introdução à instrumentação médica

!!!!

"""" #$ #$ #$ #$ """"

!"

#$%&

'()

*+%%)

,-

.-

' -

/01

#%%1

#%2

*32

*

&*$

*

#/0&

4&

%%%% #$&' #$&' #$&' #$&'$$$$((((")")")")

1

*%1

*!1

*+,-.,/ *+-0*.,$*+,-.,/ *+-0*.,$*+,-.,/ *+-0*.,$*+,-.,/ *+-0*.,$

*!

*!2

*3%

*1

1

#05#67&

)

*$/8%%

*/+9&

&

*/+9!%)

*/+9:$$-

+9:$$;:,5 7-

/<09&2

!+/&

&*9&&

&&&

&&&

& 9&-

&9)&

&%+9(%%57-

& *=%$'>*-

#/0-

4--

1111$$$$ )")")")"

1

%/%1

>%/%1

%$+(1

?%/!1&

?%/!1)

'!"1-

?%/11

?%//2

&?%//%2

),@$@/%2

-'2

#/02&

42)

+2+2+2+2

3333 "4)"4)"4)"4)

21

'/%$/%21

/021

/%

%!

'$

'/

%"+$@&

%"%$@-

6%//%" 2

&%"+

)%A"+

%!$

#$/<%

%"+$ )

%"%$ 1

%"+ 1

%!(!%2

#/0

4

5555 "16"16"16"16

)

'!$%"%9$56?'7-

'!$%"%9$02

'!$%"%9$+0

57

6?'

'!%9$"$%5?6'7-

#%<3?6'-

?6'

?<?6'

?6'

?6'B!

?6'%)

?6'%-

?6'$"%5CD71

&'!?6'&

#/0&

4&

*+,-.,/ *+-0*.,$*+,-.,/ *+-0*.,$*+,-.,/ *+-0*.,$*+,-.,/ *+-0*.,$

7777!!!! "76"76"76"76

&&)

& (!%+%&)

& E9%%$%&)

& *!)

& 4%)

& 4%)

&:)&

&%$5,7))

& %$5',7))

& ?))

& %/%$%$-2

& 4/<',-

&%"%$5>,71

&%/%$5,71

&*2" 2$%1

& #%/%$1-

&6$9%, 2

#/0 2

4 2)

6666( ( ( ( 8# &'8# &'8# &'8# &'!!!! %""%""%""%""

)

) %<+

) ?%@

) /%"%9%

) %

) ?<+ &

) !% 1

) '!(%

) %$%@

) +

) '%< 1

) ' 2

) %*F"-$%@%/"

%9$

)?%/<+

)?9

) G//0 &

) '/03+<%$

%%/ )

+2+2+2+2

) '!@ -

) '3%/ 1

) /0$ 2

)'/0

):%$%$

) ,%H

)'

)#283I%%

)?<',/

)?%/% &

)?%+ &

) ?%9 &

)?%$ )

#/0 -

4

$ $ $ $ %55%55%55%55 $ $ $ $ $$$$##9 ###9 ###9 ###9 ####9 ###9 ###9 ###9 !!!! %7"%7"%7"%7"

Introdução à Instrumentação MédicaIntrodução à Instrumentação MédicaIntrodução à Instrumentação MédicaIntrodução à Instrumentação Médica

60 © LIDELLIDELLIDELLIDEL - Edições Técnicas

2222....5555.3..3..3..3.2 2 2 2 Medição da frequência respiratória e cardíacaMedição da frequência respiratória e cardíacaMedição da frequência respiratória e cardíacaMedição da frequência respiratória e cardíaca

Foi já referido que as fibras óticas com FBG (que devido à natureza do método de dete-ção e medida) possuem muito maior sensibilidade quando comparadas com as fibras óticas convencionais (as quais se baseiam na deteção da intensidade do feixe de luz e medição da atenuação para determinação da grandeza a medir). Isto abre novos horizon-tes para implementação de aplicações que requerem justamente maiores sensibilidades. Um exemplo é a possibilidade de medir simultaneamente a frequência respiratória e a frequência cardíaca com apenas um único FBG. A separação das duas frequências é rea-lizada sobre os dados obtidos e em software com filtros passa-banda no domínio digital. Existem dois tipos de realização para implementar estes filtros, nomeadamente estruturas com resposta impulsional finita ou FIR (Finite Impulse Response) e estruturas com res-posta impulsional infinita ou IIR (Infinite Impulse Response). Isto além de simplificar o equipamento e reduzir o custo da implementação, também permite que se reconfigure o sistema sem necessidade de substituir as componentes de hardware, muito graças ao facto de o núcleo principal do sistema ser implementado em software. Além disso, muito facilmente se consegue expandir o número de grandezas a adquirir graças à versatilidade dos FBG (Silva A. et al., 2011).

A Figura 2.30(a) ilustra a fotografia de um protótipo funcional constituído por uma folha fabricada em policloreto de vinilo (PVC) e uma fibra ótica com um FBG inscrito (na qual os respetivos conectores já estão inseridos), o qual após fixação no tórax – fotografia na Figura 2.30(b) – do indivíduo permitirá adquirir os sinais (Silva A. et al., 2011). À seme-lhança da subsecção anterior, a folha de PVC possui dupla função: fixação e maximiza-ção da sensibilidade do sensor. Na Figura 2.30(d) é possível observar-se o setup comple-to do sistema que implementa o diagrama de blocos apresentado na Figura 2.30(c) (Sil-va A. et al., 2011).

(a)

Sensores para Sensores para Sensores para Sensores para IIIInstrumentação nstrumentação nstrumentação nstrumentação MMMMédicaédicaédicaédica

© LIDELLIDELLIDELLIDEL - Edições Técnicas 61

(b)

Sistema deaquisição

baseado emFBG

Fonte de IR

detetor

FB

G

driver

Sistema de interface

(placa de aquisição de sinaisda National Instruments)

driver ADCS/H

fs=36 Hz

Filtros digitais(implementados em PC)

BPF #10.2 - 0.4 Hz

BPF #20.5 - 1.2 Hz

(c)

(d)

FiguraFiguraFiguraFigura 2222....30 30 30 30 (a) Fotografia de um protótipo funcional PVC+FBG+conectores; (b) fotografia de um

protótipo funcional montado no tórax de um indivíduo para aquisição dos sinais; (c) diagrama de blocos

do sistema; e (d) setup completo



Os espectros apresentados nas Figura 2.31(a) e (b) referem-se aos sinais obtidos por filtragem passa-banda no domínio digital, cujas bandas passantes estão, respetivamente, nas gamas 0.2-0.4 Hz e 0.5-1.2 Hz (Silva A. et al., 2011). Os dados em bruto foram obtidos com a ajuda de doze voluntários saudáveis do sexo masculino com idades compreendidas entre os vinte e os trinta anos. As Figuras 2.32(a) e (b) comparam, respetivamente, os sinais respiratório e cardíaco obtidos (para apenas um indivíduo) com este sistema ótico e com sensores eletrónicos comerciais (Zephyr BioHarness para os sinais respiratórios e um Zephyr Cardiac para os sinais cardíacos) (Silva A. et al., 2011). É possível observar-se a concordância entre as frequências dos sinais adquiridos com este sistema ótico e os sensores comerciais.

(a)

Amplitude do espectro [dB]

(b)

FiguraFiguraFiguraFigura 2222....31 31 31 31 Espectros dos doze sinais obtidos por filtragem passa-banda dos sinais adquiridos,

referentes às componentes: (a) respiratória; e (b) cardíaca

Sensores para Sensores para Sensores para Sensores para IIIInstrumentação nstrumentação nstrumentação nstrumentação MMMMédicaédicaédicaédica


Amplitude

Comp. onda [nm]

(a)

Amplitude

[a.u.]

Comp. onda

[nm]

Comp. onda

[nm]

(b)

FiguraFiguraFiguraFigura 2222....32 32 32 32 Espectros dos sinais obtidos por filtragem passa-banda dos sinais adquiridos, referentes às

componentes: (a) respiratória; e (b) cardíaca

2222....5555.3..3..3..3.3 3 3 3 Medição deMedição deMedição deMedição de movimentos nos membros inferiores movimentos nos membros inferiores movimentos nos membros inferiores movimentos nos membros inferiores

Conforme atrás referido, desde que haja o envolvimento de algum tipo de deformação axial, então as fibras óticas com FBG podem ser utilizadas para se adquirir sinais em outros tipos de aplicações biomédicas. Um exemplo é a medição de movimentos nos membros inferiores. Nesta sequência, o sistema ótico da subsecção anterior foi testado com sucesso na medição, registo e avaliação de parâmetros mecânicos específicos do movimento dos membros inferiores e da força. Este sistema de monitorização está espe-



cialmente direcionado para situações onde é necessário avaliar as condições musculares, ósseas e articulações de pacientes e de atletas.

Em termos gerais, a cinemática do joelho pode ser dividida em duas fases: flexão e extensão. Estudos previamente efetuados permitiram observar que um único FBG seria suficiente para obter uma representação gráfica do período da marcha humana plena, centrada na articulação do joelho em função do comprimento de onda (medido no recetor ótico). Para tornar esta operação possível, é necessário que a sensibilidade do FBG seja suficiente que permita detetar o movimento completo de um extremo (quando a perna está completamente em linha reta) para o outro (deflexão máxima do joelho durante a marcha) e todos os pequenos movimentos intermédios. Conforme ilustrado na Figu-ra 2.33, a configuração geométrica do protótipo funcional (ver Figura 2.30(a)) foi alterada para permitir a colocação/remoção no/do joelho (Rocha R. P. et al., 2011). A colocação do protótipo no joelho é feita com a ajuda de uma joelheira elástica com pequenos botões de pressão que agem como elementos de ligação da folha de PVC com FBG. Os detalhes podem ser observados na Figura 2.33: (a) joelheira elástica com os pequenos botões de pressão; (b) banda elástica colocada no joelho; e (c) protótipo funcional em PVC+FBG. Note-se que estas joelheiras elásticas são normalmente utilizadas em situações de prevenção/precaução em pessoas vítimas de lesões musculares temporárias ou permanentes. Os botões de pressão garantem que o FBG é capaz de medir a flexão e a extensão do joelho à medida que o indivíduo se movimenta.

FiguraFiguraFiguraFigura 2222....33 33 33 33 (a) Joelheira elástica com os pequenos botões de pressão assinalados pelas elipses;

(b) protótipo funcional em PVC+FBG ligado à joelheira elástica; (c) imagem aproximada do protótipo

funcional, onde é possível observar a fibra ótica com um FBG inscrito no núcleo

Efetuaram-se dois testes ao sistema ótico, tendo-se obtido duas formas de onda para duas velocidades: a 0.8 km/h e a 8 km/h. Embora estas duas formas de onda tenham sido adquiridas durante dez segundos, apenas se apresentam cinco segundos de medições na



A partir dos espectros ilustrados na Figura 7.7 é possível deduzir que a amplitude dos respetivos sinais no domínio dos tempos é elevada na região subdelta (isto é, nas meno-res frequências da banda delta). Nota-se que ambos os elétrodos em nitreto de titânio e os elétrodos em óxido de irídio possuem uma excelente resposta nas bandas teta e beta, não se passando o mesmo relativamente aos elétrodos de prata e cloreto de prata.

É possível ainda observar que os elétrodos em nitreto de titânio exibem uma excelente resposta em termos de amplitude na banda referente às ondas alfa. Além disso, elétrodos de nitreto de titânio são os que possuem uma menor uniformidade em todo o espectro quando comparados com os elétrodos de prata e cloreto de prata e os de óxido de irídio.

Por seu turno, os elétrodos em epoxy de cloreto de prata apresentam uma excelente res-posta às frequências próximas da componente contínua (especialmente na banda que contém as ondas delta), mas desvanecendo-se rapidamente à medida que as frequências aumentam.

Resumindo, os elétrodos em óxido de irídio são os que cobrem todo o espectro 0.5-30 Hz com o maior grau de uniformidade. Esta e outras características aliadas à sua baixa resis-tência (estudos prévios revelaram uma resistividade de 350 µΩ.cm em filmes finos de óxido de irídio com uma espessura de apenas 270 nm) fazem com que este material pos-sua um grande potencial de aplicação em elétrodos tanto para gravar como para estimular (Correia J. H. et al., 2006).

7777.2..2..2..2.4444 EEEELÉTRODOS SECOSLÉTRODOS SECOSLÉTRODOS SECOSLÉTRODOS SECOS COM MICROAGULHAS COM MICROAGULHAS COM MICROAGULHAS COM MICROAGULHAS

Conforme ilustrado na Figura 7.5(a), o contacto elétrico entre um elétrodo convencional (como é o caso dos elétrodos comerciais em prata e cloreto de prata) e a pele não é muito bom devido à existência de uma camada de alta resistência elétrica (a camada seca da stratum corneum) entre o elétrodo e a epiderme (rica em sais minerais condutores). Para reduzir a resistência da camada stratum corneum é necessário executar um conjunto pré-vio de procedimentos relativamente demorados e invasivos, consistindo na abrasão da pele e aplicação do gel condutor. Conforme ilustrado na Figura 7.5(b), a utilização de elétrodos com forma de agulha permite passar a stratum corneum (com espessura típica na gama 5-10 µm) e entrar diretamente em contacto com a epiderme sem recorrer a algum tipo de gel condutor. O comprimento das agulhas não excede os 200 µm evitando uma sensação de desconforto ou mesmo de dor para o paciente.

A qualidade do contacto elétrodo-eletrólito não dispensa a consideração do modelo elé-trico. No modelo ilustrado na Figura 7.5(a), a impedância elétrodo-eletrólito deve-se à interface entre o elétrodo e o gel. O gel é parcialmente absorvido após a aplicação, pois a camada stratum corneum é semipermeável a substâncias iónicas. Isto dá origem a dife-renças de concentração iónicas ao longo da epiderme, cuja consequência é o aparecimen-to da tensão Vse. Adicionalmente, o equivalente da impedância da camada stratum cor-

Elétrodos e Aquisição de BiopotenciaisElétrodos e Aquisição de BiopotenciaisElétrodos e Aquisição de BiopotenciaisElétrodos e Aquisição de Biopotenciais


neum pode ser representado através do paralelo formado pela resistência Rsc e o conden-sador Csc. Por outro lado, a variável Rv quantifica o comportamento resistivo associado ao conjunto formado pelas camadas inferiores da epiderme e pela derme.

Conforme ilustrado na Figura 7.5(b), o modelo elétrico é mais simples para o caso dos elétrodos secos com microagulhas, pois estas podem penetrar na pele e atingir as cama-das mais inferiores da epiderme. Nesta situação, a interface elétrodo-eletrólito (cujo comportamento elétrico equivalente se explica através das grandezas físicas Vdc, Ree e Cee) ocorre ao nível do elétrodo e dos fluidos presentes na epiderme. Neste caso, a função do gel eletrólito observada antes nos elétrodos convencionais é agora promovida pelos fluidos biológicos presentes nos tecidos inferiores da epiderme. Observa-se portan-to que quer as impedâncias referentes à stratum corneum e ao gel eletrólito, quer a tensão Vse são eliminados.

Em termos elétricos, refira-se que a abrasão prévia da pele antes da aplicação dos elétro-dos convencionais diminui a impedância paralela Rsc e Csc devida à stratum corneum. Todavia, esta abrasão apenas consegue remover uma parte desta camada da pele e con-some bastante tempo antes da aquisição dos biopotenciais. Um elétrodo seco com microagulhas consegue obviar estes inconvenientes na medida em que diminui a impe-dância pele-elétrodo e o tempo de preparação. Além disso, é mais adequado para aquisi-ções muito demoradas pois não requer a aplicação do gel eletrólito.

7777....2222....4444.1 .1 .1 .1 FabricoFabricoFabricoFabrico

A Figura 7.8 ilustra a configuração de um elétrodo seco em óxido de irídio constituído por uma matriz de 4×4 microagulhas. Cada microagulha possui uma forma tridimensio-nal, cuja estrutura foi obtida por corrosão química em solução aquosa (CQSA) de hidró-xido de potássio (KOH). Este processo é extensamente conhecido como micromaquina-gem volúmica anisotrópica em KOH (Correia J. H. et al., 2010). A forma das pontas das microagulhas foi conseguida graças ao efeito de corrosão por baixo da máscara (também conhecido por undercut effect), onde os planos de corrosão rápida são revelados (Dias N. S, et al., 2010). A opção pelo material a corroer recaiu no wafer tipo [100] com espessura padrão de 525 µm. A forma desejada para as agulhas teve também em conta a combinação do processo de micromaquinagem com dois filmes finos de nitreto de silício (SiN) depositados na parte superior e inferior do wafer para servirem, respetivamente, de máscara e proteção anti-corrosão. Seguidamente, procedeu-se à padronização do filme fino de nitreto de silício na parte superior. A Figura 7.9 ilustra a sequência de passos de fabrico seguidos na obtenção da estrutura das microagulhas. Estes seis passos englobam processos de litografia e de corrosão.

Uma máscara com estruturas quadradas com 200 µm de lado foi usada no processo de litografia para desenho das microestruturas. O tamanho escolhido para as estruturas da máscara teve em consideração uma análise prévia do efeito das características da máscara



na formação de estruturas tridimensionais. O processo de desenho da máscara teve em conta diversos tamanhos, nomeadamente entre os 100-200 µm. Esta opção deveu-se a limitações na resolução do processo de impressão e simultaneamente por permitir um melhor controlo de progressão da corrosão uma vez que é necessário mais tempo para a formação da ponta da agulha.

FiguraFiguraFiguraFigura 7777....8 8 8 8 Possível configuração para um elétrodo seco em óxido de irídio

FiguraFiguraFiguraFigura 7777....9 9 9 9 Passos de fabrico usados para definir a estrutura das microagulhas

Conforme ilustrado na Figura 7.9, o passo de fabrico (a) consiste num processo de lito-grafia que, por ação de luz ultravioleta (UV), grava o desenho da máscara no substrato para proteger algumas zonas da corrosão. Com isto consegue-se definir as dimensões das estruturas a fabricar. Uma substância sensível à luz UV (photoresist) é aplicada no subs-trato de silício para gravar a informação contida na máscara. A exposição a uma fonte de luz UV transfere o desenho da máscara para o photoresist. Posteriormente o photoresist é revelado durante o passo (b) com recurso a uma substância química que dissolve as zonas do photoresist que não foram sujeitas à luz (isto no caso de um photoresist negativo). A camada de nitreto de silício previamente depositada protege da corrosão as zonas do wafer cobertas pelo photoresist. O padrão impresso nesta camada define as estruturas de microagulhas que se pretendem obter. Entretanto no passo (c), as zonas da camada de

Elétrodos e Aquisição de BiopotenciaisElétrodos e Aquisição de BiopotenciaisElétrodos e Aquisição de BiopotenciaisElétrodos e Aquisição de Biopotenciais


nitreto de silício que ficaram expostas são eliminadas com recurso a um processo de cor-rosão seco, designado por Reactive Ion Etching ou RIE (Correia J. H. et al., 2010). Durante os passos (d) a (f) remove-se o photoresist e procede-se à corrosão do wafer de silício. Nesta sequência, as áreas restantes com nitreto de silício funcionaram como uma camada protetora contra a corrosão do wafer de silício por uma solução aquosa de KOH a 30% mantida à temperatura de 87 ºC. A taxa de corrosão foi de aproximadamente 125 µm.h-1. Na última fase de fabrico durante o passo (f), o nitreto de silício restante na face superior do elétrodo é removido numa solução aquosa de ácido fluorídrico (HF). As microagulhas emergem devido à corrosão sob a máscara por efeito do undercut, o qual foi monitorizado por meio de microscopia ótica. As fotografias da Figura 7.10 ilustram a evolução do processo de corrosão a cada 30 minutos, sendo possível acompanhar a evo-lução dos planos laterais de corrosão à medida que vão originando uma estrutura tridi-mensional.

FigFigFigFiguraurauraura 7777....10 10 10 10 Sequência de fotografias tiradas a cada 30 minutos de cima para baixo para visualização dos vários estágios do processo de corrosão

O fabrico de elétrodo não termina com a obtenção da estrutura de silício em microagu-lhas pois este material não é condutor, devendo-se envolver a estrutura física de silício com óxido de irídio com recurso a um processo de deposição de filmes finos. Assim, o revestimento de óxido de irídio foi depositado durante uma sessão de pulverização cató-dica (sputtering) reativa na variante pulsada. Para isso, a fonte gerou impulsos à taxa de 50 kHz com fluxo de oxigénio (O2) definido nos 3.5 sccm. Além disso, o árgon (Ar) foi o gás inerte selecionado para as deposições. Adicionalmente, é importante referir que pre-viamente se depositou uma camada em titânio com espessura de aproximadamente 50 nm para promover uma boa adesão do filme de óxido de irídio à estrutura em silício. Uma vez depositado o filme fino de óxido de titânio, o elétrodo está completamente fabricado. A Tabela 7.1 resume as condições de deposição de filmes finos de óxido de irídio (IrOx) mantidas durante quatro sessões de RF sputtering reativo a 50 kHz (Silva M. F. et al., 2010), enquanto na Figura 7.11 mostram-se fotografias dos respetivos filmes finos obti-



das com recurso a técnicas de microscopia por varrimento de eletrões (SEM, Scanning Electron Microscopy).

Para finalizar, a fotografia na Figura 7.12 apresenta um elétrodo seco revestido a óxido de irídio composto por uma matriz de 4×4 microagulhas, onde é possível observar a estrutura piramidal das microagulhas formando ângulos sólidos de 54.7º e largura apro-ximada de 150-200 µm (Dias N. S. et al., 2010). Além disso, as microagulhas atingiram alturas situadas na gama 100-200 µm, impedindo que atinjam os nervos da derme após penetração na pele.

(a) (b)

(c) (d)

FiguraFiguraFiguraFigura 7777....11 11 11 11 Fotografias em corte dos filmes finos de óxido de irídio, as quais foram adquiridas com recurso a técnicas de microscopia por varrimento de eletrões (SEM). Cada fotografia apresenta em corte a forma dos filmes finos obtidos em cada uma das quatro sessões de deposição, nomeadamente para os

seguintes fluxos de oxigénio (O2): (a) 2 sccm; (b) 3.5 sccm; (c) 6.5 sccm; e (d) 10 sccm

introdução à instrumentação médica

Documents