Instrumentação Biomédica
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- Elisa Lagos Graça
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1 Instrumentação Biomédica Sistema de medição biomédica utiliza técnicas de medição por inferência, ou seja, ele obtém a relação matemática ou estatística da quantidade biológica desejada com a quantidade medida. Profa. Léia Bernardi Bagesteiro (CECS) leia.bagesteiro@ufabc.edu.br Amplificador Operacional: Amplificador Operacional: UFSMCT/Barrato Amplificador Operacional: Características Amplificador Operacional:
2 Amplificador Operacional real ganho de malha aberta e fechada: resposta em frequência Amplificador Inversor: Malha aberta A mf =000 A mf = Amplificador inversor Amplificador NãoInversor: 8K2! v e 3K3! G = " # "2,5 K! V e = cost " V s = #2,5cost Amplificador não inversor OPAMP Aplicação Circuito integrador v e i s v e R i e C 470! 68! " G = $ 470 % ' ( 8 # 68 & i e = i s = Ve R ; Ve dvs = "C R dt Vs = " # RC Vedt 2
3 OPAMP Aplicação Circuito diferenciador (derivador) Amplificador Diferencial: i s R i e v e C i e = i s ; C dve dt = " Vs dve # Vs = "RC R dt OPAMP Aplicação Amplificador de instrumentação INA Amplificador de instrumentação v e R R2 R Rg v e2 R R R2 Simetria 2AMPs não inversores " Z e #(e,e 2 ) Rg = R de controle de ganho ( ) # " 2R Vs = Ve 2 "Ve $ & % ' ) R2 Rg( R Ativos: São associações elétricas que respondem a variações de frequência, podendo atenuar filtrar determinadas frequências préestabelecidas. Passivo: utiliza componentes do tipo resistivo, capacitivo e indutivo. Ativo: adicionase um amplificador. Tipos:! passabaixa! passaalta! passabanda! rejeitabanda 3
4 Classificação Filtro PassaBaixa RC (passivo) Filtro PassaBaixa RC (ativo) = (Hz) 2"RC " C = RC (rad/s) = 2"R 2 C G = "R 2 R Filtro PassaAlta RC (passivo) Filtro PassaAlta RC (ativo) Filtro PassaBanda RC (passivo) Filtro Passa Banda RC (ativo) = 2"RC = 2"R C G = "R 2 R A primeira etapa deixa passar somente freqüências maiores ou iguais a 0 e depois apenas as menores que. (Hz) = 2"RC = f " f 2 (Hz) = 2"R C 2 (Hz) = 2"R 2 C 2 G = "R 2 R Filtro RejeitaBanda RC (passivo) Filtro Rejeita Banda RC (ativo) Filtro Passivo Integrador Filtro Ativo Integrador Resposta de um filtro rejeitabanda ideal 4
5 : Características Filtro Passivo Diferenciador Filtro Ativo Diferenciador Ideal: banda linear, e descida acentuada na faixa de transição Real: rippling entre a banda de passagem/parada e a de transição. : Resposta em Freqüência : Características Capacitores influenciam na resposta em frequência do filtro. Capacitores são adicionados para criar certas funções (e.g. integradores) A ordem do filtro depende do número de elementos que armazenam energia que são utilizados. Primeira Ordem (passabaixa) Segunda Ordem (rejeitabanda) Com todas as especificações de banda, freqüência de corte é possível projetar um filtro com uma função de transferência apropriada Amp. Nãoinversor Filtro passabaixa Amp. Nãoinversor Filtro passaalta Amp. Inversor Filtro passabaixa Amp. Inversor Filtro passaalta 5
6 Projeto Amp. Inversor Filtro passabanda Amp. Nãoinversor Filtro passabanda Projeto Projete filtros passabaixas e passaaltas ativos nas freqüências de corte de 0, 00, 500, 000 e 5000Hz. Após projetálos faça os gráficos de resposta em freqüência para cada um deles (com auxilio de um programa computacional, e.g. MatLab.) Sistema de aquisição de dados Digitais Os filtros digitais apresentam as mesmas funções dos filtros analógicos e são implementados através de rotinas de programação. Vantagens: flexibilidade, facilidade de uso com alteração imediata da sua característica durante o desenvolvimento, sem realizar a troca de componentes. Sinal entrada: ECG 0% ruído de 60Hz Sinal filtrado: filtro analógico (Twin Tee) De um modo geral, vale a regra: digitalize o mais cedo possível e depois, trate o sinal computacionalmente. FFT do ECG 0% 60Hz signal Espectro FFT do sinal após filtro (Twin Tee) 6
7 Sinal de ECG original Sistema de aquisição de dados Conceitos gerais Sistema de aquisição de dados é qualquer arranjo que possibilite transformar sinais analógicos em sinais digitais para que se possa realizar um processamento digital em sistemas computacionais: microcontroladores, computadores, entre outros. Sinal após filtro digital ra ordem (entrada = sinal 0% ruído 60Hz) Sinal após filtro digital 2da ordem (entrada = sinal 0% ruído 60Hz).! circuito condicionador: filtros e proteção do sistema 2.! circuito ADC: analog to digital converter 3.! Unidade de processamento de sinais: processadores em geral, FPGA: filtros digitais, FFT (Fast fourier transform), Wavelet transform, modelagem matemática de sinais (cálculos de parâmetros de interesse). Analógicos e Digitais =>> INTEGRIDADE do SINAL Sistema de aquisição de dados Frequência de amostragem f s Teorema de Nyquist: A frequência de amostragem deve ser, no mínimo, duas vezes a frequência máxima (f m ) do espectro de fourier do sinal analógico v(t). Característica Butterworth Característica Butterworth G = " 2n!! Filtro cuja resposta é plana, ou seja, não apresenta ondulações ( ripples ).!! Filtro Butterworth Passabaixa de ra ordem. 7
8 Característica Butterworth Característica Butterworth!! Filtro Butterworth Passabaixa com n = a 5.!! Filtro Butterworth Passabaixa fornece resposta plana na banda de passagem (conversores de dados antialiasing ). Característica Chebyshev Característica Chebyshev G = " 2 Polinômio Chebyshev!! que apresentam a melhor resposta próxima a frequência de corte (fornece equiripple na banda de resposta) quando comparados aos filtros Butterworth.!! Resposta em frequência de um filtro passabaixa de 4ºordem (tipo I) Chebyshev (com!=). Característica Chebyshev Comparação de Características!! usados onde a resposta em frequência é mais importante do que uma amplificação constante. * Todos filtros de 5ºordem (mesmo nº de coeficientes) 8
9 Característica Bessel Comparação de Características!! com resposta linear numa banda mais larga de frequência (>>> decaimento constante >> transição otimizada) porém G não é tão plano e banda transição não tão acentuada.!! Butterworth: otimização banda passagem (plana).!! Tschebyscheff: acentua descida banda transição >> banda atenuação!! Bessel: linearização da resposta de fase até f c. Verifique as diferentes características de filtros (Butterworth, Bessel, Chebyshev) com as ferramentas disponíveis no LabVIEW. Referências Bibliográficas * Balbinot e Brusamarello. Instrumentação e Fundamentos de Medidas. V. (e V.2). LTC e * Webster, J. G. (ed.). Medical Instrumentation: Application and Design, 3rd edition, John Wiley & Sons Enderle, J.D. Bioinstrumentation Karris, S.T. Eletronic Devices and Amplifier circuits with MAtLab Applic Sistemas de Medição Biomédica Parte I Spiegel, Murray, Análise de Fourier, Coleção Schaum, McGrawHill do Brasil, São Paulo Kaplan,Wilfred, Cálculo Avançado, V. e 2. Edgard Blücher Editora e EDUSP, São Paulo
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