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Aula 1: Introdução à Instrumentação Biomédica.
Disciplina: Instrumentação Biomédica.
Professor:Eliab Rodrigues
UNIVERSIDADE DE CIENCIAS DA SAÚDE DE ALAGOAS
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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.
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Fundamentos da Instrumentação BiomédicaConceito, Integração Disciplinar, Aplicação geral, Implicação e Uso da Instrumentação Biomédica.
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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
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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.
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Uso da Instrumentação Biomédica
Na saúde: Em Aparelhos médico-hospitalares, Mobiliário Hospitalar.
Na segurança: Sistemas de Biometria, Armas baixa letalidade.
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Instrumentação Biomédica na SegurançaSistemas de Biometria e Armas de Eletrochoque
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Sistemas de Biometria
Figura2: Pontos Biométricos do Rosto
Figura3: Rosto feminino Figura4: Rosto masculino
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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
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Teoria dos BiosinaisConceito, Nosso Corpo e Representação Gráfica e matemática do organismo.
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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.
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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:
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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.
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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.
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Classificação dos BiosinaisModelagem, Contato, Transmissão, Função Biológica, Sistema Biológico, Princípio Físico-Químico.
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Classificação quanto à Modelagem
Figura10: Ondas de EMG
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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
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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
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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.).
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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).
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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.
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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.
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Etapas de Criação de um Instrumento Biomédico
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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.
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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).
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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).
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Introdução aos BiomateriaisMateriais artificiais em consonância com o natural.
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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.
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Classificação dos Biomateriais
Bioinertes,
Biotolerados,
Bioactivos,
Reabsorvíveis.
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Tabela1a: Biomateriais
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Tabela1b: Biomateriais
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Tabela1c: Biomateriais
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Introdução a MetrologiaConceito, Áreas e Termos.
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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)
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Áreas da Metrologia
Fonte: http://www.inmetro.gov.br
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Áreas da Metrologia
Fonte: http://www.inmetro.gov.br
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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
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Multímetro Profissional
Figura15: Multímetro
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Luxímetro Profissional
Figura16: Luxímetro
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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.
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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..
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Plataformas para PrototipagemFerramentas Virtuais e Materiais que Auxiliam na Prototipagem.
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Yenka- Circuitos Mecatrônicos
Figura17: Yenka
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Multimedia Logic- Circuitos Digitais
Figura18: M. Lógic
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DEV C++ – Desenvolvimento em C/C++
Figura18: DEV
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Blender 3D – Simulação em 3 Dimensões
Figura19: Blender
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Prototipagem de Circuitos
Figura20: Arduíno
Figura21: Placa de Ensaio
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FreeMat – Cálculos Matemáticos Complexos
Figura22: FreeMat
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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.
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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
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FIM!
Ensina-nos a contar os nossos dias de tal
maneira que alcancemos corações
sábios”
(Salmo 90:12).