Sensores BioMagnéticos e Aplicações

Transcrição

1 Sensores BioMagnéticos e Aplicações Prof. Adilton Departamento de Física e Matemática FFCLRP- São Paulo-Brazil adilton@ffclrp.usp.br sites.ffclrp.usp.br/giimus

2 Principais Fontes de Campos Biomagnéticos

3 Intensidade Típica dos Campos Biomagnéticos e do Ruído

4 O Biosusceptômetro AC Um arranjo de bobinas produz um sinal de excitação que é detectado pelo amplificador lock-in. Quando balanceado nenhuma voltagem é detectada. A presença de substâncias ferromagnéticas próxima de uma das extremidades produz uma tensão.

5 Características Físicas Sistema gradiométrico de primeira ordem. Decaimento do sinal r 6 N N ' 2 o V A I 1 1 [ r ( r a) ( r b) ( r b a) ] Boa sensibilidade

6 Gastroenterologia- Motivação Para que o processo de digestão se realize o alimento tem que transitar por diferentes segmentos do tubo digestivo com uma velocidade apropriada. Enzimas Motilidade Irrigação Sinais elétricos

7 Atividade Mecânica do Estômago

8 Alimento Teste As medidas com o biosusceptômetro AC (BAC) exigem a ingestão de uma refeição de prova contendo marcadores ou traçadores magnéticos inertes. A ferrita em pó e magnetita são utilizadas em concentrações de 1-4% em peso.

9 Amplitude (mv) Contrações Gástricas ~1 min Tempo (s)

10 Funcionamento de Um Fluxgate

11 Fluxgate com Núcleo de Anel

12 Arranjo Experimental para Medida da Magnetização

13 Processo de Relaxação

14 Remanent Magnetization (nt) Spectral Density (nt/hz 1/2 ) x10 5 Remanent Magnetization (nt) Spectral Density (nt/hz 1/2 ) x10 4 Remanent Magnetization (nt) Spectral Density (nt/hz 1/2 ) x10 3 Remanente Magnetization (nt) Spectral Density (nt/hz 1/2 ) x10 5 Decaimento da Magnetização Devido à Atividade Mecânica do Estômago ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Time (s) a = 127 s c ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 = 121 s Time (s) Contraction of the Stomach Respiration Frequency (Hz) Contraction of the Stomach Respiration Frequency (Hz) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Time (s) b = 127 s d Contraction of the Stomach Respiration Frequency (Hz) Contraction of the Stomach 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 50 = 140 s Time (s) Respiration Frequency (Hz) Medidas realizadas em um intervalo de 40 minutos

15 Magnetização Remanente

16 Um Possível Mecanismo Agitador do Estômago

17 Reflexo Gastrocólico

18 Alimento Teste 3 g magnetita (Fe 3 O 4 ) 15 g aveia Água

19 Sinal Magnético da Região do Ceco

20 Transformada de Fourier do Sinal Magnético

21 Evolução da Componente Z do Campo magnético Antes da Depois da Refeição Refeição

22 Efeito de uma droga sobre o reflexo gastrocólico (Buscopan 40 mg) Antes Depois

23 O Efeito Josephson I j I c q q sen A ds ( fluxo ) 1 2

24 RF-SQUID Desenho Original de James E. Zimmerman co-inventor desse dispositivo

25 SQUID-DC Transformador de Fluxo Sensibilidade J e função de transferência 10 6 V/A

26 Gradiômetros

27 Métodos para a medida da sobrecarga de ferro no fígado Biopsia de agulha (gold standard) Concentração de ferritina no plasma Resonancia Magnética Susceptibilidade Magnetica

28 Aspecto macroscópico do fígado com sobrecarga de ferro

29 Aspecto microscópico do fígado com sobrecarga de ferro

30 Uma estimativa B=?

31 A técnica susceptometrica Magnetização da amostra usando um campo magnético AC ou DC. Um detector gradiométrico acoplado a SQUID RF ou DC, com cancelamento ativo. Medida da variação do campo em presença da amostra é utilizado para quantificar a presença do ferro

32 Procedimento de medida M=0

33 Procedimento de medida B M=0

34 Modelo Físico leading field, c fe m fe B r B r d 3 m d I Vol 0 d r C fe = concentração de ferro m,fe = susceptibilidade mássica do ferro B m = Campo Magnetizaste B d = Lead Field no transformador de fluxo Tripp, JH (1983). Biomagnetism: an Interdisciplinary Approach, Physical Concepts and Mathematical Models, pp

35 Simplificando V C C = Fator de calibração do susceptometro = Fator de correçãp (interferência do sistema, etc)

36 Susceptômetro com Campo Homogêneo

37 Calibração Fe +3 H 2 O Raio da esfera = m Raio do cilindro = m Comprimento do cilindro = m

38 Amplitude (Volts) Sinal típico do SQUID versus distancia Curva Experimental Curva Simulada Medidas realizadas em um fantom preenchido com água Distance Sensor-Sample (m)

39 Susceptometer Output (Volts) Susceptometer Output (pt) Sinal do SQUID versus concentração de ferro Ferritin Equivalent (mgftn/g tecido ) 0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 0,2 0,1 Experimental Data Linear Fitting ,0 0-0, ,2-0,3 V= -0, ,021*c fecl3.6h 2 O R=0,999 0,0 3,7 7,4 11,1 14,8 18,5 22,2 FeCl 3.6H 2 O (mg/g ) Concentration H2 O

40 Primeiras Medidas in vivo

41 Amplitude of the Signal (Volts) Amplitude of the Signal (pt) Amplitude of the Signal (Volts) Amplitude of the Signal (pt) Sinal típico em um sujeito normal sem bolsa de água (a) (b) 0,00 0 0,00 0-0, , , , , , ,20-0,25 liver side opposite side ,20-0,25 liver side opposite side Distance sensor-skin (mm) Distancia sensor-skin (mm) a) Normal b) Talassemico

42 Problemas... B r -3 Incertezas no posicionamento Assimetria do Torso Interferência dos pulmões e baço Tempo de medida

43 Linhas de iso-sensibilidade B B 5 B B 5 m d n n 1 m d n n 1 Campo não homogêneo Campo homogêneo

44 Bolsa com água sobre o torso meio homogêneo Water Torso Fixer mattress

45 Amplitude (Volts) Avaliação do Sistema Experimental Data Linear Fit V= * Concentration Linear Correlation = Concentration of iron III (mgfe 3+ /g H2 O )

46 Medidas em um fantom Amplitude (Volts) Amplitude (pt) contendo água pura usando a bolsa com água 0,00 0-0, ,10 "liver" with no iron phantom+water bag without sample -75-0, , ,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Distance Sensor-Sample (m)

47 Amplitude of the Signal (Volts) Amplitude of the Signal (pt) Medidas in vivo usando a bolsa com água 0,18 0,16 Normal Subject Thalassemic Patient , , , , , , , , Distance sensor-skin (mm)

48 Liver Iron (mg ftn/g wet tissue ) Liver Iron ( mol ftn/g wet tissue ) Resultados iniciais de medidas in vivo 4,5 4,0 Normal Subject Thalassemic Patient ,5 57 3,0 49 2,5 40 2,0 32 1,5 24 1,0 16 0,5 8 0,0-0, Number of subject 0-8

49 Magnetoencefalografia (MEG)

50 Fontes do MEG e EEG

51 Campo Magnético de um z Dipolo de Corrente y B z μ 0 Q 4ππ 2 x 3 1 x 2 y 2 2 x Q i l

52 Distorção do EEG por Diferenças de Condutividade

53 Detecção das Fontes de MEG (

54 Cálculo das Fontes de MEG

55 Biogradiometro Monocanal Vista de um biogradiometro monocanal, com um SQUID, gradiometro com 2.5 cm de diâmetro e 7 cm de linha de base, posicionado sobre o estomago para medidas de r MGG. A componente vertical vertical do campo é medida.

56 Omega 151 and Omega 275

57 Arranjo dos Sensores

58 Magnes II Sistema Bti Sensor Dual Magnes II, Bti - 2 x 37 Canais Montado no Interior de uma Câmara Magneticamente Blindada

59 Sistema no interior de uma sala magneticamente blindada

60 Campos Evocados M100 M200 Avg Avg = = ft M50

61 Interpretação dos Dados resposta normal a um estímulo auditivo nos dois ouvidos

62 Localização - MSI Modelo de um Único Dipolo Densidade de Dipolos Filtro Gaussiano Kernel Resolução de 2 mm Principais Regiões Giro Temporal Superior Estruturas Temporais Mediais