sensores biomagnéticos e aplicações

Sensores BioMagnéticos

e Aplicações

Prof. Adilton

Departamento de Física e Matemática

FFCLRP-USP-Ribeirão Preto

São Paulo-Brazil

e-mail: [email protected]

sites.ffclrp.usp.br/giimus

Grupo de Biomagnetismo-DFM-

USP-Ribeirão Preto

Principais Fontes de

Campos Biomagnéticos


USP-Ribeirão Preto

Intensidade Típica dos Campos

Biomagnéticos e do Ruído


USP-Ribeirão Preto

O Biosusceptômetro AC

Um arranjo de bobinas produz um sinal de excitação que é detectado pelo amplificador lock-in. Quando balanceado nenhuma voltagem é detectada. A presença de substâncias ferromagnéticas próxima de uma das extremidades produz uma tensão.


USP-Ribeirão Preto

Características Físicas

Sistema gradiométrico de primeira

ordem.

Decaimento do sinal

Boa sensibilidade

r6

N N V A I

r r a r b r b a

o

'

[( ) ( ) ( )

]

2

3 3 3 34

1 1


USP-Ribeirão Preto

Gastroenterologia-

Motivação

Para que o processo de digestão se realize o alimento tem que transitar por diferentes segmentos do tubo digestivo com uma velocidade apropriada.

Enzimas

Motilidade

Irrigação

Sinais elétricos


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Atividade Mecânica do

Estômago


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Alimento Teste

As medidas com o biosusceptômetro

AC (BAC) exigem a ingestão de uma

refeição de prova contendo marcadores

ou traçadores magnéticos inertes. A

ferrita em pó e magnetita são utilizadas

em concentrações de 1-4% em peso.


USP-Ribeirão Preto

Contrações Gástricas

0 100 200 300 400

-30

-20

-10

0

10

20

30

~~1 min

Am

plit

ude (

mV

)

Tempo (s)


USP-Ribeirão Preto

Funcionamento de Um

Fluxgate


USP-Ribeirão Preto

Fluxgate com Núcleo de

Anel


USP-Ribeirão Preto

Arranjo Experimental para

Medida da Magnetização


USP-Ribeirão Preto

Processo de Relaxação


USP-Ribeirão Preto

Decaimento da Magnetização

Devido à Atividade Mecânica do

Estômago

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200 250 3000

100

200

300

400

500

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0

1

2

3

4

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 3000

100

200

300

400

500

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

250

300

350

400

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

1

2

3

4

5

6

7

8

Respiration

Contraction of the Stomach

Sp

ectr

al

Den

sity

(n

T/H

z1/2)

x1

03

Frequency (Hz)

a

= 127 s

Rem

an

ent

Ma

gn

etiz

ati

on

(n

T)

Time (s)

b

= 127 s

Rem

an

ente

Ma

gn

etiz

ati

on

(n

T)

Time (s)

Respiration


Sp

ectr

al

Den

sity

(n

T/H

z1/2)

x1

05

Frequency (Hz)

Respiration


Sp

ectr

al

Den

sity

(n

T/H

z1/2)

x1

05

Frequency (Hz)

c

= 121 s

Rem

an

ent

Ma

gn

etiz

ati

on

(n

T)

Time (s)

d

= 140 s

Rem

an

ent

Ma

gn

etiz

ati

on

(n

T)

Time (s)


Respiration

Sp

ectr

al

Den

sity

(n

T/H

z1/2)

x1

04

Frequency (Hz)

Medidas

realizadas em

um intervalo de

40 minutos


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Magnetização

Remanente


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Um Possível

Mecanismo Agitador do

Estômago


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Reflexo Gastrocólico


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Alimento Teste

3 g magnetita (Fe3O4) 15 g aveia Água


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Sinal Magnético da

Região do Ceco


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Transformada de Fourier

do Sinal Magnético


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Evolução da Componente

Z do Campo magnético

Antes da

Refeição

Depois da

Refeição


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Efeito de uma droga sobre

o reflexo gastrocólico

(Buscopan 40 mg)

Antes Depois


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O Efeito Josephson

)(sen 21 fluxoq

sdAq

II cj


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RF-SQUID

Desenho Original de James E. Zimmerman co-inventor desse

dispositivo


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SQUID-DC

Transformador de Fluxo

Sensibilidade 10-32 J e função de transferência 106 V/A


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Gradiômetros


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Métodos para a medida

da sobrecarga de ferro

no fígado

Biopsia de agulha (gold standard)

Concentração de ferritina no plasma

Resonancia Magnética

Susceptibilidade Magnetica


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Aspecto macroscópico

do fígado com

sobrecarga de ferro


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Aspecto microscópico

do fígado com

sobrecarga de ferro


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Uma estimativa

B= ?


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A técnica

susceptometrica

Magnetização da amostra usando um

campo magnético AC ou DC.

Um detector gradiométrico acoplado a

SQUID RF ou DC, com cancelamento

ativo.

Medida da variação do campo em

presença da amostra é utilizado para

quantificar a presença do ferro


USP-Ribeirão Preto

Procedimento de medida

M=0


USP-Ribeirão Preto

B

Procedimento de medida

M=0


USP-Ribeirão Preto

Modelo Físico

“leading field”

Vol

dm

d

femferdrBrB

I

c3

0

,

Tripp, JH (1983). Biomagnetism: an Interdisciplinary Approach, Physical Concepts and

Mathematical Models, pp. 101-139.

Cfe = concentração de ferro

m,fe = susceptibilidade mássica do ferro

Bm = Campo Magnetizaste

Bd = “Lead Field” no transformador de fluxo


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Simplificando

C = Fator de calibração do susceptometro

= Fator de correçãp (interferência do sistema, etc)

CV


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Susceptômetro com

Campo Homogêneo


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Calibração

Fe+3

H2O

Raio da esfera = 0.056 m

Raio do cilindro = 0.221 m

Comprimento do cilindro = 0.303 m


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Sinal típico do SQUID

versus distancia

Medidas

realizadas

em um

fantom

preenchido

com água

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

-0.001

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

Am

plit

ude

(V

olts)

Distance Sensor-Sample (m)

Curva Experimental

Curva Simulada


USP-Ribeirão Preto

Sinal do SQUID versus

concentração de ferro

0,0 3,7 7,4 11,1 14,8 18,5 22,2

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0

-224

-149

-75

0

75

149

Suscep

tom

ete

r O

utp

ut (p

T)

V= -0,305 + 0,021*cfecl

3.6H

2O

R=0,999

Ferritin Equivalent (mgftn/gtecido

) S

uscep

tom

ete

r O

utp

ut (V

olts)

FeCl3.6H

2O (mg/g

H2O) Concentration

Experimental Data

Linear Fitting


USP-Ribeirão Preto

Primeiras Medidas in

vivo


USP-Ribeirão Preto

Sinal típico em um

sujeito normal sem bolsa

de água

a) Normal b) Talassemico

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

-187

-149

-112

-75

-37

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

-187

-149

-112

-75

-37

0

(b)(a)

A

mplit

ude o

f th

e S

ignal (p

T)

Am

plit

ude o

f th

e S

ignal (V

olts)

Distance sensor-skin (mm)

liver side

opposite side

A

mplit

ude o

f th

e S

ignal (p

T)

Am

plit

ude o

f th

e S

ignal (V

olts)

Distancia sensor-skin (mm)

liver side

opposite side


USP-Ribeirão Preto

Problemas.....

B r-3

Incertezas no posicionamento

Assimetria do Torso

Interferência dos pulmões e baço

Tempo de medida


USP-Ribeirão Preto

Linhas de

iso-sensibilidade

Campo não

homogêneo Campo homogêneo

5

1nBB

ndm

5

1nBB

ndm


USP-Ribeirão Preto

Bolsa com água sobre o

torso meio homogêneo

Water

Torso

Fixer mattress


USP-Ribeirão Preto

Avaliação do Sistema

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.030

0.035

0.040

0.045

0.050

V= 0.04735 + -0.0327 * Concentration

Linear Correlation = -0.998

Am

plit

ude

(V

olts)

Concentration of iron III (mgFe3+

/gH

2O)

Experimental Data

Linear Fit


USP-Ribeirão Preto

Medidas em um fantom

contendo água pura usando

a bolsa com água

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

-149

-112

-75

-37

0

Am

plit

ude (

pT

)

Am

plit

ude (

Volts)

Distance Sensor-Sample (m)

"liver" with no iron

phantom+water bag

without sample


USP-Ribeirão Preto

Medidas in vivo usando

a bolsa com água

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0

15

30

45

60

75

90

104

119

134

A

mp

litu

de

of th

e S

igna

l (p

T)

Am

plit

ude

of th

e S

igna

l (V

olts)

Distance sensor-skin (mm)

Normal Subject

Thalassemic Patient


USP-Ribeirão Preto

Resultados iniciais de

medidas in vivo

0 10 20 30 40-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

-8

0

8

16

24

32

40

49

57

65

73

Liv

er

Iron (

mol ftn/g

wet

tissue)

Liv

er

Iron (

mg ftn

/gw

et

tissue)

Number of subject

Normal Subject

Thalassemic Patient


USP-Ribeirão Preto

Magnetoencefalografia

(MEG)


USP-Ribeirão Preto

Fontes do MEG e EEG


USP-Ribeirão Preto

Campo Magnético de um

Dipolo de Corrente

23

222

0z

yx1

x

4ππ

QμB

y

x

z

liQ


USP-Ribeirão Preto

Distorção do EEG

por Diferenças de Condutividade


USP-Ribeirão Preto

Detecção das Fontes de

MEG

(http://www.ctf.com/)


USP-Ribeirão Preto

Cálculo das Fontes de

MEG


USP-Ribeirão Preto

Biogradiometro Monocanal

Vista de um biogradiometro

monocanal, com um SQUID,

gradiometro com 2.5 cm de

diâmetro e 7 cm de linha de

base, posicionado sobre o

estomago para medidas de r

MGG. A componente

vertical vertical do campo é

medida.


USP-Ribeirão Preto

Omega 151 and Omega 275

http://www.ctf.com/


USP-Ribeirão Preto

Arranjo dos Sensores


USP-Ribeirão Preto

Magnes II – Sistema Bti

Sensor Dual Magnes II, Bti - 2 x 37 Canais

Montado no Interior de uma Câmara Magneticamente Blindada


USP-Ribeirão Preto

Sistema no interior de uma sala

magneticamente blindada


USP-Ribeirão Preto

Campos Evocados

Avg = 10Avg = 25Avg = 50

M50

M100M200

100 fT

Avg = 120


USP-Ribeirão Preto

Interpretação dos Dados

resposta normal a um estímulo auditivo nos

dois ouvidos


USP-Ribeirão Preto

Localização - MSI

Modelo de um Único Dipolo

Densidade de Dipolos

Filtro Gaussiano

Kernel – Resolução de 2 mm

Principais Regiões

Giro Temporal Superior

Estruturas Temporais Mediais

sensores biomagnéticos e aplicações

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