Aula 1: Introdução à Instrumentação Biomédica.

Disciplina: Instrumentação Biomédica.

Professor:Eliab Rodrigues

UNIVERSIDADE DE CIENCIAS DA SAÚDE DE ALAGOAS

Sumário

1. Fundamentos da Instrumentação Biomédica,2. Instrumentação Biomédica na Segurança,3. Teoria dos Biosinais ,3. Classificação dos Biosinais,4. Introdução aos Biomateriais,5. Introdução a Metrologia,6. Introdução as Ferramentas de Prototipagem.

Fundamentos da Instrumentação BiomédicaConceito, Integração Disciplinar, Aplicação geral, Implicação e Uso da Instrumentação Biomédica.

Conceito e integração Disciplinar

É definida como a ciência que estuda, desenvolve e aplica ferramentas de medição e controle de processos.

Esta área de conhecimentos integra as seguintes disciplinas: Metrologia, Informática, Eletroeletrônica, Mecânica, Biomateriais e Biologia.

Figura1: Primeiro Eletrocardiógrafo

Aplicação Geral e Implicação

Há três tipos de aplicações: O monitoramento de processos e operações, O controle de processos, Pesquisa, prototipagem, desenvolvimento e a análise

experimental.

A Instrumentação Biomédica consiste em apresentar a biologia em números, através dos fundamentos da física e da química.

Uso da Instrumentação Biomédica

Na saúde: Em Aparelhos médico-hospitalares, Mobiliário Hospitalar.

Na segurança: Sistemas de Biometria, Armas baixa letalidade.

Instrumentação Biomédica na SegurançaSistemas de Biometria e Armas de Eletrochoque

Sistemas de Biometria

Figura2: Pontos Biométricos do Rosto

Figura3: Rosto feminino Figura4: Rosto masculino

PARÂMETROS DO DISPARO

Tensão: 1.200 a 50.000 volts,Corrente: 0,0036 ampère,Tempo contínuo: 5 segundos,Projétil: Eletrodos ligados a fio de cobre,

Contatos através de um arco voltaico.Sistemas afetados:

Sistema muscular (intramuscular: diretamente)Sistema Nervoso (SNC: indiretamente)

Após o primeiro disparo, se manter o gatilho apertado, haverá uma descarga a cada 1,5 segundos.

Arma de Eletrochoque - Taser

Figura5: Taser Stun Gun

Teoria dos BiosinaisConceito, Nosso Corpo e Representação Gráfica e matemática do organismo.

Conceitos de Biosinais

Os Biosinais não se resumem aos sinais vitais.

Os Biosinais não se resumem ás formações biométricas do nosso corpo.

Os Biosinais não se resumem aos eventos fisiológicos.

São todas as características e propriedades anatômicas e fisiológicas.

Nosso Corpo, um Letreiro Eletrônico.

Neste contexto, Biosinais podem ser: Todas as ações (comportamento: gestos, hábitos e reflexos),

Todos as propriedades dos eventos (fisiologia: digestão, respiração, orgasmo, flatulência, emoção, etc.),

Todo conteúdo (Anatomia: tecidos e órgãos) da biologia humana são sinais biomédicos,

Representados “Graficamente”. Isto é, matematicamente compreendido. Ver imagens a seguir:

Exemplo 1: Representação Gradiente Termográfico.

Figura9: Mapa Termográfico do Corpo

Mapa Termográfico do Corpo apresentando as regiões de inflamações e dores no gradiente de cores do Azul ao Vermelho.

10-12,5cm de comprimento,

1,5-2,5cm de diâmetro,

2-4mm de espessura, 16-20 anéis, Origina 2 Brônquios

principais, Formada por tecido

cartilaginoso.

10-12,5cm de comprimento,

1,5-2,5cm de diâmetro,

2-4mm de espessura, 16-20 anéis, Origina 2 Brônquios

principais, Formada por tecido

cartilaginoso.

Figura8: Biofísica da Traqueia

Exemplo 2: Representação Gráfica com Medidas.

Classificação dos BiosinaisModelagem, Contato, Transmissão, Função Biológica, Sistema Biológico, Princípio Físico-Químico.

Classificação quanto à Modelagem

Figura10: Ondas de EMG

Classificação quanto ao Contato

Invasivo Superficial, Profundo.

Não Invasivo A distância (termografia

do corpo humano), Contato epitelial.

Figura11: Marca-passo cerebral Figura12: Glicosímetro Não-Invasivo

Classificação quanto a Transmissão dos dados.

TELEMETRIA: Radiofrequência Infravermelho Bluethoot Ondas Magnéticas

CABEADO Cabos elétricos Cabo USB Fibras Ópticas Cabo HDMI Cabo VGA Cabo de Par Trançado CAT5E Cabo DVI Cabo RCA

Classificação quanto à Função Biológica

Identificação (papilas, íris, timbre, rosto, DNA),

Fundamentais (mov. peristálticos, reflexos,

locomoção, ergonomia),

Sentidos (óptico, sonoro, odoroso, tátil, palatável),

Vitais (Pulso, Respiração, Temperatura, etc.).

Classificação quanto ao Sistema Biológico

1. Sistema cardiovascular (pressão),2. Sistema muscular (força),3. Sistema ósseo (rigidez),4. Sistema tegumentar (papilas),5. Sistema reprodutor (DNA),6. Sistema digestivo (magnetismo),7. Sistema respiratório (fluxo),8. Sistema excretor (volume),9. Sistema imunológico (Barreiras imunológicas),10. Sistema endócrino (hormônios),11. Sistema nervoso (bioeletricidade).

Classificação quanto ao Princípio Físico-Químico

Sinais Mecânicos, Sinais Magnéticos, Sinais Elétricos, Sinais Ópticos, Sinais Bioquímicos.

Esta classificação é a mais usual na Instrumentação Biomédica.

Outras Classificações

Princípio de Transdução Utilizado, Resistivo (reatância capacitiva e indutiva se anulam), Indutivo (Corrente atrasada em relação à tensão), capacitivo( Corrente adiantada em relação à tensão), ultra-sônico Eletroquímico.

Especialidade Clínica a que se aplica. Pediatria, Cardiologia, Nefrologia, etc.

Etapas de Criação de um Instrumento Biomédico

Etapas de Criação de um Instrumento Biomédico

Em cada um destes processos há:

Custos, Necessidade de Autorização, Investimento científico (gestão do conhecimento,

especialidade técnica, habilidades, etc.), Prototipagem e Ensaios, Revisão.

ATIVIDADE 1SOPA DE LETRAS (SIGLAS DOS

BIOSINAIS)

ECG (Eletrocardiografia), EEG (Eletroencefalografia), EMG (Eletromiografia), ENMG (Eletroneuromiografia), EOG (Eletro-oculografia) ECOG (Eletrococleografia), MMG (Mecanimiografia), GSR (Resposta Galvânica da Pele), MEG (Magnetoencefalografia).

ATIVIDADE 1SOPA DE LETRAS (SIGLAS DOS

BIOSINAIS)

ECG (Eletrocardiografia), EEG (Eletroencefalografia), EMG (Eletromiografia), ENMG (Eletroneuromiografia), EOG (Eletro-oculografia) ECOG (Eletrococleografia), MMG (Mecanimiografia), GSR (Resposta Galvânica da Pele), MEG (Magnetoencefalografia).

Introdução aos BiomateriaisMateriais artificiais em consonância com o natural.

Conceito de Biomateriais

É uma substância ou uma mistura de substâncias, natural ou artificial, que atua nos sistemas biológicos (tecidos, órgãos) parcial ou totalmente, com o objetivo de substituir, aumentar ou tratar.

Classificação dos Biomateriais

Bioinertes,

Biotolerados,

Bioactivos,

Reabsorvíveis.

Tabela1a: Biomateriais

Tabela1b: Biomateriais

Tabela1c: Biomateriais

Introdução a MetrologiaConceito, Áreas e Termos.

Conceito de Metrologia

A Metrologia é a ciência que abrange todos os aspectos teóricos e práticosrelativos às medições, qualquer que seja a incerteza em qualquercampo da ciência ou tecnologia.

(Fonte: Portal INMETRO)

Áreas da Metrologia

Fonte: http://www.inmetro.gov.br

Áreas da Metrologia

Fonte: http://www.inmetro.gov.br

Terminologia de Medição

Faixa de Medida (Range): A faixa de indicação, alcance ou range é o conjunto de valores limitados pelas indicações extremas.

Alcance (Span): A amplitude nominal ou span. É a diferença nominal entre os dois limites de uma faixa nominal.

Zero do instrumento: É o limite inferior da faixa. Não é necessariamente o zero numérico.

Exatidão (accuracy): É o grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando.

Terminologia de Medição

Repetitividade: É o grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição.

Fundo de escala (calibre): O máximo valor que determinado instrumento é capaz de medir sem correr o risco de danos.

Classe de Exatidão: É uma classe de instrumentos que satisfazem a certas exigências metrológicas destinadas a conservar os erros dentro de limites especificados.

Terminologia de Medição

Sensibilidade: É a resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação no estímulo.

Resolução: É a menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente percebida.

Erros Estáticos de Medição Linearidade e Não-Linearidade: O valor da resposta

medida é/não é proporcional à grandeza real que está sendo medida.

Histerese: A histerese é a tendência de um material ou sistema conservar suas propriedades na ausência do estímulo que as gerou.

Zona morta: O intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, sem produzir variação na resposta de um instrumento de medição (margem de erro, glicerina ou silicone do manômetro).

Erros Dinâmicos de Medição

Degrau e rampa: Quando um instrumento mede variáveis cuja evolução no tempo é imprevisível. Monitoramento contínuo e registro gráfico do sinal é uma solução para estudar o sinal, pois, pode-se encontrar padrões.

Tempo morto: É o tempo gasto entre o instante de aplicação do degrau e o início da resposta do instrumento (a saída é atrasada com relação à entrada). Transdutores mais rápidos ou sensores mais sensíveis podem atenuar este erro.

Erros Dinâmicos de Medição

Constante de Tempo (Setting time): É o tempo gasto do início de variação da saída até a mesma atingir 63,2% do valor esperado como final.

Tempo de Subida: O tempo de subida ou rising time é o

tempo necessário para a resposta do instrumento excursionar dos 10% aos 90% da variação que o degrau de entrada irá provocar na saída, entre os valores permanentes, inicial e final.

Manômetro de Teste

ModeloIntervalo de

pressõesResolução Precisão

Pressão de Ruptura

Fluke-700G01

-10 até +10 inH 2O-20 mbars até 20 mbars

0,001 inH 2O,0,001 mbar Pressão positiva de ±

0,1 % da faixa,Vácuo de ± 0,1 % da faixa

3 psi,210 mbars

Fluke-700G02

-1 até +1 psi,-70 mbars até 70 mbars

0,0001 psi,0,001 mbar

5 psi,350 mbars

Figura14: Marca-passo Definitivo

Multímetro Profissional

Figura15: Multímetro

Luxímetro Profissional

Figura16: Luxímetro

ATIVIDADE 2

As terminologias de medição e de erro são valores absolutos ou relativos? Justifique.

Um Tensiômetro que cuja Faixa de Medida varia de 30 a 180mmHg, precisa ser calibrado. Um Calibrador de Manômetro com a Faixa de Medida para calibração de 1 a 300 Bar é capaz de realizar esta calibração? Lembrando que 1Bar é igual a 750mmHg. Justifique.

A partir do Inter5 plus a intermed discriminou os sensores de fluxo de acordo com os seguintes parâmetros: neonatal, pediátrico e adulto. Com qual terminologia esta discriminação está relacionada? Ver imagem do aparelhos Inter 5 e Inter7.

Respostas da Atividade 2

1ª. São valores relativos. A finalidade da medição dirá suas peculiaridades.

2ª. Não, pois, sua Faixa de Medida está muito acima da faixa de medida do tensiometro.

3ª. A Sensibilidade..

Plataformas para PrototipagemFerramentas Virtuais e Materiais que Auxiliam na Prototipagem.

Yenka- Circuitos Mecatrônicos

Figura17: Yenka

Multimedia Logic- Circuitos Digitais

Figura18: M. Lógic

DEV C++ – Desenvolvimento em C/C++

Figura18: DEV

Blender 3D – Simulação em 3 Dimensões

Figura19: Blender

Prototipagem de Circuitos

Figura20: Arduíno

Figura21: Placa de Ensaio

FreeMat – Cálculos Matemáticos Complexos

Figura22: FreeMat

Fonte Bibliográfica

Sistemas de Medição Biomédica I a III - Prof. Ernesto Ramírez. Sistema Internacional de Unidades , INMETRO; 9ª Ed. Rio de Janeiro –

2012. Instrumentação e Controle – Guia Básico, Eletrobrás, Brasília – 2008. BIOMATERIAIS – INCT (Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia).

Acessado em 27/01/2015.

Fonte das Imagens Figura1: http://hypescience.com/22-instrumentos-medicos-antigos-de-dar-medo/ Figura2: http://siliconangle.com/blog/2013/06/28/eff-fbi-face-off-over-ngi-facial-recognition-

database/ Figura3: http://www.evartha.in/english/2014/12/11/i-fought-hard-to-bag-unbroken-says-

angelina-jolie.html Figura4: http://djstormsblog.com/2011/02/22/let-me-just-make-this-statement-loud-and-clear-

jerseys-here/ Figura5: http://ciencia.hsw.uol.com.br/armas-de-choque3.htm Figura6: http://segurancauniao.blogspot.com.br/2012_01_15_archive.html Figura6: http://www.sounatura.com/web/index.php?/Termografia/o-que-e Figura7: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/19664.pdf (página 4) Figura8: http://www.biomedcentral.com/1471-2318/8/33/figure/F3?highres=y Figura9: http://www.reclamando.com.br/?system=news&action=read&id=18845&eid=319 Figura10: http://www.tiabeth.com/tiabeth/wp/tecnologia/2013/09/10/glicosimetro-nao-

invasivo-tensortip-cgm-cnoga/ Tabela1a e b: http://biomateriaisnaengenharia.blogspot.com.br/2011/11/definicao-de-

biomateriais_21.html Figura11: http://pt.wikipedia.org/wiki/Marca-passo Figura12: http://www.fluke.com Figura13: http://www.minipa.com.br Figura14: http://www.minipa.com.br Figura15: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno Figura16: http://www.eletronicadidatica.com.br/protoboard.html

FIM!

Ensina-nos a contar os nossos dias de tal

maneira que alcancemos corações

sábios”

(Salmo 90:12).