b i o t a grupo de biotelemetria prof. sérgio francisco pichorim, dsc abril de 2007 universidade...

B I O T AGRUPO DE BIOTELEMETRIA

Prof. Sérgio Francisco Pichorim, DSc

abril de 2007

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Curso de Pós-Graduação Eng. Elétrica e Inf. Industrial

Principais Linhas de Trabalho

1) Sensor LC passivo

2) Enlace indutivo

3) Medição de circuitos ressonantes

4) Força de oclusão

5) ECG passivo

6) Transponder

1) Biotelemetria Passiva e Injetável para Medição de Elasticidade em Tendão

• Medição de deformação em tendão

• Unidade remota (cerca de 2 x 15 mm) Injetável em tendão (agulha).

• Passivo sem bateria interna

• Unidade injetável é composta de apenas um circuito LC

• Freq. ressonância modulada pela grandeza deslocamento

Microunidade Injetável Desenvolvida

Músculo

Bobinas Externas

Força

Cápsula Tendão

Microunidade Desenvolvida (força de tração)

0 1 2 3 4 5 (mm)

C L núcleo móvel

âncoras âncoras

Força Força

CLfo

...2

1

Processo de fixação das Âncoras

Dados do micro-sensor

• Indutor 70 espiras L=14,5 µH.

• Capacitor de 22 nF SMD (tipo 0805).

• Ressonância fo de 277 kHz.

• Circuito total do sensor com 14 mm.

• Comprimento total de 28 mm.

Micro-sensor (fotos)

(na agulha)

(1ª versão)

Microcápsula Injetada para Teste de Tração

(Teste in vitro em mangueira de silicone)Simulação de um tendão muscular.

Teste in vitro (injetada na mangueira de silicone)

y = 0.1127x + 277.17R = 0.9993

distância de 8 mm

276

278

280

282

284

286

288

290

292

0 20 40 60 80 100 120

Força de tração (gf)

Fre

qüên

cia

de r

esso

nânc

ia

fo (

kHz)

Teste in vivo Tendão do Dedo III (porco)

Diagrama Tensão-Deformaçãodo tendão

y = 9.9146x - 18.748

0

2

4

6

8

10

12

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Deformação específica (%)

Te

nsã

o

(M

Pa

)

Módulo de elasticidade de Young = 0,9915 GPa

Trabalhos Futuros

• Aperfeiçoamento e construção de vários sensores. (Bolsa IC)

• Comparação com outros métodos (da mecânica) para medição de força e elasticidade. (Bolsa IC)

• Testes in vivo verificação de problemas de biocompatibilidade e adaptação do conjunto de bobinas.

Sensor LC Passivo para pressão arterial

por Graciele Maeoka

Trabalhos Futuros

• Aplicação em músculo (sensor adaptado) medição de força de contração.

Fe Bobina Cap

0 1 2 3 (mm)

Tubo de Borracha de SiliconeFixadores metálicos

Ar

Força

2) Projeto do conjunto deBobinas

• Enlace fracamente acoplado (transcutâneo)• Maximização da tensão induzida

maximização da mútua indutância (M)• Bobinas coaxiais e circulares (solenóide)

• Soluções gerais com alto grau de complexidade

Solenóide - anel coaxial

plano xy P

r

a

Dz

dLz=-L

bS2

Bzds

z=-d

22222

221

4242

Db

D

LDDbL

DLannM o

Avaliação PráticaExemplo : Anel-anel

Raio b (mm)

Valores medidosEquação simplificadaEquação geral

Mútua Indutância(nH)

1

1,5

2

2,5

3

0 0,5 1 1,5 2

relação L/D

rela

ção

b/D

Completa

Simplificada

Prático A

Prático B

Prático C

Prático D

A : L=10,2mm a=3mm ar (3,7µH)B : L=18mm a=2,5mm ar (13µH)C : L=8mm a=1mm ferrite µr=4000 (2,3µH)D : L=4mm a=5mm ferrite (2µH)

Máxima Indutância Mútua

D

L

D

bO .6,02

2

Bobinas de Excitação e Recepção

Solenóide

Lra LrbLex

Vex

Vr

Mex

Mra

Mrb

Ma Mb

Ddd

Bobinas de Excitação e Recepção

Dd d

b bB Solenóide

remoto

Lra Lrb

Lex

Escolha da melhor separação d

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Separação d (mm)

Aco

pla

me

nto

No

rma

liza

do

ExcitaçãoRecepção

Total

Para :L = 5 mm e D = 10 mm

d = 8,5 mmb = 17,5 mmB = 29,5 mm

Vista do Conjunto de Bobinas

Bobinas de Excitação e Recepçãoconfiguração Helmholtz

por Graciele M. e Raul O.

Programa para Cálculo de Indutância Mútua

• Em MatLab e Visual C++ para mútua indutância em bobinas desalinhadas e com formatos circulares (por Kremena Donczewa e Dieter Straub).

Programa para Cálculo de Auto-indutâncias

por Eduardo Manika (voluntário)

• Utilizando o aplicativos (MatLab, C++, etc). Informações quantitativas sobre indutância, mútua indutância e fator de acoplamento para arranjos de bobinas desalinhadas e com formatos não convencionais, como por exemplo, quadradas, triangulares, etc.

Trabalhos Futuros• Estudo da permeabilidade de ferrites.

• Sensor de temperatura

3) Sistema de Leitura de Circuito Ressonante

As três variáveis : D, fo e Q

L R CExcitação

Capacitor

resistência interna

Indutor

distância

D

CLfo

...2

1

R

LfoQ

...2

Análise em Freqüência

• Excitação do circuito RLC em 3 freqüências (f1, f2 e f3)

• Medição das 3 respostas (Vr1, Vr2 e Vr3)

• Pode-se recompor a curva do circuito RLC

• Determinação dos valores de fo e Q

Técnica de Medição da Freqüência de Ressonância (fo)

(também do Fator de Qualidade (Q))

Respostas Vr às três excitações

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000

Freqüência (Hz)

Ten

são

de S

aída

Nor

mal

izad

a

f1 f2 f3

Vr3Vr2

Vr1

fo

Com os valores de Vr1, Vr2 e Vr3,calculam-se fo e Q :

Independente da Distância e das Mútuas Indutâncias envolvidas !

AfWf

AWffffo

.....

21

23

3212

23

22

22

21

ff

ffW

22

23

22

21

/1/1

/1/1

VrVr

VrVrA

2

3

0

0

3

2

2

0

0

2

2

3

2

2

3

21

f

f

f

f

f

f

f

f

Vr

Vr

Vr

Vr

Q

Diagrama em Blocos do Sistema

Vex Lex

L Rs C

FILTROPF f1

FILTROPF f2

FILTROPF f3

Vr1

Vr2

Vr3

Lra

Lrb

Cálculo

de

fo e Q

f1

f2

f3

Acoplamento do Sinal (Mra-Mrb)

Ruído (Acoplamento Direto : Ma Mb )

Vr A

Características do Sistema de Excitação

Cristal de 8 MHz (estabilidade) geração das três freqüências digitalmente

Divisões por 15, 14 e 13 (74LS193)Divisão por 2 Duty cycle de 50%f1=266,7kHz , f2=285,7kHz e f3=307,7kHzSomador e amplificador LM 318 (Vex=10Vpp)Sinal senoidal (filtro PF com a bobina Lex)

Sinal de excitação Vex

Sinal de excitação Vex (espectro)

Fundamentais

2a. 3a.26 dB

Sinal de Leitura Vr (espectro)para sensor com fo de 305 kHz

f1 f2 f3

Características do Sistema de Leitura

Filtros LC ajustados nas 3 freqüências f1=266,7kHz , f2=285,7kHz e

f3=307,7kHzDetectores de pico (TSH 94) Vr1, Vr2 e Vr3Conversão Analógico-Digital (ADC 0808)Multiplexação 2 x 4 bits Interface ParalelaPrograma em C++ para leitura e cálculo de foUma medição em 8,5 ms ou 118 por segundo.

Medição de fo pelo sistema

270

280

290

300

310

270 280 290 300 310

fo sintonizada (kHz)

fo m

edid

a (k

Hz)

Seis valores de fo

Seis valores de Rx

Duas distâncias

Correlação = 0,9957

Fator de Qualidade – Freqüência única.(fo=284 kHz)

Sete valores de Q

Três distâncias

Detector de Freqüência por Varredura Inteligentepor Raul J.F. Oliveira

Output amplifier

Insulation buffer

Frequency generator

Micro-controller

24 MHz oscilator

A/D converter

Peak detector

Input amplifier

Coils group

Remotesensor

Trabalhos Futuros

• Sistema de Excitação, Leitura e Cálculo via DSP e FFT (por Emerson Lima)

• Determinação do Fator de Qualidade (Q) em circuitos LC

• Análise do Q de cristais piezoelétricos (medido via osciloscópio e gerador, com o medidor de impedância e comparar com a técnica proposta)

4) Sensor Ingerível para Temperatura

Sensor Ingerível para Temperatura

Medição de Força de Oclusãopor Davi S. Roveri

5) ECG passivo por Carlos M. SouzaCâmara

Hiperbárica

Trabalhos Futuros

• Alimentação à distância: Enlace Óptico x Enlace Indutivo.

Comparação, eficiência, etc.

• Testes in vivo.

6) Identificador telemétrico RFID

Módulo Analógico

Módulo Digital

Clock (134,2kHz)

Sinal codificado

Alimentação

SinalANTENA

Módulo Analógico

Sinal codificado

Leitor Transponderk

Modulador da Carga (L.S.K.)

V

t

Sinal codificado (DBP)

Sinal modulado

Trabalhos Futuros : RFID com sensor

• Mesmo padrão de comunicação• Mesmo circuito analógico• Bloco digital modificado (com baixíssimo consumo)

para a entrada de Sensor

• Sensor Integrado para Diagnóstico (IEEE RFID 2007)

Exemplo : BOVINUS (Sebrae, Finep, Lactec, UTFPR, et. al.)

MODULODIGITAL

CHIPCOMPLETO

CHIP SEM CAPACITOR

CHIP SEM CAPACITOR

E SEMRETIFICADOR

MODULOANALOGICO

Dimensões: (1350 x 1420) µm2

O B R I G A D O .