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