IBM_Curs 03-04_20-21

03-04 Lanţul de măsură pentru parametri biomedicali (Lanţul bioelectrometric) Mijloace de captare: Electrozi

Lanţul de măsură pentru parametri biomedicali (bioelectrometric)

• Instrumentaţia biomedicală exploratorie reprezintă ansamblul de dispozitive, aparate şi instrumente de măsură destinate scopului de captare, prelucrare, stocarea şi cuantificare diverselor tipuri de biosemnale. • Instrumentaţia biomedicală exploratorie este utilizată în următoarele direcţii: • mijloc complementar în stabilirea diagnosticului clinic; • mijloc de control periodic al stării de sănătăte (screening); • mijloc de control al eficienţei terapeutice şi a gradului de recuperare şi adaptare funcţională; • stabilirea performanţelor fizice şi mentale, a capacităţii de muncă şi a orientării profesionale; • monitorizarea de durată a funcţiilor fiziologice, intra- şi post operator (terapie intensivă); • înregistrarea, prelucrarea statistică şi matematică, arhivarea şi regăsirea datelor medicale şi sanitare; • cercetarea biomedicală

Lanţul de măsură pentru parametri biomedicali (bioelectrometric) • Clasificarea instrumentaţiei biomedicale se face în funcţie de mai multe criterii: • în funcţie de mărimile ce trebuiesc culese: mărimi neelectrice (termice, mecanice, optice, sonore etc.), şi mărimi bioelectrice (pasive, active) cum ar fi: diferenţe de potenţial, rezitenţe, intensităţi etc, • în funcţie de metodele de culegere utilizate: invazive şi neinvazive; • în funcţie de mijloacele de achiziţie şi prelucrare folosite: analogice sau/şi digitale.

• Măsurarea unor mărimi asociate diverselor activităţi biologice folosind aparatura electronică se realizează prin interconectarea următoarelor elemente: • mijloace de captare; • circuite de amplificarea şi/sau prelucrare; • sisteme de afişaj;

Mijloace de captare

• Pentru semnale biologice de natură neelectrică evaluarea unor mărimi neelectrice (debit, presiune, temperatură, etc.) – captarea semnalelor se realizează folosind diferite tipuri de traductoare (dispozitive care preiau mărimi de natură neelectrică şi le convertesc (transformă) în semnale electrice care sunt apoi evaluate prin aparatură adecvată. • Mijloacele de captare trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: • să nu afecteze fenomenul studiat sau dacă acest lucru nu este posibil modificăriele aduse fenomenului de cercetat să fie minime; • să fie uşor manevrabile şi să poată fi amplasate fără dificultăţi în locuri convenabile testării dorite; • să nu irite sau să distrugă organismul viu cu care intră în contact; • să respecte normele de sterilizare, în cazul în care acestea se impun; • să prezinte o mare capacitate de protecţie faţă de interferenţele exterioare de natură electrică, mecanică, electromagnetică, electrochimică; • să fie biocompatibili cu organul studiat; • să aibă o bună stabilitate în timp.

Mijloace de captare: Electrozi • Procesele care au loc în ţesuturile vii sunt procese chimice la care participă un electrolit. Culegerea diferenţelor de potenţial generate de activităţile din celule şi ţesuturi se realizează cu electrozi. Electrodul reprezintă un conductor electric împreună cu electrolitul cu care este pus în contact. El este legătura conductoare între o sursă de semnal bioelectric şi un dispozitiv care reproduce sau prelucrează un curent sau o tensiune captată. • Principala caracteristică a electrozilor este capacitatea lor de a transporta electronii. • Conducţia electrică în electroliţi (ţesuturi) este ionică iar conducţia electrică în electrozi este electronică. La interfaţa electrod electrolit au loc fenomene care transformă conducţia ionică în conducţie electronică.

Potenţialul de electrod • Doi electrozi de culegere a biopotenţialelor sunt în contact electric prin electrolitul interpus între ei. Când cei doi electrozi sunt uniţi în exteriorul electrolitului cu un conductor electric, prin acesta circulă un curent electric, adică circulă electroni de la electrodul negativ la electrodul pozitiv. La suprafaţa de contact dintre fiecare din cei doi electrozi şi electrolitul din jurul său, cu care împreună formează un electrod, se stabileşte o diferenţă de potenţial, numită potenţial de electrod. Forţa electromotoare a sistemului doi electrozi  electrolit este egală cu diferenţa algebrică a potenţialelor celor doi electrozi. • Conducţia electrică în electrolit (ţesuturi) este realizată de ioni; conducţia electrică în electrozi metalici este efectuată de electroni. La interfaţa electrod - electrolit au loc fenomene care transformă conducţia ionică în conducţie electronică şi invers.

• La orice suprafaţă de contact electrod electrolit există tendinţa de difuzie a electronilor din metal spre electrolit şi de difuzie a ionilor din electrolit spre metal, în sensul stabilirii echilibrului chimic. • La interfaţa electrod - electrolit au loc reacţii de oxido - reducere. Reacţia de oxidare este definită ca o pierdere de electroni iar reacţia de reducere ca un câştig de electroni. Deci, se pot oxida metale (electrozii metalici, anioni sau molecule neutre din electrolit) şi se pot reduce nemetale, cationi sau molecule neutre. Orice oxidare este însoţită de o reducere; când un reactant se oxidează, o cantitate echivalentă din alt reactant se reduce. reactantul care se oxidează este un agent reducător, iar cel care se reduce este un agent oxidant. Reacţia de oxido-reducere constă într-un transfer de electroni de la agentul reducător la agentul oxidant. • Din cauza reacţiilor de oxido-reducere, la interfaţa electrod ţesut ia naştere un strat dublu electric de sarcini, care are o distribuţie, într-un spaţiu de dimensiuni atomice, în funcţie de activitatea electrolitului şi uşurinţa cu care metalul electrodului transferă electroni spre electrolit.

• Electrozii reversibili sau nepolarizabili sunt electrozii la care, aplicând o tensiune exterioară care compensează forţa electromotoare rezultată din potenţialele electro-chimice ale electrozilor nu are loc nici o reacţie chimică. Cu alte cuvinte se numeşte electrod nepolarizabil electrodul la care la interfaţa cu electrolitul apare atât o pierdere de electroni (reacţie de oxidare) cât şi o acceptare de electroni (reacţia de reducere). • Electrozii ireversibili sau polarizabili sunt electrozii la care la interfaţa cu electrolitul au loc reacţii ireversibile, deşi global, la sistemul electrod – electrolit - electrod, reacţia de oxidare are loc în aceeaşi măsură cu reacţia de reducere. • În primul moment, când cei doi electrozi sunt conectaţi în electrolit pentru măsurare, forţa electromotoare este egală cu suma algebrică a potenţialelor celor doi electrozi, activitatea electrolitului şi temperatură. Această forţă electromotoare scade în timp la electrozii ireversibili, deoarece electrozii metalici împreună cu electrolitul şi produşii de reacţie din vecinătatea unui electrod generează o forţă electromotoare opusă celei iniţiale, micşorând-o pe aceasta sau chiar anihilând-o.

Impedanţa electrozilor • Impedanţa pe care o prezintă un electrod în circuitul de măsurare a fenomenului bioelectric depinde de natura stratului dublu electric format la interfaţa cu ţesutul, de aceea este numită impedanţă de polarizare. • În circuitul de culegere şi măsurare a biopotenţialelor prin impedanţa celor doi electrozi, impedanţa ţesutului şi impedanţa de intrare în amplificator, va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din ţesut. Deoarece impedanţa de intrare în preamplificator este mare, curentul prin circuitul de măsurare este mic, iar căderea de tensiune pe impedanţa electrozilor este de obicei neglijabilă. • Totuşi, trebuie ţinut seama de impedanţele care intervin pentru a alege corespunzător caracteristicile amplificatorului privind amplitudinea şi frecvenţa semnalului.

• O interfaţă electrod - ţesut se echivalează cu o sursă de tensiune (potenţial de electrod) şi un condensator, datorită stratului dublu electric. Distanţa dintre sarcinile electrice de semne opuse la această interfaţă este de dimensiuni moleculare, astfel încât capacitatea pe unitatea de suprafaţă a electrodului este într-adevăr mare ( ≈10F/cm2). • Cu toate acestea, este bine cunoscut că se poate trece un curent prin joncţiunea electrod ţesut, deci orice model pentru o astfel de interfaţă trebuie să includă şi o rezistenţă, Rf, în paralel cu condensatorul. • Având componente capacitive impedanţă unei perechi de electrozi plasaţi pe suprafaţa unui ţesut va fi dependentă de frecvenţa semnalului bioelectric şi anume va scădea cu creşterea frecvenţei.

Testarea polarizării • Tendinţa la polarizare este determinată de comportarea manifestată la trecerea unui curent electric. O pereche de electrozi care indică un potenţial de electrozi redus, poate prezenta o polarizare atunci când sunt purtătorii unii curent. La un curent foarte scăzut, amplitudinea polarizării este neglijabilă, dar poate deveni apreciabilă la un nivel comparativ cu cel al curentului electrodermal. • De aceea este foarte important să testăm electrozii în aceleaşi condiţii în care se face măsurătoarea ectodermală. Aceleaşi condiţii de testare pot fi folosite şi la determinarea potenţialului de electrod, exceptând faptul că perechea de electrozi este măsurată în timpul trecerii curentului electric continuu luat în calcul. Impedanţa perechii de electrozi la 1000 cpm sau mai mult este determinată separat şi valoarea este folosită ca rezistenţă ohmică. • Utilizând această valoare şi nivelul curentului continuu determinat, se obţine tensiunea de referinţă. Diferenţa dintre valoarea tensiunii măsurate şi cea de referinţă reprezintă o mărime a potenţialului de polarizare.

• Impedanţa electrozilor este dependentă de natura dublului strat electronic; se numeşte impedanţă de polarizare. Prin impedanţa electrozilor şi de intrare a amplificatorului trece un curent mic generat de evenimentul bioelectric. De obicei impedanţa de intrare a aparatelor de amplificare şi înregistrare este foarte mare; atunci când nu este suficient de mare, nu numai semnalul este atenuat, dar pot apare şi distorsiuni. • La electrozii de stimulare, impedanţa electrod - electrolit este foarte importantă, din cauza naturii ei rezistive şi reactive, amândouă componentele depinzând de densitatea de curent. În plus, la electrozii de stimulare densitatea de curent este neuniform distribuită pe suprafaţa electrodului. • În circuitul de culegere şi măsurare a biopotenţialelor prin impedanţa celor doi electrozi, impedanţa ţesutului şi impedanţa de intrare în amplificator, va trece un curent determinat de fenomenele bioelectrice din ţesut. Deoarece impedanţa de intrare în preamplificator este mare, curentul prin circuitul de măsurare este mic, iar căderea de tensiune pe impedanţa electrozilor este de obicei neglijabilă.

Modelare electrică complexă a interfeței electrod - țesut

• Între electrodul metalic şi piele, pentru a stabiliza potenţialul de electrod, mai ales la mişcările pacientului, se introduce fie o hârtie de filtru, fie tifon, îmbibate cu un electrolit (de obicei soluţie salină), fie o pastă electroconductivă, care este realizată special pentru aceste scopuri şi livrată odată cu aparatele de măsurări electrofiziologice de către constructori

Tipuri constructive de electrozi • Electrozii sunt de două tipuri: cu contact (ohmic) sau capacitivi. • Ca suprafață pot avea funcție de destinație de la cȃțiva micrometri pătrați la zeci de centimetri pătrați. Indiferent de suprafața electrodului, scopul este măsurarea potențialului generatorului bioelectric fără ca prin ectrod și înterfața cu țesutul să circule curent. • Din acest motiv amplificatorul trebuie să aibă o impedanță suficient de mare in raport cu impedanța electrodului. • Electrozii de suprafaţă au fost folosiţi pentru prima dată de James şi Williams pentru înregistrarea ECG în 1910 pentru a înlocui electrozii de imersie (găleată) folosiţi curent până atunci. • Din punct de vedere constructiv și al modului de atașare electrozii de suprafață sunt: • • • • • •

plăci; cu sucțiune; electrozi de scalp (EEG); cu bandă adezivă; cu conductor adeziv; electrozi uscați.

Electrozi de suprafață • (A) electrod de metal tip-placă utilizat pentru aplicarea la membre. • (B) Electrod de metal tip -disc aplicat cu bandă chirurgicală. • (C) Electrod de unică folosință

• Pentru măsurători la diverse profunzimi se utilizează electrozi multipli din sârmă de cupru argintat, care se fixează pe un miez din tungsten de câtiva milimetri diametru sau electrozi tip ac de seringă mono- şi bipolari. Aceştia sunt introduşi în locuri specifice în vederea supravegherii activităţii musculare în timp de câteva ore. • Firul sau perechea de fire sunt introduse în muşchi cu ajutorul unui ac de seringă. Bucla formată permite fixarea mai bună în muşchi; acul de seringă este îndepărtat.

• Microelectrozii metalici se realizează din fire metalice subţiri, ascuţite electrochimic la capătul care se introduce în celulă, până la diametre de 0.1 - 10 m. • Se folosesc microelectrozi din oţel inoxidabil, platină, argint, aur, tungsten. • Acoperirea cu un material izolant a părţii inactive şi controlul precis al vârfului ascuţit se face la microscop. Tipuri constructive de microelectrozi metalici • Acoperirile izolatoare sunt materiale plastice sau sticlă şi se a) microelectrod cu strat subţire metalic: 1.– suport de sticlă sau carbură de tungsten; 2 – întind până la porţiunea introdusă strat subţire de metal; în celulă. 3 – izolaţie din răşină; 4 – conector aurit; • Micşorarea impedanţei se obţine prin mărirea electrochimică a b) microelectrod integrat: 1 – substrat din suprafeţei şi prin introducerea în siliciu; 2 – bioxid de siliciu; developator fotografic. 3 – electrozi din aur acoperiţi cu un strat de bioxid de siliciu; 4 – suprafaţa activă de culegere

Microelectrod plasat cu vârful într-o celulă

• Microelectrozii din sticlă se realizează din tuburi capilare din sticlă specială încălzite prin inducţie şi trase până la dimensiuni ce permit încă existenţa orificiului. Marginile tăioase sunt apoi îndepărtate cu hârtie abrazivă foarte fină. • Umplerea cu electrolit a micorpipetei se face cuplând un dispozitiv din cauciuc ce susţine mai multe pipete la o pompă de vid; partea inferioară a pipetelor este introdusă într-o cuvă cu electrolit care, prin absorbţie, pătrunde dinspre partea îngustă spre partea mai largă a micropipetelor. • Deoarece o concentraţie prea mică, apropiată de cea a lichidului intracelular, ar fi compatibilă cu citoplasma, dar ar duce la rezistenţe foarte mari (rezistivitatea electrolitului mare), se face un compromis pentru a avea rezistenţe limitate ale microelectrodului. • Electrodul este un fir metalic subţire imersat în electrolit. • Se folosesc de obicei electrozi din Ag/AgCl, oţel inoxidabil, tungsten.

Mijloace de captare : Traductoare

Traductoare • Traductoarele sunt dispozitive ce au rolul de a stabili o corespondenţă între o mărime de măsurat si o altă mărime aptă de a fi prelucrată de echipamentele de prelucrare automată a datelor. • Acest lucru se realizează prin transformarea, convertirea, mărimii fizice de măsurat într-o altă mărime fizică (de obicei o mărime neelectrică într-o mărime electrică) sau în aceeaşi mărime fizică cu schimbarea parametrilor acesteia (de exemplu o mărime electrică în altă mărime electrică dar cu alţi parametri de variaţie).

• Un traductor este în general constituit din două blocuri principale: • elementul sensibil (detectorul) care transformă mărimea de măsurat de intrare într-o mărime intermediară • convertorul de ieşire (adaptorul) prin care mărimea intermediară se transformă într-o mărime de ieşire ce poate fi observată sau prelucrată mai uşor în cadrul sistemului de conducere.

• Convertorul de ieşire are totodată rolul de a realiza şi o adaptare cu celelalte elemente din cadrul sistemului de conducere cu care este cuplat.

Clasificarea traductoarelor • După forma semnalului de ieşire în care este convertit semnalul de intrare: • traductoare analogice - la care semnalul de ieşire are o variaţie continuă • traductoare numerice (digitale) - la care semnalul de ieşire are o variaţie discontinuă

• În funcţie de mărimea de intrare traductoarele se pot clasifica în: • Electrice: frecvenţă, curent, fază, tensiune, putere • Neelectrice: nivel , debit, deplasare, viteză, acceleraţie, temperatură, presiune

Clasificarea traductoarelor • În funcţie de mărimea de ieşire traductoarele se pot clasifica în: • Parametrice • Rezistive:reostatice,termorezistive,tensometrice, electrolitice • Inductive: de înaltă frecvenţă,de joasă frecvenţă • Capacitive: cu suprafaţa armăturilor variabilă, cu distanţa dintre armături variabilă, cu modificarea permitivităţii dielectricului

• Generatoare: • inducţie, piezoelectrice, termoelectrice, pH-metrice, efect Hall

• Traductoare parametrice rezistive • Principiul de funcţionare al acestor traductoare constă în modificarea rezistentei R a unui rezistor. Sub acţiunea intrării se produce modificarea unuia din parametrii care intervin în relaţia rezistenţei unui conductor:

unde:  = rezistivitatea l ( mm2/m);



R(m);  • l = lungimea S • S = secţiunea (mm2)

• Traductoare reostatice – la care variaţia rezistenţei R se realizează prin modificarea lungimii rezistorului. Sunt folosite pentru măsurarea unor deplasări liniare sau unghiulare sau a altor mărimi ce se pot transforma în aceste deplasări.Funcţionarea traductorului reostatic liniar se poate exprima prin relaţia: Ro Ry  y lmax • unde: y = deplasarea cursorului; • lmax = lungimea bobinajului; • Ro = rezistenţa totală a rezistorului bobinat.

În cazul traductoarelor reostatice unghiulare se utilizează un potenţiometru de formă circulară, obţinut prin bobinarea unui fir rezistiv pe un suport izolant circular, fir rezistiv peste care alunecă un cursor, astfel că, rezistenţa la ieşirea potenţiometrului şi tensiunea de ieşire, când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul de rotaţie α relaţia este similară cu menţiunea că y reprezintă o deplasare unghiulară. Ro R y   max  unde  este unghiul maxim de rotaţie al cursorului

• Traductoarele tensometrice – sunt destinate măsurării unor eforturi sau deformaţii şi au ca principiu de funcţionare variaţia atât a lungimii cât şi a secţiunii unui fir sau filament din material conductor sau semiconductor. • Aceste traductoare, deşi au o sensibilitate mică şi unele greutăţi în modul practic de utilizare (lipirea tensometrului pe corpul de studiat, sensibilitate la umiditate), au avantajul unui preţ de cost scăzut, frecvenţă mare de lucru şi erori mici.

Fig. 4: Marca tensometrica

- Pentru compensarea erorilor se utilizează montaje în punte. Pe un braţ al punţii se montează tensometrului activ iar pe un alt braţ tensometrul compensator. - Se utilizează două metode de măsurători statice: prin deviaţie şi prin metoda de zero.

Fig. 5: Montarea marcilor tensometrice în montajul în punte

• Traductoare parametrice inductive • Traductoarele inductive sunt realizate din una sau mai multe bobine cu miez de fier sau aer a căror inductanţe variază sub acţiunea mărimii de intrare. • Acest tip de traductori funcţionează pe baza variaţiei geometriei circuitului magnetic în funcţie de deplasarea unui miez magnetic sau a unei armături prin care se modifică valoarea reluctanţei magnetice. • Se întâlnesc trei tipuri constructive de traductoare: • Traductoarele cu intrefier variabil • Traductoare de tip transformator • Traductoare cu miez mobil

N = numărul de spire al bobinei ΣRm = suma reluctanțelor din circuitului magnetic lk = lungimea circuitului magnetic al bobinei prin mediul k µk= permeabilitatea magnetică a mediului k care alcătuiește circuitul magnetic al bobinei Sk = secțiunea mediului k care alcătuiește circuitul magnetic al bobinei

• Traductoarele cu intrefier variabil au sensibilitatea foarte mare dar caracteristica statică este neliniară şi ca urmare domeniul de utilizare este foarte restrâns. • Pentru îmbunătăţirea performanţelor acestor traductoare se folosesc montaje diferenţiale in punte. Puntea se echilibrează astfel încât în absenţa forţei curentul Ix să fie zero. • Aceste traductoare sunt sensibile şi la semnul forţei care acţionează asupra traductorului.

• Traductoare de tip transformator • Se prezintă sub forma a două înfăşurări a căror inductanţă mutuală poate fi modificată sub acţiunea mărimii de intrare, fie prin modificarea poziţiei miezului sau întrefierului, fie prin modificarea poziţiei înfăşurării primare printr-o mişcare liniară sau de rotaţie. • Sub acţiunea mărimii de intrare (de ex. o forţă) se modifică inductanţa magnetică a traductorului şi deci fluxul magnetic. Acesta din urmă induce în bobina secundară o tensiune a cărei valoare efectivă depinde de fluxul maxim în miez şi frecvenţa tensiunii din primar. • Aceste traductoare prezintă avantajul separării galvanice a circuitelor de intrare şi ieşire.

• O varianta des utilizată în instrumentația biomedicală de traductor de tip transformator esta așa numitul transformator diferențial liniar variabil. Acest tip de traductor este foarte avantajos in cazul măsurărilor presiunilor fiziologice. • Înfășurarea primară este alimentată în curent sinosoidal. Înfășurările secundarensunt astfel conectate încât semnalele obținute de la fiecare bobină să fie egală în amplitudine dar în opoziție de fază. • Dacă miezul feromagnetic este plasat simetric între cele două bobine semnalul de la ieșire va fi aproximativ zero. Când mezul este deplasat întro direcție (datorită acțiunii presiunii asupra diafragmei de exemplu) semnalul indus într-o înfăsurare va crește concomitent cu căderea în aceeași măsură în cealaltă înfășurare secundară. Pentru obținerea unor rezultate bune se folosește un montaj în punte cu posibilitatea reglajului de zero.

• Traductoare cu miez mobil • Constau dintr-o bobină cu miez mobil care este acţionat de către mărimea de intrare. • Traductoarele de acest tip sunt utilizate de obicei în convertirea deplasărilor mecanice într-o mărime electrică. Întru-cât caracteristica statică este neliniară se foloseşte un montaj diferenţial. • Sunt de obicei realizate cu ajutorul unui miez feromagnetic care se deplasează în interiorul unei bobine.

• Traductoare cu distanţa dintre placi variabilă – elementul sensibil constă dintr-un condensator care are una dintre armături fixă şi alta mobilă, ultima putânduse deplasa sub acţiunea mărimii de intrare. • Este utilizat pentru realizarea microfoanelor sau a senzorilor de presiune folosiți în metodele directe de măsură a presiunilor din organism când armătura mobila joacă rol de diafragmă.

• Traductoare generatoare • Traductoarele generatoare sunt realizate în mai multe variante în funcţie de principiul care stă la baza transformării mărimii de intrare într-o tensiune electromotoare.

• Traductoare de inducţie – principiul acestor traductoare constă în inducerea unei tensiuni electromotoare e într-un circuit conductor ce taie liniile de forţă ale unui câmp magnetic de inducţie B [T] conform relaţiei:

e  Bl  v

unde:v = viteza circuitului conductor în m/s l = lungimea circuitului în m Pe acest principiu se obţin tahogeneratoare, vibrometre, debitmetre, etc.

Traductoare termoelectrice (termocupluri) • Principiul acestor traductoare se bazează pe efectul termoelectric (efect Seebeck) care constă în apariţia unei tensiuni electromotoare între capetele libere ale unor fire sau tije metalice diferite la modificarea temperaturii capătului la care acestea fac contact. • Temperatura capetelor libere (numită și temperatură de comparație) va fi luată ca referință și astfel se poate afla temperatura punctului de sudură în funcție de tensiunea electromotoare măsurată.

• Traductoarele piezoelectrice - Se bazează pe efectul piezoelectric care constă în apariția unor sarcini electrice pe două suprafețe paralele ale unui cristal de quarț când acesta este supus unei forțe mecanice de apăsare. - Polaritatea estre diferită după cum cristalul este supus unei forțe de tracțiune sau compresiune. - Dezavantajul acestor traductoare îl constitue influența circuitului exterior cristalului (metalizari, fire de conexiune, amplificator etc.) asupra măsurătorii.