Obiettivi Formativi

Il Corso di STRUMENTI DI LABORATORIO ED ELABORAZIONI DATI si propone di fornire agli studenti le conoscenze di base necessarie all’impiego di sistemi hardware e software di misura e all’interpretazione dei dati per applicazioni biomedicali. In un ambito multidisciplinare vengono quindi affrontate le principali tematiche volte alla comprensione del funzionamento della strumentazione di misura, l’elaborazione dei dati e la successiva applicazione in un contesto biomedicale.

Learning Goals

The course deals with instrumentation and data elaboration for biomedical applications. The final goal of the course, after acquiring the basic knowledge about hardware e software instrument systems and data analysis, is to focus student skills on the employment of measurement systems in a biomedical context.

Metodi didattici

Congruentemente con gli obiettivi formativi, il corso è articolato in 48 ore suddivise in 32 ore di Misure Elettriche ed Elettroniche e 16 ore di Bioingegneria.

Teaching Methods

In line with the learning objectives, the course organized in 48 hours of lessons divided into 32 hours of Electrical and Electronic Measurements and 16 hours of Bioengineering.

Prerequisiti

Conoscenze di base di fisica generale.

Prerequisites

Basic knowledge of Physics.

Verifiche dell'apprendimento

L'esame finale consiste in esercizi e nella discussione orale su vari argomenti trattati durante il corso.

Assessment

The final examination consists in exercises and an oral discussion on different arguments focused on the course.

Programma del Corso

Fondamenti di elettronica: Componenti di base dei circuiti elettronici: resistenze, capacità, induttanze, diodi, transistori ed amplificatori operazionali, analisi dei circuiti elettronici, caratteristica di un resistore, generatori e carichi, partitori di tensione e corrente, generatori di tensione e corrente, leggi di Kirchhoff. Diodo: caratteristica I-V, definizione di polarizzazione diretta ed inversa, modello a caduta di tensione costante, fotodiodo, diodo Zener, circuiti con diodi. Transistore: principio di funzionamento, il transistore come interruttore, il transistore come amplificatore, classificazione dei transistori: BJT e FET. Il personal computer: Componentistica hardware(microprocessore, piastra madre, scheda video), Periferiche di I/O, Sistema operativo, tool analisi dati. Software Spice: Introduzione all'uso del software di simulazione elettronica Spice, impiego del simulatore Spice per progettare e verificare il funzionamento di circuiti elettronici. Cenni su Analisi degli Errori: Grandezze fisiche e misura, errori casuali, errori sistematici, incertezza di misura, cenni di propagazione degli errori, errore assoluto, errore relativo, risoluzione, ripetibilità, sensibilità. Sistema di Misura: Concetto di trasduzione di una grandezza fisica, analisi, sintesi, misura, schema funzionale di un sistema di misura, il corpo umano come sorgente di segnali elettrici, segnali biomedici, Caratteristiche degli strumenti di misura: Risoluzione, accuratezza, sensibilità, fondoscala. Misura di grandezze elettriche: Unità di misura, analisi dimensionale, corrente, tensione, capacità, resistenza, utilizzo del multimetro digitale, specifiche su indicatori digitali, codice dei colori dei resistori. Trasduzione e trattamento del segnale: Elettrodi per applicazioni biomedicali, elettrodi di superficie, elettrodi interni, elettrodo non polarizzato (Ag-AgCl), concetto di rapporto segnale/rumore, conversione analogico digitale, risoluzione di un convertitore A/D, Risposte di filtri passa basso, filtri passa alto, filtri passa banda, filtri escludi banda, filtri notch. Schemi circuitali: Schema di funzionamento di una cella elettrochimica, potenziale di semicella (half-cell potential), modello circuitale del sistema elettrodo-cute. Sensori e trasduttori: trasduttori attivi e passivi, sensori attivi e passivi, caratteristiche, dinamica, parametri fondamentali dei sensori, sensori resistivi: termoresistente, termistori ed estensimetri, sensori reattivi, sensori ottici, sensori per applicazioni biomedicali. Sistemi di analisi: Segnali EEG, posizionamento elettrodi, registrazione, schema di un elettroencefalografo digitale.

Course Syllabus

Fundamentals of Electronics: Basic components of electronic circuits: resistors, capacitors, inductors, diodes, transistors, and operational amplifiers, analysis of electronic circuits, characteristic of a resistor, sources and loads, voltage and current dividers, voltage and current sources, Kirchhoff’s laws. Diode: I-V characteristic, definition of forward and reverse bias characteristics, constant voltage drop model, photodiode, Zener diode, circuits with diodes. Transistor: principle of operation, transistor as a switch, transistor as an amplifier, classification of transistors: BJT and FET. Personal computer: Hardware components (microprocessor, Motherboard, Graphic card), I/O peripherals, Operating System, software tools for data analysis). Software Spice: Introduction to the use of Spice software for electronic simulation, use of Spice for designing and analysis of electronic circuits. Basic concepts of error analysis: Physical quantities and measurement, random errors, systematic errors, measurement uncertainty, basic concepts of error propagation, absolute error, relative error, resolution, repeatability, sensitivity. Measurement system: Concept of transduction of a physical quantity, analysis, synthesis, measurement, Operating diagram of a measurement system, human body as a source of electrical signals, biomedical signals, Characteristics of the measurement instruments: Resolution, accuracy, sensitivity, full scale. Measurement of electrical quantities: Unit of measurement, dimensional analysis, current, voltage, capacitance, resistance, use of a digital multimeter, specification for digital indicators, resistor color code. Signal transduction and processing: Electrodes for biomedical applications, surface electrodes, internal electrodes, unbiased electrode (Ag-AgCl), concept of signal-to-noise ratio, analog-to-digital conversion, resolution of a converter A/D, responses of low pass filters, high pass filters, band pass filters, stop band filters, notch filters. Circuit schemes: Operating diagram of an electrochemical cell, half-cell potential, circuit model for the skin-electrode interface. Sensors and transducers: Active and passive transducers, active and passive sensors, characteristics, dynamic, fundamental parameter of a sensor, resistive sensors: resistance temperature detectors, thermistors, and extensometers, reactive sensors, optical sensors, sensors for biomedical applications. Systems of analysis: EEG signals, electrode positioning, registration, scheme of a digital electroencephalograph.