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
Elettromiografo
anima sistemi computerizzati
“testina di acquisizione”
Elettromiografo
Controlli
(sensibilità, filtri)
Testina paziente
amplificatori
interfaccia
Conversione A/D
acquisizione
elaborazione
Acquisizione Segnale: Schema a Blocchi
Amplificazione
Campionamento
Analogico
Digitale
Quantizzazione
Decimazione
Stimolatore
Salvataggio
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 (+)
VA
VOUT
Ingresso (-)
VB
Uscita
VG
Massa
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
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
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
Analogico
Digitale
Quantizzazione
Decimazione
Stimolatore
Salvataggio
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
EMG ad Ago
0.1 – 20 mV
25600 V
0.39 V/digit
2 – 10000 Hz
32768 Hz
Continuo
VCM
0.1 – 20 mV
25600 V
0.39 V/digit
2 – 10000 Hz
32768 Hz
50 msec.
VCS
1-100 V
3200 V
48.8 nV/digit
5 – 2000 Hz
8192 Hz
50 msec.
0.5 – 10 mV
25600  V
0.39 V/digit
500 – 5000 Hz
32768 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
1600 V
24.4 nV/digit
3-2000 Hz
8192 Hz
100 msec.
PEV
5-20 V
1600 V
24.4 nV/digit
1-200 Hz
512 Hz
250 msec.
0.2 – 1 V
800 V
12.2 nV/digit
3 – 3000 Hz
16384 Hz
15 msec.
Singola Fibra
PEATC
VIN
Risoluzione
Banda
FC
Intervallo
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
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
Analogico
Digitale
Quantizzazione
Decimazione
Stimolatore
Salvataggio
Visualizzazione
Digitalizzazione: la Visualizzazione
FILTRO DIGITALE DI VISUALIZZAZIONE
s(nT1)
SERIE DI
NUMERI
INTERI
sF(nT1)
1.0
P4
P3
P2
P1
20
2000
f [Hz]
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