Instrumentação de sinais biológicos

William Záccaro Gomes

Estrutura da apresentação

IntroduçãoPrincipais sinais biofísicos estudadosPrincipais componentes de projetoExemplo de instrumento Biomédico Conclusão

I - Introdução

Conceitos Básicos

Sinal:

Pode-se dizer que um sinal é a descrição quantitativa de um fenômeno que acontece em um ambiente qualquer.

Os sinais são funções de uma ou mais variáveis independentes e, tipicamente contêm informação acerca do comportamento ou natureza de um fenômeno físico.

Divisão Clássica da Eng. Biomédica

Eng. ClínicaEng. Médica

Bioengenharia

Campo de Aplicação

Campo de Aplicação

Bioengenharia:Trata da pesquisa básica de fenômenos e sistemas biológicos, visando gerar novos conhecimentos para diagnóstico, terapêutica e prevenção de doenças.

Engenharia Clínica:Área que engloba o desenvolvimento, produção e a avaliação de dispositivos e equipamentos médico hospitalares e de pesquisa.

Engenharia Médica:Determina rotinas de manutenção preventiva em instalações hospitalares, promove procedimentos de metrologia em sistemas médico hospitalares (calibração, aferição, substituição).

Princípios fisiológicos dos biopotenciais

- - - - - -

REPOUSO DESPOLARIZAÇÃO REPOLARIZAÇÃO

POTENCIAL DE

MEMBRANA

POTENCIAL DE

AÇÃO

+ + + - - - + + + + + + - - - + + + - - - - - ++ + + + + + - - - + + + - - - - - - + + + - - - + + + + + -

II – Sinais Biofísicos

Sinais bioelétricos: ECG, EEG, EMG, EOG.

Sinais biomagnéticos: MEG, MCG, Biossusceptibilidade.

Sinais biomecânicos: Pressão arterial, Força de contração muscular.

Sinais bioquímicos. Glicemia, Teor alcoólico sanguíneo, pH.

Aspectos de interesse dos biopotenciais

Duração Amplitude Freqüência

Padrões bem definidos

Diagnóstico

III – Principais componentes no projeto de um instrumento

Amplificadores de Instrumentação

Alto ganho (tipicamente entre 1 e 1000) Alta impedância de entrada (da ordem de 10 Mohms) Baixa impedância de saída Alta rejeição de tensão em modo comum (CMRR) Alta estabilidade do ganho em função da freqüência. Alta linearidade

Amplificadores de Instrumentação

Amplificador de Instrumentação AD620

Amplificadores de Isolamento

São amplificadores analógicos lineares que promovem isolamento galvânico entre sinal de entrada e saída.

O isolamento galvânico é assegurado através da modulação do sinal de entrada seguido de acoplamento indutivo ou ótico no primeiro estágio. O segundo estágio detecta o sinal acoplado e procede a demodulação.

Amplificadores de Isolamento

Simbologia

Filtros

Filtro Passa Altas Filtro Passa Baixas Filtro Passa Faixa Filtro Rejeita Faixa

Transdutores

Eletrodos de Biopotencial Transdutores à fibra ótica

pH Temperatura Pressão

Transdutores à semicondutores Pressão Temperatura

Eletrodos de biopotencial

Eletrodo metálico + solução iônica (gel)

Considerações adicionais

Ruído: Blindagem das fontes de ruído conhecidas. Blindagem dos estágios mais susceptíveis.

Segurança: Aterramento de todos os instrumentos em um

único ponto comum. Cuidado com os potenciais gerados pelo

instrumento nas interfaces (eletrodos, IHM).

IV – Exemplo de instrumento

Eletrocardiógrafo:

Instrumento não invasivo para a medição dos potenciais gerados pela contração e relaxamento do músculo cardíaco.

Propagação do potencial de ação no miocárdio

Interpretação do sinal de ECG

Onda P: despolarização do átrio. Intervalo PQ: região isoelétrica, atraso no nódulo átrio-ventricular. Complexo QRS: contração dos músculos dos ventrículos. Onda T: repolarização dos ventrículos.

Interpretação do sinal de ECG

Derivações do sinal de ECG

Potencial de diagnóstico do ECG

Características do Exame Baixo custo Não invasivo Baixo risco para o paciente Versatilidade de implementação (Holter, ECGAR)

Alterações metabólicas do organismo Alterações anatômicas do coração Cardiopatias Arritmias cardíacas

Potencial de diagnóstico do ECG

Níveis de tensão típicos: Amplitude QRS típica: 500 µV a 1,2 mV

Largura de banda: ECG clínico: 50 mHz a 100 Hz. Monitoraçãodo ECG (UTI, etc): 500 mHz a 50 Hz. Monitores para detecção de potenciais tardios: até 500

Hz. Medidores de freqüência cardíaca:

Maximizar a relação sinal/ruído para detectores de QRS.

V – Conclusão

Nível de complexidade dos transdutores. Características comuns em sinais biológicos:

Baixa amplitude. Baixa relação sinal ruído (SNR). Baixas freqüências.

V – Conclusão

Conclusão:

Instrumentos devem ser projetados de modo a se adaptarem com as restrições do projeto. Portabilidade Segurança Não invasividade Baixo custo

Espaço para dúvidas