Sensori e loro principio di funzionamento Trasduttore: dispositivo che converte una forma di energia in un’altra Sensore: converte un parametro fisico in una grandezza elettrica Attuatore: converte un segnale elettrico in una grandezza fisica

Sensori di spostamento Misurano le variazioni delle dimensioni, forma e posizione degli organi e dei tessuti del corpo. Misure dirette: Variazioni nel diametro dei vasi sanguigni, del volume e forma delle camere cardiache, del volume dei muscoli o della casssa toracica Misure indirette: Misurano il movimento dei liquidi attraverso le valvole del cuore (movimento del diaframma di un microfono che rivela indirettamente il movimento del cuore e i rumorii del cuore) Tipi di sensori: Resistivo Capacitivo Piezoelettrico

Sensori resistivi Strain gauge Sensori di spostamento Sensori resistivi Strain gauge Basati sulla variazione di resistenza di un filo dovuta a variazioni nel diametro, lunghezza e resistività. La resistenza di un filo può essere espressa in funzione della lunghezza L (m), della resistività r (Wm), area A (m2) secondo la legge:

Strain gauge D diametro Fattore di Gauge, G: Sensori di spostamento Strain gauge Le variazioni di L ed A sono legate dal rapporto di Poisson m secondo la relazione: D diametro Effetto dimensionale Effetto piezoresistivo Fattore di Gauge, G:

Strain gauge METALLI SEMICONDUTTORI Predomina effetto geometrico Sensori di spostamento Strain gauge METALLI SEMICONDUTTORI Predomina effetto geometrico Predomina effetto piezoresistivo G ~ 2 G ~ 100 Altri parametri di interesse: coefficiente di temperatura della resistenza: coefficiente di temperatura di G: Semiconduttori: variazione resistività con la temperatura compensazione

Resistance-wire type. (b) Foil type. Sensori di spostamento Strain gauge metallici semplici Resistance-wire type. (b) Foil type. Compensazione in temperatura: dummy gauge non sottoposto a strain o struttura particolare!

Circuiti a ponte di Wheatstone Sensori di spostamento Circuiti a ponte di Wheatstone c b d a R4 D uo ui R3 R2 Ry Ri Rx R1 Se R1/R2=R4/R3 ponte bilanciato Dv0=0 La resistenza Ry and il potenziometro Rx sono usati per bilanciare inizialmente il ponte. vi è la tensione applicata e Dv0 è la tensione d’uscita su un voltmetro con resistenza interna Ri. Coefficiente di espansione termico substrato-strain gauge!

Strain gauge a semiconduttore Sensori di spostamento Strain gauge a semiconduttore Uniformemente drogato Semiconduttore di tipo p diffuso

Sensore integrato di pressione Sensori di spostamento Sensore integrato di pressione Gel Clear plastic 4 cm Saline Flush valve IV tubing Electrical cable Silicon chip To patient

Strain gauge a semiconduttore Sensori di spostamento Strain gauge a semiconduttore M momento =Fb y=h/2 I momento di inerzia=Wh3/12

Sensore integrato di forza per la misura della pressione oculare Sensori di spostamento Sensore integrato di forza per la misura della pressione oculare

Sensori di spostamento Strain gauge elastici Utilizzati nelle misure delle dimensioni cardiovascolari, pletismografiche Consistono di un tubo di gomma (0.5-2 mm diametro, 3-25 cm di lunghezza) riempito con mercurio o con pasta conduttiva Bridge output for venous-occlusion plethysmography. Bridge output for arterial-pulse plethysmography.

Sensori capacitivi Capacitore a facce piane e parallele K, guadagno Sensori di spostamento Sensori capacitivi Capacitore a facce piane e parallele K, guadagno

per determinare variazioni di spostamento dinamico Sensori di spostamento Sensore capacitivo per determinare variazioni di spostamento dinamico In condizioni stazionarie: In corrispondenza di una variazione Dx: Filtro passa-alto: Molte variabili fisiologiche hanno componenti a bassa frequenza Movimento respiratorio di un paziente su un lettino Pressione tra piede e scarpa

Sensori piezoelettrici Sensori di spostamento Sensori piezoelettrici Misurano gli spostamenti fisiologici (respiro) e registrano i battiti cardiaci q = k f k costante piezoelettrica, (C/N) n variazione di tensione indotta k = 2.3 pC/N quarzo k = 140 pC/N titanato di bario

Circuito elettrico equivalente di un sensore piezoelettrico Sensori di spostamento Circuito elettrico equivalente di un sensore piezoelettrico Amplifier Cable e Crystal x Rs = sensor leakage resistance Cs = sensor capacitance Cc = cable capacitance Ca = amplifier input capacitance Ra = amplifier input resistance q = charge generator. Amplifier + iAmplifier = 0 Charge generator q = Kx Rs Cs Cc Ca uo - is ia= 0 + iR Charge generator is = dq/dt=Kdx/dt Modified equivalent circuit with current generator replacing charge generator. iC C R uo - R = Ra Rs /(Ra+ Rs ) C = Cs + Cc + Ca

C KS KS=K/C sensibilità, V/m t=RC costante di tempo Sensori di spostamento KS=K/C sensibilità, V/m t=RC costante di tempo C KS

Sensori di spostamento + FET Sensore piezoelettrico - uo C is isR isC dqs/ dt = is = K dx/dt L’amplificatore trasferisce la carica generata dal sensore piezoelettrico alla capacità di controreazione C

Sensori di spostamento Cardiologia: - fonocardiografia alla superficie del corpo e intracardiaca - suoni di Korotkoff (generati dal flusso di sangue e dalle vibrazioni dei vasi sanguigni) nelle misure di pressione del sangue - accelerazioni fisiologiche dovute al movimento umano Il primo suono di Korotkoff rivela la pressione sistolica, mentre la transizione dal muffling al silenzio indica la pressione diastolica.

Examples of Biomedical Applications of Physical Sensors TABLE 47.6 Examples of Biomedical Applications of Physical Sensors Sensor Application Signal Range Reference Liquid metal strain gauge Breathing movement 0–0.05 Limb plethysmography 0–0.02 3 Magnetic displacement sensor 0–10 mm 10 LVDT Muscle contraction 0–20 mm Uterine contraction sensor 0–5 mm 11 Load cell Electronic scale 0–440 lbs (0–200 kg) 12 Accelerometer Subject activity 0–20 m/s2 13 Miniature silicon pressure sensor Intra-arterial blood pressure 0–50 Pa (0–350 mm Hg) Urinary bladder pressure 0–10 Pa (0–70 mm Hg) Intrauterine pressure 0–15 Pa (0–100 mm Hg) 14