[pt] A presente dissertação apresenta o desenvolvimento de um transdutor de pressão de alta sensibilidade, desenvolvido para aplicações biomédicas. O transdutor é baseado em um sensor de magnetoimpedância gigante (MIG), anteriormente desenvolvido, pelo Laboratório de Biometrologia da PUC-Rio. O conhecimento a cerca das principais características do fenômeno MIG serviu de guia para as ações que foram tomadas, a fim de se estabelecer uma configuração que apresentasse maior sensibilidade ao transdutor. Mesmo que algumas dificuldades encontradas, principalmente devidas a características acústicas não levadas em consideração, apontem para a necessidade de aperfeiçoamentos, com a configuração desenvolvida no presente trabalho já é possível obter o registro do pulso arterial carotídeo. Comparações entre o transdutor ora desenvolvido e com outros transdutores de pressão existentes no mercado também destinados a aplicações biomédicas, apontam para uma sensibilidade do transdutor ora desenvolvido de magnitude igual ou mesmo superior aos convencionais. / [en] This dissertation presents a high sensitivity pressure transducer, developed for biomedical applications. The transducer is based on a Giant Magnetoimpedance (GMI) sensor previously developed at the Laboratory of Biometrology of PUC-Rio. Knowing the main characteristics of the phenomenon and of the GMI strips used, the configuration which should yield the highest possible sensitivity has been implemented. Even though some enhancements in the acoustic characteristics of the transducer are still necessary, it was already possible to record the carotid arterial pulse. Comparing the transducer herein presented with other pressure transducers also destined to biomedical applications, it already has a sensitivity of the same order of magnitude or even higher.

[pt] Esta dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de um transdutor de pressão de alta sensibilidade, baseado nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante. A configuração do dispositivo visa a aplicações biomédicas, tais como medições da onda de pulso arterial e de sua velocidade de propagação. Projetou-se um sistema de transdução de pressão em tensão, que contém um módulo intermediário baseado em um magnetômetro GMI. O protótipo implementado inclui uma estrutura mecânica, responsável pela transdução de pressão em campo magnético, e um circuito eletrônico, responsável pela conversão deste em uma tensão elétrica de saída. A conversão de pressão em campo magnético é feita por meio de uma fonte de campo magnético aderida a uma membrana elástica. Foram realizados estudos comparativos empregando agulhas magnetizadas e ímãs permanentes como fontes móveis de campo. Por sua vez, o elemento sensor GMI utilizado foi experimentalmente caracterizado, a fim de se obter suas curvas características de módulo e fase, em função do campo magnético. O circuito eletrônico de transdução foi projetado e avaliado de forma computacional e experimental. As principais características do mesmo são detalhadas ao longo do texto e as previsões teórico-computacionais são comparadas com os resultados experimentais obtidos. Por sua vez, parâmetros chave do protótipo desenvolvido são minuciosamente analisados, tais como: sensibilidade, linearidade e resposta em frequência. Também, avalia-se a densidade espectral de ruído do transdutor desenvolvido e estima-se sua resolução na banda de passagem. Os resultados obtidos indicam que o protótipo de baixo custo desenvolvido apresenta alta resolução e alta sensibilidade, além de uma banda de passagem compatível com a requerida pelas aplicações biomédicas nas quais deseja-se empregá-lo. Dessa forma, espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] This dissertation aims at the development of a high sensitivity pressure transducer, based on the phase impedance characteristics of Giant Magnetoimpedance sensors. The configuration is intended to employ the developed device in biomedical applications, such as in measurements of arterial pulse wave and pulse wave velocity. A transduction system of pressure into voltage was designed, which contains an intermediate module based on a GMI magnetometer. The idealized prototype contains a mechanical structure, responsible for converting pressure into magnetic field, and an electronic circuit, responsible for converting the latter into a voltage output. The conversion of pressure into magnetic field is performed by means of a magnetic field source adhered to an elastic membrane. Comparative studies were carried out using magnetized needles and permanent magnets as field sources. In turn, the GMI sensor element was experimentally characterized in order to evaluate how its impedance magnitude and phase are affected by the magnetic field. The influence of the cable length used to interconnect the GMI sensor to the electronic circuit is also discussed. The electronic transduction circuit was designed and analyzed by computational and experimental evaluations. The main features of the circuit are detailed throughout the text and the theoretical and computational predictions are compared with the obtained experimental results. Furthermore, the key parameters of the developed prototype are meticulously analyzed, such as: sensitivity, linearity and frequency response. Also, the spectral noise density of the developed transducer is evaluated and its resolution in the passband is estimated. The obtained results indicate that the developed prototype presents low cost of manufacture and operation, high resolution, high sensitivity and a passband compatible with the requirements imposed by the biomedical applications of interest. In this way, it is intended that the device developed in the present Dissertation contributes to the technological enhancement of measurement equipment used in health sector.

[pt] A velocidade da onda de pulso (VOP) tem sido identificada como o padrão-ouro para avaliação da rigidez arterial e, recentemente, vem sendo reconhecida como um importante indicador no diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares. Atualmente, já existem dispositivos comerciais capazes de efetuar a medição da VOP, entretanto, ainda exigem um investimento financeiro significativo e alguns requerem um treinamento especializado para seu correto uso. Os, transdutores de pressão atuais são majoritariamente baseados em sensores piezoresistivos, piezoelétricos e capacitivos. Entretanto, pesquisas recentes demostraram que transdutores de pressão que utilizam sensores magnéticos baseados na magnetoimpedância gigante (GMI) apresentam elevada sensibilidade. Tendo em vista que a VOP é um importante indicador do risco de distúrbios cardiovasculares, e considerando os potenciais beneficios dos sensores GMI em relação às demais alternativas, esta tese de doutorado buscou utilizar-se destes elementos sensores a fim de desenvolver um sistema de medição portátil, não-invasivo, de baixo custo, acessível e simples de usar, capaz de efetuar a medição da VOP. Neste intuito, foram desenvolvidos transdutores de alta sensibilidade, baseados nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante, destinados à medição da velocidade da onda de pulso arterial. A fim de se otimizar as características de desempenho dos transdutores, foram realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores na configuração em malha aberta e fechada, bem como ensaios experimentais dos protótipos projetados. As caracterizações e ensaios experimentais realizados com o transdutor de pressão em malha aberta resultaram em uma sensibilidade de 59,6 mV/kPa, e resolução de 192,8 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 1000 Hz. Por outro lado, a configuração em malha fechada apresentou uma sensibilidade de 54,2 mV/kPa, e resolução de 206,0 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 32 Hz. Tendo em vista os valores de sensibilidade e resolução obtidos, propõe-se empregar o sistema de transdução de pressão que incorpora uma câmara incompressível para amplificação mecânica, na medição de ondas de pulso arterial. Neste protótipo, uma pequena membrana semirrígida localizada na superfície da câmara incompressível é posicionada sobre a superfície da pele, próxima à artéria de interesse. Deste modo, pequenas mudanças de pressão na superfície da pele, causadas pela onda de pulso arterial, provocam uma variação do campo magnético sobre o elemento sensor. Por outra parte, devido à alta sensibilidade apresentada pelo transdutor magnetico (magnetômetro GMI) na configuração de malha aberta (0,2 mV/nT) e de malha fechada (0,19 mV/nT), estes foram usados para medir diretamente a forma de onda do pulso arterial, sem utilizar uma câmara incompressível para transdução mecânica. Nesta medição, considerando a adequada resolução espacial para as demandas anatômicas, utiliza-se um pequeno marcador magnético, envolto por uma fita adesiva hipoalergênica e flexível, aderida á região da pele sobre a artéria de interesse, e aproxima-se o sensor magnético GMI da superfície da pele onde o marcador foi colocado. Finalmente, as configurações propostas foram analisadas e comparadas, a fim de se identificar aquela com melhor desempenho, a qual foi utilizada para medição da VOP. Como o estudo envolve o registro da onda de pulso em participantes da pesquisa, o projeto foi submetido à apreciação e aprovado pela Comissão da Câmara de Ética em Pesquisa da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocolo 83/2020. Espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] Pulse wave velocity (PWV) is considered the gold standard for assessing arterial stiffness and recently, it has been recognized as an important indicator in the diagnosis and treatment of cardiovascular disease. Currently, there are commercial devices capable of measuring PWV, however, significant investments are required and some devices requires specialized training for their correct use. Conventional pressure-sensing devices are mainly based on piezoresistive, piezoelectric and capacitive sensors. Recent investigations, however, show that pressure transducer using magnetic sensors based on the giant Magnetoimpedance (GMI) present high-sensitivity. Considering that, PWV is a significant risk factor for future cardiovascular disease and in view of some of the advantages of GMI sensors in relation to another sensing technologies, this doctoral thesis aims to develop a portable measurement system, non-invasive, low-cost, accessible and simple to use, capable of measuring PWV. For this purpose, we have developed a high-sensitivity transducers based on the impedance phase characteristics of GMI sensors, for measuring the arterial pulse wave velocity. In order to improve the performance characteristics of the transducers, computational and theoretical analysis in open and closed loop configuration were performed. The characterizations and experimental tests performed with the open-loop pressure transducer resulted in a sensitivity of 59.6 mV/kPa, and resolution of 192.8 Pa for an average of 30 samples, in the 1000 Hz passband. On the other hand, the closed-loop configuration presented a sensitivity of 54.2 mV/kPa, and a resolution of 206.0 Pa for an average of 30 samples, in the 32 Hz passband. In view of the considerable sensitivity and resolution obtained, it is proposed to employ a pressure transduction system that incorporates an incompressible chamber for mechanical amplification, in the measurement of arterial pulse waves. In this prototype, a small semi-rigid membrane located on the surface of the incompressible chamber is positioned over the surface of the skin, close to the artery of interest. In this way, small pressure changes on the skin surface, caused by the arterial pulse wave, cause a variation of the magnetic field on the sensing element. On the other hand, due to the high sensitivity presented by the magnetic transducer (GMI magnetometer) in the open-loop (0.2 mV/nT) and closed-loop (0.19 mV/nT) configurations, they were used to measure the shape pulse waveform without using an incompressible chamber for mechanical transduction. In this test, considering the adequate spatial resolution for the anatomical demands, a small magnetic marker is used, the magnetic marker is attached to the skin region over the artery of interest, and the GMI magnetic sensor is approached near the marker placed of the skin surface. Finally, the proposed configurations were analyzed and compared in order to identify the one with the best performance, which was used to measure PWV. As the study involves recording the pulse wave in research participants, the project was submitted for consideration and approved by the Research Ethics Committee of the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocol 83/2020. It is expected that the device developed will contribute to the technological advancement of the tools used in the health sector.