Instrumentação Médica– 1. 1
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
Instrumentação Médica– 1. 2
Funcionamento
• Gabinete– B2.22 – Guimarães (3382)
– Laboratório Investigação Biomédica – Braga (4704)
– 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
Instrumentação Médica– 1. 3
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
Instrumentação Médica– 1. 4
• Filme EOG/EEG para BCI
Instrumentação Médica– 1. 5
Potencial de repouso da membrana
Neurónio
Axónio
Membrana da célula
Voltímetro
Micro-eléctrodofora da célula
Micro-eléctrododentro da célula
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Origem do potencial de repouso
Neurónio
AxónioCorpo da célula
Dendrites
Exterior da célula
interior da célula
Interior da célula
Exterior da célula
Membrana
Bomba deSódio ePotássio
bombaCanal
Canal
Três proteínas maissignificativas da membrana
Instrumentação Médica– 1. 7
Base física para o potencial
Exterior
Interior
em mM
Equação de Nernst
Instrumentação Médica– 1. 8
Se não for injectada corrente, no repouso a
corrente total terá que ser = 0
, no repouso
Resolvendo para Vm
Instrumentação Médica– 1. 9
O potencial acção – activar o neurónio
Estímulo abre canais K +
Estímulo abre canais Na +
Estímulo de despolarização forteabre mais canais Na +
Potencialde acção
Potencialde limiar
Potencialde limiar
Potencialde limiar
Potencialde repouso
Potencialde repouso
Potencialde repouso
hiperpolarização despolarização
hiperpolarização despolarizaçãoPotencial de acção
“Spike”
Tempo (ms) Tempo (ms) Tempo (ms)
Pot
enci
al d
a m
embr
ana
(mV
)
Pot
enci
al d
a m
embr
ana
(mV
)
Pot
enci
al d
a m
embr
ana
(mV
)
Instrumentação Médica– 1. 10
Somatório causa o “disparo”
Tempo (ms)
Pot
enci
al d
a m
embr
ana
(mV
)
Sem somatório Com somatório
Limiar Limiar
Tempo (ms)
Instrumentação Médica– 1. 11
Somatório causa o “disparo”ExcitarInibir
Sub-limiar semsoma
Soma temporal Soma espacial Soma espacial
Instrumentação Médica– 1. 12
Condução
dominós em queda
Eléctrodo
Potencial de acção
Tempo Pot
enci
al d
a m
embr
ana
(mV
)
Direcção de condução
Instrumentação Médica– 1. 13
Condução
É gerado um potencial de acção quando os iõesde sódio entram dentro da membrana
A despolarização do primeiro potencial de acção esp alhou-se para a região vizinhada membrana, despolarizando-a e inic iando um segundo potencial de acção. No local do primeiro po tencial 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 or igem a um impulso nervoso que passa través do axónio.
Primeiro potencialde acção
Segundo potencialde acção
Terceiro potencialde acção
Segmento de axónio
Axónio
Instrumentação Médica– 1. 14
Condução por “saltos”
Ajuda da mielina
Célula de Schwann
Região despolarizadaNodo de Ranvier
Folha demielina
Axónio
Nodo deRanvier
Folha demielina
Axónio
Corpo da célula
Membranado Axónio
Instrumentação Médica– 1. 15
Transmissão - Sinapse
Célula pos-sináptica
Célula pré-sináptica
Neuro-transmissor
Receptor
Membranapos-sináptica
ProteínaCanal iónico
Parte de um neuro-transmissorDegradado
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Sinapse
Canais iónicos abertos Membrana sub-sináptics
Membrana pré-sináptics
Moléculastransmissoras
Vesículos sinápticos permitemlibertar moleculas transmissoras
Vesículos sinápticos armazenam moléculastransmissoras
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Transmissão – várias sinapses
Instrumentação Médica– 1. 18
Como activar um músculo?
Instrumentação Médica– 1. 19
Como activar um músculo?
Instrumentação Médica– 1. 20
Junção Neuromuscular
Micro-fotografia
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Sistema genérico de Instrumentação Médica
Grandeza a medir(e.g. pressão sanguínea,
potencial ECG, etc.)
Elementosensor
Processamentode sinal
SaídaDisplay
• Sensores: como eléctrodos, transdutores de pressão• Instrumentação: amplificador, filtro, acondicionamento de sinal• Microprocessador, telemetria, interface com internet
http://www.qubitsystems.com/electro.html
Instrumentação Médica– 1. 22
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
Instrumentação Médica– 1. 23
Tipos de Biopotenciais?
• EEG• EMG• EOG • ERG• ENG• ECG …
• temperatura• movimento• pH• pO2• químicos…
Outras fontesde sinal?
Instrumentação Médica– 1. 24
O cérebro é formado pelos lóbulos frontal, parietal, temporal e occipital.
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 sensoriaisao longo do córtex sensor-motor
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c) Tipos diferentes de epilepsia dá origem a diferentes tipos de ondas.
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Aquisição de dados e análise
• Amostragem• 1024 Hz, 12 bit • Filtro passa-banda primeira ordem: 10-500Hz
• Filtrar dados• Pós-processamento
• Extracção de características
Instrumentação Médica– 1. 27
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
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Exemplo experimental
Instrumentação Médica– 1. 29
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.
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Electroretinograma humano. Um flash em quanta/deg2 dá origem a uma scotopic threshold respone (STR) – capacidade de ver no lusco-fusco.
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ElectroNeuroGrama (ENG)
• Medição de potenciais nervosos
• Utiliza agulhas como eléctrodos
• Estimula a periferia e mede a velocidade de condução
• Utilizado para detectar disfunções neuromusculares
Instrumentação Médica– 1. 32
Características dos biopotenciais
0.01 – 10050 – 3000EMG
0.001 – 0.30.01 – 10EOG
0.001 – 10.1 – 80EEG
0.05 – 30.01 – 100ECG
Gama de amplitudes (mV)
Gama de frequências (Hz)
Biopotencial
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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
• Movimento dos eléctrodos ou dos fios
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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 elevado
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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
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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
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Registo/Estimulação no córtex
G. Kovacs, Integrated circuits lab, Stanford Univ.Center for Neural comm. Tech., Univ. of Michigan, Ann Arbor.
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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 electroquímicosP. 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.
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Ceramic - based Multisite Electrode
Courtesy K. Moxon
In Vivo Implantation and Recording
Multisite recording from barrel cortex
200µm
200 µm
200 µm
A. B. C.
Instrumentação Médica– 1. 40
High density electrode array for recording.(http://www.eecs.umich.edu/~wise/Research/Overview/Wise_Research.pdf)
Implantable Silicon micromachined electrodesto 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
Micro-eléctrodos neuronais
Instrumentação Médica– 1. 41
Amplificador de instrumentaçãoAmplificador inversor
Amplificador
não-inversor
Amplificador diferencial cujo ganho pode ser ajustado por
R1, R2, R3, R4
Amplificador diferencial
Op amp’s das entradas não inversorastêm uma elevada impedância de entrada
Instrumentação Médica– 1. 42
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
VOUT = (R1 + 2R2)(V1 – V2)/R1
= (V1 – V2)(1+2R2/R1)
I2I3
Instrumentação Médica– 1. 43
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- – VOUT)/R4
Resolvendo,
VOUT = – (V1 – V2)R4/R3
I2I3
Amplificador de instrumentação: 2
Instrumentação Médica– 1. 44
Amplificador de instrumentação: Completo
VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3)
Ganho do andar Ie do andar II
Instrumentação Médica– 1. 45
Amplificador de instrumentação: completo
VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3)
Características:
• Amp. diferencial
• Ganho muito elevado
• R de entrada elevada
• Rejeição de modo comum
•(e os filtros?)Ganho do andar Ie do andar II
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Amplificador de instrumentação: filtros
Características:
• Largura de banda
•Freq. corte baixo
•Freq. corte alto
Filtro
passa-baixo
Filtro
Passa-alto
C1
C1 C2
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