ELETTRONICA E ELABORAZIONE SEGNALI BIOMEDICI

Attività formativa monodisciplinare
Codice dell'attività formativa: 
95016

Scheda dell'insegnamento

Per studenti immatricolati al 1° anno a.a.: 
2017/2018
Insegnamento (nome in italiano): 
ELETTRONICA E ELABORAZIONE SEGNALI BIOMEDICI
Tipo di insegnamento: 
Obbligatoria
Anno di corso: 
2
Anno accademico di offerta: 
2018/2019
Crediti: 
6
Responsabile della didattica: 
Altri docenti: 

Altre informazioni sull'insegnamento

Modalità di erogazione: 
Didattica Convenzionale
Lingua: 
Italiano
Ciclo: 
Primo Semestre
Obbligo di frequenza: 
No
Ore di attività frontale: 
48
Materiali didattici: 
Prerequisiti

Conoscenze di analisi matematica e fisica.

Obiettivi formativi

Il corso presenta una rassegna sui rapidi sviluppi e l'enorme potenziale
dell'elettronica e dei sensori nella cura della salute. Viene offerta una vasta panoramica sull'elettronica analogica e digitale, con particolare attenzione ai sistemi di misura di parametri biomedicali. L'obiettivo è rendere gli studenti familiari con dispositivi e tecniche ampiamente utilizzati nella strumentazione elettronica per applicazioni biomedicali.

Contenuti dell'insegnamento

1. Introduzione.
Evoluzione delle tecnologie microelettroniche. Legge di Moore. Impatto della microelettronica nel settore biomedicale e nel monitoraggio dei pazienti.

2. Segnali biomedici.
Catena elettronica di acquisizione e controllo. Richiami di fisica (tensione, corrente, carica elettrica). Segnali analogici e digitali di corrente e di tensione. Origine dei segnali biomedici.

3. Strumenti matematici.
Segnali nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Analisi di Fourier. Spettro in frequenza. Metodo delle variabili complesse. Impedenze complesse. Filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda. Diagrammi di Bode. Analisi della risposta al gradino.

4. Sensori.
Classificazione dei sensori, caratteristiche statiche e dinamiche. Sensori fisici: misure di temperatura, posizione, velocità, spostamento. Accelerometri. Sensori e sistemi elettronici per ECG.

5. Amplificatori e filtri.
Amplificatore operazionale ideale. Reazione negativa. Amplificatore invertente e non invertente. Amplificatori differenziali. Amplificatore per strumentazione. Integratore (puro e approssimato). Differenziatore. Filtro passa-banda.

6. Elettronica digitale.
Famiglie logiche. Margini di rumore, ritardo di propagazione, dissipazione di potenza. Porte OR, AND, NOT, NAND, NOR, Exclusive OR. Teorema di De Morgan. Circuiti combinatori e sequenziali. Flip-flop. Contatori sincroni e asincroni. Misure di frequenza, periodo, intervalli di tempo.

7. Convertitori analogico-digitali.
Conversione analogico digitale. Campionamento e quantizzazione. Risoluzione ed errore di aliasing. DAC. Flash ADC.

8. Applicazioni biomedicali dei sistemi elettronici.
Sistemi per il monitoraggio dei movimenti di pazienti affetti da di malattie del sistema nervoso centrale. Sensori indossabili wireless. Microcontrollori. Sensori MEMS. Sensori inerziali. Elaborazione e analisi dei segnali. DFT e FFT. Filtri digitali.

Testi di riferimento

- R. B. Northrop: "Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Applications", CRC Press (2004)

- J.G. Webster (editor): "Medical instrumentation : application and design", 3rd edition, Wiley (1998)

Metodi didattici

Lezioni frontali.

Modalità verifica profitto e valutazione

Prova scritta al termine del corso. L'esame richiede la risoluzione di un problema relativi all'analisi di circuiti elettronici, e la risposta a cinque domande sugli argomenti svolti durante il corso.

Altre informazioni

Il materiale del corso è disponibile nel sistema ilias4 dell'Università di Bergamo.

Prerequisites

Background knowledge about calculus and physics.

Educational goals

The course provides an overview on the rapid developments and
enormous potential of electronics and sensors in healthcare. The course provides a broad survey of analog and digital electronics, with particular focus on the issues relevant to measurement systems for biomedical parameters. The aim is to familiarise students with the devices and techniques commonly used in electronic instrumentation for biomedical applications.

Course content

1. Introduction.
Evolution of microelectronic technologies. Moore’s Law. Impact of microelectronics in the biomedical field and in the monitoring of patients.

2. Biomedical signals.
Electronic systems for signal processing and acquisition. Basic concepts of electromagnetism (voltage, current, electric charge). Analog and digital current and voltage signals. Origin of biomedical signals.

3. Mathematical tools.
Signals in the time domain and in the frequency domain. Fourier analysis. Frequency spectrum. Methods of complex variables. Complex impedances. Low-pass, band-pass, high-pass filters. Bode diagrams. Filter response to a step signal.

4. Sensors.
Static and dynamic parameters. Physical sensors: measurements of temperature, position, speed, motion. Accelerometers. Sensors and electronic systems for ECG.

5. Amplifiers and filters.
Ideal operational amplifier. Negative feedback. Inverting and noninverting amplifier. Differential amplifier. Instrumentation amplifier. Integrators and diferentiators. Band-pass filter.

6. Digital electronics.

Logic families. Noise margins, propagations delay, power dissipation. Logic gates: OR, AND, NOT, NAND, NOR, Exclusive OR. De Morgan’s theorem. Combinatorial and sequential circuits. Flip-flop. Synchronous and asynchronous counters. Measurements of frequency, period, time intervals.

7. Analog-to-Digital Converters.
Analog-to-digital conversion. Sampling and quantization. Resolution and aliasing error. DAC. Flash ADC.

8. Biomedical applications of microelectronic systems.
System for monitoring the gait of patients affected by central nervous systems diseases. Wireless wearable sensors. Microcontrollers. MEMS. Inertial sensors. Signal processing and analysis. DFT and FFT. Digital filters.

Textbooks and reading lists

- R. B. Northrop: "Analysis and Application of Analog Electronic Circuits to Biomedical Applications", CRC Press (2004)

- J.G. Webster (editor): "Medical instrumentation : application and design", 3rd edition, Wiley (1998)

Teaching methods

Classroom lectures.

Assessment and Evaluation

Written exam at the end of the course. The exam requires that students provide the solution to an exercise about electronic circuits, and answer five questions about the subjects discussed during the course.

Further information

The course material is available in the UniBG Ilias4 system.