Principi di Misure Biomediche

• Una prima problematica riguarda la variabilità inter-individuale e intra-individuale. Generalmente per ridurre questa variabilità intrinseca nei dati, di fatto questi dati una volta che vengono acquisiti, sono sottoposti a delle elaborazioni statistiche per esempio e nello stesso tempo chi colleziona questi dati fa delle osservazioni tenendo in considerazione questo fattore che comunque è eliminabile.
• Altri problemi possono essere legati al fatto che, dal momento che dobbiamo misurare delle grandezze generate dall’organismo, la misura deve essere innanzi tutto condotta in condizioni di sicurezza e a tal proposito esistono tecniche non invasive e tecniche minimante invasive.
• In alcuni casi può essere difficile accedere direttamente al misurando e infatti abbiamo parlato di misure dirette e indirette cioè si cerca in qualche modo, nel caso in cui non si riesca a misurare direttamente la grandezza di interesse, si cercano di sviluppare delle tecniche e dei metodi che basandosi sulla misura di altre grandezze, riescano in qualche modo a trovare una correlazione tra la grandezza che si riesce a misurare e quella di interesse.
• Un ultimo aspetto che caratterizza le misure biomediche è rappresentato dalle problematiche di rumore. Nel settore biomedico, più che in altri ambiti, il rumore è un problema abbastanza serio.

Per rumore si intende qualsiasi segnale che può anche essere generato dall’organismo umano, dall’organismo sotto esame, che però per noi rappresenta un disturbo. Nell’ambito medico, le problematiche di rumore sono particolarmente accentuate, perché generalmente l’ampiezza dei segnali è molto bassa rispetto ai range di misura della strumentazione.

Ad esempio, facciamo riferimento ai biopotenziali elettrici, perché la strumentazione che utilizziamo è di tipo elettronico e questa strumentazione lavora con segnali di tensione che sono nell’ordine dei volt. I bio-potenziali elettrici sono, invece, nell’ordine di microvolt o millivolt, quindi la strumentazione pensa che sta acquisendo rumore e non segnale utile, non riesce a percepire delle variazioni così piccole.

Pertanto si rende necessario che tra il dispositivo di misura e il nostro PC per l’elaborazione, venga inserito uno strumento apposito che vada a manipolare il segnale proveniente dal dispositivo di misura in modo da rendere compatibile il segnale che stiamo acquisendo con le specifiche della strumentazione a valle. Questi blocchi sono necessari almeno x cercare di attenuare l’effetto del rumore che si può accompagnare al segnare che sto misurando.

Generalmente in ambito biomedico si parla si di rumore, ma anche di artefatti e si fa una distinzione tra artefatti fisiologici e artefatti non fisiologici.

• Per artefatti fisiologici si intendono tutti quei segali non utili nella misura che io sto effettuando che sono generati dall’organismo vivente. Ad esempio, se voglio effettuare la misurazione di un segnale elettroencefalografico quello che succede è che l’elettrodo non acquisisce solo il potenziale elettrico celebrale di interesse generato in quella zona in cui è posizionato l’elettrodo, ma può succedere che a questo potenziale, a questo segnale utile si può sommare un artefatto di tipo oculare. Questo è un esempio di artefatto fisiologico. Quindi sono segnali che il nostro corpo inevitabilmente genera e che possono accoppiarsi al segnale che invece vogliamo misurare.

• Accanto agli artefatti di tipo fisiologico vi sono gli artefatti che vengono detti non fisiologici e che includono tutti quei disturbi, quelle interferenze, quei rumori che provengono dall’esterno e possono essere generati:

• da problemi che si hanno durante la misura; per esempio nel caso dell’EEG se si sposta l’elettrodo questo genere degli artefatti, dei disturbi, quindi altera la qualità del segnale, possono provenire dalla stessa strumentazione elettronica che di fatto non è una strumentazione ideale.
• Dalla stessa strumentazione elettronica che di fatto non è una strumentazione ideale ma può generare rumore che si somma al segnale utile e questo è particolarmente critico nelle misure biomediche, perché il rumore della strumentazione elettronica ha un’ampiezza nell’ordine dei microvolt così come i segnali che stiamo studiando; quindi di fatto potrebbero nascondere completamente il segnale che vogliamo acquisire.
• O ancora possiamo avere delle interferenze, ad esempio le interferenze elettromagnetiche provenienti da altri dispositivi che suono nel luogo in cui si effettua la misura.

Tutte queste tipologie di disturbi vengono indicati come artefatti non fisiologici.

Per capire se abbiamo effettuato una buona misura, una buona acquisizione del segnale esiste una figura di merito che è il rapporto segnale-rumore (S/N, signal to noise ratio), che è un rapporto dove:

• al numeratore viene indicata la potenza del segnale
• al denominatore viene indicata la potenza del rumore, laddove noi sappiamo qual è il rumore che ha contaminato quel segnale.

Maggiore è questo rapporto migliore è l’acquisizione che abbiamo effettuato. In generale bisogna fare in modo che questo rapporto sia il più altro possibile.

Per ridurre sia gli artefatti fisiologici che gli artefatti non fisiologici vengono adottate diverse tecniche che dipendono innanzi tutto dalla grandezza che stiamo misurando. Ad esempio, gli accorgimenti utili per ridurre i rumori che vengono adottati nei bio-potenziali elettrici di fatto sono diversi se effettuiamo un altro tipo di misura.

Si può intervenire nell’ambito della stessa operazione di misura adottando tutta una serie di accorgimenti durante la misura per minimizzare questi disturbi. Inoltre vengono adottati anche altre soluzioni nell’ambito della stessa strumentazione; nel momento in cui si progetta un dispositivo, uno strumento di misura biomedica, il progetto di questi strumenti tiene conto di questi disturbi e pertanto vengono adottate specifiche soluzioni per cercare di ridurre i rumori che si accoppiano al segnale utile.

Quindi ci sono soluzioni ed accorgimenti che si devono adottare proprio nel momento in cui si effettua la misura, ad esempio nell’elettroencefalografia gli elettrodi vengono montati in un determinato modo proprio per ridurre una serie di disturbi. Vi sono poi altre soluzioni insite nello strumento di misura per ridurre questi disturbi.

Infine laddove è sempre presente una quantità di rumore che rimane anche dopo l’acquisizione, si interviene in fase di elaborazione dei segnali: cioè una volta che io ho misurato i segnali con un dispositivo di misura, li ho acquisiti e in parte manipolati, quando li trasmetto al pc per l’elaborazione, si può intervenire con degli algoritmi numerici per cercare di ridurre la variabilità dei dati dovuta a problemi di rumore nella misura.

Quindi ci sono diversi livelli su cui si può intervenire per cercare di fare in modo che questi disturbi, queste interferenze vengano attenuate il più possibile.Questo per facilitare la comprensione, per fare in modo che i segnali acquisiti siano caratterizzati da un rapporto segnale-rumore più elevato, perché se così non fosse vuol dire che ho acquisito informazioni sbagliate.

Infatti andando a visualizzare dei segnali piuttosto che ad analizzarli, se questi segnali sono particolarmente affetti da rumore, io non sto estraendo informazioni utili sulla sorgente, sul processo che sto esaminando, ma sono informazioni che derivano da altro, che fanno riferimento ad altro, che è qualcosa che non ci interessa. Quindi arriverei ad una interpretazione sbagliata dei miei risultati.