28/4/2011. Apresentação pessoal. Sinais Biológicos/Instrumentação. Objetivos gerais. Apresentação. Dinâmica da disciplina

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1 Biológicos/Instrumentação Aula 1 (30/04/2011) Apresentação pessoal Graduação em Licenciatura Plena em Educação Física (EEFD/UFRJ); Iniciação científica no Laboratório de Biomecânica EEFD/UFRJ; Especialização em Biomecânica (EEFD/UFRJ); Mestrado em Educação Física (EEFD/UFRJ); Doutorando em Educação Física (UFG-RJ). 1 2 Objetivos gerais Discutir aspectos relevantes sobre instrumentação, processamento e interpretação de sinais biológicos aplicados às técnicas usadas em um laboratório de biomecânica. Mostrar a aplicação do conteúdo na pesquisa e no cotidiano do profissional. 3 4 Dinâmica da disciplina Aulas teóricas: 30/04 Aula 1 (Introdução/bases da instrumentação) 28/05 Aula 2 (Bases da instrumentação/aplicação na pesquisa em biomecânica) 04/06 Aula 3 (Aplicação na pesquisa em biomecânica/emg 1) 18/06 Aula 4 (EMG 2) 16/07 Aula 5 (EMG 3 e MMG) Apresentação Conteúdo teórico-prático dos princípios básicos de instrumentação e análise de sinais biológicos; Conceito de sinais; relação sinal/ruído; Sistema de aquisição de dados; filtros básicos; Aulas práticas: Semana intensiva 5 6 1

2 O que queremos medir? O que queremos medir? Medição: processo de medição/comparação de um valor a um padrão Dado: resultado do que é medido Para ser aceito, um dado precisa ser válido, confiável e objetivo. CINÉTICA Estado relacionado com a determinação das causas do movimento CINEMÁTICA É a descrição do movimento. Medições lineares (os medidores, cm, etc.) ou angulares (radianos, graus, etc.). 7 8 O que queremos medir? Qual é a pergunta? Ex: Se eu realizar o movimento de agachar, os músculos posteriores de coxa serão muito solicitados? Como podemos medir? Qual é a pergunta? Ex: Se eu realizar o movimento de agachar, os músculos posteriores de coxa serão muito solicitados? A resposta é simples? Por quê? NÃO!!! O que eu posso medir? Como eu posso medir? Quais as considerações relevantes nessa pergunta? Com essas respostas eu consigo responder a pergunta inicial? 9 10 Worsnop et al., 1999 Variáveis Essa medida, é confiável? Depende do sistema que é usado Torque Deslocamento angular Relação torque x ângulo Pico de torque Tensão passiva Etc... Comparação dos dados através de uma técnica conhecida como padrão-ouro (gold standard). Ex. Percentual de gordura (%G). Lógica ou pertinência de um teste medir o que se propõe a medir. Ex. Tipo de fibra muscular. Determinada pela análise lógica do processo de medição ou pela comparação com outro teste já validado

3 Essa medida, é confiável? Consistência das Medidas Ausência de Erro (????) Sempre presente Erro considerado aceitável no uso prático efetivo do instrumento de medida Uso da estatística Termos: Reliability, repeatability, reproductibility, consistency, agreement, concordance, stability. A medida, é real? Testar em aparelhos /software diferentes. Comparar os dados em relação à literatura Tipos de confiabilidade Relativa Manutenção da posição numa amostra com medidas repetidas Correlação Absoluta Modificação das medidas repetidas nos indivíduos Unidade da medida ou índice (sem dimensão) Consistência Interna Variabilidade entre medidas repetidas em um mesmo dia Erro sistemático devido a variação circadiana Estabilidade Variação entre dias Validade Lógica ou pertinência de um teste medir o que se propõe a medir determinada pela análise lógica do processo de medição ou pela comparação com outro teste já validado Ex: Paquímetro, trena e fita métrica Validade Validade interna Vs. externa O quanto um teste laboratorial pode ser extrapolado à aplicação prática. Ameaças à validade interna: Maturação; Testagem; Seleção tendenciosa; Mortalidade. Ameaça à validade externa: Populacional (amostra) Ecológica (interferências, efeitos, artificialidade, etc)

4 Validade interna Vs. externa Instrumentação em biomecânica Objeto de estudo Ferramenta Desenvolvimento da técnica Aplicação prática Ex: Deslocamento do centro de pressão ântero-posterior em pessoas com olhos abertos x fechados Base da instrumentação Fonte geradora Sinal Comunicação Mímica, Comunicação verbal Tambores Comunicação à distância de Fumaça Espelhos Tiro Bandeiras Sinos Laser Um sinal é definido como uma função de uma ou mais variáveis, a qual veicula informações sobre a natureza de um fenômeno físico de fala; biológicos; Previsão do tempo (temperatura, pressão,...); Bolsa de valores; Sonda espacial. Sinal A idéia principal é que um sinal carrega uma ou mais informações de interesse

5 Eng. Elétrica: voltagem da saída de um amplificador ou estimulador em função do tempo Eng. Comunicações: sinal transmitido por telefone, rádio, radar... Ciências Econômicas: produto nacional bruto vs tempo/preço, estoque de café vs tempo Epidemiologia: número de casos de meningite em função do tempo,distribuição espacial dos casos de meningite numa dada região Eng. Mecânica: acústica, análise dinâmica de estruturas, robótica... Ciências Biológicas: ECG, EMG, EEG, fluxo sangüíneo, pressão arterial, voz,etc; Tensão (Volts) 1V -1V Tensão pico à pico = 2V (volts) F = 1/T (Hz) T -Período (s) Amplitude = V (volts) t (segundos) Grandeza física que varia em relação a uma ou mais variáveis independentes. Usualmente essa variável independente é o tempo. Domínio do tempo Domínio da freqüência Espaço F = T Carriço et al., Estabilometria Domínio da freqüência: 1 seg(período) Início Final

6 Relação sinal x ruído Normalmente, os sinais que medimos ou percebemos são formados pelo(s) sinal(is) de interesse propriamente dito(s) acrescido(s) de ruído(s) os quais representam a parte que não nos interessa. Sinal Medido = Sinal de interesse + Ruídos Relação sinal x ruído Sinal Medido = Sinal de interesse + Ruídos Sinal: Voz do professor Ruídos: Conversas paralelas Ar condicionado Obras nas salas ao lado Ex: Sinal: Voz do professor Ruídos: Conversas paralelas Ar condicionado Obras nas salas ao lado Tipos de sinais Tipos de sinais biológicos Discreto: Analógico -tempo contínuo e amplitude contínua -exemplo: sinal de voz. Contínuo: Digital (Sinal Quantizado) - tempo contínuo e amplitudes discreta Sinal Dispositivo capaz de realizar a conversão de uma dada grandeza física ou fisiológica original no sinal elétrico utilizado pelo equipamento de medição ou sistema de aquisição Célula de carga (Lutron)

7 Características dos transdutores: Faixa ou range Sensibilidade Acurácia ou exatidão Precisão Linearidade Resolução Histerese Faixa ou range: Um transdutor normalmente é construído para operar em uma faixa específica de valores de entrada. Há três faixas que podemos citar: 1. Faixa de Operação Linear: aquela que garante comportamento linear do transdutor; 2. Faixa Máxima de Operação: o comportamento linear não é garantido, porém não ocorre destruição do instrumento; 3. Faixa de Armazenamento: faixa de temperatura e umidade para armazenar o instrumento/transdutor sem que ele se danifique Sensibilidade: Variação total na saída do transdutor como resultado da variação na entrada. Isto pode ser visualizado através da inclinação da curva de calibração do sensor. Acurácia ou exatidão: Pode ser definida como a diferença máxima entre o valor real do evento físico e o valor transduzido pelo transdutor. A acurácia abrange todos os erros inerentes ao transdutor (medidas de dispersão estatística). Ex: erro constante ao longo de toda a faixa de operação (Erro de calibração/offset) Precisão: Está ligada a sua repetibilidade, ou seja, ao fato de o transdutor repetir sempre os mesmos valores da tensão de saída toda vez que o mesmo evento físico é a ele aplicado. Quanto menor for a dispersão dos valores registrados na saída, mais preciso será o transdutor. Linearidade: A linearidade é uma característica fundamental para um bom transdutor. Ele deve apresentar ao longo de toda sua faixa de operação saídas diretamente proporcionais à grandeza que está sendo medida (entrada). Valor de r para determinar o grau de linearidade do transdutor Baixa precisão Baixa exatidão Alta precisão Baixa exatidão Alta precisão Alta exatidão

8 Resolução: É definida como a mínima variação do evento físico capaz de causar uma variação detectável da tensão de saída. Pequenas variações (2 ou 3 casas decimais) Ex: Qualidade da imagem??? Histerese: Característica de alguns transdutores que apresentam medidas diferentes do mesmo evento físico caso a entrada esteja aumentando ou diminuindo. O quanto se afasta do que realmente está medindo (resíduo) Temperatura Ex. Medidor de PA (casa e vídeo) Sinal Proporciona a operação necessária para adequar a saída de um transdutor à entrada do Sistema de Aquisição. Categorias com condicionamento de sinais em vários tipos, como por exemplo: mudança de nível, linearização, conversão, isolação, amplificação, filtragem, casamento de impedância Amplificadores operacionais: Dispositivo eletrônico que permite aumentar de forma significativa a amplitude da diferença dos sinais aplicados a suas entradas Saída com sinal muito pequeno ou abaixo da faixa de operação ótima do sistema de aquisição (conversor A/D), multiplica-se por uma constante para adequá-lo ao sistema. Amplificadores operacionais:

9 Filtros: Um filtro é um circuito amplificador cujo ganho (A) varia com a frequência do sinal que lhe é aplicado. Os filtros são constituídos por dispositivos cujo valor óhmico varia com a frequência do sinal(impedância). Resposta em frequência de um FILTRO: A resposta em frequência de um filtro corresponde aos diferentes valores do ganho A do amplificador para as diferentes frequências do sinal que é aplicado ao circuito. Filtros: Objetivo de limitar sua banda ou retirar do sinal ruídos e outros sinais indesejáveis 1. Filtro passa-baixa 2. Filtro passa-alta 3. Filtro passa-banda 4. Filtro notch (ou rejeita-banda) Filtro passa-baixa: As componente inferiores a fc são amplificadas e as componentes superiores a fc são atenuadas (no caso ideal, são eliminadas ) A G Hz Filtro passa-baixa: O filtro High cut permite remover as componentes de alta frequência como por exemplo o ruído com origem no EMG Os polígrafos analógicos convencionais fornecem, normalmente três filtros: 30Hz, 60Hz e 120Hz A G fc f (Hz) Filtro passa-alta: As componente superiores a fc são amplificadas e as componentes inferiores a fc são atenuadas (no caso ideal, são eliminadas ) Filtro passa-banda: As componentes do sinal entre F L e F H são amplificadas (no caso ideal são eliminadas), as restantes são atenduadas. A G A G Hz fc Hz f L f H

10 Filtro notch ou rejeita-banda: As componentes do sinal entre F L e F H são amplificadas, as restantes são atenuadas (no caso ideal são eliminadas). A G Filtro notch ou rejeita-banda: Este filtro é usado para remover uma componente em frequência específica como sendo, por exemplo a componente da rede eléctrica, no Brasil é de 60 Hz f L f H Hz fc f (Hz) Exemplo de aplicação Exemplo de aplicação Imagine um sinal composto de três componentes senoidais de freqüências 50Hz, 110Hz e 210Hz. Filtro passa-baixa (Fc = 80Hz) 1) Como poderíamos extrair cada uma das três componentes? Exemplo de aplicação Exemplo de aplicação Filtro passa-alta(fc = 150Hz) Filtro passa-banda (Fc = Hz)

11 Exemplo de aplicação Filtro notch(fc = Hz) Resumindo Sinal 50 Hz + = Sinal 110 Hz + Sinal 210 Hz