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Bioingegneria

Sensori indossabili e biopotenziali

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Il movimento dell’essere umano è oggetto di interesse in campo sportivo, in campo clinico e nel campo della ricerca. Il motivo di tale interesse risiede nel desiderio di aumento di performance per lo sportivo, di diagnosi e cura delle patologie per il campo clinico e di studio e ricerca per il campo della scienza.

1.1         I sensori indossabili e non indossabili

Esistono differenti soluzioni in campo tecnologico per lo studio dell’essere umano in movimento e tali strumentazioni possono essere utilizzate in modo indossabile oppure no, a seconda del tipo di tecnologia e del suo utilizzo.

In campo biomedico si intendono sensori indossabili tutti quei sensori che devono essere indossati affinché venga esplicata la loro funzionalità biomedica durante il movimento, anche se tali dispositivi potrebbero funzionare indipendentemente dall’essere indossati o no. Si provi per esempio a pensare ai sensori adibiti alla rilevazione delle accelerazioni lineari, essi funzionano a prescindere dal loro utilizzo biomedico. Tali sensori rilevano le accelerazioni lineari per il solo fatto di essere alimentati da una tensione (quando rientrano nella categoria dei sensori elettronici).

Il fatto che i sensori rilevino delle grandezze fisiche non implica che tali grandezze fisiche siano di interesse biomedico. In effetti le grandezze fisiche, in ambito biomedico, non sono di interesse fino a quando non hanno una spendibilità analitica nel contesto biomedico di interesse.

Quindi se si vuole effettuare per esempio un’analisi di movimento con sensori indossabili questi ultimi devono produrre segnali che abbiano una spendibilità analitica nel contesto del movimento e tali segnali vengono prodotti solo se i sensori vengono appunto indossati.

Di seguito viene mostrato un esempio di set di sensori inerziali indossabili per l’analisi di movimento degli arti inferiori.

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Figura 1 Posizionamento di sensori inerziali in uno studio del movimento umano [1]

1.2         I biopotenziali elettrici

I biopotenziali elettrici sono innanzitutto potenziali elettrici, mentre prendono il prefisso di “bio-” perché sono potenziali elettrici provenienti dall’essere umano. In qualità di potenziali elettrici si presentano come funzioni della tensione nel tempo. La grandezza fisica presente nell’asse delle ordinate di tali funzioni è la tensione o potenziale elettrico, la grandezza fisica presente nell’asse delle ascisse è il tempo.

Esistono diversi biopotenziali elettrici di interesse in campo biomedico, l’elettrocardiogramma per esempio è uno di questi. L’elettrocardiogramma è un grafico (“-gramma”) che rappresenta l’attività elettrica (“elettro-“) del cuore (“-cardio-“) e tipicamente viene nominata, nella sua forma contratta, ECG (che sono le lettere significative dei tre elementi costituenti la parola: “Elettro-”, “-Cardio-”, ”-Gramma”). Altri due tipi di biopotenziali elettrici di largo interesse sono quelli provenienti dal cervello, i quali vengono letti tramite Elettroencefalogramma (EEG), e dai muscoli, i quali vengono letti tramite Elettromiografia (EMG). Esistono poi diversi altri biopotenziali di interesse, quali per esempio elettroretinogramma (ERG), elettroneurogramma (ENG), elettrooculogramma(EOG) etc., che dipendono tutti dal principale ambito di interesse dello specialista e dalla sua fantasia.

1.2.1        Breve sempio con ECG

Un esempio di ECG è rappresentato in Figura 2 [2]. Come si può notare i segnali sono multipli e derivano da uno o più elettrodi (tipologia di sensori che verranno discussi in seguito) posti sulla pelle del soggetto che viene esaminato. Il singolo segnale si presenta come una funzione. Tale funzione, come detto in generale per i biopotenziali, correla due grandezze fisiche. La grandezza fisica presente nell’asse delle ordinate di tali funzioni è la tensione o potenziale elettrico, la grandezza fisica presente nell’asse delle ascisse è il tempo.

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Figura 2. Esempio di ECG [2]. A ogni simbolo corrisponde una derivazione o canale.
Nei segnali ECG l’unità di misura dell’asse delle ordinate è il mV (millesimo di Volt) ed è scaglionata dai quadrettini di una carta millimetrata. Ogni millimetro sulle ordinate corrisponde alla decima parte di un millesimo di Volt, ovvero 0.1mV. Ogni millimetro sulle ascisse corrisponde a 40 millesimi di secondo, ovvero 40ms.

Di Andrea

PhD student | Biomedical Engineer | Telemedicine | Telerehabilitation | Investor