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Sistemas de Medio Biomdica - Parte I - Prof. Ernesto Ramrez - pg. 1 / 32

Sistemas de Medio Biomdica PARTE I Conceitos Bsicos de Instrumentao Biomdica

(Baseado no Cap.1 - WEBSTER, J.G. Medical Instrumentation: Application and Design. Houghton Miflin Company, 3.ed., 1998)

1)Introduo: Um instrumento um dispositivo de determinao do valor de uma grandeza ou varivel. Neste curso, estudaremos os princpios de funcionamento de alguns instrumentos biomdicos que so designados como equipamentos eltricos/eletrnicos/mecnicos destinados ao diagnstico, tratamento ou monitorao de pacientes, sob superviso mdica, que estabelecem contato fsico com os mesmos, ou seja, eles so utilizados para: -Melhorar o entendimento do funcionamento de sistemas biolgicos (investigaes clnicas); -Monitorao do estado fisiolgico de pacientes (UTI / Recuperao); -Controle de um processo biolgico em geral (terapia: R-X, Bisturi eltrico). Em geral, um sistema de medio biomdica utiliza tcnicas de medio por inferncia, ou seja, ele obtm a relao matemtica ou estatstica da quantidade biolgica desejada com a quantidade medida. Basicamente, ele composto pelos seguintes blocos: Inicialmente, para fazer a medida, o sistema de medio deve encontrar o sinal fisiolgico, que a quantidade fsica, propriedade ou condio que vai ser detectada pelo sistema. Este sinal detectado por meio do uso de um dispositivo chamado de transdutor. Assim, temos ento que o sinal medido detectado por um transdutor de entrada que pode ser chamado de sensor, quando a sada daquele um sinal eltrico. Geralmente, o transdutor de entrada composto por dois transdutores que so: Transdutor primrio: transdutor (por exemplo: um diafragma) que transforma o sinal

biolgico a ser medido (por exemplo: presso) em uma grandeza mecnica (por exemplo: um deslocamento);

Transdutor secundrio: transdutor que transforma o deslocamento mecnico resultante no transdutor primrio em um sinal eltrico.

O transdutor de entrada vai gerar um sinal eltrico (sinal transduzido) que vai ser dependente do sinal biolgico (sinal de entrada) a ser medido. Depois da fase de transduo temos o condicionamento do sinal transduzido que possui as seguintes fases: Amplificao: um ganho em amplitude e potncia que o sinal transduzido recebe para poder

ser manipulado eletricamente. Filtragem: a retirada dos rudos e interferncias inerentes ao meio biolgico onde est sendo

Sinal Medido

Transdutor de Entrada (Detetor)

Condicionamento de Sinal

Transdutor de Sada

(por ex. uma tela)

Fonte de Energia Auxiliar

Fonte de Energia de Entrada

Sinal de Calibrao

sinal de entrada

sinal de sada

sinal transduzido

realimentao


feita a medio do sinal; Casamento de impedncias: a adequao das caractersticas fsicas, mecnicas e eltricas

entre as fronteiras (interfaces) dos meios que esto interagindo no sistema de medio; Converso Analgico-Digital: a codificao do sinal analgico em uma seqncia de pulsos

com apenas dois nveis de tenso (sinal digital) para poder tornar este sinal compatvel com as entradas de microcomputadores, permitindo o seu processamento digital.

Finalmente, o sinal digital, ou analgico mesmo, vai para um dispositivo de sada (pena mecnica, pena trmica, tubo de raios catdicos, visor de cristal lqido) que tambm pode ser chamado de transdutor de sada, pois transforma um sinal eltrico em um deslocamento mecnico (no caso de uma pena por exemplo). 2)Caractersticas dos sinais biomdicos: Os sinais biomdicos podem ser: Dinmicos: mudam com o tempo. Podem ser:

-Peridicos (ECG) -Transientes (Potencial de Ao) -Randmicos (EMG) - informao RMS ou estatstica

Estticos: so Sinais estveis, ou seja, que no mudam com o tempo, ou mudam muito pouco e de maneira bem lenta. Logo, no trazem informao (mudana significativa de valor). Exemplo: Temperatura.

A seguir temos alguns exemplos de sinais biomdicos e de suas aplicaes

Parmetro fisiolgico Faixa de amplitude do sinal Faixa de freqncia do sinal

Fluxo sangneo 0-300 ml / s DC 20 Hz PO2 30 100 mmHg DC 2 Hz ECG 0,5 4 mV 0,01 250 Hz Pneumatografia (taxa de fluxo) 0 600 l / min DC 40 Hz Temperatura corporal 32 40o C DC 0,1 Hz

3)Caractersticas dos sistemas de medio de sinais biomdicos: Para evitar fontes de erros de medio, necessrio especificar caractersticas a serem seguidas pelos sistemas que vo interagir (deteco, condicionamento, sada) com os sinais biomdicos. Essas caractersticas podem ser: Dinmicas: requerem a utilizao de integrais ou de equaes diferenciais para descrever a

qualidade das medies. Dependem das caractersticas estticas. -Sistema No-Linear: sistema em que o valor da varivel de sada no uma funo linear da varivel de entrada do sistema de medio, ou seja, a relao entre elas, suas derivadas ou integrais (funo de transferncia), no linear. -Sistema Linear: sistema em que a funo de transferncia linear. No caso de sistemas biolgicos, os trs tipos de sistemas lineares mais comuns so: -Ordem Zero: y(t) = K x(t), K = sensitividade esttica = constante (potencimetro); -Primeira Ordem: K1 y(t) + K2 y(t) = x(t) (filtro passa baixas - RC); -Segunda Ordem: K2 y(t) + K1 y(t) + K y(t) = x(t) (medio de fora numa mola; x(t) = fora). Estticas: caractersticas dos sistemas de medio quando seus sinais de entrada so contnuos

(frequncia = 0) ou tiverem freqncias muito baixas: -Exatido: a medida do grau de concordncia entre a indicao de um instrumento e o valor verdadeiro da varivel sob medio;


-Preciso: nmero de alternativas distinguveis a partir das quais o resultado de uma medio obtido; -Erro: a medida do desvio entre o valor medido e o valor verdadeiro; -Resoluo: a menor variao na varivel medida que pode ser indicada pelo

instrumento; -Reprodutibilidade: habilidade que o instrumento tem de fornecer a mesma sada para entradas idnticas; -Controle Estatstico: estudo das variaes aleatrias introduzidas pelo meio onde est operando o instrumento; -Sensitividade Esttica ou Sensibilidade: a razo entre a intensidade do sinal de sada, ou resposta, do instrumento e a intensidade do sinal de entrada, ou varivel sob medio; -Linearidade: caracterstica de proporcionalidade entre o valor da varivel de entrada e o valor da varivel de sada (define-se no linearidade como a razo entre o erro mximo do valor da entrada e a escala total da entrada); -Faixas de Operao: faixas de funcionamento do sistema de medio de maneira a garantir a sua linearidade; -Impedncia de Entrada: caracterstica que o sistema deve possuir para no interferir no sistema a ser medido, ou seja, no interferir na medio. Numericamente se define pela razo entre a varivel de esforo (tenso, fora, presso) e a varivel de fluxo (corrente, velocidade, fluxo) na entrada do sistema.

4)Classificao dos instrumentos biomdicos: Os instrumentos biomdicos podem ser classificados de acordo com: Quantidade a ser medida: presso, fluxo ou temperatura. Uma vantagem desta classificao

que torna fcil a comparao de mtodos totalmente diferentes pois poder ser utilizado o resultado final que cada mtodo ir fornecer.

Princpios de transduo utilizados: resistivo, indutivo, capacitivo, ultra-snico ou eletroqumico. Assim, diferentes aplicaes do mesmo mtodo podero ser utilizadas para diversas medies ampliando a capacidade de entendimento do princpio de transduo utilizado.

Sistema fisiolgico a que se destinam: cardiovascular, pulmonar, nervoso e endcrino. Esta abordagem isola todos os instrumentos que so importantes para um determinado sistema do organismo, facilitando assim, o trabalho dos especialistas mdicos que precisam estudar apenas uma determinada rea do corpo humano.

Especialidade clnica mdica a que se aplicam: pediatria, obstetrcia, cardiologia ou radiologia. Esta abordagem vlida para mdicos que esto interessados em instrumentos especializados. claro que vo existir instrumentos que vo ser comuns a vrias reas (por exemplo, o eletrocardigrafo).

5)Tcnicas de compensao em instrumentao biomdica: Para diminuir os rudos e interferncias (efeitos capacitivos e magnticos entre cabos; rudo de 60 Hz da rede) encontrados nos instrumentos biomdicos, so utilizadas tcnicas de compensao mostradas a seguir: Insensibilidade Inerente: esta tcnica torna os instrumentos inerentemente sensveis somente

s entradas desejadas, ou seja, as entradas modificadas e as interferncias no tm efeito nas medidas. Inicialmente, a maioria dos sistemas no apresenta esta caracterstica. Por isso, existem tcnicas para que o sistema se torne inerentemente sensvel, por exemplo, atravs do entrelaamento e blindagem dos cabos de ECG, para diminuir a rea entre eles, diminuindo assim o efeito capacitivo que proporcional rea entre os cabos.


Realimentao Negativa: reduz a interferncia atravs da diminuio da influncia do sinal de entrada na sada, pois h uma realimentao com a sada para retirar a influncia do rudo.

Para um sistema de malha aberta: Y = G.X (sem rudo) Y = G.(Gr.r).X (com rudo) No caso de um sistema de malha fechada, ou seja, com realimentao negativa (feedback): Y = (X Y.H).G Y = [G/(1+G.H)].X = X/[(1/G) + H], se H >> (1/G), teremos: Y (1/H).X, onde se eliminar o rudo do sistema de medio representado pela funo de transferncia G. Esta tcnica s no ter utilidade quando o rudo tambm agir na realimentao com funo de transferncia H. Neste caso, estaria se trocando seis por meia dzia. Filtragem de Sinal: separao do sinal pelas suas freqncias, a fim de escolher quais

componentes da freqncia iro entrar no sistema de medio. Por exemplo: utiliza-se a filtragem para retirar o sinal de 60 Hz da rede de energia eltrica que interfere no sinal de um aparelho de eletrocardiografia.

Oposio de Entradas: subtrao do rudo do sinal de entrada , submetendo o sensor com

ganho controlado s mesmas condies da entrada a ser medida e subtraindo os sinais de sensor e do sinal resultante.

6)Etapas de criao de um instrumento biomdico:

Como foi visto anteriormente, a instrumentao biomdica possui algumas diferenas em relao instrumentao eletrnica tradicional, a saber: Faixa de variao dos sinais a serem medidos; Pequena amplitude dos sinais biolgicos; Fragilidade das clulas (ou tecidos) manipulados para obteno dos sinais; Necessidade de proteo contra choques eltricos (macro e microchoques); Carter no-crtico da exatido.

Por isso, as etapas de inveno, projeto do prottipo, desenvolvimento, testes clnicos, regulamentao do funcionamento, manufatura, propaganda e vendas de um novo instrumento biomdico fazem parte de um processo complexo, caro e demorado. A seguir vemos as fases desse processo:

Quantidade a ser medida

Fatores de Sinal

Fatores Ambientais

Fatores Mdicos

Fatores Econmicos

Projeto Inicial do instrumento

Testes do Prottipo

Projeto Final do instrumento

Aprovao pelos rgos de fiscalizao (vig. sanitria)

Produo Industrial


Inicialmente, algum relacionado tecnologia mdica tem a idia de inventar um equipamento mdico para solucionar algum problema da rea da sade. Depois, acontece o perodo onde so estudados todos os requisitos para fazer o projeto do equipamento, ou seja, feito o estudo dos fatores: de Sinal:

-Sensibilidade que o equipamento deve ter; -Faixa de operao em que o equipamento vai trabalhar; -Entrada do sinal biolgico vai ser diferencial ou absoluta; -Impedncia de entrada que o equipamento precisa ter para no interferir no sistema biolgico que se quer estudar; -Resposta em freqncia do equipamento (est relacionado com a faixa de operao); -Preciso do equipamento para que o resultado que ele gere tenha utilidade clnica; -Linearidade do equipamento para planejar a sua calibrao; -Confiabilidade do equipamento para saber a sua exatido.

Ambientais: -Especificidade do equipamento, ou seja, o equipamento vai funcionar no meio onde ele ser utilizado; -Razo sinal/rudo do equipamento para ver se ele vai ser imune ao rudo inerente do ambiente de utilizao; -Estabilidade (temperatura, presso, umidade, acelerao, choque, vibrao, radiao) do equipamento no ambiente; -Requisitos de potncia do equipamento, para ver se a energia do ambiente ser suficiente; -Tamanho e fora do equipamento para estimar a sua robustez contra ambientes muito hostis.

Mdicos: -Definir se o equipamento ser invasivo ou no-invasivo para planejar o risco de acidentes/infees; -Estudo da Toxicidade do material utilizado no equipamento para prevenir alergias nos pacientes; -Definio da melhor interface tecido/sensor aplicvel para o equipamento; -Verificao da segurana eltrica do equipamento; -Radiao e dissipao de calor; -Estimativa do desconforto que o paciente poder vir a ter ao usar o equipamento.

Econmicos: -Custos de pesquisa e industrializao do equipamento; -Disponibilidade que o equipamento vai ter para o usurio, ou seja, estudo do seu grau de utilizao; -Garantia que o equipamento dever ter para fazer a estratgia de vendas; -Necessidade de suprimentos que o equipamento ir consumir durante a sua operao; -Compatibilidade com os equipamentos j existentes no local da utilizao.

Feitos estes estudos, comea a fase de desenvolvimento do equipamento (projeto inicial do

equipamento) por uma equipe multidisciplinar que depois verifica, atravs de testes tcnicos e clnicos, a eficcia (o equipamento faz o que ele deveria fazer?) do prottipo (verso inicial do equipamento) at chegar ao projeto final do mesmo. Depois, o equipamento passa por um processo de regulamentao oficial, onde ele recebe a autorizao para comercializao do rgo governamental responsvel pela fiscalizao da sade no pas (no caso do Brasil, a ANVISA - Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria quem exerce esse papel). Depois, so feitas estratgias de marketing para vender o equipamento ou a nova tecnologia que ele utiliza. Nesta fase, o equipamento cedido para hospitais para que estes o experimentem, e tambm acontece a exposio do mesmo em feiras do setor de sade.


Sistemas de Medio Biomdica

ParteII Transduo de Grandezas Biomdicas (Baseado no Cap.2 - WEBSTER, J.G. Medical Instrumentation: Application and Design. Houghton Miflin Company, 3.ed., 1998) 1.Introduo: Os sensores biomdicos atuam como interface entre um sistema biolgico (caracterizado por variveis fisiolgicas) e um sistema eletrnico (caracterizado por sinais eltricos). Por isso, as suas caractersticas de funcionamento devem ser adequadas para esses dois tipos de sistemas.

Nas aplicaes biomdicas possvel classificar os sensores como sendo ou fsicos ou

qumicos. No caso de sensores fsicos, so medidas quantidades como variveis geomtricas, mecnicas, trmicas e hidrulicas. Nas aplicaes biomdicas isto pode incluir deslocamento de msculos, presso sangunea, temperatura corporal, fluxo de sangue, presso de fluido cerebrospinal, e crescimento de ossos. Dois tipos de sensores fsicos merecem meno especial com respeito sua aplicao biomdica: os sensores de fenmenos eltricos no organismo, normalmente conhecidos como eletrodos, que desempenham um papel especial como resultado da sua aplicao em diagnstico e terapia. Os tipos mais familiares destes sensores so os que captam o eletrocardiograma (ECG), um sinal eltrico produzido pelo corao. O outro tipo de sensor fsico que possui muitas aplicaes em biologia e medicina o sensor ptico. Este sensor pode utilizar luz para coletar informao, e, no caso de sensores de fibra ptica, a luz tambm o meio de transmisso. O segundo tipo de sensores segundo a classificao principal de dispositivos de deteco so os sensores qumicos. Neste caso, os sensores so utilizados para descobrir as concentraes de vrias espcies qumicas, e monitorar atividades qumicas no corpo para diagnstico e aplicaes teraputicas. As composies qumicas podem ser medidas na fase de gs utilizando diversas tcnicas, e estes mtodos so especialmente teis em medidas biomdicas associadas com o sistema pulmonar. Sensores eletroqumicos medem concentraes qumicas ou, mais exatamente, atividades, baseadas em reaes qumicas que interagem com sistemas eltricos. Sensores qumicos fotomtricos so dispositivos pticos que detectam concentraes qumicas baseadas em mudanas na transmisso de luz, reflexo ou cor. Existem tambm os sensores bioanalticos, que so um tipo especial de sensores qumicos. Estes dispositivos incorporam reaes de reconhecimento biolgico como enzima-substrato, antgeno-anticorpo, ou ligante-receptor para identificar molculas bioqumicas complexas. O uso de reaes biolgicas d aos sensores bioanalticos, alta sensibilidade e especificidade na identificao e quantificao de substncias bioqumicas. Tambm pode-se classificar os sensores biomdicos do ponto de vista das suas aplicaes na medicina clnica e nas pesquisas biomdicas, que podem ser: -diagnstico: medio ou verificao de uma varivel fisiolgica; -terapia: controle do valor de uma varivel fisiolgica.

Os sensores para estudos clnicos utilizados nos laboratrios de anlises clnicas devem ser unificados de tal modo que os erros, que poderiam resultar em um diagnstico incorreto ou terapia imprpria, so mantidos em um valor absoluto mnimo.


Outra classificao para os sensores biomdicos consiste em verificar se eles so invasivos ou no-invasivos. Claramente, se uma medida pode ser feita igualmente bem tanto por um sensor no-invasivo (que no entra em contato direto com o sistema biolgico que est sendo medido), como por um sensor invasivo, que deve ser implantado cirurgicamente, o anterior sem dvida o mais desejvel. Porm, h casos em que o uso do sensor invasivo representa a melhor opo, pois vai diminuir a interferncia externa, como por exemplo: o eletrodo que emite o sinal eltrico para o corao de um paciente que utiliza um marcapasso cardaco. O ideal que esse dispositivo fique o mais prximo do corao.

Os sensores biomdicos so similares aos utilizados em aplicaes industriais, com algumas poucas diferenas: -eles possuem maior sensibilidade que os sensores industriais, pois trabalham com sinais eltricos que possuem amplitudes da ordem de micro () ou mili (m) volts; -o seu encapsulamento deve ser biocompatvel para evitar rejeies ou intoxicaes do organismo com o qual vai haver contato; -as faixas de freqncia utilizadas so normalmente muito pequenas, da ordem de algumas dezenas de hertz (Hz).

Os sistemas biolgicos tambm podem afetar o desempenho do sensor. Isto especialmente verdade para sensores implantados. O tecido biolgico representa um ambiente hostil que pode degradar o desempenho do sensor. Alm de ons corrosivos, os fluidos corporais contm enzimas que quebram molculas complexas como uma parte do esforo do organismo para se libertar de materiais estranhos e txicos. Estes podem atacar os materiais que compem o sensor e seu encapsulamento, causando a perda de calibrao ou falha do mesmo.

O encapsulamento do sensor um problema especialmente importante. A cpsula no s

tem que proteger o sensor do ambiente corrosivo do organismo, mas deve permitir que a poro do sensor que executa a medio se comunique com o sistema biolgico. Alm disso, como desejvel ter sensores to pequenos quanto possvel, especialmente aqueles que so implantados, importante que a funo de encapsulamento seja levada a cabo sem aumentar significativamente o tamanho da estrutura do sensor. Embora tenham ocorrido muitas melhorias no encapsulamento de sensores, este permanece sendo um dos principais problemas em pesquisa de sensores biomdicos. Materiais de encapsulamento de alta qualidade que no extraiam maiores respostas de corpos estranhos do sistema biolgico ainda esto sendo procurados.

Outro problema que associado aos sensores implantados que uma vez que eles esto

implantados, o acesso a eles fica muito limitado. Isto requer que estes sensores sejam altamente confiveis de forma que no haja necessidade de consert-los ou substitu-los. Tambm importante que estes sensores sejam altamente estveis, j que na maioria das aplicaes no possvel calibr-los in vivo. Assim, os sensores devem manter a sua calibrao uma vez que eles forem implantados, e para aplicaes como substituio de rgos, isto pode representar um tempo potencialmente longo, ou seja, o resto da vida do paciente.


1.1. Conceitos Bsicos Transdutor: um dispositivo que transforma uma grandeza fsica em outra. Propriedade Transdutiva: a caracterstica singular de um evento ao qual um princpio de

transduo pode ser aplicado. Princpio de Transduo: qualquer dos muitos mtodos que podem ser empregados para

converter a propriedade transdutiva em um sinal eltrico.

Exemplo: no contador de clulas a propriedade transdutiva a resistncia das clulas (as clulas que se quer contar tm alta turbulncia eltrica, comparada com a do fluido que as envolve), enquanto que o princpio de transduo a medida das variaes da resistividade eltrica de um tubo metlico passagem do fluido com as clulas por dentro dele.

Nesta aula so abordados os trandutores primrios ou os secundrios isoladamente. No se pensar em transdutores "compostos", ou seja, que so a associao de vrios transdutores em srie. Lembre-se:

sensores so transdutores que transformam uma grandeza fsica em outra grandeza eltrica! Outro detalhe importante: Quando se falar em transdutor de "X" (X = fora, presso, temperatura, etc.). "X" ser a grandeza fsica a ser transduzida e a sada ser uma outra grandeza fsica qualquer. 1.2. Critrios para Otimizao de Medidas Para otimizar as medidas a serem feitas, o sistema de medio biomdica e os transdutores utilizados devero apresentar as seguintes caractersticas: no interferir na quantidade a ser medida; apresentar boa linearidade; ser pequeno e leve; boa relao sinal/rudo; bom desempenho na faixa de frequncia do sinal transduzido; viabilidade de produo.

Transdutor de "X" X (entrada)

Y (sada)


2. Tipos de Transdutores Para efeito didtico, nesta aula os transdutores vo ser divididos segundo a grandeza fsica que eles iro transduzir (exceo feita para o transdutor piezeltrico, pois ele pode funcionar como transmissor alm de sensor). Alm desse tipo de classificao pode-se falar de 3 outros tipos de classificao: a)Ponto-de-vista funcional: Ativos*: no existe fonte externa no transdutor (exemplos: termeltrico, piezeltrico,

eletromagntico). Passivos*: existe fonte externa no transdutor (exemplos: termoresistivo, potenciomtrico,

capacitivo, indutivo). (*)Obs: alguns autores utilizam uma definio reversa para ser coerentes com a classificao da eletrnica, ou seja, transdutores ativos sero aqueles cuja potncia no depende da entrada. b)Ponto-de-vista Operacional: Primrio: entra em contato direto com a grandeza fsica a ser medida e a transforma em outra

grandeza que seja fcil de transformar em um sinal eltrico. Secundrio: recebe a grandeza fsica do transdutor primrio e a transforma em um sinal

eltrico para posterior processamento deste sinal.

Exemplo:

"Diafragma" Transdutor de Presso

(primrio)

+

"Strain-Gage" Transdutor de Deslocamento

(secundrio)

Medio de

Presso c)Ponto-de-vista do Sinal de Sada: Analgicos: geram um sinal analgico (sinal contnuo com resoluo tendendo a zero) na sua

sada. Todos os transdutores so analgicos, pois o sinal digital no encontrado na natureza, visto que uma abstrao do pensamento humano.

Digitais: no passam de transdutores analgicos que j vem associados a um circuito de converso A/D (analgico/digital). Por isso, so considerados digitais, pois no podem ser separadas as suas partes analgica e digital, j que o transdutor est compactado ou associado a um chip (circuito integrado). Exemplo: termmetro de cristais de quartzo.

Obs: sinal digital um sinal eltrico que tem resoluo definida e limitada.

tempo tempo Sinal Analgico "Original"

Sinal Analgico "Digitalizado"


2.1. Transdutores de Temperatura Para medio de temperatura, basicamente, so utilizados 2 tipos de transdutores eltricos de temperatura, que so os transdutores termoresistivos e os termoeltricos. Nos sistemas biolgicos tambm costuma-se usar a termometria qumica. 2.1.1. Transdutores Termoresistivos: so dispositivos (metais ou resistores, tambm conhecidos como termistores) cuja resistncia eltrica varia linearmente com a temperatura a que so submetidos. Por possurem esta propriedade eles so dispostos geralmente em "ponte-de-Wheatstone" de modo que as mudanas de resistividade dos transdutores, gerem oscilaes no sinal de sada da ponte. Onde: Rt = transdutor termoresistivo submetido a uma temperatura T = To+T Ro = resistores a uma temperatura de referncia To Vf = tenso de alimentao da ponte Vsada = tenso de sada = coeficiente de temperatura do transdutor (se Disto: Rt = Ro + R = Ro + .(T-To).Ro

Vsada = Vf x [R / (4Ro + 2R)] Repare que: Rt = Ro quando T = To, o que vai gerar Vsada = 0 (ponte balanceada)! Como pode-se observar, R vai depender de T e (j que Ro e To sero constantes para uma dada medio). O valor de vai ser aproximadamente constante para o mesmo transdutor, independente de T. Assim, R variar linearmente com T. Disto se poder fazer uma estimativa do valor de T atravs da medio do Vsada. A seguir so mostrados alguns tipos de transdutores termoresistivos e seus respectivos valores de e de resistividade.

Material (oC-1) , resistividade (.cm) Ouro (Au) +0,0040 2,40 x 10-6

Nicromo (NiCr) +0,0004 1,00 x 10-4 Nquel (Ni) +0,0067 6,84 x 10-6 Prata (Ag) +0,0041 1,63 x 10-6 termistores -0,0400 ~103

Quando um transdutor termoresistivo apresenta > 0, diz-se que ele do tipo PTC ("positive temperature coefficient"), ou seja, a sua resistncia eltrica aumenta quando a

Ro

Ro Ro

Rt T Vf +

Vsada _


temperatura sobe; e diminui quando a temperatura cai. J quando < 0, diz-se que ele do tipo NTC ("negative temperature coefficient"), o que significa que a sua resistncia eltrica aumenta quando a temperatura cai; e diminui quando a temperatura sobe. 2.1.2. Transdutores Termeltricos(termopares): se baseiam no efeito termeltrico (descoberto por "Seebeck" no sculo passado), onde 2 metais diferentes ligados pelas pontas, apresentam uma fora eletromotriz (tenso) quando suas extremidades esto em temperaturas diferentes.

Vsada ~ .(T1 - T2) + .(T1 - T2)2 Estes 2 metais ligados formam um "termopar". Alguns termopares mais comuns so caracterizados na tabela a seguir.

Termopar (sensitividade) a 20oC [V/oC]

Faixa de operao [oC]

Preciso e observaes

Cobre / Constantan (Cu) / (57% Cu + 43% Ni)

45 -150 a +300 ~ 0,5%

Cromo / Constantan (Cr) / (57% Cu + 43% Ni)

80 0 a +500 Boa estabilidade, maior

Platina / Platina-Rdio (Pt) / (90% Pt + 10% Rh)

6,5 0 a +1500 Erro ~ 0,25% Bem estvel, caro e

pequeno Para utilizar o termopar costuma-se deixar uma ponta dele com referncia, ou seja, com uma temperatura conhecida, e a outra ponta colocada no meio de temperatura desconhecida. Depois medida a tenso de sada do termopar e com isso consegue-se uma estimativa do valor da temperatura.

Vsada

Metal A

Metal B

T1 T2

Metal B

0


Exemplo: medio da temperatura em uma estufa. Como pode-se observar para variaes grandes de temperatura aparecero pequenos valores de tenso de sada, podendo estes nveis serem confundidos com rudos. Por isso para conseguir uma maior sensibilidade, so arranjados vrios termopares em srie, formando uma termopilha.

+ Vsada ~ 80x(54 - 0) = 4,32 mV _

Cromo

Constantan

Temperatura de Referncia T2 = 0o C

T1

Fio de Cobre T1

Fio de Cobre

Estufa com temperatura T1 = 54o C

T2 T1

+ Vsada = 3 x .( T1 - T2) _


Os termopares tambm podem ser arranjados em paralelo, formando um termopar de multijuno, para dar maior exatido medio da temperatura. 2.1.3. Termometria Qumica: consiste na observao da ocorrncia de reaes qumicas que s acontecero em temperaturas determinadas. Basicamente, nesta categoria de sensores existem os cristais lquidos (LC) e algumas misturas de Bromo, Nitrobenzeno e Cromo, que passam do estado slido para o estado lquido em temperaturas fixas. Exemplo: termmetro qumico Neste termmetro, cada ponto graduado contm uma mistura qumica diferente de maneira que as substncias da mistura se liqefazem, marcando os pontos graduados e mostrando a temperatura do paciente, quando a temperatura do paciente maior do que a temperatura de reao da mistura.

T2

T3

T4

Ambiente de medio

T1

T1

Ambiente de referncia

+ Vsada = .[(T2 + T3 + T4) / 3 - T1] _

39

,0 ,2 ,4 ,6 ,8

38

37

36

Ponta que vai para a boca do paciente

Leitura do termmetro indica T ~ 37,4 oC


2.2. Transdutores de Deslocamento Geralmente so utilizados como transdutores secundrios, pois recebem o deslocamento resultante de transdutores primrios de presso, fora ou velocidade. Com exceo dos piezeltricos (que sero estudados separadamente em 2.5) so transdutores passivos. Nesta aula sero abordados apenas 2 transdutores principais: os "strain-gages" e o LVDT, mas apenas para citar existem outros tipos como os transdutores de capacitncia varivel, os potenciomtricos e os de relutncia varivel. 2.2.1. Strain-Gages (ou Strain-gauges):

Strain-gages so transdutores em forma de filmes metlicos (Ni, Cr, Cu, Fe, Pt, W) que mudam a sua resistncia eltrica de acordo com a deformao sofrida. Geralmente esto associados em "pontes-de-Wheatstone" na superfcie de um diafragma (transdutor elstico de presso). Assim, ao haver deformao deste ltimo, ocorrer um desbalanceamento da ponte resistiva, permitindo a gerao de uma variao na tenso de sada da ponte.


2.2.2. LVDT (Transformador Diferencial com Variao Linear): consiste em um transformador com 3 bobinas magnticas (1 no primrio e 2 no secundrio) acoplados por um ncleo ferromagntico que se desloca de acordo com a presso recebida por um transdutor de presso acoplado sua ponta. Quando no h presso, a sada do transformador vai estar em equilbrio (Vsecundrio = 0). J quando existir presso, a tenso de sada ser proporcional intensidade e ao sentido (mudana no sinal da tenso) do deslocamento do material magntico.

2.3. Transdutores de Fora So transdutores primrios que em conjunto com transdutores de deslocamento possibilitam inferir a fora aplicada neles. Consistem de elementos elsticos que dispes "strain-gages" em ponte, ou anis que geram um deslocamento na entrada de um LVDT ao serem deformados.


2.4. Transdutores de Presso Basicamente so elementos elsticos que se deformam ao receber uma presso gerando um deslocamento, que poder ir para um sistema mecnico de cremalheira e defletir um ponteiro (no caso dos manmetros), ou poder ir para um transdutor de deslocamento, que transformar este deslocamento em um sinal eltrico. Os transdutores de presso so basicamente do tipo de "tubos de Bourdon", "diafragma" e "foles ou sanfonas".


a)Tubos de Bourdon: tubos ocos, selados em uma ponta e que recebem a presso a ser medida na outra. Estes tubos podem ter diversos formas (espirais, C, helicoidais, tubos torcidos sobre os seus prprios eixos longitudinais). b)Foles ou sanfonas ("bellows"): transdutores em forma de sanfonas que possuem molas internas, que ao receberem a presso a ser medida podem se contrair ou expandir, gerando um deslocamento que transmitido para um ponteiro ou para um transdutor eltrico de deslocamento. c)Diafragmas: transdutores em forma de membranas elsticas (de superfcie ondulada, encurvada ou lisa) que se deformam, gerando um deslocamento ao receberem uma determinada presso. 2.5. Transdutores Piezeltricos So transdutores que podem funcionar tanto como sensores (transdutor de deslocamento) como tambm podem ser transmissores (transdutores eletro-acsticos). Contm cermicas piezeltricas que apresentam a caracterstica de se deformarem ao receber um estmulo eltrico e tambm geram uma diferena de potencial (tenso) quando deformados (neste caso so transdutores de deslocamento ativos). As cermicas piezeltricas podem ter a forma de discos, cilindros ou retngulos de cristais de quartzo, titanato de brio ou titanato de chumbo-zinco. Estes transdutores so bastante utilizados nos aparelhos de ultra-sonografia.


Anexo I - Ponte de Wheatstone

Como Vsada a queda de tenso nos resistores R1 e R2 que esto sendo percorridos pelas correntes I1 e I2 que tm referncias opostas de sinal, teremos:

I = I1 + I2 e Vsada = R2.I2 - R1.I1

Assim RR

VI

fonte

422 +

= e RR

VI

fonte

311 +

=

Disto: VRR

RRR

RV

RRR

VRR

RV fontefontefontesada

+

+=

+

+=

31

1

42

2

31

1

42

2

Se R1 = R4 = R + R e R2 = R3 = R - R, teremos:

VRR

VV fontefontesada RRR

R

RR

=

+

= 2

)(

2

)(

Ento percebe-se que a tenso de sada ser proporcional ao "desbalano" na ponte. Tambm pode-se observar que Vsada = 0, quando a ponte estiver balanceada (R1 x R4 = R2 x R3).

+ Vsada

_

- Vfonte +

R1 R3

R2 R4

I1

I2

I


Sistemas de Medio Biomdica PARTE III Condicionamento do Sinal

(Baseado no Cap.3 - WEBSTER, J.G. Medical Instrumentation: Application and Design. Houghton Miflin Company, 3.ed., 1998)

1. Introduo: Os sinais digitais, pelo menos idealmente, so representados por formas de onda que fazem transies abruptas entre 2 valores. Os sinais que podem assumir qualquer valor em uma faixa contnua so chamados de sinais analgicos. Quando sinais analgicos devem ser processados, h frequentemente uma grande vantagem na converso do sinal para a forma digital, pois isto facilita o seu processamento. Como exemplo, uma tenso analgica pode ser uma tenso fixa (contnua) e o processamento necessrio pode consistir na determinao de seu valor. Um voltmetro analgico mostrar o valor da tenso atravs da posio de um ponteiro de escala. Um voltmetro digital nos dar uma indicao numrica mais conveniente em um painel. Em um sistema de medio, a converso do sinal analgico da sada do sensor/transdutor de entrada em um sinal digital feita por conversores A/D (analgico/digitais) seguindo uma seqncia de 4 processos individuais, chamados de amostragem, reteno ("Sample-and-Hold"), quantificao e codificao. Alm destes processos, antes da entrada no conversor A/D, temos uma seqncia de processos de tratamento (condicionamento) do sinal analgico que sai do sensor de deteco deste sinal, tais como amplificao, filtragem e multiplexao. Estes procedimentos no so necessariamente realizados em operaes separadas e nem todos so realizados sempre. O condicionamento do sinal de sada do transdutor necessrio, pois geralmente a amplitude deste sinal muito pequena e apresenta muitos rudos e interferncias do ambiente de medio. A seguir vemos um esquema dos processos envolvidos no condicionamento do sinal analgico para prepar-lo para a converso A/D. Nas sees seguintes sero discutidos estes processos.

Filtro

Entrada Analgica (Canal 1)

Conversor A/D

.

.

.

.

.

.

Buffer

Sadas Digitais de "N" bits

Amostrador / Segurador

Filtro

Entrada Analgica (Canal 2)

Filtro

Entrada Analgica (Canal M)

.

.

.

Multiplexador Analgico

.

.

.

Amplificador/Buffer


2. Amplificao Para fazer a amplificao de um sinal so utilizados circuitos que introduzem um ganho no sinal de entrada. Na rea de instrumentao, geralmente so utilizados circuitos com amplificadores operacionais, ou amp-ops, (para diminuir a interferncia do medidor no sistema de onde se obtm o sinal) e diferenciais (para reduzir o rudo introduzido pelo sistema/ambiente de medio). A seguir so mostrados diversos circuitos bsicos de amplificao que utilizam amp-ops.

Sinal de Entrada (Amplitude "A") Sinal de Sada

(Amplitude "A x G")

Amplificador de Ganho = "G"


Os circuitos mostrados anteriormente podem ser combinados para formar um amplificador bsico de instrumentao com 2 estgios como mostrado a seguir.

Este amplificador apresenta as seguintes caractersticas: Alta impedncia de entrada e baixa impedncia de sada; Alta Rejeio de modo comum (CMRR); Baixo nvel de gerao de rudo e baixa deriva trmica. O ganho deste amplificador calculado a seguir. Como a impedncia de entrada alta estgio de entrada temos: VA = V1 e VB = V2 Disto: Ventrada = V1 - V2 = VA - VB = R1.i i = Ventrada / R1 Assim:

VRR

ViRVVVRR

ViRVV entradaBentradaA e ==+=+=1

2222

1

2121

''

Logo:

VRR

VRR

VVVV entradaentrada

+=+=

1

2

1

22121

212)(''

Onde

+=

RR

entradaV

VV

1

2'

2'

1 21 ser o ganho do estgio de entrada.


Como iX = iY = 0 e VX = VY (definio do amplificador operacional), teremos:

+

==

+=

=

RR

VV

RV

RVV

RR

VRR

VVRVV

RVV

Y

YY

Xsada

sadaXX

4

3

2

43

2

3

41

3

4

43

1

1

''

'1'

Como VY = VX, teremos: RR

VRR

RR

VV sada

3

41

3

4

4

3

2 '1

1

'

+

+

=

Disto, teremos: ( )'' 213

4VV

RR

V sada =

Ento ( ) RR

VVV sada

3

4

21''

= ser o ganho do Amplificador Diferencial,

E RR

RR

VV

entrada

sada

3

4

1

221

+= ser o ganho total do Amplificador!

3. Filtragem o processo de retirada de sinais indesejveis que esto em frequncias diferentes da frequncia do sinal de entrada que est sendo medido (por exemplo: retirada de um rudo de 60 Hz da rede eltrica que est interferindo em um aparelho de ECG). Os circuitos que fazem este processo, os filtros, geralmente so resistores e capacitores associados de maneira a aproveitar a caracterstica AC (corrente alternada) do capacitor.

Mdulo da Reatncia Capacitiva = [ ]

=baixafpara

altafpara

fC XX

XC

C

C ,

,0

2

1

Isto significa que:

C (curto-circuito para frequncias altas)

(aberto para frequncias baixas)


Assim temos ento:

a)Filtro Passa-Baixas (FPB)

b)Filtro Passa-Altas (FPA) Repare que nestes casos teremos: Vsada = Ganho.Ventrada e fC = 1/(2..R.C) = frequncia de corte Existem tambm os filtros passa-faixas e rejeita-faixas, que consistem na associao de filtros passa-baixas com filtros passa-altas.

R

C

+ Ventrada _

+ Vsada _

R

C

+ Ventrada _

+ Vsada _

Ganho

1

0,707

frequncia

3 dB

fC

Ganho

1

0,707

frequncia

3 dB

fC

3 dB

fC1 fC2 frequncia

Ganho

1

0,707

Filtro Rejeita-Faixa


Estes filtros tambm podem ser implementados usando amplificadores operacionais, para permitir um ganho maior que 1.

3 dB

fC1 fC2 frequncia

Ganho

1

0,707

Filtro Passa-Faixa


4. Multiplexao a escolha de qual canal (tipo de sinal/informao) vai ser obtido. Por exemplo poderia ser a escolha da derivao de um eletrocardigrafo (ECG). Para isso, costuma-se utilizar chaves analgicas com JFET (transistor de Juno de Efeito de Campo).

10 k

+ Vcontrole

_

10 uF

+

Ventrada

_

+ Vsada _

Quando: Vcontrole < -3V Vsada = Ventrada

(chave fechada) Vcontrole > 0V Vsada = 0

(chave aberta)

Circuito habilitador de

Canal 1-N

. . .

Vcanal #1

Vcanal #2

Vcanal # N

.

.

.

Vsada

Multiplexador Analgico de N canais


5. Amostragem e Reteno ("Sample and Hold") A converso A/D feita por ciclos. Por isso, o sinal analgico de entrada precisa passar por um circuito que faa a amostragem dele e o retenha at que comece o prximo ciclo de converso A/D. Ao circuito que faz isto chamamos de "Sample-and-Hold" ou simplesmente S/H. Este circuito vai estar em sincronismo com o conversor A/D e vai receber o sinal analgico j condicionado (amplificado ou reduzido, filtrado e multiplexado), ou seja, na faixa de tenso analgica de entrada do conversor A/D. Se isto ainda no tiver acontecido, o S/H pode terminar o condicionamento do sinal analgico de entrada para que este entre no conversor A/D. A seguir vemos o diagrama de um S/H bsico. Quando T1 (chave analgica) no conduz mais (Vcontrole = 5V), o capacitor C retm a ltima tenso analgica Ventrada . A amostragem comandada por um circuito temporizador do conversor A/D. Para que a amostragem seja satisfatria deve-se obedecer ao teorema da amostragem (famostragem > 2 x fsinal a ser amostrado), mas na prtica famostragem >> 2 x fsinal a ser amostrado. Alguns conversores A/D j possuem o S/H incorporado.

_

+

_

+

Vcontrole

+ Ventrada _

+ Vsada _

C

T1

Corte

Conduo

5 V 0 V


6. Converso A/D Existem inmeros tipos de conversores A/D. Assim pode-se classificar os conversores A/D em 3 grupos:

malha aberta; malha fechada (com realimentao); integradores. Nesta aula ser dado um exemplo simples de conversor A/D do tipo malha aberta com 2 bits,

que o conversor de comparao paralela (ou conversor "flash"), que recebe o sinal analgico uma nica vez, comparando-o com diversos nveis de tenso e gerando uma sada em um decodificador que ir fornecer o valor digital (em cdigo binrio) do sinal analgico.

Nos comparadores teremos:

VCi = '0' se Ventrada < i VCi = '1' se Ventrada > i

Disto:

Sinal Analgico Sadas dos

Comparadores Cdigo Binrio

(Sinal Analgico Digitalizado)

Ventrada VC3 VC2 VC1 D1 D0

0 a 1 V 0 0 0 0 0 1 a 2 V 0 0 1 0 1 2 a 3 V 0 1 1 1 0 3 a 4 V 1 1 1 1 1


U1

LM

741

+3

-2

V+7

V-4

OU

T6

OS

11

OS

25

U2

LM

741

+3

-2

V+7

V-4

OU

T6

OS

11

OS

25

U3

LM

74

1

+3

-2

V+7

V-4

OU

T6

OS

11

OS

25

U4

LM

741

+3

-2

V+7

V-4

OU

T6

OS

11

OS

25

0

0

R16

33k

0

R1

10k

V30

TD

= 0

TF

= 1

uP

W =

0.0

1P

ER

= 0

.02

V1 =

10m

TR

= 1

u

V2 =

-10m

V19

12V

dc

V20

12

Vdc

V21

12

Vdc

R2

10k

C2

680n

V22

12

Vdc

R3

10k

R4

22k

V2

3

12

Vd

c

R5

22k

V2

4

12

Vd

c

V25

12V

dc

V26

12V

dc

0

0

0

0

0

0

0

0

R6

10k

R9

10k

R1

0

47k

R11

10k

C1

220n

R12

3.3

meg

R13

4.7

k

R14

3.3

meg

R15

150k

C3

10n

0

0

R17

5k

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