Medição de Biopotenciais

Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Mede a actividade eléctrica do coração
As primeiras medições em humanos, à superfície do corpo, datam de 1887:
Augustus Waller (St. Mary’s Hospital, Londres) regista um ECG com um
electrómetro capilar de Lippman
Método muito empregue e com elevado valor de
diagnóstico
569
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
O coração possui vários tipos de
tecidos:
tecido dos nodos sinoatrial (SA)
e atrioventricular (AV)
tecido auricular
tecido ventricular
tecido de Purkinje.
As células representativas de
cada tipo de tecido têm
diferenças anatómicas
consideráveis. Cada tipo de
célula exibe o seu potencial de
acção característico.
570
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
O ECG escalar (uma derivação) exibe a onda P, o complexo QRS e a onda T.
Estas estruturas resultam de processos de despolarização e repolarização.
2. Despolarização
Ventricular
3. Repolarização
Ventricular
1. Despolarização
Auricular
571
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
A sequência de eventos envolvida na activação do ventrículo origina a produção
de correntes, que circulam no volume condutor torácico (que se considera como
um meio passivo sem fontes ou sorvedouros (sinks) de corrente).
O electrocardiograma é o registo, realizado à superfície do corpo, dos potenciais
eléctricos resultantes destas correntes
O coração é visto como um gerador eléctrico. Assume-se que a actividade
eléctrica do coração pode ser representada por um dipolo de corrente, localizado
num ponto denominado centro eléctrico do coração e que se assume dentro das
fronteiras anatómicas do coração
572
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Os pontos A e B são pontos
de observação arbitrários no
peito do paciente. RAB é a
resistência entre estes
pontos e RT1 , RT2 são as
resistências do meio torácico
© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation: application and design. 3rd ed.
New York: John Wiley & Sons, 1998.
573
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Características Básicas:
Amplitude: 1-5 mV
Largura de banda: 0.05-100 Hz
Principais fontes de erro:
Artefactos de movimento
Interferência da rede eléctrica (50/60 Hz)
Aplicações típicas:
Diagnóstico de isquémia
Arritmias
Defeitos de condução
574
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
A actividade eléctrica do coração pode ser representada por uma quantidade
vectorial.
Modelo: o coração consiste num dipolo eléctrico localizado no meio condutor do
tórax.
A figura representa o campo dipolar do coração
num dado instante.
Num instante posterior o dipolo pode ter uma
intensidade e orientação diferente o que provoca
mudança no campo eléctrico e no potencial
associado (que constitui a mensuranda do ECG)
Para conhecer o campo dipolar do coração basta
conhecer o momento dipolar do coração M
© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation: application and design. 3rd ed.
New York: John Wiley & Sons, 1998.
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Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Em electrocardiografia, o momento dipolar do coração é designado por vector
cardíaco e é representado por M
Ao longo do ciclo cardíaco, quer a grandeza quer a direcção do vector cardíaco
variam.
A medição dos potenciais resultantes da
actividade eléctrica do coração é feita
colocando eléctrodos na superfície do corpo e
medindo a tensão entre eles.
Devido à dependência espacial do campo
eléctrico dipolar é necessário ter localizações
padrão para a avaliação clínica do ECG
© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation: application and design. 3rd ed.
New York: John Wiley & Sons, 1998.
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Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Um par de eléctrodos ou uma combinação de eléctrodos através
de uma rede resistiva que resulte num par de eléctrodos
equivalente designa-se por derivação.
© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation: application and design. 3rd ed.
New York: John Wiley & Sons, 1998.
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Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Para um vector cardíaco M, a tensão induzida numa derivação representada pelo
vector de derivação a1 é dada pela componente de M segundo a direcção de a1.
va1=M·a1 = Mcos
com va1 a tensão escalar observada na derivação cujo
vector é a1
Consideremos outra derivação representada pelo vector a2.
a2
M

a1
u
+
© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation:
a1 application and design.
3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1998.
Se medíssemos o ECG usando apenas uma das
duas derivações representadas na figura não
poderíamos descrever o vector cardíaco de forma
unívoca.
Para descrever M é necessário usar duas
derivações com vectores distintos, ambos
situados no plano do vector cardíaco, podemos
descrever
No espaço tridimensional -> 3 derivações
578
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Utilizam-se várias derivações no plano frontal (plano do corpo paralelo ao solo na
posição de deitado) e no plano transversal (plano do corpo paralelo ao solo na
posição de pé)
São três as derivações básicas que constituem o ECG de
plano frontal. São obtidas das permutações de pares de
eléctrodos quando um eléctrodo é colocado no braço direito
(RA), no braço esquerdo (LA) e na perna esquerda (LL).
Muitas vezes coloca-se também um eléctrodo na perna direita
que é ligado à terra ou a circuitos específicos.
© From J. G. Webster (ed.), Medical
instrumentation: application and design. 3rd ed. New
York: John Wiley & Sons, 1998.
As derivações resultantes são:
I – LA → RA; II – LL → RA; III – LL → LA
Os vectores de derivação correspondentes são aproximados
por um triângulo equilátero: o Triângulo de Einthoven. É
possível determinar o vector cardíaco a partir das suas
componentes nas 3 derivações
579
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Terminal Central de Wilson
Eléctrodo equivalente de referência para
medidas unipolares. Todas as tensões
medidas nos eléctrodos estão referenciadas
ao terminal de Wilson
– VR +
+ VL –
A tensão neste terminal corresponde à média
da tensão nos 3 eléctrodos (facilmente
verificável usando o Teorema de Millman)
R maior ou igual a 5 MW
+ VF –
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instrumentation: application and design. 3rd ed. New
York: John Wiley & Sons, 1998.
580
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Derivações aumentadas de Goldberger: VR, VL & VF
Obtém-se removendo a ligação entre o membro
a ser medido e o terminal central. Não altera a
direcção do vector mas aumenta em 50% a
amplitude do sinal
(a), (b) e (c) - Ligações dos eléctrodos para as
3 derivações aumentadas
(d) Diagrama de vectores com os vectores de
derivação padrão e os vectores das derivações
de Goldberger, no plano frontal.
© From J. G. Webster (ed.), Medical
instrumentation: application and design. 3rd ed. New
York: John Wiley & Sons, 1998.
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Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Derivações Precordiais: V1-V6
(a) Posições das derivações precordiais na
parede torácica
© From J. G. Webster (ed.), Medical
instrumentation: application and design. 3rd ed. New
York: John Wiley & Sons, 1998.
(b) Direcções dos vectores de derivação
precordiais no plano transversal.
582
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Na prática clínica utiliza-se, normalmente, um esquema de 12 derivações, em que o
sinal é medido com nove eléctrodos.
Existem muitas medições e bases de dados internacionais de referência baseadas
nesta técnica. Quer a técnica quer a prática de diagnóstico são bem conhecidas.
Este método foi adoptado por razões históricas. Actualmente é obsoleto.
Derivações de Einthoven: I, II & III Derivações de Goldberger: VR, VL & VF
Derivações Precordiais: V1-V6
583
Medição de Biopotenciais
Electrocardiograma (ECG)
Porque é que o sistema de 12 derivações é obsoleto?
Mais de 90% da actividade eléctrica do coração pode ser
explicada com base num modelo de fonte dipolar
Basta medir 3 componentes ortogonais: Nove derivações
redundantes.
A percentagem remanescente, i.e. as componentes nãodipolares podem ter valor clínico
Temos então 8 componentes verdadeiramente
independentes e 4 derivações redundantes
A técnica de 12 derivações garante, até um certo ponto,
maior reconhecimento de padrões e dá ao clínico uma
maior escolha de projecções
…mas….
Se não houvesse um problema de legado dos sistemas
actuais, os sistemas de 12 derivações já teriam sido
abandonados há muito
584
Medição de Biopotenciais
Electroencefalografia (EEG)
Mede a actividade eléctrica do cérebro
a partir de eléctrodos colocados no
escalpe
Os sinais medidos resultam da
actividade eléctrica de biliões de
neurónios
Amplitude:
0.001-0.01 mV
Largura de banda: 0.5-40 Hz
Erros:
Ruído térmico RF
Rede eléctrica 50/60 Hz
Artefactos de movimento (piscar os
olhos, etc.)
585
Medição de Biopotenciais
EEG: configuração de medição
O sistema de 10-20 derivações é o
de maior aceitação clínica
(recomendado pela International
Federation of EEG Societies)
Normalmente utilizam-se sistemas
já com os eléctrodos posicionados
em termos relativos
Em investigação podem-se utilizar
toucas com 256 ou 512 canais
586
Medição de Biopotenciais
Electromiografia (EMG)
Mede a actividade eléctrica dos fibras musculares activas
Os eléctrodos são sempre colocados muito perto do grupo
de músculos que está a ser medido
Podem-se utilizar eléctrodos de agulha para medir fibras
musculares individuais
Amplitude:
Largura de banda:
1-10 mV
20-2000 Hz
Fontes de erro: 50/60 Hz e interferência RF
Aplicações: medição da função muscular, diagnóstico de
doença neuromuscular, próteses, etc.
587
Medição de Biopotenciais
Electrooculografia (EOG)
O movimento dos globos oculares resulta na criação de
potenciais eléctricos
O potencial varia proporcionalmente à amplitude do
movimento
Amplitude:
0.01-0.1 mV
Largura de banda:
DC-10 Hz
Fontes de erro: potencial da pele; movimentos
Aplicações: posição ocular, estudos de sono, reflexo
vestibulo-ocular, estudos de equilíbrio
588
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos
Em qualquer medição de biopotenciais há circulação de corrente no circuito de
medição pelo menos durante uma fracção do tempo de medição. Idealmente esta
corrente deveria ser nula mas tal nunca sucede. Logo, os eléctrodos de
biopotenciais têm que ser capazes de conduzir corrente eléctrica através da
interface entre o corpo e o circuito de medição.
Pode parecer que esta é uma capacidade fácil de realizar e que a construção de
eléctrodos de biopotenciais deve ser relativamente simples.
Mas se observarmos com mais detalhe verificamos que os eléctrodos
desempenham uma função de transdução já que, enquanto a corrente no corpo é
transportada por iões, no eléctrodo e no seu cabo é transportada por electrões. O
eléctrodo tem que actuar como transdutor para converter uma corrente iónica
numa corrente electrónica.
589
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos: Interface eléctrodo-electrólito
A corrente resultante que atravessa a interface
passando do eléctrodo para o electrólito (que
representa o fluído corporal com iões) é
constituída por:
Electrões que se deslocam no eléctrodo em
sentido oposto ao da corrente
Catiões (C+) que se deslocam no sentido da
corrente
Aniões (A-) que se deslocam no sentido
oposto ao da corrente
© From J. G. Webster (ed.), Medical instrumentation: application
and design. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1998.
Para que a carga atravesse a interface (não há electrões livres no electrólito nem
catiões ou aniões livres no eléctrodo) tem que ocorrer um qualquer processo de
transferência de carga entre portadores.
590
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos: Interface eléctrodo-electrólito
O que ocorre na interface são reacções químicas
C  Cn  ne 
A m  A  me 
com n a valência de C e
m a valência de A
Na primeira reacção assume-se que o eléctrodo possui
átomos da mesma espécie que os catiões e que esses
átomos do eléctrodo na interface podem ser oxidados para
formar um catião e electrões livres. O catião é descarregado para o electrólito. Os
electrões livres permanecem no eléctrodo como transportadores de carga.
Na segunda reacção, um anião que chegue à interface pode ser oxidado para um
átomo fornecendo electrões livres ao eléctrodo.
As reacções são reversíveis. Podem ocorrer reacções de redução.
Quando o fluxo de corrente é do eléctrodo para o electrólito, predominam as
reacções de oxidação. Para o fluxo de corrente oposto dominam as reacções de
redução.
591
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos de superfície: Aspectos básicos
Devem ser escolhidos de acordo com a aplicação
A estrutura básica do eléctrodo inclui:
O corpo e o encapsulamento
Eléctrodo feito de material de elevada condutividade
Fio conector
Cavidade ou similar para o gel electrólito
Rebordo adesivo
592
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos de superfície: Artefactos
Deriva da linha de base devido a variações no potencial
da junção ou a artefactos de movimento
Escolher eléctrodos de boa qualidade com materiais
de baixo potencial de junção (p.ex: Ag-AgCl)
Interferência do
sinal muscular
 colocação
Interferência
Electromagnética
 Blindagem
593
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos de Prata/Cloreto de Prata, Ag-AgCl
É o tipo de eléctrodo mais comum. Tem baixo potencial
de junção
O gel electrolítico aumenta a condutividade e reduz
ainda mais o potencial de junção
Tipicamente baseia-se em sódio, potássio ou cloreto
de potássio. Concentração na ordem de 0.1 M,
suficientemente fraca para não irritar a pele
O gel é embebido numa pad esponjosa ou aplicado
directamente numa bolsa existente no encapsulamento
do eléctrodo
É um eléctrodo de uso geral, de baixo custo
Adequado a utilizações ambulatórias e a uso por
© From J. G. Webster (ed.), Medical
períodos longos
instrumentation: application and design. 3
York: John Wiley & Sons, 1998.
rd
ed. New
594
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos de Ouro
Condutividade muito elevada  medições de baixo ruído.
Inertes  eléctrodos reutilizáveis
Em comparação comAg-AgCl: mais caros, maior
potencial de junção, mais artefactos de movimento
Muito utilizados em EEG, por vezes em EMG
Eléctrodos de polímeros condutivos
Feitos de material simultaneamente condutor e adesivo
O polímero é tornado condutor pela adição de iões metálicos
monovalentes
Lâmina de alumínio assegura contacto com a instrumentação
Não precisam de gel ou de substância adesiva
Resistividade elevada: não servem para medições de baixo
ruído
A ligação eléctrica não é tão boa como a que se obtém com os
eléctrodos tradicionais
595
Medição de Biopotenciais
Eléctrodos de agulha
Claramente invasivos
Utilizados quando a medição tem que ser feita no
próprio órgão
É possível medir sinais muito pequenos como
potenciais motores unitários
A agulha é normalmente uma haste de aço que
extremidade em gancho
596
Medição de Biopotenciais
O amplificador de biopotenciais
Características da aplicação: amplitudes pequenas, baixas frequências, fontes
ambientais e biológicas de interferência
Requisitos essenciais para o equipamento de medição:
Ganho elevado
Ganho diferencial elevado, ganho de modo comum baixo  CMRR elevada
Impedância de entrada elevada
Baixo ruído
Estabilidade face a flutuações de temperatura e tensão
Segurança eléctrica, isolamento e protecção contra desfibrilhação
597
Medição de Biopotenciais
CMRR – Common Mode Rejection Ratio
Para um amplificador diferencial ideal a saída é:
Vo  Ad   V2  V1 
com Ad o ganho diferencial. No entanto, um amplificador diferencial real tem uma
saída:
Vo  A d   V2  V1   A s
V2  V1 


2
com As o ganho de modo comum, muito
menor que o ganho diferencial. A CMRR
define-se por:
A 
CMRR   d 
 As 
A 
CMRR  20  log10  d 
 As 
 dB 
598
Medição de Biopotenciais
O Amplificador de Instrumentação
Combina as características desejáveis para a medição de biopotenciais
Ganho diferencial elevado, ganho de modo comum baixo, CMRR elevada,
impedância de entrada elevada
G2  
G1  1  2
R2
R1
É um componente chave em
quase todos os sistemas de
medição de biopotenciais!
R4
R3
Simples e barato, embora se
tenha que usar AmpOps de
elevada qualidade com CMRR
elevada
Ajuste fino da
CMRR
599
Medição de Biopotenciais
Um amplificador
de ECG
Ganho: 800
Andar DC: G=25
(sinais de
entrada 300 mV)
Andar AC acoplado
por passa-banda:
G=33
Com OpAmps µA 776
CMRR: 86 dB at
100 Hz
Ruído: 40 mV p-p
Resposta em frequência
.05 a150 Hz
Plana nos 4 - 40 Hz
Passa baixo
Ajuste de
modo comum
Condensador de
acoplamento
Medição de Biopotenciais
Requisitos específicos da aplicação
ECG
Frequências de corte: inferior 0.05 Hz, superior 100Hz
Segurança e protecção: corrente de fuga abaixo do limite padrão de segurança de 10 mA
Isolamento eléctrico relativamente à linha de alimentação e à terra de serviço
Protecção contra tensões de desfibrilhação elevadas
EEG
Ganho deve lidar com sinais de micro volts ou inferiores
Componentes devem ter baixo ruído térmico e electrónico
Restantes características similares a ECG
EMG
Amplificador com maior largura de banda
É necessário utilizar circuitos de pós-processamento (e.g. rectificador + integrador)
EOG
Ganho elevado com resposta de baixa frequência e DC muito boa
Deriva DC  os eléctrodos devem ser seleccionados com grande cuidado
Normalmente são necessários circuitos activos de cancelamento DC e de deriva 601
Medição de Biopotenciais
Redução de interferência eléctrica
A interferência da tensão da rede eléctrica está sempre à nossa volta. Ela acoplase de forma capacitiva e resulta em interferência de modo comum.
Se o amplificador de instrumentação fosse ideal, esta interferência de modo
comum seria totalmente rejeitada
Normalmente utiliza-se um circuito “conduzido pela perna direita” para aumentar
ainda mais a CMRR  A média da tensão VCM é invertida e colocada novamente
no corpo através de um eléctrodo de referência
VCM  iD R0
VCM
iD R0

R
1 2 2
R1
602
Medição de Biopotenciais
Filtragem
A filtragem deve ser incluída no front end do amplificador de instrumentação
Pequenas bobines ou
contas
ferrite nos
Filtro de
passa-alto
Filtragem
RF com
fios
condutores
para rejeitar a
condensadores
bloqueiam
as
deriva
DC
pequenos de
interferências
frequência elevada
Filtragem passa-baixo
em vários andares
para atenuar a
interferência RF
residual
603
Medição de Biopotenciais
Filtro notch (para-banda) de 50 ou 60 Hz
Por vezes é desejável remover a interferência da rede eléctrica, uma vez que s
sobrepõe à largura de banda de medição, podendo distorcer o resultado da
medição e afectar o diagnóstico.
Esta opção normalmente está disponível nos aparelhos de EEG e EOG
Determina a
frequência de notch
Filtro
notch T duplo
Ajuste
da
largura
do notch
604
Medição de Biopotenciais
Filtro notch (para-banda) de 50 ou 60 Hz
R1  R 2  R 3  R
C1  C 2  C 3
1
f
4 RC
605
Medição de Biopotenciais
Isolamento eléctrico
O isolamento eléctrico limita a possibilidade de passagem de qualquer corrente de
fuga do instrumento para o paciente, que poderia provocar dano ou ser fatal
Transformador
Os transformadores são dispositivos AC
É necessária modulação e desmodulação
Acoplamento óptico
O sinal óptico é modulado em proporção ao sinal
eléctrico e transmitido para o detector
Na maioria dos casos usa-se modulação por
impulsos de forma a contornar a não linearidade
da combinação LED-fototransistor
606
Medição de Biopotenciais
Protecção contra desfibrilhação
Os instrumentos de medida podem ser sujeitos a tensões muito altas como, por
ex as tensões provenientes de desfibrilhadores (1500 a 5000 V). O front-end
destes instrumentos deve ser concebido de forma a suportar estas tensões
1. Resistências nos
condutores de entrada
limitam a corrente
3. Protecção contra
tensões muito mais
elevadas é conseguida
com tubos de descarga
com gás a baixa pressão
(ex: lâmpadas de néon)
2. Díodos ou díodos
Zener protegem contra
tensões muito elevadas
Descarga @ 0.7-15V
(Mesmo componentes
como transformadores
ou opto-acopladores
precisam destes
tubos
Descarga @ ~100V
607