Instrumentação Médica

Aula 3 - 2005imlebiom2006

Licenciatura em Engenharia Biomédica

3º Ano/ 2º Sem.

Paulo Mendes

http://dei-s1.dei.uminho.pt/pessoas/pmendes/IMLEBIOM 2005/2006

Instrumentação Médica

Sensores

•

Classificação de sensores

• Tecnologia do sensor (micro, nano...)

• Meio de utilização (seco, aquoso, fluido biológico, ...)

• Propriedade a medir (fluxo, massa, temperatura, ...)

• Princípio de funcionamento (físico, químico, bioquímico, ...)

•

^Físicos

• Resistivos

• Indutivos

• Capacitivos

• Piezoeléctricos

• Temperatura

• RTD

• Termístor

• Termopar

• Radiação

• Ópticos

•

Um sensor é um Transdutor:

O que é um transdutor ?

É um dispositivo que converte uma forma de energia noutra forma de energia

Actuadores Sensores

Parâmetro físico

Saída eléctrica

Entrada eléctrica

Saída física

e.g. Piezoeléctrico:

Força -> Voltagem Voltagem -> Força

=> Ultrassons!

Sensores físicos

• Fluxo e pressão sanguínea

• Impacto, aceleração

• Pinças cirúrgicas para medir a força aplicada

•Airbag

• Temperatura do corpo

Sensores físicos biomédicos

• Pacemaker

• Airbag

Uma aplicação para um sensor de

pressão da bexiga?

Sensores de deslocamento

• Medidas de deslocamento:

• O médico e o biomédico medem o tamanho, a forma e a posição de órgãos e tecidos no corpo.

• Sensores de deslocamento podem ser usados em medições

• directas (e.g. alteração num diâmetro de um vaso)

• indirectas (e.g. diafragma do estetoscópio)

Sensores resistivos

•

Materiais: fio condutor enrolado; filme de carbono;

filme metálico; plástico condutor; material cerâmico

•

Três tipos de

potenciómetros para medir deslocamentos

(a) de translação (b) 1 volta

(c) Multi-volta.

•

A sensibilidade dos semicondutores (p: 100 a 170; n: -100 a -140) é 50 a 100 vezes maior que a dos metais ou ligas metálicas, mas é muito dependente da temperatura. Nos metais, G depende essencialmente de efeitos dimensionais; nos semicondutores depende do efeito piezo-resistivo.

Note que μ = 0,3 na maioria dos metais

Relação de um strain gage

G é uma medida da sensibilidade

Imagine isto como uma função de transferência!

⇒Entrada é a deformação

⇒ Saída é dR

⇒Coloque um strain gauge de mercúrio em volta de um braço ou peito para medir a força de contracção de um músculo ou para detectar a respiração

⇒Utilizado em próteses ou detecção de apneia neonatal

Sensores Resistivos - Strain Gages

Sensores Resistivos - Strain Gages

•

Usadas em pesquisas dentárias (força de dentadas); medidas de pressão sanguínea (podem ser colocadas na ponta de catéteres e inseridas

directamente nos vasos sanguíneos); sensores de pressão na medida de ritmos cardíacos;

•

As SGs semicondutoras são mais sensíveis mas menos lineares que as metálicas, e mais dependentes de T. O sensor integrado da figura c) dois slides adiante apresenta elevada sensibilidade e boa compensação de temperatura se os 8 sensores forem ligados em ponte da forma indicada.

•

^SGs elástico-resistivas são usadas em biomedicina (cardio, pulmonar…);

tubo de borracha silicónica preenchido com electrólito, pasta condutora ou mercúrio e selado com eléctrodos nas pontas. 0.02-2 W/cm; lineares até 1%, com 10% de extensão (4% de não linearidade com 30%); f - dezenas Hz, é a resposta dinâmica.

As strain gages são geralmente montadas em pranchas ou diafragmas e medem a deflecção destes

É normalmente necessário mais do que uma strain gage e a leitura

Onde se podem usar no corpo humano?

E.g. protético, ou joelho/anca artificial?

Sensores Resistivos - Strain Gages

Sensores Resistivos - Strain Gages

•

'Strain-gages' (aferidores/medidores de esforço) ligados (depositados/ colados sobre o material esforçado)

(a) Fio resistivo. (b) ziguezague. (c) Fio helicoidal. As setas indicam a direcção do esforço correspondente a uma máxima sensibilidade.

strain gages de semicondutor

(a) Solto, dopagem uniforme.

(b) Medidor difundido, tipo p.

(c) Sensor de pressão integrado.

(d) Sensor de força integrado do tipo cantilever.

Sensores Resistivos - Strain Gages

http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/strain3.html

Aplicações!

⇒ Pinças cirúrgicas

⇒ Transdutores de

pressão sanguínea (e.g.

Pressão intracraniana)

Pontes de medida

• Circuito de condicionamento de sinal para um sensor de pressão

piezoresistivo de silício. Os quatro elementos do sensor estão

ligados em ponte e a deformação altera simetricamente pares de

resistências. Assim, a sensibilidade é máxima

.

Pontes de medida

•

(a) Sensor de pressão ('strain-gage') livre. O diafragma está directamente acoplado à SG por uma armadura. Com pressão crescente, o esforço no par B e C é aumentado, enquanto que no par A e D diminui.

•

(b) Ponte de Wheatstone com 4 elementos activos R1 = A, R2 = B, R3 = D, e R4 = C quando o dispositivo está ligado para movimento de translacção. A resistência Ry e o potenciómetro Rx são usados para equilibrar a ponte no início. Vi é a tensão

aplicada e ΔV0 é a tensão lida num voltímetro de resistência interna Ri.

Pontes de medida (e.g. Wheatstone - PW)

• A PW é ideal para medir pequenas variações de resistência

• (Vi aplicada, ΔVo lida). A ponte está equilibrada se R1/R2=R4/R3

• São calibradas para a condição neutra, ou de equilíbrio (resistência de calibração no braço oposto ao do sensor)

• Se inicialmente R1=R2=R4=R3=R0 então ΔVo=0. Um aumento ΔR em todas as resistências mantém o equilíbrio

• Se R1 e R3 aumentam de ΔR e R2 e R4 decrescem de ΔR,então:

•

Pletismografia (medição de variações de volume) com SG de Mercúrio- em borracha

•

(a) SG de quatro contactos aplicada à manga (braço) humana.

•

(b) Tensão de saída da ponte quando usada em pletismografia de oclusão venosa.

•

(c) Tensão desaída da ponte quando usada em pletismografia de pressão arterial no pulso.

Sensores indutivos

• A indutância é dada por L = n

²

Gμ sendo:

• n = número de voltas do enrolamento

• G = factor de forma (tem a ver com a geometria do sensor)

• μ = permeabilidade magnética efectiva do meio

• Qualquer destes parâmetros pode ser alterado por meios mecânicos.

• Os sensores indutivos não são afectados pelas

propriedades dieléctricas do meio, mas são-no pela proximidade de materiais magnéticos ou por campos magnéticos externos.

• São aplicados em medição de volumes cardíacos, em monitorização de respiração de crianças e na

verificação de diâmetros de vasos sanguíneos.

Sensores indutivos

Uma indutância é basicamente uma espiral de fio sobre um núcleo

(ferroso)

Responde a campos eléctricos ou magnéticos

Um transformador é constituído por pelo menos duas espirais

enroladas sobre o núcleo: uma é o primário e a outra é o secundário

Primário Secundário Sensor de deslocamento

Inductâncias e transformadores só funcionam para sinais AC

Sensores indutivos

•

Sensores de deslocamento indutivos

•

(a) Por auto-indutância.

•

(b) Por indutância mútua.

•

(c) Transformador diferencial (LVDT). O LVDT serve para medir deslocamentos, pressão e força em aplicações biomédicas. F =60 a 20 kHz. Tem uma sensibilidade muito maior do que as Strain Gages (0.5- 2 mV por 10μm/V no primário)

c

d

c

c d

(a) (b) (c)

c d

a a

a

b

e d c b

b

d

Sensores indutivos - LVDT

•

Os sensores indutivos LVDT têm a desvantagem de necessitar de circuitos de processamento complexos

•

(a) Quando x se move para o zero, a fase muda 180°, enquanto que a magnitude de vo é proporcional à magnitude de x.

•

(b) Um rectificador desmodulador vulgar não consegue distinguir entre (a) e (b), sendo necessário usar um desmodulador sensível à fase.

Sensores indutivos - LVDT

LVDT

Linear Variable Differential Transformer

http://www.pages.drexel.edu/~pyo22/mem351-2004/lecture04/pp062-073lvdt.pdf Um LVDT é utilizado como um sensor de deslocamento: por exemplo, num dispositivo de assistência cardíaca ou num dispositivo para estudar o deslocamento produzido pela contracção de um músculo.

Sensores capacitivos

• A capacidade entre dois pratos paralelos de área A separados da distância x é dada por C = ε

_o

ε

_r

A / x sendo

• ε_o = constante dieléctrica do vazio

• ε_r = constante dieléctrica relativa do meio (1.0 no ar)

• Qualquer dos parâmetros de C pode ser alterado por meios mecânicos, mas o mais vulgar é fazer variar a separação entre os pratos, x.

• A sensibilidade é K, concluindo-se que, para pequenos

deslocamentos, a variação percentual em C é simétrica à

variação percentual em x.

Sensores capacitivos

e.g. um condensador electrolítico é feito de alumínio evaporado em ambos os lados de um filme plástico

muito fino (electrólito)

Condensadores

electrolíticos ou

cerâmicos

Sensores capacitivos

Configurações possíveis

c. Modo diferencial

b. Dieléctrico variável

a. Área variável

Sensores capacitivos

• Sensor capacitivo, e amplificador, para medir deslocamentos dinâmicos

Questão: Como se detecta a variação de capacidade?

Como funciona um teclado de um elevador ou certos teclados sem contacto?

Sensores piezoelécticos

O que é a piezolectricidade ?

Strain causa a

redistribuição das cargas o que produz um dipolo eléctrico (um dipolo é uma espécie de bateria!) Um material

piezoeléctico produz uma voltagem através da

distribuição de carga (sob stress/pressão mecânica)

Diferentes aplicações transdutoras:

⇒Acelerómetro

⇒Microfone

Sensores piezoelécticos

•

A carga induzida q no sensor piezoeléctrico é proporcional à força f aplicada:

q = k f

• k = constante piezoeléctrica em C/N

•

Usam-se para medir deslocamentos fisiológicos e gravar sinais do coração.

•

Geram uma d.d.p. quando esforçados mecanicamente, e vice-versa, isto é, um potencial aplicado causa deformação física no material. O princípio físico

subjacente consiste numa alteração da malha cristalina provocar um rearranjo de carga. Há vários modos de operação geométrico-mecânica

•

A variação em tensão, V, é calculada modelando o sensor como um condensador de pratos paralelos. Há uma resistência de fugas RS que vale tipicamente 100 GΩ

•

Se A = 1 cm², x = 1 mm, uma força de 10 g causa V=0,23 mV no quartzo e V=14 mV no titanato de Bário.

•

k: 2,3 pC/N no quartzo e 140 pC/N no titanato de Bário.

•

Há sensores de filmes poliméricos (e.g.

polyvinylidene fluoride - PVDF)

Sensores piezoelécticos

•

(a) Circuito equivalente do sensor piezoeléctrico, onde Rs = resistência de fugas do sensor, Cs = capacidade do sensor, Cc = capacidade do cabo, Ca = capacidade de entrada do amplificador, Ra = resistência de entrada do

amplificador, e q é o gerador de carga.

•

(b) Circuito equivalente simplificado e modificado com um gerador de

corrente a substituir o gerador de carga; q = Kx se a deflecção x fôr proporcional a f, com K em C/m, e, então, se iS=Kdx/dt temos

Sensores piezoelécticos - Circuitos

Sensores piezoelécticos

• Resposta do sensor piezoeléctrico a um

deslocamento em 'degrau'

Sensores piezoelécticos

• Figura 2.11 (a) Modelo do circuito de um sensor piezoeléctrico para altas frequências.

• Rs é a resistência de fugas do sensor e Cs é a capacidade. Lm, Cm, e Rm representam o sistema mecânico.

• (b) Resposta em frequência do sensor piezoeléctrico.

Sensores de temperatura

• A temperatura do corpo humano dá indicações sobre:

• choque (acompanhado de baixa pressão arterial);

• infecções;

• a anestesia faz diminuir a temperatura;

• A hipotermia é induzida quando se pretende reduzir o metabolismo dos pacientes;

• o seu controlo é muito importante em incubadoras;

• a temperatura de articulações com artrite dá informação sobre o seu estado;

• É necessário escolher cuidadosamente o local onde se

mede a temperatura pois, e.g., a pele e a mucosa oral têm a

temperatura (bem) diferente da verdadeira temperatura do

corpo.

Sensores de temperatura

1. Baseados em resistência

a. RTDs - Resistance Temperature Devices b. Termístores

2. Termoeléctricos – Termopares 3. Termometria de radiação

4. Sensor de fibra óptica

RTDs

Os RTDs são feitos de materiais cuja resistência varia de acordo com a temperatura

Entre os metais normalmente utilizados estão a platina, o níquel e o cobre

Estes exibem um coeficiente de temperatura positivo.

Ponta comercial RTD da ThermoWorks

Termístores

•

São semicondutores, feitos de materiais cerâmicos, que se comportam como termo-resistências com elevado coeficiente negativo de

temperatura (oposto ao dos metais)

•

Em aplicações biomédicas a resistividade dos termístores varia entre 0.1 e 100 Ω.m.

•

Têm pequenas dimensões e grande sensibilidade às variações de

temperatura (-3% a -5%/ºC) e têm excelente estabilidade a longo prazo (0.2% de variação máxima de resistência nominal por ano)

•

A resistência R_T, a potência zero, é (β é a constante material do termístor, em K, e T₀ é a temperatura de referência, em K)

(β entre 2500 e 5000 K, na maioria dos dispositivos)

Termístores

•

(a) Características típicas do rácio resistência relativa-temperatura para vários materiais.

•

(b) Característica tensão-corrente para um termístor no ar e na água. As linhas diagonais de declive positivo marcam valores lineares de resistência e ilustram o grau de linearidade do termístor com correntes baixas. A intersecção das curvas do termístor com as diagonais de declive negativo dão a potência dissipada no dispositivo. O ponto A indica a corrente máxima sem efeito de auto-aquecimento apreciável. O ponto B é a tensão de pico. O ponto C indica a Dentro de uma pequena gama

dinâmica é possível linearizar o termístor

Termístores

• Sem (auto) aquecimento significativo, os termístores são bastante lineares. Com aquecimento apreciável podem apresentar resistências incrementais negativas e, mesmo, atingir a auto-destruição térmica.

• As constantes de tempo associadas aos termístores podem variar de alguns ms até alguns minutos.

• Há processos de corrigir (ou melhorar) a não linearidade intrínseca na relação R

_T

-T. Nos instrumentos modernos

existem tabelas de correcção armazenadas nos computadores de controlo dos instrumentos.

• Usam-se pontes, amplificadores e técnicas similares àquelas

usadas com os sensores resistivos para processar os sinais

provenientes dos termístores. São de pequenas dimensões e

podem ser ligados a catéteres.

Termopares

•

Princípio de funcionamento: Seebeck descobriu em 1821 que uma emf se desenvolve numa junção entre dois metais diferentes. Ela deve-se a dois efeitos:

• Ao efeito de Peltier onde a emf se deve somente ao contacto de dois metais diferentes, e à temperatura da junção;

• e ao efeito de Thomsom (Lord Kelvin) em que a emf se deve ao gradiente de temperatura ao longo de cada condutor isolado.

•

Na prática, para cada tipo de junção verifica-se que (T é em ºC e a junção de referência é mantida a 0 ºC)

E = aT + (1/ 2)bT ² +...

•

A sensibilidade termoeléctrica (ou coeficiente de Seebeck) α é:

α = dE / dT = a + bT +...

Termopares

• A emf do termopar é uma função das propriedades dos metais e da diferença de temperaturas nas junções. Na prática, uma das junções é mantida a uma temperatura constante (ou, de forma equivalente, essa compensação é feita por circuitos electrónicos).

• ^{Três Leis:}

• 1. (circuitos homogéneos) - num circuito composto apenas por um metal não se pode manter uma corrente apenas pelo efeito de

variação de temperatura.

• 2. (metais intermédios) - a emf total num circuito que consiste na interconexão de vários metais é nula se estes estiverem todos à mesma temperatura.

• 3. (temperaturas intermédias) - se E1 é medida com junções a temperaturas T1 e T2 e se E2 é medida com as mesmas junções a temperaturas T2 e T3, então com as junções a temperaturas T1 e T3 mede-se E1+E2 (usa-se em calibrações).

Termopares

•

(a) FEM de Peltier.

•

(b) Lei dos circuitos homogéneos.

•

(c) Lei dos metais intermédios.

•

(d) Lei das temperaturas intermédias.

• Ligações de termopares

Arrefecer chips e circuitos electrónicos

Termometria de Radiação

•

PRINCÍPIO: há uma relação

conhecida entre a temperatura de uma superfície e a potência que radia. Isto permite medir a

temperatura sem entrar em contacto com o corpo.

•

A termografia consiste em fazer um mapa da temperatura

superficial do corpo. Tem sido usada (com alguma controvérsia) para diagnosticar certas doenças.

•

CORPO NEGRO: radiador térmico ideal: absorve toda a radiação incidente e emite a radiação térmica máxima possível.

•

A radiação emitida por um corpo é dada pela Lei de Planck:

Termometria de Radiação

•

(a) Emitância radiante espectral versus comprimento de onda para um corpo negro a 300 K no eixo esquerdo vertical;

percentagem da energia total no eixo vertical direito.

•

(b) Transmissão espectral para alguns materiais ópticos.

•

(c) Sensibilidade espectral de detectores térmicos e de fotões.

Sensores de fibra óptica

•

Os sensores e a fibra neste exemplo são muito pequenos, e compatíveis com

implantação biológica após a sua superfície ser tratada. Alguma potência óptica é absorvida no semicondutor devido à promoção de electrões de valência. O hiato de energia é uma função da temperatura, a potência absorvida aumenta com a temperatura.

• Detalhes de uma sistema fibra/sensor numa sonda de

temperatura semiconductora em GaAs.

•

Os sistemas de medida

ópticos são muito usados em medicina. A figura descreve os vários blocos destes

sistemas:

•

(a) Diagrama de blocos genérico de um instrumento óptico.

•

(b) Obtém-se a maior

eficiência pelo uso de uma lâmpada de alta intensidade, lentes para focar a luz na amostra na cuvette e um detector sensível.

•

(c) Lâmpadas e detectores de estado sólido podem

simplificar o sistema.

• Características espectrais de fontes, filtros, detectores, e combinações

• (a) Light sources, Tungsten (W) at 3000 K has a broad spectral output. At 2000 K, output is lower at all

wavelengths and peak output shifts to longer wavelengths. Lightemitting diodes yield a narrow spectral output with GaAs in the infrared, GaP in the red, and GaAsP in the green. Monochromatic outputs from common lasers are shown by dashed lines: Ar, 515 nm; HeNe, 633 nm; ruby, 693 nm; Nd, 1064 nm;

CO2 (notshown), 10600 nm.

• (b) Filters. A Corning 5-65 glass filter passes a blue wavelength band. A Kodak 87 gelatin filter passes infrared and blocks visible wavelengths. Germanium lenses pass long wavelengths that cannot be passed by glass. Hemoglobin Hb and oxyhemoglobin HbO pass equally at 805 nm and have maximal difference at 660 nm.

• (c) Detectors. The S4 response is a typical phototube response. The eye has a relatively narrow response, with colors indicated by VBGYOR. CdS plus a filter has a response that closely matches that of the eye. Si p-n junctions are widely used. PbS is a sensitive infrared detector. InSb is useful in far infrared. Note:

These are only relative responses. Peak responses of different detectors differby 107.

• (d) Combination. Indicated curves from (a), (b), and (c) are multiplied at each wavelength to yield (d), which shows how well source, filter, and detectorare matched.

•

Características eléctricas de junções p-n (LEDs). Os díodos de silício vulgares têm um 'band gap' (fosso de energia, hiato) de 1.1 eV e são radiadores ineficientes no infravermelho próximo. O GaAs tem um hiato de 1.44 eV e radia a 900 nm. O GaP tem um hiato de 2.26 eV e radia a 700 nm.

•

Feixes de fibras não coerentes (transmissão de radiação)

•

Feixes de fibras coerentes (visão - endoscópio)

•

Óptica dentro da fibra. A linha sólida mostra a refracção dos raios que escapam pela parede da fibra. A linha a tracejado indica reflexão interna total dentro da fibra. Pela Lei de Snell, n₂ sin θ₂ = n₁ sin θ₁. O ângulo crítico θ_ic é quando sin θ₂ = 1, que dá θ_ic = arcsin(n₂/n₁).

•

Fotomultiplicador Um fotão incidente choca com o fotocátodo e liberta um electrão. Este electrão é acelerado até ao primeiro díodo, que está 100 V mais positivo do que o cátodo. O impacto liberta alguns electrões por emissão secundária. São acelerados até ao segundo díodo, que está 100 V mais positivo que o primeiro díodo. Esta multiplicação de electrões continua até se atingir o ânodo, onde correntes de cerca de 1 μA fluem em R_L.

•

Características I-V de uma junção p-n de silício iluminada. Para irradiância 0, ambas as características directa e inversa são as do díodo normal. Para uma radiação de 1 mW/cm2, a tensão em aberto é 500 mV (Thévenin) e a corrente de curto-circuito (Norton) é 0.8 μA. Para 10 mW/cm2 a tensão em aberto é 600 mV e a corrente de curto-

Outros elementos ópticos

•

Cristais líquidos: reflectividade varia com um campo eléctrico

•

^Filtros: controlam a distribuição de energia radiante por comprimento de onda: luz polarizada; cores; redes de difracção;

•

^Lasers: e.g. He-Ne (633 nm-red), Ar (515 nm), CO2 (potência).

Aplicações oftalmológicas e cirúrgicas.

•

Sensores térmicos: absorvem radiação e transformam-na em calor (e.g. sensor piroeléctrico, termístor, termopar)

•

Sensores quânticos: absorvem energia de fotões e libertam electrões (olho, fotodíodo, emulsão fotográfica, fototubo)

•

^Outros: sensores fotoemissivos (fototubo , fotomultiplicador); células fotocondutivas (fotoresistências); sensores baseados em fotojunções;

sensores fotovoltaicos.

Sensores químicos (Biosensores)

Biosensores produzem uma saída (eléctrica) que é proporcional à concentração dos analytes biológicos.

Biosensor típico Acondicionamento de sinal

Analyte

Agente biológico de detecção

Transdutor

Princípios de detecção

• Electroquímico

• Voltimétrico

• Amperimétrico

• Baseado em FET

• Conductimétrico

• ^Óptico

• Piezoeléctrico

• ^Térmico

=> Sensor neuroquímico para a dopamina, óxido nítrico, etc.

=> Pulse oximeter

=> Acelerómetro, microfone

⇒ Probes rectais, pacemaker

Chemical binding muda a propriedade de ressonância tal como a frequência

Absorção, transmissão da fibra óptica

Resposta em temperatura a uma reacção química

Sensores químicos

Transdução electroquímica directa

Princípios de detecção

Sensores electroquímicos

Potentiometric : These involve the measurement of the emf (potential) of a cell at zero current. The emf is proportional to the logarithm of the concentration of the substance being determined.

Amperometric : An increasing (decreasing) potential is applied to the cell until oxidation (reduction) of the substance to be analyzed occurs and there is a sharp rise (fall) in the current to give a peak current. The height of the peak current is directly proportional to the concentration of the electroactive material. If the appropriate oxidation (reduction) potential is known, one may step the potential directly to that value and observe the current.

Conductometric. Most reactions involve a change in the composition of the solution. This will normally result in a change in the electrical conductivity of the solution, which can be measured electrically.