Instrumentação de sinais biológicos

1. Instrumentação de sinais biológicos William Záccaro Gomes

2. Estrutura da apresentação • Introdução • Principais sinais biofísicos estudados • Principais componentes de projeto • Exemplo de instrumento Biomédico • Conclusão

3. I - Introdução

4. 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.

5. Campo de Aplicação

6. 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).

7. Princípios fisiológicos dos biopotenciais - - - - - - + + + - - - + + + + + + - - - + + + - - - - - + + + + + + + - - - + + + - - - - - - + + + - - - + + + + + - REPOUSO DESPOLARIZAÇÃO REPOLARIZAÇÃO POTENCIAL DE MEMBRANA POTENCIAL DEAÇÃO

8. 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.

9. Padrões bem definidos Diagnóstico Aspectos de interesse dos biopotenciais • Duração • Amplitude • Freqüência

10. III – Principais componentes no projeto de um instrumento

11. 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

12. Amplificadores de Instrumentação

13. Amplificador de Instrumentação AD620

14. 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.

15. Amplificadores de Isolamento Simbologia

16. Filtros • Filtro Passa Altas • Filtro Passa Baixas • Filtro Passa Faixa • Filtro Rejeita Faixa

17. Transdutores • Eletrodos de Biopotencial • Transdutores à fibra ótica • pH • Temperatura • Pressão • Transdutores à semicondutores • Pressão • Temperatura

18. Eletrodos de biopotencial • Eletrodo metálico + solução iônica (gel)

19. 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).

20. IV – Exemplo de instrumento Eletrocardiógrafo: Instrumento não invasivo para a medição dos potenciais gerados pela contração e relaxamento do músculo cardíaco.

21. Propagação do potencial de ação no miocárdio

22. 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.

23. Interpretação do sinal de ECG

24. Derivações do sinal de ECG

25. 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

26. 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.

27. V – Conclusão • Nível de complexidade dos transdutores. • Características comuns em sinais biológicos: • Baixa amplitude. • Baixa relação sinal ruído (SNR). • Baixas freqüências.

28. V – Conclusão • Conclusão: Instrumentos devem ser projetados de modo a se adaptarem com as restrições do projeto. • Portabilidade • Segurança • Não invasividade • Baixo custo

29. Espaço para dúvidas