Instrumentação Médica– 5. 1

Aula 5 - 2005imlebiom2006

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– 5. 2

Sumário

• Sinais biomédicos - 1• Aquisição e análise de sinais biomédicos - 2• Sensores biomédicos - 3• Eléctrodos para biopotenciais, micro-eléctrodos - 4• Espectrofotometria e métodos ópticos- 5

Instrumentação Médica– 5. 3

Métodos ópticos

• Espectrofotometria• Fotometria da chama• Fluorimetria• Espectrometria de emissão• Espectrometria de transmissão• Espectroscopia de infravermelho próximo• Oximetria

Instrumentação Médica– 5. 4

Fotometria• Fotometria

• Baseai-se em medições de energia electromagnética emitida, absorvida ou transmitida sob condições controladas

• Espectrofotometria• Baseia-se na utilização da intensidade da luz num

determinado comprimento de onda, ou numa região espectral para determinar a concentração de determinada molécula na solução

• Fotometria da chama• Técnica utilizada para quantificar concentrações

de sódio, potássio e lítio em fluídos corporais

Instrumentação Médica– 5. 5

Espectrofotometria

Instrumentação Médica– 5. 6

Fonte de luz• Filamento de tungsténio

• Visível• Infravermelho próximo• Ultravioleta próximo

• Lâmpadas de hidrogénio de alta pressão • Necessárias abaixo do 320 nm

• Lâmpadas de Xénon ou vapor de mercúrio• Ultravioleta

Instrumentação Médica– 5. 7

Monocromador• Utilizado para seleccionar um comprimento

de onda• Prismas

• Refracção• Passagem de luz branca provoca maior refracção

(curvatura) dos λ curtos do que dos λ longos• Grelhas de difracção

• Os raios de luz ao passarem através da grelha curvam-se em função do seu comprimento de onda

• Frente de onda permite seleccionar um λ

Instrumentação Médica– 5. 8

Cuvete e Fotodetector• Cuvetes podem redondas, quadradas ou

rectangulares• Têm um percurso luminoso constante (1 cm)• Na região visível (>340 nm) pode-se usar

cuvetes cilíndricas• Na região < 340 nm devem-se usar cuvetes

quadrardes ou rectangulares (sílica/quartzo)

• Deve ser linear e ter sensibilidade suficiente• Arrays de fotodíodos, tubos foto-

multiplicadores

Instrumentação Médica– 5. 9

Teoria• Lambert• Bouguer• Beer• Bernard

A transmitância diminui exponencialmentecom o aumento do percurso luminoso

A concentração de uma substância numasolução está relacionada com a sua concentração

Lei de BeerEspessura idêntica de um material absorvente absorverá uma fracção constante da energia incidente

Io – potência radiada que chega à cuveteI - potência radiada que abandona a cuvetea – absorvência da amostraL – caminho ópticoC – concentração da substância absorvente

Instrumentação Médica– 5. 10

Teoria• A transmitância é a relação entre a intensidade

luminosa que entre na cuvete e a que sai

• A absorção (absorbance) está exponencialmente relacionada com o reciproco da transmitância

• À medida que a concentração da substância varia, A varia logaritmicamente e inversamente.

Instrumentação Médica– 5. 11

Teoria• A fracção de luz absorvida por uma

substância num determinado λ é uma constante, a, denominada por absorvência

• Utilizando as equações anteriores é possível escrever:

• Se a e L forem constantes o valor de A depende de C

• Conhecendo As e Cs é possíveldeterminar Cu pela medição de AuSe a relação funciona em toda a gama possível, diz-se que obedece à lei de Beer

Instrumentação Médica– 5. 12

Fotometria da chama

Figura 11.2 Diagram de blocos de um instrumento para (a) emissão de chama (b) absorção de chama. (Based on R. J. Henry, D. C. Cannon, and J. W. Winkelman,

eds., Clinical Chemistry, 2nd ed. Hagerstown, MD: Harper & Row, 1974.)

Amostra, combinada com um solvente

Solvente evapora-se, deixando partículas da amostra

Instrumentação Médica– 5. 13

Fotometria da chama• Emissão atómica

• Chama fornece energia aos electrões de valência• Regresso ao estado estável -> emissão de

energia• Sódio – amarelo• Potássio – violeta• Lítio – vermelho (depressão maníaca)

• Absorção atómica• Átomos na chama absorvem energia

• Cálcio, chumbo, cobre, zinco, ferro, magnésio• Usada lâmpada com λ de absorção do material a

determinar concentração

Instrumentação Médica– 5. 14

Fluorimetria

Figura 11.3 Diagrama de blocos de um flurometro (Based on R. Hicks, J. R.Schenken, and M. A. Steinrauf, Laboratory Instrumentation. Hagerstown, MD:

Harper & Row, 1974. Used with permission of C. A. McWhorter.)

•Usa fluorescência

Instrumentação Médica– 5. 15

Fluorimetria• Fonte de luz

• Lâmpadas de mercúrioλ = 365nm, 405 nm, 436 nm, 546 nm

• Foto-detectores• Foto-multiplicadores

• É necessário seleccionar duas bandas espectrais (emissão e recepção)

• Maior sensibilidade (4 ordens de magnitude)• Maior selectividade – só a amostra fluoresce• Detecta picogramas• Sensível ao pH e temperatura da amostra

Instrumentação Médica– 5. 16

Teoria• Lei de Beer-Lambert

• Rearranjando para determinar a quantidade de luz absorvida

Io – potência radiada que chega à cuveteI - potência radiada que abandona a cuvetea – absorvência da amostraL – caminho ópticoC – concentração da substância absorvente

Instrumentação Médica– 5. 17

Teoria• A intensidade de fluorescência, IF, é

proporcional à luz absorvida

e à eficiência de fluorescência, φ, o que resultaem

Expandindo em série de Taylor e convertendo a base logarítmica

Instrumentação Médica– 5. 18

Espectrometria de emissão

•Concentração de nitrogénio

Instrumentação Médica– 5. 19

Espectrometria de transmissão

•Concentração de dióxido de carbono

Instrumentação Médica– 5. 20

Espectroscopia de infravermelho próximo• Tecido biológico é relativamente transparente à

luz com λ = 600 – 1000 nm• Existem substâncias nos tecidos cuja absorção

depende dos níveis de oxigénio• Tecidos com 70-90% de água

• Transparente 300-900nm• Pico em 970 nm• Absorve acima dos 1700 nm

Vermelho nas artérias e azul nas veias

Instrumentação Médica– 5. 21

Instrumentação Médica– 5. 22

Dispersão• Lei de Beer-Lambert modificada

•Caminho indirecto

Instrumentação Médica– 5. 23

Espectroscopia do Cérebro

• Conhecendo a, d e B, é possível determinar a variação na atenuação

Instrumentação Médica– 5. 24

Oximetria

Instrumentação Médica– 5. 25

Oximetria• Dispositivo não invasivo •660 nm VM

•890-950nm

Instrumentação Médica– 5. 26

100 kΩ 100 kΩ

20 kΩ

47 nF

47 nF47 nF

Oximetria