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Stimare l’impedenza termica della pelle con Arduino M0 Pro (ARM Cortex M0+)

I dispositivi elettromedicali per la cura e per il benessere sono di grande interesse storico e continuano ad avere sempre più importanza. Uno degli argomenti più interessanti è la caratterizzazione termica della pelle umana (per un approfondimento consulta il seguente link). La termometria della pelle può, insieme ad altre misure, fornire informazioni clinicamente rilevanti sulla salute cardiovascolare, stato cognitivo, malignità e molti altri aspetti della fisiologia umana. La necessità di avere una vera e propria identificazione in Real-Time dei parametri della pelle, che sono la conducibilità e diffusività termica, sono alla base di essa. In questo articolo verrà illustrata una tecnica di identificazione non lineare dei parametri con l'utilizzo della board Arduino M0 Pro (clicca qui per scoprire come riceverla in omaggio!). Il sensore/riscaldatore è costituito da un unico dispositivo che assolve entrambe le funzioni ed è un termistore PTC. Il funzionamento del sistema di identificazione dei parametri  è basato sulla convergenza globale asintotica di un osservatore adattativo. Alla fine dell'articolo è possibile scaricare il firmware completo e il PCB (file Eagle) dello Shield.

INTRODUZIONE

La termografia clinica si basa su una attenta analisi delle temperature superficiali della pelle come un riflesso di normale o anormale fisiologia umana. La procedura viene comunemente eseguita mediante l'applicazione diretta di un sensore e attuatore sulla pelle; ad ogni procedura vengono estrapolati i dati termici, che possono essere valutati per la presenza di eventuali malattie o lesioni. I parametri che vengono considerati in questo campo sono la conducibilità termica e la diffusività termica:

La conducibilità termica è la capacità della pelle di trasportare una determinata quantità di calore e viene identificata come il rapporto fra il flusso di calore osservato e il gradiente spaziale di temperatura a cui è sottoposto l'oggetto.

La diffusività termica è l'attitudine di un corpo di trasmettere una certa quantità di calore in un determinato intervallo di tempo. È particolarmente utilizzata per descrivere la propagazione di un campo termico in condizioni non stazionarie. Un corpo può avere una buona conducibilità ma in alcuni casi è possibile che il materiale trasmetta efficacemente l'onda termica non  avendo una buona diffusività. È necessario che esso sia anche poco massivo e con basso calore specifico, affinché il calore ricevuto non sia accumulato all'interno e venga ceduto a tutti gli strati del materiale.

I modelli termici umani si sono evoluti da un modello a nodo in cilindri multi-layer che rappresentano corpi separati, collegati tramite il flusso di sangue circolatorio. Un modello termico del nodo, descritto nella figura 1, rappresenta il corpo umano con solo un nodo e non includono un sistema di termoregolazione.

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Figura 1: modello del nodo termico della pelle

Un modello è detto empirico, poichè prevede delle risposte termiche per una data condizione ambientale sulla base di formule ottenute dalla sperimentazione:

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dove: ΔT è la temperatura a cui è sottoposto il nodo, Qsat è la potenza termica immessa, Rc è la resistenza termica di contatto tra il dispositivo e la pelle, Cskin è la capacità termica, Rskin è la resistenza di dissipazione, Kskin è conducibilità e αskin è la diffusività.

Stima dei parametri

L' identificazione dei parametri di un sistema è un argomento che negli ultimi anni ha coinvolto numerose applicazioni, come ad esempio il mondo della robotica e degli azionamenti elettrici. Nel caso di questa trattazione, sembrerebbe [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 9 dicembre 2016

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