Elettromiografo Gli elementi che compongono un Elettromiografo sono: Amplificatore Stimolatori Computer Dispositivi di Uscita: Monitor Casse Stampante Dispositivi di Ingresso: Tastiera Mouse Pedaliera Tastierino di Controllo Accessori

anima sistemi computerizzati “testina di acquisizione” Elettromiografo anima sistemi computerizzati “testina di acquisizione”

Controlli (sensibilità, filtri) Elettromiografo Controlli (sensibilità, filtri) Testina paziente amplificatori interfaccia Conversione A/D Si distinguono amplificatori di corrente (connessi con un sistema scrivente a galvanometro) e di tensione (connessi con una rappresentazione sul monitor del segnale). elaborazione acquisizione

Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi Amplificazione Campionamento Quantizzazione Decimazione Analogico Digitale Salvataggio Stimolatore Visualizzazione

Acquisizione: l’amplificazione Gli amplificatori sono dei circuiti a transistor che amplificano il segnale bioelettrico mantenendo inalterate in uscita le caratteristiche in frequenza.

Acquisizione: l’amplificatore differenziale L’amplificatore differenziale è un dispositivo elettronico che amplifica la differenza tra i due segnali presenti ai suoi ingressi permette di eliminare componenti uguali per ampiezza e fase dei segnali di ingresso, la cui differenza algebrica è praticamente nulla

Acquisizione Segnale: Amplificazione Amplificazione (10000 Volte) della Differenza di Potenziale tra due punti mediante Amplificatore Differenziale VOUT=(VA-VG)-(VB-VG)=VA-VB Ingresso (+) Ingresso (-) Uscita Massa VA VB VOUT VG CMRR = Indice di Reiezione dei Rumori Comuni ai due Ingressi vale circa 1000000, minimo 100 dB @ 50 Hz

Acquisizione: l’amplificatore differenziale Elevato guadagno (rapporto tra segnale in ingresso e segnale in uscita) per amplificare il basso segnale di ingresso (10000 volte) CMRR (common mode rejection ratio): rapp. di reiezione di modo comune indica la capacità dell’amplificatore di reiettare/attenuare le componenti uguali dei segnali in ingresso e di amplificarne le differenze (100 dB). un alto CMRR è importante nelle applicazioni in cui l’informazione rilevante è contenuta nella differenza di potenziale tra due segnali Amplificazione (10000 Volte) della Differenza di Potenziale tra due punti mediante Amplificatore Differenziale CMRR = Indice di Reiezione dei Rumori Comuni ai due Ingressi; vale circa 1000000, minimo 100 dB @ 50 Hz

Acquisizione: l’amplificatore differenziale Una caratteristica importante degli amplificatori differenziali è l’impedenza d’ingresso Zin (caratteristica costruttiva). Elevata impedenza di ingresso (decine di MOhm); questa impedenza molto superiore a quello dell’impedenza degli elettrodi, assicura che il segnale registrato sullo scalpo venga trasmesso praticamente senza alcuna attenuazione ai circuiti di ingresso Zs = impedenza dell’elettrodo registrante Impedenza è resistenza al passaggio di corrente Z= V/I

Acquisizione: l’amplificatore differenziale Attenzione alle impedenze! MOLTO BASSE se Zs<<Zin  Vin(-)  Vi(-) se Zs  Zin  Vin(-)  ½ Vi(-) !!! E BILANCIATE!!! se Zs1  Zs2  Vin(-)  Vi(-) Vin(-)= (Zin)100/(Zs)5+(Zin)100 x Vi(-) = 0.95 x Vi(-) Vin(-)= (Zin)50/(Zs)5+(Zin)50 x Vi(-) = 0.90 x Vi(-) Zin Vin(-)= (Zin)100/(Zs)5+(Zin)100 x Vi(-) = 0.95 x Vi(-) Vin(-)= (Zin)100/(Zs)80+(Zin)100 x Vi(-) = 0.55 x Vi(-) Zs

Il segnale prelevato dagli elettrodi, amplificato e filtrato è un SEGNALE ANALOGICO e deve essere trasformato in un sequenza finita di numeri per poter essere acquisito, visualizzato manipolato, stampato e memorizzato in un computer. L’operazione attraverso la quale avviene questo risultato è la CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D), realizzata attraverso dispositivi chiamati convertitori A/D. E’ di fondamentale importanza che questa operazione venga svolta correttamente perchè eventuali errori introdotti in questa fase non possono essere più corretti.

Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi Amplificazione Campionamento Quantizzazione Decimazione Analogico Digitale Salvataggio Stimolatore Visualizzazione

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

CONVERSIONE A/D campionamento Il tempo di campionamento (Tc), o frequenza di campionamento (Fc) determinano la risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE

campionamento segnale analogico tempo

campionamento tempo Fc

campionamento segnale analogico tempo Fc

campionamento segnale analogico tempo Fc

CONVERSIONE A/D campionamento Il tempo di campionamento (Tc), o frequenza di campionamento (Fc) determinano la risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE Più corto è il Tc o più alta è la Fc più sono i punti della traccia intercettati, più fedele è la riproduzione del segnale digitale

CONVERSIONE A/D campionamento Il teorema di Nyquist (teorema del campionamento o di Shannon) stabilisce le condizioni necessarie e sufficienti per la corretta conversione A/D di un segnale: la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza più elevata nel segnale (Frequenza di Nyquist).

CONVERSIONE A/D campionamento Quando questa condizione è rispettata la forma d’onda originale può essere ricostruita con l’accuratezza desiderata usando opportune formule di interpolazione a partire dall’informazione memorizzata in forma numerica. Al contrario se la frequenza di campionamento è troppo bassa rispetto alla frequenza massima del segnale da convertire la forma d’onda numerica risulterà distorta In particolare le frequenze superiori alla metà di quella del campionamento (Fc/2) appariranno come frequenze più basse (ALIASING). Questo errore non può essere corretto successivamente.

CONVERSIONE A/D campionamento Per evitare questa distorsione senza ricorrere ad una frequenza di campionamento molto alta rispetto alle caratteristiche del segnale (oversampling) con conseguente notevole incremento della quantità di dati da memorizzare è necessario filtrare il segnale analogico con un filtro per le alte frequenze prima di effettuare la conversione A/D. La frequenza di campionamento per il segnale EEG non dovrebbe essere inferiore a 100 Hz

Digitalizzazione EMG: Valori Tipici Tipo Segnale Ampiezza VIN Risoluzione Banda FC Intervallo EMG ad Ago 0.1 – 20 mV 25600 V 0.39 V/digit 2 – 10000 Hz 32768 Hz Continuo VCM 50 msec. VCS 1-100 V 3200 V 48.8 nV/digit 5 – 2000 Hz 8192 Hz Singola Fibra 0.5 – 10 mV 25600  V 500 – 5000 Hz 5 msec. P300 10-40 V 1600 V 24.4 nV/digit 0.16-100 Hz 256 Hz 800 msec. PES 2-10 V 3-2000 Hz 100 msec. PEV 5-20 V 1-200 Hz 512 Hz 250 msec. PEATC 0.2 – 1 V 800 V 12.2 nV/digit 3 – 3000 Hz 16384 Hz 15 msec. Calcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bit Valori ricavati da: “Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition. Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. Edited by G. DEUSCHL and A. EISEN - Elsevier

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)

CONVERSIONE A/D quantizzazione Determina la risoluzione del segnale (traccia) sull’ASSE VERTICALE L’EEG viene trasformato in una sequenza di numeri interi misurandone l’ampiezza ad intervalli di tempo equidistanti (Fc) convertendo la tensione misurata in un numero intero

CONVERSIONE A/D quantizzazione L’unità di misura è rappresentata dal numero di bit La precisione con cui vogliamo misurare un oggetto

quantizzazione Il numero di linee è espresso dai bit e si esprime come potenza di 2 (2nbit) se sono 8 linee sarà espresso come 23

Aumentando i bit si aumentano il numero di linee quantizzazione Aumentando i bit si aumentano il numero di linee

CONVERSIONE A/D quantizzazione Il numero di bit (2n) utilizzato dal convertitore A/D determina la risoluzione del segnale (traccia) sull’asse verticale Il valore minimo di ampiezza rappresentabile sullo schermo è dato dal segnale in ingresso diviso la risoluzione 3 bit corrispondono a 8 livelli (23) 16 bit corrispondono a 65.536 livelli (216)

CONVERSIONE A/D quantizzazione (n bit) I convertitori sono quindi in grado di generare numeri interi compresi tra ZERO ED UN VALORE MASSIMO che dipende dal numero di bit di risoluzione secondo la formula Valore max= 2N-1, dove N è il numero di bit Oppure TRA UN VALORE MINIMO NEGATIVO ED UNO MASSIMO sempre dipendente dal numero di bit. Ad esempio per un convertitore A/D a 12 bit l’uscita numerica può variare da 0 a 4095 (212) o da -2048 a +2047; Per un convertitore a 16 bit tra 0 e 65355 (216) o da -32768 a +32768

Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi Amplificazione Campionamento Quantizzazione Decimazione Analogico Digitale Salvataggio Stimolatore Visualizzazione

Digitalizzazione: la Visualizzazione FILTRO DIGITALE DI VISUALIZZAZIONE 2000 20 1.0 f [Hz] P4 P3 P2 P1 s(nT1) sF(nT1) SERIE DI NUMERI INTERI S1=3,0 S2=7,0 S3=3,0 S4=1,0 S5=4,0 S1=3,0 => P2 S2=7,0 => P4 S3=3,0 => P2 S4=1,0 => P1 S5=4,0 => P3 t [sec] Problemi della visualizzazione Numero Pixel in Orizzontale < Numero Campioni Segnale Numero Pixel in Verticale < Numero Livelli Segnale Utilizzare sempre la risoluzione massima della Scheda Grafica