Instrumentação Médica

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

Potencial de repouso da membrana

Neurónio Axónio Membrana da célula Voltímetro Micro-eléctrodo fora da célula Micro-eléctrodo dentro da célula

Origem do potencial de repouso

Neurónio Axónio Corpo da célula Dendrites Exterior da célula interior da célula Interior da célula Exterior da célula Membrana Bomba de Sódio e Potássio bomba Canal Canal Três proteínas mais significativas da membrana

Base física para o potencial

Exterior

Interior

em mM

Se não for injectada corrente, no repouso a corrente total terá que ser = 0

, no repouso

O potencial acção – activar o neurónio

Estímulo

abre canais K+ _{abre canais Na}Estímulo +

Estímulo de despolarização forte

abre mais canais Na+

Potencial de acção Potencial de limiar Potencial de limiar Potencial de limiar Potencial de repouso Potencial de repouso Potencial de repouso hiperpolarização despolarização hiperpolarização despolarização Potencial de acção “Spike”

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

P o te n c ia l d a m e m b ra n a ( m V ) P o te n c ia l d a m e m b ra n a ( m V ) P o te n c ia l d a m e m b ra n a ( m V )

Somatório causa o “disparo”

Tempo (ms) P o te n c ia l d a m e m b ra n a ( m V )

Sem somatório Com somatório

Limiar Limiar

Somatório causa o “disparo”

Excitar Inibir

Sub-limiar sem soma

Condução

dominós em queda Eléctrodo Potencial de acção Tempo P o te n c ia l d a m e m b ra n a ( m V ) Direcção de condução

Condução

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

A despolarização do primeiro potencial de acção espalhou-se para a região vizinhada membrana, despolarizando-a e iniciando um segundo potencial de acção. No local do primeiro potencial 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 origem a um impulso nervoso que passa través do axónio.

Primeiro potencial de acção Segundo potencial de acção Terceiro potencial de acção Segmento de axónio Axónio

Condução por “saltos”

Ajuda da mielina Célula de Schwann Região despolarizada Nodo de Ranvier Folha de mielina Axónio Nodo de Ranvier Folha de mielina Axónio Corpo da célula Membrana do Axónio

Transmissão - Sinapse

Célula pos-sináptica Célula pré-sináptica Neuro-transmissor Receptor Membrana pos-sináptica Proteína Canal iónico Parte de um neuro-transmissor Degradado

Sinapse

Membrana sub-sináptics Membrana pré-sináptics Moléculas transmissoras

Vesículos sinápticos permitem libertar moleculas transmissoras Vesículos sinápticos

armazenam moléculas transmissoras

Sistema genérico de Instrumentação Médica

Grandeza a medir (e.g. pressão sanguínea,

potencial ECG, etc.)

Elemento sensor Processamento de sinal Saída Display

•

Sensores: como eléctrodos, transdutores de pressão

•

Instrumentação: amplificador, filtro, acondicionamento de sinal

•

Microprocessador, telemetria, interface com internet

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 fontes

de sinal?

O cérebro é formado pelos lóbulos frontal, 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 sensoriais ao longo do córtex sensor-motor

Aquisição de dados e análise

•

Amostragem

• 1024 Hz, 12 bit

• Filtro passa-banda primeira ordem: 10-500Hz

•

Filtrar dados

•

Pós-processamento

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

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.

ElectroNeuroGrama (ENG)

•

Medição de potenciais

nervosos

•

Utiliza agulhas como eléctrodos

•

Estimula a periferia e mede a velocidade de condução

•

Utilizado para detectar disfunções

Características dos biopotenciais

0.01 – 100 50 – 3000 EMG 0.001 – 0.3 0.01 – 10 EOG 0.001 – 1 0.1 – 80 EEG 0.05 – 3 0.01 – 100 ECG 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

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

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,

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

electroquímicos

P. 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

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 electrodes to 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

Amplificador de instrumentação

Amplificador inversor Amplificador não-inversor Amplificador diferencial cujo ganho pode ser ajustado por R1, R2, R3, R4

Amplificador diferencial

Op amp’s das entradas não inversoras têm 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 V_OUT = (R₁ + 2R₂)(V₁ – V₂)/R₁ = (V₁ – V₂)(1+2R₂/R₁) I₂ I₃

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_- – V_OUT)/R₄ Resolvendo, V_OUT = – (V₁ – V₂)R₄/R₃ I₂ I₃

Amplificador de instrumentação: 2

Amplificador de instrumentação: Completo

V_OUT = – (V₁ – V₂)(1 + 2R₂/R₁)(R₄/R₃)

Amplificador de instrumentação: completo

V_OUT = – (V₁ – V₂)(1 + 2R₂/R₁)(R₄/R₃)

Características: • Amp. diferencial

• Ganho muito elevado • R de entrada elevada • Rejeição de modo comum

•(e os filtros?)

Amplificador de instrumentação: filtros

Características: • Largura de banda

•Freq. corte baixo •Freq. corte alto

Filtro passa-baixo Filtro Passa-alto C1 C1 C2