Instrumentação Biomédica Apresentação e definição das aulas Henrique Quintino João Salinet quintino@umc.br

Definição dos temas Caracterização da instrumentação biomédica Caracterização dos sinais biomédicos Amplificadores de instrumentação Desfibriladores e Cardioversores Estimuladores elétricos Mapeamento eletroanatômico

Definição dos temas Ultrassom Equipamentos de Raios X e Tomografia Instrumentação em citometria Instrumentação em Imagens Médicas Gerenciamento de Equipamentos Médicos Normatização para Comércio e Circulação de Equipamentos Médicos

Aulas e Avaliações Prova individual: 18-11 Apresentação dos seminários (duplas) 25/11 e 02/12 (Ver data final) Entrega das apresentações Todos os grupos em 24/11 Nota final = 0,6*PI + 0,4*AS 10,0  A > 8,75 D < 6.25 8,75  B > 7,50 E não comparece 7,50  C > 6,25

Avaliações Apresentação dos seminários (duplas) Escolher um artigo científico dos últimos 2 anos que trate de uma proposta de equipamento médico. O equipamento deve ser fruto de uma inovação ou invenção que ainda não esteja no mercado.

Instrumentação Biomédica Visão Geral da Instrumentação Henrique Quintino João Salinet quintino@umc.br

Variável a ser medida Quantidade, condição ou propriedade física que é medida pelo sistema de instrumentação. As variáveis podem ser: Internas: requerem métodos invasivos para medição direta (Ex.: hormônio, débito cardíaco) Externas: podem ser medidas não invasivamente (exemplo: potenciais bioelétricos de superfície, RM); Mas, e os Raios X?

Variável a ser medida: agrupadas em 9 categorias Potencial bioelétrico (EEG, ECG, EOG, EMG, ERG, etc.); Pressão (arterial, intraocular, intracraniana); Deslocamento (velocidade, aceleração, força → musculatura esquelética); Impedância elétrica (impedância transtorácica); Temperatura (corpórea, timpânica); Concentrações químicas (gasometria, dosagem de hormônios, colesterol); Dimensões (antropometria, fetal, ortopedia) Imagens; Fluxo (sangue, urina, ar); Quantidades e morfologias: Células

Variável a ser medida: Como medir? Transdutor: elemento sensor primário e elemento de conversão: converte uma forma de energia em outra: Requisitos: Responde somente à variável medida; Não altera o estado da variável; Pode ser: mecânico, óptico, eletrônico...

Variável a ser medida: Transdutor Transdutor gerador usa a energia da variável a ser medida para produzir o sinal de saída (simples, mas pode comprometer as características do sinal).   Transdutor modulador usa uma fonte de energia externa modulada pela variável a ser medida para produzir o sinal de saída (mais complexo). Exemplo: célula fotoelétrica (gerador); fototransistor (modulador).

Variável a ser medida: Como apresentar? Processamento do sinal: Amplificar, filtrar, retificar, digitalizar...: Trata e converte a informação emitida pelo Transdutor, para apresentá-la ou controlar um dispositivo ou emitir um alarme. Apresentação dos dados Interface entre o processamento e o operador ou avaliador

Variável a ser medida: O que fazer com a leitura? Armazenamento: Registro, acompanhamento, auditoria, novas análises (processamento futuro). Onde? Como? Transmissão dos dados: Fibras, cabos, ondas eletromagnéticas Para: realimentação, controle, monitoramento remoto, telemedicina, segurança, ...

Fontes de Alimentação Deve atender aos requisitos de: 1) Autonomia; Provê energia para toda a instrumentação Deve atender aos requisitos de: 1) Autonomia; 2) Capacidade de fornecimento; 3) Peso; 4) Ripple, flutuação, ruídos; 5) Segurança elétrica 6) Compatibilidade eletromagnética

Modo de operação dos instrumentos Invasivos medida direta que requer procedimento cirúrgico e ambiente controlado. Ex.? Não invasivos: preferíveis medida direta ou indireta. Nas medidas indiretas normalmente há maior custo e complexidade... Ex.?

Modo de operação dos instrumentos O que considerar? Controle da amostragem Faixa de freqüência do objeto Tipo de transdutor: gerador ou modulador Analógico, digital ou misto Restrições das variáveis biológicas

Modo de operação dos instrumentos O que considerar?

Instrumentação Biomédica Desfibriladores e Cardioversores Henrique J. Q. Oliveira quintino@umc.br

O Coração

O Coração O coração: Bomba Muscular Pulsátil Unidirecional Dupla que trabalha em Dois Tempos Bomba Muscular Pulsátil: função de manter ativamente o fluxo sanguíneo como principal mecanismo de transporte de substâncias por todo o corpo. O fluxo é exercido no momento da contração das câmaras, e portanto não é contínuo e sim pulsátil.

O Coração Bomba Dupla: duas bombas distintas e análogas, que funcionam de forma síncrona: o coração direito e o esquerdo. O primeiro é responsável pelo fluxo coração-pulmões. O segundo pela circulação em todo o corpo, inclusive no próprio coração. Bomba Unidirecional: cada câmara tem válvulas que impedem o refluxo do sangue, garantindo sentido único na circulação. As válvulas para baixa pressão estão nas saídas do átrio direito (tricúspide), do ventrículo direito (pulmonar) e do ventrículo esquerdo (aórtica). A maior pressão é na saída do átrio esquerdo (válvula mitral).

O Coração Bomba em Dois Tempos: os dois lados são formados por câmara superior (átrios) e inferior (ventrículos) que funcionam alternadamente. A contração dos átrios leva ao enchimento dos ventrículos, responsáveis pela atividade bombeadora principal. A fase de repouso dos músculos das câmaras é a DIÁSTOLE e a contração é a SÍSTOLE.

Sinais elétricos do coração Normal Taquicardia Batimento prematuro Extra-sistole Fibrilação ventricular Sinal do Átrio não chega ao ventrículo Infarto do Miocárdio

Biosinais e sua amplificação

As Derivações do ECG Tipo de Derivação Eletrodos usados Definição Bipolares ou derivação de membros (Einthoven 1895 e 1901) LA, RA, LL, RL I = LA – RA II = LL – RA III = LL – LA Aumentadas (Goldberg, 1942) aVR = RA – ½ (LA + LL) aVL = LA – ½ (LL + RA) aVF = LL – ½ (LA + RA) Unipolares precordiais (Wilson, 1932) V1, V2, V3, V4, V5, V6 V1 = v1 – (RA + LA + LL)/3 V2 = v2 – (RA + LA + LL)/3 V3 = v3 – (RA + LA + LL)/3 V4 = v4 – (RA + LA + LL)/3 V5 = v5 – (RA + LA + LL)/3 V6 = v6 – (RA + LA + LL)/3 LA = braço esquerdo; RA = braço direito; LL = perna esquerda, RL = perna direita.

As Derivações

As Derivações aVR

As Derivações unipolares

Parâmetros do ECG comercial ESPECIFICAÇÃO Eletrodos disponíveis RA, LA, LL, RL, V1 a V6 Derivações I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1 a V6 Impedância de entrada > 2,5 M a 10 Hz Ganho total 20, 10 e 5 mm/mV Faixa de passagem 0,01 – 150 Hz (diagnóstico) 0,5 – 40 Hz (monitoramento) Ruído < 40 V pico-pico Rejeição de modo comum 120 dB Linearidade melhor que 5% Proteção (sobretensão) 5 kV (desfibrilador) Corrente de fuga < 10 A

Eletrocardiógrafo Amplifica as diferenças de potenciais na pele do paciente (oriundas da atividade elétrica do coração); Apresenta o sinal devidamente processado ao operador na forma de registro; Rejeitar interferências fisiológicas e do ambiente; Informar outros parâmetros relevantes (frequência cardíaca, tendências) e associar-se a outros equipamentos (monitor);

Diagrama em bloco do ECG completo Eletrodos Seletor de Derivação Detetor de Falha de Derivação Circuito de Proteção Calibração Rejeição de marca-passo Restauração de Linha de Base Microprocessador Cardiotacômetro Programa de Análise de ECG Circuito de Isolação Marcador de Eventos Display do Operador Registrador Pré Amplif. Amplif. Driver Teclado Conversor A/D Medidor de Respiração Memória Alarmes

Interferências no ECG Fontes Biológicas e Artefatos: Potenciais de pele: a interface pele-gel-eletrodo pode acumular potenciais de  25 mV. Podem ser reduzidos pela raspagem ou punção da pele. Os potenciais CC são eliminados pelos filtros. Artefatos de movimento: são sinais produzidos pelo movimento relativo pele-eletrodo, com modificação da linha de base ou ruído no traçado, dificultando a sua interpretação.

Interferências no ECG Ruído muscular: potenciais de ação da musculatura esquelética (EMG) têm mesma amplitude do ECG, mas com frequência maior. São resolvidos com filtro passa-baixas, colocação adequada dos eletrodos e repouso do paciente. Interferências Ambientais: Rede de 60 Hz: interferência por acoplamento capacitivo e indução eletromagnética. Reduz-se pela blindagem aterrada dos cabos das derivações e redução do laço de captação eletromagnético.

Artefatos de movimento Interferência da rede (60Hz) Interferências no ECG Artefatos de movimento Variação Linha de base Ruído Muscular Interferência da rede (60Hz)

Desfibriladores e Cardioversores Desenvolvidos pelo Dr. Michael Mirosvky, são aperfeiçoados desde 1980. A central de processamento fica sob a pele e próxima do coração. O eletrodo é implantado no ventrículo direito, através da aurícula direita. O aperfeiçoamento consiste em: Diminuir o tamanho; Aumentar a vida útil; Melhorar os métodos de análise e atuação; Incorporar rotinas de ajustes e auto-ajustes.

Desfibriladores – Cardioversores Fibrilação: perda do controle do ritmo cardíaco. Contrações desordenadas das fibras cardíacas, sem a realização da contração do coração. Causa: Qualquer problema na despolarização das células cardíacas. Correção: Realizar a despolarização forçada por descarga elétrica.

Desfibriladores – Cardioversores Os desfibriladores podem ser de dois tipos Internos: fica próximo ao coração. Avalia as arritmias e atua para corrigi-las antes do ataque. Externos: são usados após a ocorrência do ataque cardíaco na tentativa de reestabelecer o comportamento normal do coração.

Desfibriladores – Cardioversores Os desfibriladores podem atuar como: Monofásicos: Choque de corrente continua unipolar (uma direção). Aplica uma dose de 360 a 400 J.

Desfibriladores – Cardioversores Os desfibriladores podem atuar como: Bifásicos: Choque de corrente continua Bipolar (duas direções). Aplica uma dose de 200 J.

Desfibriladores – Cardioversores Desfibrilador Interno

Desfibriladores – Cardioversores Desfibrilador Externo

Desfibriladores – Cardioversores Desfibrilador Externo Automático

Desfibriladores – Cardioversores Riscos: Durante a utilização Explosão e incêndio: ambiente ao redor Choque elétrico, descarga do equipamento; Danos ao equipamento; Baterias defeituosas ou não recarregáveis; Interferência eletromagnética por RF; Compatibilidade Eletromagnética; Uso em temperaturas extremas;

Normatização A norma NBR-IEC 60601-2-25:2001 regulamenta os aspectos particulares de segurança dos eletrocardiógrafos, A norma NBR-IEC 60601-2-27:1997 faz o mesmo para monitores cardíacos. Ambas as normas estão sob as exigências da norma geral NBR-IEC 60601-1-1:2004, que regulamenta os aspectos de segurança em todos os Equipamentos Médico-Hospitalares.