[pt] A utilização de magnetômetros possibilita o diagnóstico não invasivo e inócuo das variáveis fisiológicas já mensuradas pelos procedimentos padrão e oferece informações complementares sobre outras variáveis fisiológicas. Fontes biológicas geram densidades de fluxo magnético com ordem de grandeza entre 1 nT e 1 fT, com frequências até 1 kHz. Essas grandezas são ínfimas quando comparadas com a gerada pelo planeta, que é da ordem de 20 uT e está onipresente na atmosfera. Portanto, para mensurar campos biomagnéticos, é necessário atenuar essa interferência eletromagnética, sendo empregadas câmaras magneticamente blindadas e/ou transdutores em configuração gradiométrica. As câmaras blindadas apresentam alto desempenho de filtragem, mas têm elevado custo e pouca praticidade. Uma configuração gradiométrica utiliza uma leitura diferencial de dois ou mais elementos sensores idênticos, melhorando significativamente a relação sinal/ruído com baixo custo de implementação. Seu funcionamento se baseia na premissa de que os sensores têm comportamento idêntico. No entanto, foi observado que as fitas GMI, mesmo apresentando a mesma composição química e mesmas dimensões físicas, não apresentam as mesmas variações de fase para uma mesma variação do campo magnético. Ou seja, foi constatado um comportamento heterogêneo das amostras, o que impossibilitaria o desenvolvimento de um gradiômetro baseado nesses sensores. Diante deste impedimento, foi considerado o desenvolvimento de um circuito capaz de homogeneizar as variações de impedância entre duas amostras, quando associado a uma delas. Assim, a presente dissertação apresenta três métodos para a homogeneização das características de fase de amostras GMI e identifica o mais adequado para aplicações biomédicas. / [en] The use of magnetometers enables noninvasive and innocuous physiological variables already measured by standard procedures, and in certain cases, such as the Magnetocardiography offers additional information on other physiological variables diagnosis. Typically, the human heart generates a magnetic field with flux magnitude and frequency of 1 nT to 1 kHz. These quantities are minuscule compared with Earth s magnetic field, which is of the order of 20 uT and is omnipresent in the atmosphere. Therefore, to measure biomagnetic fields, it is necessary to reduce this and other electromagnetic interference, magnetically shielded cameras and transducers in gradiometric configuration are commonly used. Shielded cameras feature high performance filter, but have high cost and little practicality. A gradiometric configuration uses a differential reading of two or more identical sensor elements, significantly improving the signal/noise ratio with low implementation cost. However, its operation based on the premise that the sensors have identical behavior. Unfortunately, it was found that GMI ribbons, despite having the same chemical composition and same physical dimensions does not present the same phase variations for the same variation in magnetic field. That is, a heterogeneous behavior of the samples, which would prevent the development of a gradiometer based on these sensors. Given this impairment, it was considered developing a circuit capable of homogenizing the variations in impedance between two samples when associated with them. Thus, this paper presents three distinct characteristics of the homogenization phase samples GMI methods and identifies the most suitable for biomedical applications through a comparative analysis of the performance of the methods.

[pt] A informação sobre o posicionamento de objetos estranhos no interior do corpo humano é essencial para a sua eficiente remoção cirúrgica. Entretanto, os métodos convencionalmente utilizados não fornecem informação suficiente sobre a localização do objeto metálico para garantia de sucesso cirúrgico. No presente trabalho foi desenvolvido um sistema automatizado para mapear a densidade de fluxo magnético estático produzido por corpos ferromagnéticos posicionados em variados graus de liberdade 3D, utilizando um sensor de baixo custo, baseado no fenômeno da magnetoimpedância gigante (GMI - Giant Magnetoimpedance), que detecta somente campos magnéticos variantes no tempo. Assim, as medições automatizadas foram realizadas com a amostra em movimento a uma velocidade constante. Por meio de modelagens computacionais do campo magnético gerado foi possível reproduzir o comportamento da densidade de fluxo magnético gerado por uma fonte de campo magnético como a agulha retilínea utilizada nas medições in vitro. O software considerou as características do sensor GMI utilizado e a condição de medição com a fonte magnética em movimento. Os resultados da simulação foram validados por meio de comparações com os resultados experimentais, possibilitando a solução do problema direto com a caracterização da configuração espacial da densidade de fluxo magnético para variados posicionamentos da fonte magnética em relação ao sensor magnético GMI. Com a validação dos resultados simulados, os mesmos podem ser empregados no desenvolvimento de procedimento para solução do problema inverso de imageamentos clínicos utilizando o sensor GMI de baixo custo, limitado a medições magnéticas variantes no tempo, realizados para detecção e posicionamento de corpos estranhos que geram campos magnéticos estáticos. / [en] Information about the positioning of foreign objects inside the human body is essential for its efficient surgical removal. However, the methods conventionally used do not provide sufficient information on the location of the metallic object to guarantee surgical success. In the present work, an automated system was developed to map the static magnetic flux density produced by ferromagnetic bodies positioned in varying degrees of 3D freedom, using a low-cost sensor based on the giant magnetoimpedance phenomenon (GMI - Giant Magnetoimpedance), which detects only time-varying magnetic fields. Thus, automated measurements were performed with the sample moving at a constant speed. Through computational modeling of the generated magnetic field, it was possible to reproduce the behavior of the magnetic flux density generated by a magnetic field source, such as the straight needle used in in vitro measurements. The software considered the GMI sensor s characteristics and the measurement condition with the magnetic source in motion. The simulation results were validated through comparisons with the experimental results, enabling the solution of the direct problem with the characterization of the spatial configuration of the magnetic flux density for various magnetic source positions in relation to the GMI magnetic sensor. With the validation of the simulated results, they can be used in the development of a procedure to solve the inverse problem of clinical imaging using the low-cost GMI sensor, limited to time-varying magnetic measurements, performed for the detection and positioning of foreign bodies that generate static magnetic fields.

[pt] Esta Tese tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema destinado à medição de campo magnético com alta sensibilidade e resolução, baseado nas características de fase da impedância em sensores que apresentam o efeito GMI, e a otimização das características de desempenho por meio do uso de configurações em malha fechada. A metodologia empregada inicia com a avaliação experimental das características de fase da impedância de amostras de diferente estrutura e composição química, em função do campo magnético externo, a fim de selecionar aquelas com alta sensibilidade, baixa histerese e maior homogeneidade. Na sequência, são realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores magnéticos em malha aberta e fechada (magnetômetro e gradiômetro). Da mesma forma, as principais características dos circuitos e controladores software dos transdutores desenvolvidos são detalhadas ao longo do texto. Por sua vez, as principais figuras de mérito dos protótipos desenvolvidos são detalhadamente analisadas, tais como: sensibilidade, linearidade, resposta em frequência, densidade espectral de ruído e resolução. As caracterizações e ensaios experimentais realizados evidenciaram o grande potencial dos transdutores GMI em malha fechada para a atenuação da interferência 1/f, aprimoramento da linearidade e ampliação da faixa de operação. O magnetômetro GMI em malha fechada apresentou sensibilidade em torno de 75,8 mV/microteslas, fundo de escala maior que mais ou menos 40 microteslas, banda de passagem de 45 Hz e resolução na banda de passagem de 27,74 nT. Por outro lado, o gradiômetro GMI em malha fechada desenvolvido apresentou sensibilidade em torno de 102 mV/microteslas, fundo de escala maior que mais ou menos 40 microteslas, banda de passagem de 30 Hz e resolução na banda de passagem de 28,41 nT. / [en] This Thesis aims to develop a system for magnetic field measurement with high sensitivity and resolution, based on the impedance phase characteristics of sensors that have the GMI effect and the performance characteristics optimization through closed-loop configurations. The methodology starts with the experimental evaluation of the phase characteristics of the impedance in samples of different chemical composition and structure as a function of the external magnetic field in order to select those with high sensitivity, low hysteresis, and higher homogeneity. Subsequently, theoretical-computational assessments of magnetic transducers in open and closed-loop (magnetometer and gradiometer) are carried out. Likewise, the main characteristics of the circuits and software controllers of the developed transducers are detailed throughout the text. In turn, the main figures of merit of the developed prototypes are analyzed in detail, such as sensitivity, linearity, frequency response, noise spectral density, and resolution. The characterizations and experimental tests carried out showed the great potential of GMI transducers in a closed-loop configuration for attenuation of interference 1/f, improving linearity and expanding the operating range. The closed-loop GMI magnetometer showed a sensitivity of around 75.8 mV/microteslas, a full-scale range greater than plus or minus 40 microteslas, a pass band of 45 Hz and a resolution in the pass band of 27.74 nT. On the other hand, the GMI closed-loop gradiometer developed had a sensitivity of around 102 mV/microteslas, a full scale greater than plus or minus 40 microteslas, a passband of 30 Hz and a resolution in the pass band of 28.41 nT.

[pt] Sensores capazes de detectar campos magnéticos são largamente aplicados nas mais variadas áreas da engenharia. Um magnetômetro é um dispositivo que, baseado na utilização de um sensor magnético, é capaz de medir a magnitude e/ou direção de um campo magnético. Magnetômetros GMI são transdutores magnéticos cujos elementos sensores se baseiam no efeito da Magnetoimpedância Gigante (Giant Magnetoimpedance - GMI) que se caracteriza pela grande variação da impedância (módulo e fase) de uma amostra de material ferromagnético quando submetida a um campo magnético externo. A sensibilidade dos transdutores magnéticos está diretamente associada à sensibilidade de seus elementos sensores. No caso de amostras GMI, a sensibilidade é afetada por diversos parâmetros, e essa dependência ainda não é bem modelada quantitativamente. Esta dissertação apresenta um modelo computacional baseado em Redes Neurais MLP e em Algoritmos Genéticos que determina a sensibilidade ótima da fase da impedância do efeito GMI em função do campo magnético externo, para ligas ferromagnéticas amorfas de composição Co70 Fe5 Si15 B10, a partir dos seguintes parâmetros que as afetam: comprimento das amostras, nível CC e frequência da corrente de excitação além do campo magnético externo. / [en] Sensors capable of detecting magnetic fields are widely applied in many areas of engineering. A magnetometer is a device that based on the use of a magnetic sensor is capable of measuring the magnitude and direction of a magnetic field. Magnetometers GMI are magnetic transducers which sensors elements are based on the Giant Magnetoimpedance effect (Giant Magnetoimpedance - GMI) that is characterized by large variation of the impedance (magnitude and phase) of a sample of ferromagnetic material when subjected to an external magnetic field. The magnetic transducers sensitivity is directly affected by the sensitivity of its sensor elements. In the case of GMI samples, the sensitivity is affected by several parameters, and this dependence is not well modeled quantitatively. This dissertation presents a computational model based on feedforward Multilayer Perceptron Neural Networks and Genetic Algorithms that determines the optimal impedance phase sensitivity of the GMI effect, as functions of the magnetic field, for Co70 Fe5 Si15 B10 ferromagnetic amorphous alloys, The proposed model is based on some of the main parameters that affect it: length of the samples, DC level and frequency of the excitation current and the external magnetic field.

[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.