletismografia di impedenza per il monitoraggio dell'attività respiratoria; possibili schemi pratici per la realizzazione di un pletismografo di impedenza elettrica.
Misura di segnali elettrici (8 ore): richiami su conversione analogico-digitale, campionamento, frequenza di Nyquist, ricostruzione del segnale, effetti del troncamento; richiami su quantizzazione e codifica; oscilloscopio digitale, caratteristiche e principio di funzionamento; struttura dell'oscilloscopio digitale; blocco di ingresso; sonde compensate; circuito sample and hold e convertitore analogico-digitale; memoria video e memoria dati, tempo di campionamento equivalente; circuito di trigger; modalità di campionamento e problematiche relative, interpolazione; accuratezza verticale e temporale di un oscilloscopio digitale; analisi in frequenza dei segnali; generalità su DFT e FFT; problemi di leakage e finestratura; analizzatore di spettro digitale, schema di principio; specifiche di un analizzatore di spettro, range di frequenza, risoluzione spettrale, distorsione armonica, range dinamico, incertezza.
Misura di bio-potenziali (3 ore): segnali elettrici biologici; segnale associato all’attività cardiaca (ECG); possibili schemi pratici per la realizzazione di un dispositivo per la registrazione del segnale ECG.
ESERCITAZIONI (30 ore)
Misure con multimetro digitale: caratteristiche di un multimetro digitale; misure effettuabili e incertezza di misura; misure di tensione continua; misure di corrente continua; misure di resistenza.
Misure con oscilloscopio digitale: caratteristiche dell'oscilloscopio digitale; specifiche di incertezza sull'asse verticale e sulla base tempi; misure elementari sull'asse delle ampiezze; valori efficaci di tensioni sinusoidali e in onda quadra; misure elementari sulla base tempi; frequenza di un'onda sinusoidale, duty cycle di un'onda quadra; caratterizzazione di semplice filtro attivo del primo ordine; misura della risposta in frequenza in modulo e fase a una frequenza, tempo di salita della risposta al gradino; misure su filtri attivi del secondo ordine; risposte di tipo sovra-smorzato e sotto-smorzato; caratterizzazione di un amplificatore da strumentazione; realizzazione di un impedenzimetro basato sul metodo I-V;
analisi spettrale di segnali mediante operazione di FFT.
Sviluppo di strumenti virtuali in ambiente LabVIEW: introduzione a LabVIEW; utilizzo della scheda DAQ per acquisire segnali tramite LabVIEW; sviluppo di uno strumento virtuale per la misurazione della frequenza di tensioni alternate e per la visualizzazione dello spettro; sviluppo di uno strumento virtuale per la valutazione dell'incertezza di misura tramite approccio Monte Carlo.
Sviluppo di un pletismografo di impedenza elettrica: realizzazione su scheda di prototipazione di un circuito a ponte per la rilevazione delle variazioni di impedenza trans-toracica; sviluppo di uno strumento virtuale per l'acquisizione ed elaborazione del tracciato impedenziometrico.
Sviluppo di un circuito per la rilevazione del segnale ECG: realizzazione su scheda di prototipazione di un circuito con amplificatore strumentale per la rilevazione del segnale ECG; sviluppo di uno strumento virtuale per l'acquisizione ed elaborazione del tracciato ECG.
o di uno strumento virtuale per l'acquisizione ed elaborazione del tracciato ECG.

Testi adottati

Dispense del docente
Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM), International vocabulary of metrology - Basic and general concepts and associated terms
Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM), Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement
Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM), Evaluation of measurement data - Supplement 1 to the "Guide to the expression of uncertainty in measurement" - Propagation of distributions using a Monte Carlo method
Agilent Technologies, Impedance measurement handbook
Carlo Offelli e Dario Petri, Lezioni di strumentazione elettronica
Umberto Pisani, Misure elettroniche
Joseph D. Bronzino, The biomedical engineering handbook, CRC Press
John G. Webster, Medical instrumentation: application and design
John G. Webster, Electrical impedance tomography

Prerequisiti

Indispensabile la conoscenza dei circuiti elettronici basati su amplificatore operazionale, importanti i fondamenti di teoria delle misure, utile la conoscenza della teoria della probabilità e delle variabili aleatorie e dei principi di programmazione.

Modalità di svolgimento

Lezioni ed esercitazioni

Modalità di frequenza

La frequenza durante le esercitazioni di laboratorio è fortemente consigliata. Alla fine del corso andrà svolto un lavoro di gruppo in laboratorio.

Modalità di valutazione

L'esame consiste di tre parti:
- sviluppo di un semplice strumento biomedicale, che verrà progressivamente realizzato e sottoposto a test, suddiviso in blocchi funzionali, durante le esercitazioni del corso;
- prova pratica di esame, in cui lo studente dovrà redigere una relazione su una misurazione effettuata utilizzando le procedure e gli strumenti illustrati e impiegati durante le esercitazioni del corso;
- domanda teorica di esame, riguardante uno degli argomenti trattati durante il corso.

Data inizio prenotazione	Data fine prenotazione	Data appello
03/01/2022	07/01/2023	11/01/2023
01/01/2023	06/02/2023	10/02/2023
01/02/2023	01/03/2023	06/03/2023
01/05/2023	31/05/2023	05/06/2023
01/06/2023	28/06/2023	04/07/2023
01/07/2023	30/08/2023	05/09/2023
22/09/2023	08/10/2023	11/10/2023
01/12/2023	11/01/2024	12/01/2024