Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

L'insegnamento si propone di introdurre i principali concetti di elettronica digitale iniziando dalle porte logiche elementari per arrivare alla descrizione funzionale di FPGA e microcontrollori. In particolare verrà descritto nel dettaglio un microcontrollore che costituirà oggetto di esercitazione di laboratorio. Circa la metà delle ore del corso è utilizzata per realizzare in laboratorio un progetto che consente di realizzare un blocco funzionale di un dispositivo medico basato sul microcontrollore studiato.

Sensori e misure per la bioingegneria

L'insegnamento riguarda la moderna strumentazione per la misurazione di grandezze fisiche e ha lo scopo di fornire agli allievi le nozioni di base per la corretta progettazione di un sistema di misura e di svolgere in autonomia l’analisi quantitativa delle prestazioni. Particolare enfasi sarà data alla misurazione di grandezze utili in ambito biomedicale. L'insegnamento comprende lezioni in aula ed esercitazioni sperimentali di laboratorio dove si utilizzeranno gli strumenti e i sensori descritti a lezione e si realizzeranno e caratterizzeranno semplici, ma completi, sistemi di misura automatici.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

Al termine dell'insegnamento gli studenti conosceranno: - le porte logiche elementari e la sintesi empirica di circuiti combinatori e digitali - le diverse tecnologie elettroniche con i relativi settori di impiego - la struttura di un tipico microcontrollore - le principali istruzioni assembler della famiglia di microcontrollori considerata Al termine dell’insegnamento gli studenti avranno le seguenti abilità: - analizzare e progettare alcuni semplici circuiti digitali basati su porte logiche elementari - realizzare semplici circuiti contenenti un microcontrollore e scrivere il software in linguaggio assembler necessario a far funzionare il microcontrollore stesso. - date le specifiche funzionali, di ricavare schema a blocchi, schema elettrico, flow chart del software e codice in linguaggio assembler

Sensori e misure per la bioingegneria

I risultati attesi riguardano la conoscenza della struttura e del principio di funzionamente di strumentazione elettronica e di sensori per grandezze fisiche, la capacità di analisi e di progetto di circuiti condizionamento per sensori e sistemi di acquisizione, il calcolo dell’incertezza di misura, l’analisi e la correzione di errori sistematici. Lo studente dovrà poi essere in grado di analizzare le specifiche di strumenti e di sensori commerciali e di operare scelte progettuali volte ad ottenere le migliori prestazioni dal punto di vista misuristico. Lo studente imparerà quindi ad impiegare in modo consapevole la strumentazione di laboratorio e ad analizzare in modo critico le prestazioni del sistema realizzato.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

È importante avere famigliarità con gli argomenti trattati nel modulo di Elettronica della laurea triennale. È utile aver seguito con profitto il modulo di Bioingegneria Elettronica e quello di Dispositivi Impiantabili Attivi della laurea triennale.

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Elettrotecnica, fisica II, elettronica.

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

Lezioni frontali - Conversione analogico digitale e digitale analogico - Dimensionamento di un sistema di acquisizione - Famiglie logiche TTL e CMOS: caratteristiche ed interconnessione - Modelli di ingresso ed uscita di porte logiche. Margine di rumore. - Interfacciamento di famiglie logiche diverse - Porte logiche elementari e relative tavole di verità - Parametri statici e dinamici - Porte three state ed open collector - Transistore bipolare: modelli di saturazione ed interdizione - Dimensionamento condensatori di by-pass - Circuiti sequenziali: FF, registri, contatori - Tecnologie elettroniche - Descrizione di un microcontrollore - Microprogrammazione Laboratori - Uso della strumentazione di laboratorio - Misura di parametri statici e dinamici su porte logiche CMOS e TTL - Uso ambiente di sviluppo e progetto, scrittura e debugging di semplici programmi di prova - Lavoro a gruppi sui progetti assegnati

Sensori e misure per la bioingegneria

Fondamenti di misura o Motivazioni. Definizione di misura. I metodi di misura. Incertezza e errore. Misurazioni dirette ed indirette. Incertezza di misura con il modello deterministico. Incertezza strumentale (indice di classe e formula bionomia), di lettura, intrinseca. Propagazione di incertezza nelle misure indirette Strumentazione e metodi o Strumentazione elettromeccanica di base, voltmetri e amperometri. Incertezze ed effetti sistematici. o Richiami sui principi della conversione analogico/digitale e sui convertitori A/D parallelo, ad approssimazioni successive e a integrazione. Errori di risoluzione, offset guadagno e linearità. Absolute accuracy. o Misurazione di segnali alternati. Convertitori ac-dc a singola e doppia semionda, di picco, a vero valore efficace. o Multimetri numerici. Funzioni: tensione continua, corrente continua, tensione alternata, resistenza a due e quattro morsetti, frequenza. o Schede di acquisizione dati. Struttura, acquisizione multi-canale, modalità di acquisizione (riferita, differenziale, single ended) o Cenni sull’ambiente di sviluppo Labview Sensori o Caratteristiche e principali principi fisici di funzionamento o Sensori di temperatura: resistivi, termocoppie, , pirometri, elettronici o Sensori di forza: estensimetri, celle di carico, piezoelettrici o Sensori di spostamento: trasformatori lineari, potenziometri, ottici o Sensori di accelerazione e di umidità Laboratorio L’elenco è indicativo e potrà subire variazioni 1. uso di strumentazione di base di laboratorio 2. Uso di voltmetri e amperometri analogici e numerici 3. Uso di Labview 4. Termometro con Pt100 (misure accurate di temperatura e analisi dell’incertezza) 5. Termometro con NTC (misure in condizioni dinamiche) 6. Termometro con termocoppie e sensori elettronici (compensazione giunto di riferimento e uso di amplificatori da strumentazione) 7. Misurazione di forza in condizioni statiche e dinamiche con celle di carico

Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

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Progettazione di dispositivi biomedici programmabili

L’insegnamento è suddiviso in circa 30 ore di lezioni frontali ed altrettante ore di esercitazione di laboratorio. Durante le lezioni frontali verranno presentati i vari argomenti di tipo teorico e verranno proposti semplici esercizi di calcolo per verificare l'apprendimento delle nozioni teoriche. Durante le ore di laboratorio gli studenti lavoreranno su progetti specifici. La frequenza dei laboratori è obbligatoria.

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Lezioni in aula 45 e esercitazioni di laboratorio 15 ore da svolgere in gruppo o singolarmente. È richiesta la stesura di brevi relazioni di laboratorio quindi la frequenza dei laboratori è obbligatoria.

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Dispense fornite dal docente e manuali del microcontrollore utilizzato.

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Dispense, esercizi e temi d’esame a cura del docente. Ai fini dell’apprendimento è importante seguire sia le lezioni in aula sia le esercitazioni di laboratorio. A. Carullo, U. Pisani, A. Vallan, 'Fondamenti di misure e strumentazione elettronica', Edizioni C.L.U.T. ' Torino, 2006

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Modalità di esame: Elaborato scritto prodotto in gruppo; Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto prodotto in gruppo;

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Exam: Group essay; Computer-based written test in class using POLITO platform;

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Exam: Written test; Optional oral exam; Group essay;

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Gli studenti svolgeranno lo scritto in aula attraverso la piattaforma Respondus, accedendo con PC personale. In caso qualche studente non fosse provvisto di PC adatto lo comunicherà al docente entro la data di chiusura delle iscrizioni all’esame ed il docente avrà cura di risolvere il problema. La modalità d'esame in presenza sarà identica a quella utilizzata in remoto o in modalità mista, salvo il fatto che tutti gli studenti saranno in aula, ma comunque utilizzeranno il proprio calcolatore per sostenere l'esame. L'unica reale differenza dalla modalità in remoto consiste nel fatto che in aula, sebbene si richieda comunque l'attivazione del sistema di proctoring, ci sarà anche la sorveglianza di personale apposito (docente, esercitatori, ...). La prova d'esame intende verificare la capacita degli studenti di svolgere esercizi di calcolo, di progetto o di scrittura codice simili a quelli trattati durante le lezioni ed i laboratori, ma potranno contenere varianti tese a verificare la capacità degli studenti di adattare quanto appreso alla soluzione di problemi differenti da quelli espressamente trattati a lezione. Non sarà consentito consultare note, appunti o testi a stampa. La prova d’esame è suddivisa in due parti: • la prima parte consta di 15 domande a risposta guidata; • la seconda parte consta di 4 domande a risposta aperta a) numerica (soluzione di brevi problemi di progetto o di analisi con possibilità di dare la risposta unicamente sotto forma di un valore numerico) o b) componimento (ad esempio, scrittura codice, domanda di tipo teorico, risoluzione completa di un problema di calcolo con disegno di schemi elettrici e di grafici, …). Almeno una delle quattro domande consisterà nella scrittura di codice relativo al microcontrollore trattato nel corso. Il tempo a disposizione per svolgere la prima parte è di 15 minuti, per la seconda è di 60 minuti. Prima parte: domande a risposta guidata Durante la prima parte dell'esame gli studenti non potranno consultare materiale, appunti, testi, di alcun tipo e potranno usare unicamente la calcolatrice messa a disposizione dal sistema Respondus. Per ogni domanda sono presentate tre possibili risposte delle quali una sola corretta. Lo studente potrà selezionare la risposta che ritiene corretta o astenersi dal rispondere. Il punteggio massimo ottenibile è pari a 15. In particolare ogni risposta corretta incrementa la votazione di 1 punto (+ 1), ogni risposta errata comporta la sottrazione di 0,33 punti (- 0,33) e ogni risposta non data non viene considerata (0). La votazione minima che lo studente deve ottenere per avere valutata la seconda parte dell’esame è pari a 8,0 punti su 15. Se lo studente non raggiunge almeno la soglia indicata nelle domande a risposta guidata (8,0 punti) è riprovato. Seconda parte: domande a risposta aperta Durante la seconda parte sarà possibile consultare i manuali del microcontrollore messi a disposizione dal docente, privi di qualunque tipo di appunto. Nella prima “domanda” vengono richiesti alcuni dati necessari per poter procedere rapidamente alla determinazione del voto ed alla successiva registrazione. Fornire le informazioni richieste è un obbligo preciso per tutti gli studenti. In particolare lo studente deve: a) indicare la condizione di laureando o di non laureando cancellando nel modello di risposta l’opzione che non si applica; b) inserire in modo completo l’anno accademico nel corso del quale ha consegnato la relazione di laboratorio (es.: 2021-2022); c) inserire il numero del gruppo al quale il singolo studente apparteneva. Domande a risposta aperta numerica Le domande a risposta aperta numerica consisteranno ognuna in un problema che dovrà essere risolto e del quale dovrà essere fornita la risposta in forma numerica. Sarà specificato nel testo il massimo errore tollerabile (assoluto o percentuale, a seconda dei casi) e, se il risultato non fosse un numero puro, l’unità di misura nella quale esprimerlo. È necessario quindi prestare molta attenzione a non effettuare alcuna approssimazione o a valutare preventivamente il limite massimo dell’approssimazione accettabile, a svolgere i conti mantenendo un numero adeguato di cifre decimali per garantire l’accuratezza richiesta ed a fornire il risultato espresso nell’unità di misura richiesta ma senza indicarla (è già parte del testo della domanda). L’uso di modelli approssimati è sempre possibile, ma richiede la valutazione preventiva dell’errore introdotto dall’approssimazione e la verifica che questo rientri nell’intervallo consentito. Componimento In questo caso, quando ad esempio dovesse essere richiesta la scrittura di codice, l’esaminando dovrà inserire il codice in formato testo direttamente tramite calcolatore. Potrebbe però essere richiesta all’esaminando anche la descrizione testuale di una procedura, il disegno di un diagramma di flusso, l’illustrazione di parte dell’architettura del microprocessore ed ogni altro argomento che si presti ad una spiegazione testuale. In questo caso l'esaminando preparerà l'elaborato su fogli di carta quadrettata e provvederà a caricarli come allegati sul sistema come verrà indicato (foto leggibile con la webcam del PC, scansione con app su smartphone, ...). Caricare l'elaborato come richiesto e verificare che sia perfettamente leggibile è condizione necessaria per poterlo avere corretto. Ogni risposta corretta varrà fino a 3,0 punti ed ogni risposta errata o non data non sarà considerata (non c’è penalizzazione). In tutte le prove d’esame sarà sempre inserita almeno una domanda tipo “componimento” nella quale sarà richiesta la scrittura di codice per il microcontrollore studiato. È necessario ottenere almeno i due terzi del pieno punteggio nelle domande di questa categoria (cioè ottenere almeno a 2 punti su 3) per non essere riprovati. Questa condizione inderogabile è dettata dall’importanza del verificare il fatto che l’esaminando abbia sviluppato questo tipo di abilità, ritenuto essenziale ai fini del superamento dell’esame. Ogni risposta corretta varrà fino a 3,0 punti ed ogni risposta errata o non data non sarà considerata (non c’è penalizzazione). Il punteggio massimo ottenibile nella seconda parte è quindi pari a 12. Votazione finale Posto di aver raggiunto o superato la soglia indicata per la prima parte (8/15) e sulle domande relative alla scrittura di codice (2/3 per ogni domanda), la votazione finale sarà ottenuta sommando il punteggio ottenuto nella prima e seconda parte (sino a 15 punti per le domande a risposta guidata e sino a 12 punti per le domande a risposta numerica aperta e componimenti) ed il punteggio ottenuto nella relazione (sino a 6 punti). Il punteggio finale massimo ottenibile è quindi pari a 33. Per gli studenti che frequentano l’insegnamento integrato PDBP/Sensori e Misure per la Bioingegneria (01RAGMV) il voto finale sarà determinato come media dei voti NON APPROSSIMATI riportati in ognuno dei due moduli. Il risultato della media sarà poi approssimato all’intero più vicino. Superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode. Per gli studenti che frequentano l’insegnamento integrato PDBP/Sensori e Misure per la Bioingegneria (01RAGMV) il voto finale sarà determinato come media dei voti NON APPROSSIMATI riportati in ognuno dei due moduli. Il risultato della media sarà poi approssimato all’intero più vicino. Superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode.

Sensori e misure per la bioingegneria

L’esame è scritto, integrato con la valutazione delle relazioni di laboratorio. La prova orale è facoltativa. La prova scritta è volta ad accertare la conoscenza degli argomenti trattati a lezione, a valutare la capacità di analizzare e calcolare l'incertezza di misura, di calcolare le prestazioni attese da sensori e relativi circuiti di condizionamento, di analizzare i manuali di strumenti e sensori e di progettare i sistemi di misura contenenti i sensori descritti a lezione. La prova scritta è composta di 10 quesiti a risposta aperta riguardanti esercizi e/o argomenti di teoria. Il tempo a disposizione per lo svolgimento è di 1h e 45min. Il punteggio massimo è di 30/30. Durante la prova non si potranno consultare libri, slides o appunti. Gli studenti che superano la prova scritta con punteggio >=16/30 potranno sostenere una prova orale facoltativa. La prova orale verterà su tutto il programma. La prova orale comporta un incremento o una riduzione del voto della prova scritta fino a 5 punti. Il Docente si riserva la facoltà di chiedere una verifica orale dell’elaborato. Le relazioni “brevi” di laboratorio dovranno essere redatte in gruppo direttamente in laboratorio durante lo svolgimento dell’esercitazione e saranno consegnate per posta elettronica alla fine dell’esercitazione o entro la data comunicata dal docente. Sarà valutato sia il contenuto della relazione sia la presenza in laboratorio. Una singola assenza in laboratorio non comporta penalizzazioni. Il punteggio massimo assegnato alle relazioni è di punti 2 che saranno sommati al voto della prova scritta già eventualmente corretto in funzione della prova orale. Votazione finale Il voto sarà determinato come somma dei voti delle due prove scritte, della valutazione delle relazioni e del voto ottenuto durante la prova orale facoltativa. Per gli studenti che frequentano l’insegnamento integrato PDBP/Sensori e Misure per la Bioingegneria (01RAGMV) il voto finale sarà determinato come descritto nella parte di scheda relativa al corso 01RAGMV. Per gli studenti che frequentano il solo corso Sensori e Misure per la Bioingegneria (01PORMV) il voto finale sarà sarà approssimato all’intero più vicino. Superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.