Sensores BioMagnéticos e Aplicações

(1)

Sensores BioMagnéticos

e Aplicações

Prof. Adilton

Departamento de Física e Matemática

FFCLRP-USP-Ribeirão Preto

São Paulo-Brazil

e-mail: adilton@ffclrp.usp.br

sites.ffclrp.usp.br/giimus

(2)

Principais Fontes de

Campos Biomagnéticos

(3)

Grupo de Biomagnetismo-DFM-USP-Ribeirão Preto

Intensidade Típica dos Campos

Biomagnéticos e do Ruído

(4)

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.

(5)

Características Físicas

Sistema gradiométrico de primeira

ordem.

Decaimento do sinal

Boa sensibilidade

r



6  







 

N N

V A I

r r a

r b

r b a

o

'

[

(

)

(

) (

)

]

  



2

3

4

1

(6)

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

(7)

Atividade Mecânica do

Estômago

(8)

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.

(9)

Contrações Gástricas

0 100 200 300 400 -30 -20 -10 0 10 20 30

~

~1 min

A

m

pl

it

ud

e (

m

V

)

Tempo (s)

(10)

Funcionamento de Um

Fluxgate

(11)

Fluxgate com Núcleo de

Anel

(12)

Arranjo Experimental para

Medida da Magnetização

(13)

(14)

Decaimento da Magnetização

Devido à Atividade Mecânica do

Estômago

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 500 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 0,6 0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Respiration

Contraction of the Stomach

S p ec tr al D en sit y ( n T /Hz 1 /2) x10 3 Frequency (Hz) a  = 127 s Rem anent M ag net iz at ion ( nT ) Time (s) b  = 127 s Rem anent e M ag net iz at ion ( nT ) Time (s) Respiration Contraction of the Stomach

S p ec tr al D en sit y ( n T /Hz 1 /2) x10 5 Frequency (Hz) Respiration Contraction of the Stomach

S p ec tr al D en sit y ( n T /Hz 1 /2) x10 5 Frequency (Hz) c  = 121 s Rem anent M ag net iz at ion ( nT ) Time (s) d  = 140 s Rem anent M ag net iz at ion ( nT ) Time (s)

Contraction of the Stomach Respiration S p ec tr al D en sit y ( n T /Hz 1 /2) x10 4 Frequency (Hz)

Medidas

realizadas em

um intervalo de

40 minutos

(15)

Magnetização

Remanente

(16)

Um Possível

Mecanismo Agitador do

Estômago

(17)

(18)

Alimento Teste

(19)

Sinal Magnético da

Região do Ceco

(20)

Transformada de Fourier

do Sinal Magnético

(21)

Evolução da Componente

Z do Campo magnético

Antes da

Refeição

Depois da

Refeição

(22)

Efeito de uma droga sobre

o reflexo gastrocólico

(Buscopan 40 mg)

(23)

O Efeito Josephson

)

(

sen

₁

₂

q

A

d

s

q

fluxo

I

_j

_c

























(24)

RF-SQUID

(25)

SQUID-DC

Transformador de Fluxo

(26)

(27)

Métodos para a medida

da sobrecarga de ferro

no fígado

Biopsia de agulha (gold standard)

Concentração de ferritina no plasma

Resonancia Magnética

(28)

Aspecto macroscópico

do fígado com

(29)

Aspecto microscópico

do fígado com

(30)

Uma estimativa

(31)

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

(32)

Procedimento de medida

(33)

B

Procedimento de medida

(34)

Modelo Físico

“

leading field”

   









Vol

m

d

fe

m

fe

r

d

r

B

r

B

I

c

₃

0 ,







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

Mathematical Models, pp. 101-139.

C

_fe

= concentração de ferro



_m,fe

= susceptibilidade mássica do ferro

B

_m

= Campo Magnetizaste

(35)

Simplificando

C = Fator de calibração do susceptometro



= Fator de correçãp (interferência do sistema, etc)









(36)

Susceptômetro com

Campo Homogêneo

(37)

Calibração

Fe

+3

H

₂

O

Raio da esfera = 0.056 m

Raio do cilindro = 0.221 m

Comprimento do cilindro = 0.303 m

(38)

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 A m pl itu de ( V ol ts ) Distance Sensor-Sample (m) Curva Experimental Curva Simulada

(39)

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 Sus cep tomete r Outpu t (pT) V= -0,305 + 0,021*c_fecl 3.6H2O R=0,999

Ferritin Equivalent (mgftn/g_tecido)

Sus cep tomete r Outpu t (Vo lts) FeCl₃.6H₂O (mg/g_H 2O ) Concentration Experimental Data Linear Fitting

(40)

Primeiras Medidas

in

(41)

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) Am p lit u d e o f th e S ig n a l (p T) Am p lit u d e o f th e S ig n a l (Vo lt s) Distance sensor-skin (mm) liver side opposite side Am p lit u d e o f th e S ig n a l (p T) Am p lit u d e o f th e S ig n a l (Vo lt s) Distancia sensor-skin (mm) liver side opposite side

(42)

Problemas...



B



r

-3

Incertezas no posicionamento

Assimetria do Torso

Interferência dos pulmões e baço

Tempo de medida

(43)

Linhas de

iso-sensibilidade

Campo não

homogêneo

Campo homogêneo





5

1

n

B

(44)

Bolsa com água sobre o

torso meio homogêneo

Water

Torso

(45)

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 pl it ude (V ol ts )

Concentration of iron III (mgFe3+/g_H

2O

)

Experimental Data Linear Fit

(46)

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 A m p lit u d e ( p T) A m p lit u d e ( V o lt s ) Distance Sensor-Sample (m)

"liver" with no iron phantom+water bag without sample

(47)

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

Am

pl

it

ud

e

of

t

he

Si

gn

al

(p

T

)

Am

pl

it

ud

e

of

t

he

Si

gn

al

(V

ol

ts)

Distance sensor-skin (mm) Normal Subject Thalassemic Patient

(48)

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