instrumentação médica...

Instrumentação Médica– 1. 1

Aula 1

Licenciatura em Engenharia Biomédica

3º Ano/ 2º Sem.-

Paulo Mendes

http://dei-s1.dei.uminho.pt/pessoas/pmendes/IMLEBIOM

2005/2006

Instrumentação Médica


Funcionamento

• Gabinete– B2.22 – Guimarães (3382)

– Laboratório Investigação Biomédica – Braga (4704)

– [email protected]

– www.dei.uminho.pt/~pmendes

– http://dei-s1.dei.uminho.pt/pessoas/pmendes/IMLEBIOM/

• Métodos de Ensino:– Aulas teóricas obrigatórias.

• Método de Avaliação:– Exame final


Programa• Sinais biomédicos: biopotenciais - 1• Aquisição e análise de sinais biomédicos - 2• Sensores biomédicos - 3• Eléctrodos para biopotenciais, micro-eléctrodos - 4• Espectrofotómetros e métodos ópticos- 5 • Electromiografia, Electrocardiografia, Radiografia - 6• Amplificadores para biopotenciais - 7• Dispositivos cardiovasculares - 8 • Dispositivos neurofisiológicos - 9• Sistemas médicos de imagem com destaque para a

ultrasonografia - 10• Microcontroladores em instrumentação médica -11• Telemetria - 12


• Filme EOG/EEG para BCI


Potencial de repouso da membrana

Neurónio

Axónio

Membrana da célula

Voltímetro

Micro-eléctrodofora da célula

Micro-eléctrododentro da célula


Origem do potencial de repouso

Neurónio

AxónioCorpo da célula

Dendrites

Exterior da célula

interior da célula

Interior da célula

Exterior da célula

Membrana

Bomba deSódio ePotássio

bombaCanal

Canal

Três proteínas maissignificativas da membrana


Base física para o potencial

Exterior

Interior

em mM

Equação de Nernst


Se não for injectada corrente, no repouso a

corrente total terá que ser = 0

, no repouso

Resolvendo para Vm


O potencial acção – activar o neurónio

Estímulo abre canais K +

Estímulo abre canais Na +

Estímulo de despolarização forteabre mais canais Na +

Potencialde acção

Potencialde limiar

Potencialde limiar

Potencialde limiar

Potencialde repouso

Potencialde repouso

Potencialde repouso

hiperpolarização despolarização

hiperpolarização despolarizaçãoPotencial de acção

“Spike”

Tempo (ms) Tempo (ms) Tempo (ms)

Pot

enci

al d

a m

embr

ana

(mV

)

Pot

enci

al d

a m

embr

ana

(mV

)

Pot

enci

al d

a m

embr

ana

(mV

)


Somatório causa o “disparo”

Tempo (ms)

Pot

enci

al d

a m

embr

ana

(mV

)

Sem somatório Com somatório

Limiar Limiar

Tempo (ms)


Somatório causa o “disparo”ExcitarInibir

Sub-limiar semsoma

Soma temporal Soma espacial Soma espacial


Condução

dominós em queda

Eléctrodo

Potencial de acção

Tempo Pot

enci

al d

a m

embr

ana

(mV

)

Direcção de condução


Condução

É gerado um potencial de acção quando os iõesde sódio entram dentro da membrana

A despolarização do primeiro potencial de acção esp alhou-se para a região vizinhada membrana, despolarizando-a e inic iando um segundo potencial de acção. No local do primeiro po tencial de acção a membrana começa-se a repolarizar à medida que K + flui para fora

Um terceiro potencial de acção segue em sequência. Desta forma, correntes de iões através da membrana dão or igem a um impulso nervoso que passa través do axónio.

Primeiro potencialde acção

Segundo potencialde acção

Terceiro potencialde acção

Segmento de axónio

Axónio


Condução por “saltos”

Ajuda da mielina

Célula de Schwann

Região despolarizadaNodo de Ranvier

Folha demielina

Axónio

Nodo deRanvier

Folha demielina

Axónio

Corpo da célula

Membranado Axónio


Transmissão - Sinapse

Célula pos-sináptica

Célula pré-sináptica

Neuro-transmissor

Receptor

Membranapos-sináptica

ProteínaCanal iónico

Parte de um neuro-transmissorDegradado


Sinapse

Canais iónicos abertos Membrana sub-sináptics

Membrana pré-sináptics

Moléculastransmissoras

Vesículos sinápticos permitemlibertar moleculas transmissoras

Vesículos sinápticos armazenam moléculastransmissoras


Transmissão – várias sinapses


Como activar um músculo?


Junção Neuromuscular

Micro-fotografia


Sistema genérico de Instrumentação Médica

Grandeza a medir(e.g. pressão sanguínea,

potencial ECG, etc.)

Elementosensor

Processamentode sinal

SaídaDisplay

• Sensores: como eléctrodos, transdutores de pressão• Instrumentação: amplificador, filtro, acondicionamento de sinal• Microprocessador, telemetria, interface com internet

http://www.qubitsystems.com/electro.html


Fontes de sinal no corpo

• Todos os tipos de biopotenciais• Biopotenciais como a ECG pode ser visto

como um sinal com• Amplitude e direcção• i.e. um vector - também um dipolo

• Existem muitas outras fontes de sinal• Células, músculos, nervos, pele, ... todas as

células e todos os órgãos


Tipos de Biopotenciais?

• EEG• EMG• EOG • ERG• ENG• ECG …

• temperatura• movimento• pH• pO2• químicos…

Outras fontesde sinal?


O cérebro é formado pelos lóbulos frontal, parietal, temporal e occipital.

Neurofisiologia do cérebro/córtex

- Organização grosseira: esquerda/direita, diferentes lóbulos

- Mais fina : fissuras

- Estrutura por camada (6 camadas com diferentes tipos de neurónios

- homúnculos: organização grosseira das áreas sensoriaisao longo do córtex sensor-motor


c) Tipos diferentes de epilepsia dá origem a diferentes tipos de ondas.


Aquisição de dados e análise

• Amostragem• 1024 Hz, 12 bit • Filtro passa-banda primeira ordem: 10-500Hz

• Filtrar dados• Pós-processamento

• Extracção de características


Eléctrodos para EMG

Um eléctrodo com referência

•Mede o potencial de acção num eléctrodo

•Subtrai o sinal comum da referência

Dois eléctrodos com referência

•Mede os potenciais em ambos os eléctrodos

•Utiliza o amplificador diferencial

•Subtrai o sinal comum

•Amplifica a diferença


Exemplo experimental


ElectroRetinoGrama (ERG)• Biopotencial do

olho (retina)• Indicador de

doenças da retina• Registo invasivo

A lente de contacto transparente está dotada de um eléctrodo. O eléctrodo de referência é colocado na fonte direita.


Electroretinograma humano. Um flash em quanta/deg2 dá origem a uma scotopic threshold respone (STR) – capacidade de ver no lusco-fusco.


ElectroNeuroGrama (ENG)

• Medição de potenciais nervosos

• Utiliza agulhas como eléctrodos

• Estimula a periferia e mede a velocidade de condução

• Utilizado para detectar disfunções neuromusculares


Características dos biopotenciais

0.01 – 10050 – 3000EMG

0.001 – 0.30.01 – 10EOG

0.001 – 10.1 – 80EEG

0.05 – 30.01 – 100ECG

Gama de amplitudes (mV)

Gama de frequências (Hz)

Biopotencial


Ruído

• Os sinais EMG têm uma amplitude muito reduzida

• Ruído externo • Ruído da electrónica

• Equipamento de leitura/gravação• Ruído ambiente

• TV, rádio, luzes• Artefactos de movimento

• Movimento dos eléctrodos ou dos fios


Ruído•Diversas fontes

•50Hz das linhas de alimentação – isolar, filtrar

•(e harmónicos; e RF ou rádio frequência)

•Outros biopotenciais

• e.g.EOG no EEG ou EMG em ECG

•Artefactos de movimento – relaxe!

•Ruído dos eléctrodos – eléctrodos de alta qualidade, bons contactos

•Ruído do circuito – bom desenho, bons componentes

•Ruído de modo comum – desenho diferencial, CMRR elevado


Interferência no registo de biopotenciais

Factores principais que podem causar interferência no registo de biopotenciais:

• Oscilação das ligações aos eléctrodos• Acoplamento ao corpo do medidor• Fontes de energia biopotencial do sujeito• Acoplamento electromagnético de outros

dispositivos ou equipamento• Campos magnéticos das linhas de alimentação• Campos eléctricos das linhas de alimentação• Interferência electromagnética, ou EMI


Micro-eléctrodos neuronais

Array plano de micro-eléctrodos para aplicação in-vivo

Array de micro-eléctrodos piramidais

para aplicação in-vivo

Micro-eléctrodo simples, triplo e múltiplo para aplicação in-vivo


Registo/Estimulação no córtex

G. Kovacs, Integrated circuits lab, Stanford Univ.Center for Neural comm. Tech., Univ. of Michigan, Ann Arbor.


Micro-eléctrodos metálicos em pente de elevada densidade U. H. Balbale, J. E. Huggins, S. L. BeMent, S. P. Levine, “Multi-channel analysis of human event-related cortical potentials for the development of a direct brain interface”, vol. 1, pp 13-16, 1999.

Probe implatável integrada com VLSI e sensores electroquímicosP. A. Passeraub, A. C. Almeida, N. V. Thakor, "Design, microfabrication and characterization of a microfluidic chamber for the perfusion of brain tissue slices," Biomedical Microdevices, vol. 5, pp. 147-155, June, 2003.


Ceramic - based Multisite Electrode

Courtesy K. Moxon

In Vivo Implantation and Recording

Multisite recording from barrel cortex

200µm

200 µm

200 µm

A. B. C.


High density electrode array for recording.(http://www.eecs.umich.edu/~wise/Research/Overview/Wise_Research.pdf)

Implantable Silicon micromachined electrodesto stimulate the cortex.

PJ Rousche , RA Norman, “Chronic intracortical microstimulation(ICMS) of cat sensory cortex using Uthan intracortical electrode array”, Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions, vol 7, pp. 56-68

Micro-eléctrodos neuronais


Amplificador de instrumentaçãoAmplificador inversor

Amplificador

não-inversor

Amplificador diferencial cujo ganho pode ser ajustado por

R1, R2, R3, R4

Amplificador diferencial

Op amp’s das entradas não inversorastêm uma elevada impedância de entrada


Amplificador de instrumentação: 1

I1

Relembrar a terra virtual nos opamps

I1 = (V1 – V2)/R1

Relembrar KCL e que não entra corrente nos Opamp’s

I2 = I3 = I1

Relembrar a KVL

VOUT = (R1 + 2R2)(V1 – V2)/R1

= (V1 – V2)(1+2R2/R1)

I2I3


I1

Relembrar a terra virtual do opamp e o divisor de tensão

V- = V+ = V2R4/(R3 + R4)

Relembrar que não entra corrente nos opamp’s

(V1 – V-)/R3 = (V- – VOUT)/R4

Resolvendo,

VOUT = – (V1 – V2)R4/R3

I2I3

Amplificador de instrumentação: 2


Amplificador de instrumentação: Completo

VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3)

Ganho do andar Ie do andar II


Amplificador de instrumentação: completo

VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3)

Características:

• Amp. diferencial

• Ganho muito elevado

• R de entrada elevada

• Rejeição de modo comum

•(e os filtros?)Ganho do andar Ie do andar II


Amplificador de instrumentação: filtros

Características:

• Largura de banda

•Freq. corte baixo

•Freq. corte alto

Filtro

passa-baixo

Filtro

Passa-alto

C1

C1 C2

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