Universidade Federal do Rio de Janeiro Programa de Engenharia Biomédica (PEB COPPE) PRINCÍPIOS DE ACELEROMETRIA E SUAS APLICAÇÕES BIOMÉDICAS André Avelino Oliveira Mendes Bráulio Rodrigues França de Oliveira Eduardo Borba Neves
Tópicos Principais da Apresentação Introdução Principio Físico Acelerômetro Capacitivo (ADXL202E)( Aplicações Biomédicas
Introdução Em 1972 a Sensym lançou o primeiro sensor de pressão de silício Ainda nos anos 70 Diodo detector isolado termicamente No início dos anos 80 surgiu o acelerômetro: Freio antibloqueio (ABS) Nos airbags
Tipos de Acelerômetros Eletro-mecânicos (servo acelerômetros) : Geralmente empregados para medidas de baixas amplitudes (tipicamente < 1 g), e baixas freqüências. Possuem alta exatidão, mas a um custo considerado elevado.
Tipos de Acelerômetros Piezoelétricos: Sua sensibilidade pode ser considerada baixa em relação a outros tipos, mas possui a maior faixa dinâmica de operação tanto em amplitude quanto em freqüência. Sensibilidade Transversal é menor 3 a 4% Sensibilidade eixo principal < 1%
Tipos de Acelerômetros Resistivos: arranjos de ponte de Wheatstone. São muito úteis na medição de vibrações a freqüências muito baixas (<1( 1 Hz).
Tipos de Acelerômetros Sísmicos: Em alguns desses transdutores utiliza- se o modelo de uma massa suspensa e um sistema de transdução baseado em um potenciômetro. Operam em baixas faixas de freqüências (<100( Hz) e são indicados para vibrações com lentas variações no seu valor de aceleração.
Tipos de Acelerômetros Capacitivos: São baseados no princípio da mudança de capacitância proporcional a uma aceleração aplicada. Recomendados para medições em baixas freqüências.
Tipos de Acelerômetros Óptico: o acelerômetro óptico é baseado nas deformações dinâmicas, esses sistemas são do tipo massa-mola onde fibras ópticas contendo a redes de Bragg atuam também como elementos elásticos que sustentam uma massa sísmica. Esses sensores conseguem minimizar as variações térmicas capazes de medir baixíssimas freqüências a partir do 0 Hz
Características Físicas Como regra geral, a massa do transdutor não deve ultrapassar um décimo (1/10) da massa do corpo medido. As características elétricas são representadas pela sensibilidade, faixa dinâmica, resposta em freqüência e resolução.
Condições Ambientais Umidade oscilação da temperatura interferência eletromagnética ruído acústico aterramento da malha vibração transversal ruído tribo-elétrico
Princípio Físico Modelo Massa-Amortecedor-Mola M- massa do corpo K - rigidez da mola D - coeficiente de amortecimento viscoso do amortecedor x deslocamento corpo para uma posição qualquer. x = y - z
F=M d 2 x dx D dt 2 dt Kx Princípio Físico Equação de movimento: F=M d 2 x dx D 2 dt dt Kx
F=M d 2 x dx D dt 2 dt Kx Princípio Físico Função de transferência: H s = X s A s = 1 onde s 2 ω 0 Q s ω 2 0 Freqüência Característica: Fator de Qualidade: ω 0= K M Q= ω 0 D/M
F=M d 2 x dx D dt 2 dt Kx Princípio Físico Sensibilidade Estática: SE= 1 ω 0 2
Princípio Físico A freqüência característica do sistema pode ser aumentada incrementando-se a constante elástica K ou reduzindo-se a massa de prova (M). O fator de qualidade do modelo pode ser elevado reduzindo-se as perdas dissipativas (D)( ou aumentando-se K e/ou M. A sensibilidade estática do modelo pode ser aumentada reduzindo-se a freqüência característica.
Aceleração do Sistema Aceleração pode também ser determinada a partir do conhecimento da posição bastando para isso processar esse sinal para se obter a segunda derivada.
Aceleração do Sistema Método simples. Tomar cuidado com o ruido proveniente do sinal da posição: No início tinha participação mínima, mas na velocidade o ruido se torna elevado freqüência relativamente alta. Com aceleração, o ruído presente no transdutor de posição será ainda mais crítico e poderá inviabilizar o projeto.
Projeto Sensores de pequenas dimensões: Ruído térmico de Johnson ou ruído mecânico, que se origina do movimento Browniano das moléculas de ar e dos componentes sólidos do acelerômetro.
Projeto Força Browniana: Deslocamento Browniano: F B = 4k B TD k B = constante de Boltzmann (j / ºk). x B = 4k B TD K jω 0 D ω 0 2 M Ruído gerado pela aceleração equivalente (RAE) RAE= 4k B Tω r QM
Acelerômetro Capacitivo O princípio de funcionamento do transdutor capacitivo é o da variação da capacitância ( C ) de um capacitor ou de dois capacitores interligados.
Acelerômetro Capacitivo A sua Capacitância: C=ε ar A l C = capacitância; ε ar = constante dielétrica ou permissividade relativa do ar; A = área da placa; l = distância entre as placas.
Acelerômetro Capacitivo A sensibilidade de um acelerômetro capacitivo é proporcional à: - massa de prova; - área de superposição capacitiva. É Inversamente proporcional: -À constante elástica (K);( -Ao espaço aéreo entre as placas.
Acelerômetro Capacitivo Portanto: Para elevar a sensibilidade do acelerômetro, deve-se: - aumentar o número de placas; - reduzir K.
Esquemas de variação de capacitância com um ou mais capacitores.
Acelerômetro Capacitivo Modelo Escolhido: ADXL202E - Analog Devices - Usado freqüentemente em pesquisas biomédicas; - Elemento sensor consiste numa estrutura de polisilício micro-mecanizada sobre a superfície de uma placa (substrato) de silício.
Esquema do sensor considerando apenas um grau de liberdade de movimentação (unidirecional)
Condicionamento do Sinal As placas fixas (considerando apenas um canal) apresentam ondas retangulares defasadas de 180º. Placas móveis estão centradas entre as placas fixas: Ambos os lados do capacitor diferencial possui mesma capacitância; O sinal de voltagem AC de saída da estrutura de polisilício é zero.
Condicionamento do Sinal Quando a estrutura é deslocada por uma aceleração externa: A capacitância diferencial torna-se desbalanceada resultando numa tensão AC cuja amplitude é proporcional ao seu deslocamento.
O sinal AC é demodulado por um demodulador sincrônico que retifica o sinal e determina a direção da aceleração
Após a Filtragem o sinal é convertido por um modulador duty cicle (relação T 1 /T 2 ) para um sinal modulado pela largura do pulso (PWM). A freqüência de amostragem do PWM deve ser selecionada baseando-se na largura de banda do sinal a ser estudado. O fabricante recomenda que a largura de banda analógica seja inferior a 1/10 da largura de banda do PWM.
Após a Filtragem O sinal da aceleração pode ser determinado pela mensuração dos comprimentos de T 1 e T 2, através de um contador / temporizador ou por meio de um microprocessador de baixo custo.
Após a Filtragem A resolução real do sinal de aceleração será limitada pela resolução temporal do contador que decodificará o duty cicle. Quanto mais rápido o contador, melhor a resolução do sinal duty cicle, permitindo períodos T 2 mais curtos para uma determinada resolução.
Calculo do Ruido: ruido rms = 200 µg Hz l arg.banda 1. 6
Diagrama de bloco funcional mostrando as etapas do processamento do sinal provindo do sensor
Aplicações Biomédicas Inúmeras aplicações em diagnóstico e tratamento. Análises biomecânicas Marcha, cargas dinâmicas, aceleração segmentar, etc... Biofeedback Cardiologia
Análises Biomecânicas Posicionamento dos acelerômetros: Qual aceleração está sendo determinada: a da parte rígida do segmento, a da parte mole do tecido, ou ainda uma média das duas? Até que ponto a aceleração medida representa a aceleração de interesse? (Nigg -1994)
Análises Biomecânicas Bone mounted transducers (BMT) Evita artefatos pelo deslizamento da camada de tecido mole. Técnica invasiva Poucos voluntários (próprios autores Mc Lellan, 1977) Dificuldade de admissão por CEP
Análises Biomecânicas
Análises Biomecânicas Skin mounted accelerometer (SMA) Validado, porém exigem pequena massa (Zeigert e Lewis 1979)
Análises Biomecânicas Análise de marcha: Estudo comparativo de Van Lummel e Busser 4 modalidades de avaliação Cada modalidade avaliada quanto a sua especificidade validade clínica responsividade facilidade de uso
Análises Biomecânicas Resultados: Destaque para acelerometria com melhor resultado em validade clínica e facilidade de uso.
Análises Biomecânicas Análise de cargas dinâmicas no corpo humano: Sobrecarga dinâmica no aparelho músculo esquelético (Voloshin-1997). Métodos: 22 homens 2 acelerômetros (uniaxial) 2 grupos a partir da PETCO2
Análises Biomecânicas Resultados:
Análises Biomecânicas Vibrações do tecido mole no quadríceps medidas com SMA (Wakeling e Nigg, 2001) Métodos: acelerômetro biaxial (vasto lateral) impacto lateral a 0% 50% 100% CVM
Análises Biomecânicas Resultados:
Biofeedback Biofeedback utilizando acelerometria no tratamento de pacientes com disfagia por déficit da elevação da laringe (Narender( P. Reddy (2000). Métodos: Sistema de biofeedback conectado a um acelerômetro em tempo real. Ultra mini acelerômetro fixado a cartilagem tireóide. Solicitacão de degluticão de acordo com o sinal normal de deglutição.
Biofeedback Resultados:
Cardiologia Reconhecimento precoce de isquemia cardíaca usando um acelerômetro triaxial (Ole Jakob Elle-2005) Métodos: Acelerômetro triaxial suturado na parede do ventrículo esquerdo de um porco. Mecanismo de oclusão vascular.
Cardiologia Resultados:
Cardiologia Resultados:
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