Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Faculdade de Ciências. Universidade do Porto, INESC Porto. 2009

Este trabalho propõe um método biotelemétrico para a determinação simultânea de duas características elétricas (moduláveis por parâmetros fisiológicos) de circuitos RLC passivos para microsensores injetáveis. Como o ambiente sob monitoração envolve a presença de íons (tecidos biológicos), a utilização de dipolos torna-se inviável, desta forma, o estabelecimento de um acoplamento indutivo entre o sensor e o dispositivo para o registro das medidas é necessário. Tratando-se de um dispositivo injetável, as dimensões da bobina do sensor são diminutas (diâmetro da ordem de mm), sugerindo cuidados especiais quanto ao acoplamento indutivo do circuito RLC com o dispositivo de registro das medidas. Desta forma, foi desenvolvido um detector digital de freqüências, associado a um conjunto otimizado de bobinas para obter, a determinada distância (5 mm), a melhor indutância mútua possível com o microcircuito RLC remoto. Este dispositivo monitora o sensor em tempo real, informando a freqüência de ressonância, a sua respectiva amplitude a partir de uma varredura em freqüência. Um estudo analítico modelando a resposta em tensão do circuito detector segundo os estímulos e respostas que este fornece e recebe do circuito RLC remoto foi desenvolvido. O resultado desta análise, verificada praticamente, possibilitou a identificação da constante de tempo que cada degrau de freqüência deve ser mantido no sensor para que a resposta indicada seja a mais precisa possível. Decorrente desta análise foi possível modelar teoricamente a resistência total que o circuito RLC remoto apresenta. Assim, a partir das medidas de freqüência e amplitude do detector e do modelo teórico da resistência total do sensor o método foi estabelecido. Para verificar na prática a validade do método um micro sensor (2,8 x 23 mm) foi desenvolvido. O sensor foi encapsulado dentro de um tubo de silicone, apresentando um indutor montado junto a um bastão de ferrite, um capacitor SMD e um NTC, todos associados em paralelo. Com a alteração da distância entre o bastão de ferrite e o indutor (através da tração do tubo de silicone) a freqüência do sensor é alterada e a variação da resistência do NTC, através da temperatura, altera o fator de qualidade do sensor. A utilização do método para monitorar o sensor apresentou erros inferiores a 0,57 % para a indicação da freqüência e 0,77 % para a indicação da temperatura. A influência medida da variação da temperatura sobre a indicação da freqüência foi inferior a 0,16 %, indicando que o método é viável. / This work proposes a biotelemetric method to determine simultaneously two electrical characteristics (modulated by physiological parameters) from a passive injectable RLC microcircuit. Due to the presence of free ions inside the biological tissue, inductive links (loop antennas) must be employed, instead of dipole antennas. As the coil of the sensor presents small dimensions (diameter of about mm) its magnetic coupling to the monitoring device requires special attention. To monitor the sensor, a digital device assembled with a group of coils to maximize the mutual inductance (at a distance of 5 mm) between them was developed, detecting its resonance frequencies and the respective amplitude (through a frequency sweep) in real-time. The electrical response acquired by the detector from the sensor was analytically modeled. The model indicates a time constant to consider for each change of the signal frequencies to prevent errors in the response. From that theoretical model, an equation to determine the total resistance from the RLC circuit was obtained and confirmed by experiments. Then, a method to determine the resonance frequency and the total resistance from remote RLC circuit was proposed. A sensor was developed to verify the accuracy and the limits from this method. A parallel RLC circuit was built inside a silicone rubber tube. When the tube is stretched, a ferrite rod assembled beside the inductor is displaced varying the resonance frequency and, changing the environmental temperature, a NTC varies the quality factor of the circuit. Tests using the proposed method to monitor the sensor were realized. Errors small than 0.57 % in the resonance frequencies and 0.77 % in the temperature were obtained. The measured influence of the temperature variation over frequency determination was less than 0.16 %, indicating that the method is feasible.

Este trabalho propõe um método biotelemétrico para a determinação simultânea de duas características elétricas (moduláveis por parâmetros fisiológicos) de circuitos RLC passivos para microsensores injetáveis. Como o ambiente sob monitoração envolve a presença de íons (tecidos biológicos), a utilização de dipolos torna-se inviável, desta forma, o estabelecimento de um acoplamento indutivo entre o sensor e o dispositivo para o registro das medidas é necessário. Tratando-se de um dispositivo injetável, as dimensões da bobina do sensor são diminutas (diâmetro da ordem de mm), sugerindo cuidados especiais quanto ao acoplamento indutivo do circuito RLC com o dispositivo de registro das medidas. Desta forma, foi desenvolvido um detector digital de freqüências, associado a um conjunto otimizado de bobinas para obter, a determinada distância (5 mm), a melhor indutância mútua possível com o microcircuito RLC remoto. Este dispositivo monitora o sensor em tempo real, informando a freqüência de ressonância, a sua respectiva amplitude a partir de uma varredura em freqüência. Um estudo analítico modelando a resposta em tensão do circuito detector segundo os estímulos e respostas que este fornece e recebe do circuito RLC remoto foi desenvolvido. O resultado desta análise, verificada praticamente, possibilitou a identificação da constante de tempo que cada degrau de freqüência deve ser mantido no sensor para que a resposta indicada seja a mais precisa possível. Decorrente desta análise foi possível modelar teoricamente a resistência total que o circuito RLC remoto apresenta. Assim, a partir das medidas de freqüência e amplitude do detector e do modelo teórico da resistência total do sensor o método foi estabelecido. Para verificar na prática a validade do método um micro sensor (2,8 x 23 mm) foi desenvolvido. O sensor foi encapsulado dentro de um tubo de silicone, apresentando um indutor montado junto a um bastão de ferrite, um capacitor SMD e um NTC, todos associados em paralelo. Com a alteração da distância entre o bastão de ferrite e o indutor (através da tração do tubo de silicone) a freqüência do sensor é alterada e a variação da resistência do NTC, através da temperatura, altera o fator de qualidade do sensor. A utilização do método para monitorar o sensor apresentou erros inferiores a 0,57 % para a indicação da freqüência e 0,77 % para a indicação da temperatura. A influência medida da variação da temperatura sobre a indicação da freqüência foi inferior a 0,16 %, indicando que o método é viável. / This work proposes a biotelemetric method to determine simultaneously two electrical characteristics (modulated by physiological parameters) from a passive injectable RLC microcircuit. Due to the presence of free ions inside the biological tissue, inductive links (loop antennas) must be employed, instead of dipole antennas. As the coil of the sensor presents small dimensions (diameter of about mm) its magnetic coupling to the monitoring device requires special attention. To monitor the sensor, a digital device assembled with a group of coils to maximize the mutual inductance (at a distance of 5 mm) between them was developed, detecting its resonance frequencies and the respective amplitude (through a frequency sweep) in real-time. The electrical response acquired by the detector from the sensor was analytically modeled. The model indicates a time constant to consider for each change of the signal frequencies to prevent errors in the response. From that theoretical model, an equation to determine the total resistance from the RLC circuit was obtained and confirmed by experiments. Then, a method to determine the resonance frequency and the total resistance from remote RLC circuit was proposed. A sensor was developed to verify the accuracy and the limits from this method. A parallel RLC circuit was built inside a silicone rubber tube. When the tube is stretched, a ferrite rod assembled beside the inductor is displaced varying the resonance frequency and, changing the environmental temperature, a NTC varies the quality factor of the circuit. Tests using the proposed method to monitor the sensor were realized. Errors small than 0.57 % in the resonance frequencies and 0.77 % in the temperature were obtained. The measured influence of the temperature variation over frequency determination was less than 0.16 %, indicating that the method is feasible.

A Pressão intracraniana (PIC) é um dos principais parâmetros fisiológicos em animais e humanos e sua morfologia é extremamente importante. Entretanto, todos os métodos de monitoramento existentes no mercado são invasivos, existindo uma ampla demanda por sistemas não invasivos, expandindo assim o campo de pesquisas acerca desse importante parâmetro neurológico, que só não é melhor estudado devido a forma invasiva de ser monitorado. A motivação é fazer com que o monitoramento da PIC seja tão comum e tão essencial quanto é hoje o monitoramento da pressão arterial, facilitando o diagnóstico e até prognóstico de diversas doenças. Este trabalho analisa e implementa melhorias de um sistema não invasivo de monitoramento da pressão intracraniana, baseado em extensometria. Um dos objetivos, no que tange o desenvolvimento do produto, é analisar o equipamento como um todo - Sensor, Hardware, Firmware e Software - e propor melhorias a partir dos testes realizados. Os testes realizados In vivo mostraram uma boa correlação do sinal com um sistema Gold Stardard, evidenciando o potencial promissor do método. / The intracranial pressure (ICP) is one of the main physiological parameters in animals and humans and its morphology is extremely important. However, all monitoring methods available in the market are invasive and there is a large demand for non-invasive systems, thus expanding the scope of research on this important neurological parameter, that just is not further studied because of the invasive method of monitoring. The motivation is to make monitoring the ICP as common and as essential, as monitoring the blood pressure is nowadays, facilitating diagnosis and even prognosis of various diseases. This work analyzes and implements improvements in a non-invasive intracranial pressure monitoring system based on extensometer. One of the goals, regarding product development, is to analyze the unit as a whole- Sensor, Hardware, Firmware and Software- and propose improvements from the tests. The in vivo tests showed a good correlation with a Gold Stardard system signal showing the promising potential of the method.

A pressão intracraniana (PIC) é um dos principais parâmetros neurológicos em animais e humanos. A PIC é uma função da relação entre o conteúdo da caixa craniana (parênquima cerebral, líquido cefalorraquiano e sangue) e o volume do crânio. O aumento da PIC (hipertensão intracraniana) pode acarretar graves efeitos fisiológicos ou até mesmo o óbito em pacientes que não receberem rapidamente os devidos cuidados, os quais incluem o monitoramento em tempo real da PIC. Todos os métodos de monitoramento da PIC atualmente utilizados são invasivos, ou seja, é necessário introduzir um sensor de pressão no sistema nervoso central, acarretando aos pacientes riscos de infecções e traumas decorrentes do método. Neste trabalho desenvolvemos um método minimamente invasivo de monitoramento da pressão intracraniana, que consiste na utilização de sensores de deformação do tipo strain gauge fixados sobre a calota craniana. Os sinais oriundos deste sensor foram amplificados, filtrados e enviados para um computador com software apropriado para análise e armazenamento dos dados. O trabalho aqui apresentado objetivou os testes "in vivo" do sistema, onde foi utilizada mais de uma centena de animais em diversos testes, sendo que em todos os casos os resultados foram satisfatórios, apontando a eficácia do método. / The intracranial pressure (ICP) is one of the most important neurological parameter in animals and humans. The ICP is a function of the relation between the contents of the skull (brain parenchyma, cerebrospinal fluid and blood) and the volume of the skull. The increase in ICP (intracranial hypertension) may cause serious physiological effects and death in patients that do not receive appropriate care quickly, which includes real-time monitoring of ICP. All monitoring methods currently used in ICP are invasive, ie requiring invasion of the central nervous system by a pressure sensor, causing infections and traumas risks to patients. In this work we present a new minimally invasive method to monitor the intracranial pressure. This uses strain gauge deformation sensors, externally glued on the skull. The signal from this sensor is amplified, filtered and sent to a computer with appropriate software for analysis and data storage. "In vitro" and "in vivo" experiments let to the following results: (1) Our minimally invasive system is capable of adequately monitoring the ICP. (2) The measurements are in real and online time providing excellent signal and stability. (3) Simultaneous comparison with invasive methods not only validated our results but showed increased performance. The equipment cost effective will allow the use of our system in the Public Health System, with a important social aspect of our contribution.

A Pressão intracraniana (PIC) é um dos principais parâmetros fisiológicos em animais e humanos e sua morfologia é extremamente importante. Entretanto, todos os métodos de monitoramento existentes no mercado são invasivos, existindo uma ampla demanda por sistemas não invasivos, expandindo assim o campo de pesquisas acerca desse importante parâmetro neurológico, que só não é melhor estudado devido a forma invasiva de ser monitorado. A motivação é fazer com que o monitoramento da PIC seja tão comum e tão essencial quanto é hoje o monitoramento da pressão arterial, facilitando o diagnóstico e até prognóstico de diversas doenças. Este trabalho analisa e implementa melhorias de um sistema não invasivo de monitoramento da pressão intracraniana, baseado em extensometria. Um dos objetivos, no que tange o desenvolvimento do produto, é analisar o equipamento como um todo - Sensor, Hardware, Firmware e Software - e propor melhorias a partir dos testes realizados. Os testes realizados In vivo mostraram uma boa correlação do sinal com um sistema Gold Stardard, evidenciando o potencial promissor do método. / The intracranial pressure (ICP) is one of the main physiological parameters in animals and humans and its morphology is extremely important. However, all monitoring methods available in the market are invasive and there is a large demand for non-invasive systems, thus expanding the scope of research on this important neurological parameter, that just is not further studied because of the invasive method of monitoring. The motivation is to make monitoring the ICP as common and as essential, as monitoring the blood pressure is nowadays, facilitating diagnosis and even prognosis of various diseases. This work analyzes and implements improvements in a non-invasive intracranial pressure monitoring system based on extensometer. One of the goals, regarding product development, is to analyze the unit as a whole- Sensor, Hardware, Firmware and Software- and propose improvements from the tests. The in vivo tests showed a good correlation with a Gold Stardard system signal showing the promising potential of the method.

A pressão intracraniana (PIC) é um dos principais parâmetros neurológicos em animais e humanos. A PIC é uma função da relação entre o conteúdo da caixa craniana (parênquima cerebral, líquido cefalorraquiano e sangue) e o volume do crânio. O aumento da PIC (hipertensão intracraniana) pode acarretar graves efeitos fisiológicos ou até mesmo o óbito em pacientes que não receberem rapidamente os devidos cuidados, os quais incluem o monitoramento em tempo real da PIC. Todos os métodos de monitoramento da PIC atualmente utilizados são invasivos, ou seja, é necessário introduzir um sensor de pressão no sistema nervoso central, acarretando aos pacientes riscos de infecções e traumas decorrentes do método. Neste trabalho desenvolvemos um método minimamente invasivo de monitoramento da pressão intracraniana, que consiste na utilização de sensores de deformação do tipo strain gauge fixados sobre a calota craniana. Os sinais oriundos deste sensor foram amplificados, filtrados e enviados para um computador com software apropriado para análise e armazenamento dos dados. O trabalho aqui apresentado objetivou os testes "in vivo" do sistema, onde foi utilizada mais de uma centena de animais em diversos testes, sendo que em todos os casos os resultados foram satisfatórios, apontando a eficácia do método. / The intracranial pressure (ICP) is one of the most important neurological parameter in animals and humans. The ICP is a function of the relation between the contents of the skull (brain parenchyma, cerebrospinal fluid and blood) and the volume of the skull. The increase in ICP (intracranial hypertension) may cause serious physiological effects and death in patients that do not receive appropriate care quickly, which includes real-time monitoring of ICP. All monitoring methods currently used in ICP are invasive, ie requiring invasion of the central nervous system by a pressure sensor, causing infections and traumas risks to patients. In this work we present a new minimally invasive method to monitor the intracranial pressure. This uses strain gauge deformation sensors, externally glued on the skull. The signal from this sensor is amplified, filtered and sent to a computer with appropriate software for analysis and data storage. "In vitro" and "in vivo" experiments let to the following results: (1) Our minimally invasive system is capable of adequately monitoring the ICP. (2) The measurements are in real and online time providing excellent signal and stability. (3) Simultaneous comparison with invasive methods not only validated our results but showed increased performance. The equipment cost effective will allow the use of our system in the Public Health System, with a important social aspect of our contribution.

Este trabalho descreve os passos envolvidos no desenvolvimento de um protótipo de aberroscópio para uso oftalmológico. Este instrumento faz incidir no fundo do olho humano um feixe luminoso de baixa potência e amostra, por meio do método de Hartmann, as frentes de onda da luz espalhada. A partir dos dados coletados, a forma das frentes de onda são reconstituídas e as aberrações eventualmente existentes no olho são calculadas e representadas por intermédio dos polinômios de Zernike. Aqui são expostos os fundamentos deste método, algumas das suas propriedades e limitações. Também é mostrada a caracterização funcional do protótipo desenvolvido, testando-o com elementos ópticos de propriedades conhecidas / This work describes the steps involved in the aberroscope prototype development for ophthalmological use. This instrument injects inside the human eye a low power light beam and sample, by Hartmann method, the wavefronts produced by ocular fundus light scattering. From collected data, the wavefront shape is reconstructed and the eye aberrations that eventually existent are calculated and adjusted by Zernike polynomials. Are discussed the method foundations, some of properties and limitations. Also the functional characterization of the developed prototype is shown, by testing it with optical elements of known properties

Este trabalho descreve os passos envolvidos no desenvolvimento de um protótipo de aberroscópio para uso oftalmológico. Este instrumento faz incidir no fundo do olho humano um feixe luminoso de baixa potência e amostra, por meio do método de Hartmann, as frentes de onda da luz espalhada. A partir dos dados coletados, a forma das frentes de onda são reconstituídas e as aberrações eventualmente existentes no olho são calculadas e representadas por intermédio dos polinômios de Zernike. Aqui são expostos os fundamentos deste método, algumas das suas propriedades e limitações. Também é mostrada a caracterização funcional do protótipo desenvolvido, testando-o com elementos ópticos de propriedades conhecidas / This work describes the steps involved in the aberroscope prototype development for ophthalmological use. This instrument injects inside the human eye a low power light beam and sample, by Hartmann method, the wavefronts produced by ocular fundus light scattering. From collected data, the wavefront shape is reconstructed and the eye aberrations that eventually existent are calculated and adjusted by Zernike polynomials. Are discussed the method foundations, some of properties and limitations. Also the functional characterization of the developed prototype is shown, by testing it with optical elements of known properties