Medição de Biopotenciais - o Estado da Arte

Medição de Biopotenciais - o Estado da Arte

Área 2 - Instrumentação Física 2013/1

Leonardo Sehn Alves

Prof: Rafael Pezzi

1. Introdução

2. Conceitos Gerais

Medição de campos EM

Medição de Biopotenciais

Origem dos Biopotenciais

3. Principais tipos de Biopotenciais

ECG

EEG

EMG

EOG

4. Princípios fundamentais

5. Otimização da Medida

Eletrodos

Amplificadores

Circuito

Redução de Interferência elétrica

Filtragem

Eliminando erros

Isolamento elétrico

Proteção de Defibrilamento

6. Práticas de Medida

7. Estado da Arte

8. Conclusão

1. Introdução

Medir campos eletromagnéticos pode parecer absolutamente corriqueiro - afinal estamos embebidos neles o tempo todo - e trivial frente outras grandezas que devem primeiro ser convertidas para um sinal elétrico para então serem interpretadas, mas e se a fonte do sinal elétrico a ser medida for você mesmo? O ser humano é uma fonte rica e complexa de sinais elétricos devido a atividade celular dos mais diversos sistemas do corpo, e como qualquer medição tem o propósito de uma compreensão maior daquilo que se está medindo, e nesse caso em específico o apelo é ainda maior, pois estamos falando da compreensão do ser humano como sistema, a nossa autocompreensão. Quando se fala em ser humano, a complexidade é um ingrediente quase indispensável, mas com ela vem também a riqueza, a variedade. Existem 4 tipos principais de biopotenciais a serem medidos em um ser humano e os sinais de cada um são: o eletrocardiograma, o eletromiograma, o eletrooculograma e o eletroencefalograma.

Neste trabalho, será feita uma abordagem sobre esses 4 potenciais, principalmente para que se entenda o que é geral - ou fundamental - quando se trata de biopotenciais e o que são as particularidades de cada um dos casos. Veremos que a amplitude do sinal emitido é uma característica que varia para cada tipo, sendo o sinal do eletroencefalograma – emitido pela atividade cerebral – o mais sutil de todos e portanto o que precisa de um maior refinamento para ser medido. Com esse quadro em vista, percebemos que quando se fala em estado da arte da medição de biopotenciais estamos tratando de eletroencefalografia. E, embora o método seja basicamente o mesmo para a obtenção de qualquer eletroencefalograma, existem diversas particularidades a serem cuidadas quando temos um sistema tão complexo como o ser humano, como a construção dos eletrodos, disposição geométrica dos mesmos, amplificação de sinal, isolamento para medição e segurança da “amostra” (defibrilamento). O enfoque desse trabalho é abordar e explicar, dentro de um limite razoável de profundidade, todos esses aspectos que podem aprimorar a um nível de fronteira a medição de um biopotencial sutil e valioso como o de um eletroencefalograma.

2. Conceitos Gerais

2.1 Medição de Campos Eletromagnéticos

De maneira geral, campos eletromagnéticos são medidos por sensores ou sondas chamados medidores EMF (eletromagnetic field) que são basicamente antenas – umas haste de metal onde os elétrons são livres para oscilar e sensível à frequência incidente – com características particulares para evitar reflexão e acoplamento (dc ou ac), ou seja, não interferir na medida. Existem dois tipos de medidores: os de banda larga, que abrangem um largo espectro de frequências, e os de frequências seletiva, que o medidor é configurado para uma faixa de frequências específica.

Podem ser uniaxiais ou triaxiais, que fornecem as três componentes do campo, e também podem possuir sistemas ativos que amplificam o próprio sinal, porém esses sistemas ativos tendem a aumentar o tempo de resposta.

Os monoaxiais devem rotacionar-se em três direções perpendiculares para obter a correta a amplitude do campo, os triaxiais (mais caros e práticos) resolvem este problema por sua geometria e na realidade a medida é realizada em três diferentes instantes de tempo e está suposta a estaticidade do campo. Tipicamente estão configurados para 50 ou 60 Hz, pois pretendem obter o campo eletromagnético do ambiente em que estão e portanto a frequência da rede de abastecimento é a mais provável de ser detectada.

2.2 Medição de Biopotenciais

Ao contrário de medidores EMF, medidores de biopotenciais não pretendem medir o campo eletromagnético em que o ambiente está embebido e sim o campo eletromagnético produzido pela atividade de diferentes sistemas do corpo. O princípio de utilizar um condutor que seja sensível às oscilações eletrônicas e iônicas provocadas por campos eletromagnéticos é mantido, mas nesse caso o campo a ser medido é o produzido pela atividade celular de diferentes sistemas e sérios esforços para evitar que o campo proveniente da rede de abastecimento interfira nessa medição são realizados.

Existem 4 tipos de biopotenciais: o Eletrocardiograma (ECG), o Eletroencefalograma (ECG), o Eletromiograma (EMG) e o Eletrooculograma (EOG). Cada um corresponde, respectivamente, ao biopotencial emitido pelo coração, cerébro, músculos e movimento dos olhos. São adquiridos com eletrodos específicos que realizam a interface com o órgão ou corpo e transducionam sinais sem ruído e sem distorções (“artifact-free” utilizado na literatura em inglês). O projeto de um amplificador de biopotenciais corresponde ao de um amplificador de instrumentação, que será tratado em mais detalhes futuramente; esse amplificador deve possuir várias características particulares: como alta impedância de entrada, alta amplificação e baixa interferência elétrica. Sistemas auxiliares podem ser utilizados para melhor isolamento elétrico e proteção a choque de defibrilamento e de oscilações da própria rede ou do aparelho ao qual o medidor está associado. Aspectos a serem considerados na medição de biopotenciais são a preparação da pele, posicionamento de eletrodos e bom isolamento elétrico.

Os biopotenciais podem ser associados a atividade elétrica em nível celular, potenciais causados pela diferença de concentração de íons no interior e no exterior da célula. O gradiente de concentração eletroquímica através da membrana semipermeável da célula gera o potencial de Nernst, que é causado pela grande concentração de íons K+ no interior e Na+ no exterior, esse é o potencial de repouso. Algumas células são excitáveis e causam o potencial de ação, que resulta de um fluxo intenso de íons através dessa membrana em resposta a um estímulo elétrico ou transiente de carga sobre essa célula. A excitação de células, correspondente à atividade de cada um dos sistemas citados anteriormente, gera corrente no volume condutor do seu entorno se manifestando como potencial no corpo.

Algumas características relevantes dos biopotenciais são a baixa amplitude (10 μV a 10 mV) e espectro de frequências de baixa amplitude (dc a 100 Hz). Alguns dos problemas notáveis para a medição desses potenciais são a interferência biológica (pele, eletrodo, movimento) e o ruído externo como mencionado anteriormente (linhas de força, radiofrequências). Os desafios para a medição de cada um dos tipo de biopotenciais serão extensamente abordados neste texto.

2.3 Origem dos Biopotenciais

2.3 Origem dos Biopotenciais

Os biopotenciais são causados fundamentalmente por atividade celular, em particular na sua organela mais externa: a membrana plasmática. A membrana plasmática já se comporta por si só como um capacitor devido a distribuição assimétrica de carga na forma de íons difusíveis ou não dos dois lados da membrana, a parte externa e o citoplasma. Isso confere um potencial de repouso não-nulo às células excitáveis e às não-excitáveis, além disso temos potenciais de ação e eletrotônicos sendo transmitidos eventualmente nas células excitáveis, retirando-as da sua situação de repouso. Esses diversos potenciais combinados somados ao longo de diversas células formam os biopotenciais, que são medidos de maneira incidental nas técnicas de medição não-invasivas que implementamos.

É preciso ter em mente que os condutores de carga nesse caso são íons (não há presença de elétrons livres como em um condutor), difusíveis ou não, que atravessam a membrana através de canais iônicos ou carreadores de maneira passiva ou ativa (com gasto de ATP). O citoplasma é genericamente negativo com relação ao exterior da célula devido à presença de proteínas muito grandes não-difusíveis no interior da célula. Os outros principais íons na atividade celular são o K+, o Na+ e o Cl-.

Essas proteínas são não-difusíveis e os outros íons não são completamente difusíveis pois a membrana plasmática é formada por uma bicamada fosfolipídica mantida pelo efeito hidrofóbico e com interior apolar que evita trânsito livre de solutos polares, como os íons. Mas existem canais seletivos (em formas de proteínas transmembrana, encravadas nessas membranas) que permitem a passagem de alguns desses íons. E porquê então os íons K+, como os mais numerosos nas células, não difundem, através desses canais, todos para o interior da célula neutralizando-a? O que ocorre é que uma parte dos íons K+ fica do lado de fora da célula devido a uma baixa concentração dos mesmos nessa região (a difusão respeita as Leis de Fick). Isso se deve ao gradiente químico, que juntamente com o gradiente elétrico define a concentração de uma espécie de íon difusível dos dois lados da membrana no equilíbrio, esse equilíbrio é chamado equilíbrio de Gibbs-Donnan, com potencial resultante descrito pela equação de Nernst:

Equação de Nernst

Eq. de Nernst

onde R é a constante universal dos gases, T é temperatura em Kelvin, z é a carga de valência do íon, F é a constante de Faraday (96.485 C/mol) e dentro do logaritmo temos a razão da concentração da espécie do íon no exterior da célula pela mesma no interior. Essa é a situação, com este potencial, verificada em células não-excitáveis, ou seja, aquelas que não sofrem potencial de ação. Os íons K+ se localizam principalmente no interior da célula, enquanto o Na+ e o Cl- se localizam principalmente no exterior, e são difusíveis pela presença de canais específicos para a sua espécie. Ocorre um acúmulo de proteínas aniônicas no limiar interno da membrana plasmática (que difundiriam se fosse possível) e um acúmulo de K+ no limiar externo da membrana devido ainda a atração dessas proteínas, o que confere aquele caráter de capacitor mencionado anteriormente.

Nas células excitáveis, outras espécies de íons também são difusíveis, o Na+ e o Cl-, e a difusividade de cada íon será dada pela quantidade de canais específicos de cada espécie (como regra o potássio é mais difusível, por haver mais canais específicos para a sua espécie). Essas células apresentam uma situação de não equilíbrio, pois o K+ tenderia a ser substituído gradualmente pelo Na+ até que não houvesse excedente de nenhuma das espécies em nenhum dos dois lados, mas isso não ocorre, e essa situação é financiada pelas bombas Na+,K+ATPase que através de carreadores mandam íons K+ para dentro e Na+ para fora através do gasto de ATP. O potencial de repouso nessas situações é calculado pela equação de Goldman-Hodgkin-Katz, que é uma generalização da equação de Nenst para mais espécies de íons difusíveis:

Equação de GHK

Eq. de GHK

onde P é a difusividade para cada espécie. O motivo de um sistema tão complexo para manter um potencial de repouso nessas células excitáveis, como os neurônios e células musculares, tem a ver com o fato de elas serem excitáveis. É evidente que o Na+ tem dois bons motivos para entrar na célula, o gradiente químico e o elétrico, e se ele pudesse o faria com avidez, mas ele é muito menos difusível que o potássio e existe a ação das bombas de carreadores o enviando para fora o tempo todo. Pois existem mecanismo que podem aumentar subitamente a difusividade do Na+, os canais com portão (CCPs), que são ativados por molécula transmissora ou por tensão transmembrana (característica auto-sustentável da perturbação) e se esses canais são abertos, os Na+ entram de maneira tão intensa que podem chegar a inverter a DDP na célula.

O que define o comportamento do sinal ativo transmitido através das células é a intensidade da tensão aplicada, mais especificamente, se ela supera ou não a tensão de limiar para o processo de um potencial ativo. Se a tensão de limiar não for superada, apenas alguns CCPs de Na+ serão abertos e imediatamente serão fechados, esses canais tem essa cinética rápida por serem feitos em duas etapas (ativação e inibição). Esse sinal é simétrico e chamado de eletrotônico ou sináptico, por ser o potencial ativo presente nas reações sinápticas que se propagam através dos dendritos e frequentemente associados a fenômenos neurológicos interessantes como memória e aprendizado.

No entanto, se a tensão de limiar for superada, diversos CCPs de Na+ são abertos e eles produzem uma despolarização tão intensa da célula que inverte o sinal da mesma atingindo o pico de ultrapassagem, esses canais são rapidamente fechados devido a natureza do canal e pela intensidade do fenômenos. Logo em seguida começa o fenômeno da repolarização pela abertura de CCPs de K+ que os enviam para fora da célula em conjunto com a atividade das bombas, esse processo é mais lento pois os CCPs de K+ são mais lentos para se abrirem e fecharem por serem feitos de só uma etapa, e devido ao desbalanço de gradiente químico ainda ocorre uma situação idêntica a de repouso, seguida de uma situação de hiperpolarização, antes de se obter o repouso em definitivo. Esse potencial intenso e assimétrico descrito acima é o chamado potencial de ação, e é importantíssimo para uma transmissão fidedigna de informação por longas distâncias, como no axônio por exemplo, pois os potenciais sinápticos são decrementais. Entre o pico de ultrapassagem e o ponto de máxima hiperpolarização temos o período refratário em que novas excitações não são possíveis, esse aspecto tudo-ou-nada dos potenciais de ação são essenciais (como veremos).

Nos neurônios, o potencial de ação atinge a região pré-sináptica abrindo CCPs do íon Ca++ provocando alguns comportamentos, como a mobilização e exocitose de vesículas com neurotransmissores específicos do tipo de neurônio em questão, e esses neurotransmissores são enviados através da fenda sináptica atingindo moléculas com as quais tem afinidade na porção pós-sináptica, esses receptores podem ser canais iônicos ou outros mediadores de transdução transmembrana, que causam uma variação no potencial elétrico (de comportamento inibitório ou excitatório) que normalmente se apresenta como potencial sináptico que tende a se somar com outros potenciais sinápticos na árvores dendrítica.

Esses potenciais são importantes para codificação (além de sua função neurológica já mencionada antes) devido a sua proporcionalidade com o sinal que as causou, e também por funcionarem como sinais de entrada que se somam e causam uma excitação que provoca um potencial de ação na “região de engatilhamento” no começo do axônio. Esse potencial de ação, essencial para propagação de longas distâncias, se propaga através da abertura de CCPs de Na+, que vão invertendo a DDP na membrana plasmática ao longo do axônio através da abertura de novos canais de Na+, e assim de forma auto-sustentável ao longo de todo o axônio até atingir os telodendritos (não se propagam de maneira retrógrada devido ao período refratário). O que está sendo propagado não é uma corrente iônica longitudinal e sim uma perturbação transmembrana auto-sustentável.

Quando falamos de axônios não-mielinizados toda a superfície do axônio deve ser invertida, o que requer uma quantidade enorme de canais (proteínas), de bombas Na+,K+ATPase, o que requer muita ATP e portanto mitocôndrias, o que faz que neurônios desse tipo sejam muito grandes (como o da lula gigante, de papel inicial para primeiros estudos nessa área). A mielina permite que o potencial de ação seja transmitido saltadamente, pois na região da mielina correntes iônicas longitudinais são realmente conduzidas, sendo apenas nas regiões dos nodos de Ranvier que o processo de excitação ocorre em regiões de intensa concentração de CCPs e bombas, o que facilita a propagação. Esse mecanismo evolutivo permitiu não só uma maior velocidade de propagação, mas também uma miniaturização dos neurônios (menor necessidade de proteínas), o que permitiu colocar mais neurônios em um mesmo espaço, o que permite conexões mais complexas e intrincadas, e consequentemente comportamentos mais sofisticados, e esse simples mecanismo pode ter sido a causa (ou parte dela) da grande inteligência desenvolvida pelos seres humanos.

Essas situações descritas até agora são situações neuronais unitárias ou multiunitárias (poucos neurônios) e por não apresentarem padronização são de baixo apelo em diagnóstico, em que o EEG (eletroencefalograma) é mais apreciado, por conseguir refletir melhor o SNC (sistema nervoso central) ou subsistemas do mesmo e por apresentar sinais facilmente padronizáveis, com relação com atividades funcionais do sistema ou dos subsistemas. São chamados potenciais de campo por abrangerem muitos neurônios e podem ser DC (pequenas flutuações) ou AC (oscilações intensas). O EEG é uma medida extracelular não-invasiva, obtida sobre o couro cabeludo, o que só foi possível após certa sofisticação da eletrônica. Permite observar comportamentos de alerta/vigília, excitação/estresse, sonolência, sono, epilepsia e coma, através de diferentes padrões do sinal elétrico medido.

Os fortes candidatos a responsáveis pelas ondas do EEG são os neurônios piramidais: devido a amplitude do sinal elétrico observado, por serem as maiores células excitáveis do SNC, por se comunicarem utilizando o glutamato (ativador de CCP de Na+ excitatório e principal neurotransmissor do SNC) e por suas sinapses serem palco dos principais eventos plásticos estudados atualmente, como a LTP e a LTD, fenômenos subjacentes de funções encefálicas como aprendizado e memória. Os neurônios piramidais permitem amplificação de correntes sinápticas em função de suas múltiplas “zonas de gatilho” e as poderosas sinapses inibitórias de seus interneurônios vizinhos permitem enormes potenciais inibitórios. Além disso minúsculos pós-potenciais de alta frequência possibilitam ondas de até 100 Hz. E as células gliais contribuem com mudanças elétricas passivas.

Em suma, eventos intracelulares geram correntes iônicas no meio extracelular e que, por sua vez, se somam algebricamente de maneira linear, essas correntes em conjunto com uma profusão de potenciais sinápticos nos espinhos dendríticos contribuem para fazer emergir os padrões oscilatórios do EEG. Portanto, o EEG é o registro incidental das correntes extracelulares associadas a atividade somada de várias células individuais.

3. Principais tipos de Biopotenciais

3.1 Eletrocardiograma (ECG)

Sinal proveniente da atividade cardíaca, é o mais intenso do biopotenciais produzidos no corpo (amplitude da ordem de alguns mV), e possui um padrão que traduz a contração e relaxação periódica do músculo do coração (como observa-se na figura abaixo). É tomado como o exemplo básico de biopotencial e quando falamos de maneira genérica, toma-se o ECG como base.

Figura 1: Sinal característico de um ECG, com alguns processos biológicos associados. Créditos: Fonte 4

O sinal é obtido posicionando conectores no dorso, nos braços e nas pernas. Um sistema amplamente usado e aceito é o de 12 sondas (figura abaixo) em que temos uma sonda em cada braço e 1 em cada perna, a direita como referência, e outras seis vão conectadas no peito do sujeito. As sondas de membros são denominadas sondas I, II e III. As sondas precordiais VR, VL e VF são derivadas dos sinais dos membros. As seis restantes são sondas de peito V1 a V6 (nomenclatura do sistema).

Figura 2: Sistema padrão de disposição de sondas para medição de ECG. Fonte: Wikipédia

Como o sinal na superfície da pele é de baixa amplitude, ele é suscetível a distorções, causados por movimentos de músculos e da pele, e que devem e podem ser minimizados pelo uso de conectores adequados como os revestidos de prata (Ag) com cloreto de prata (AgCl) ou com sinterizados de Ag-AgCl. Um gel eletrolítico deve ser usado para melhorar a condução do eletrodo com a pele. Além disso, como esses ECG são usados em situações críticas, devem ser isolados eletricamente por segurança e protegidos de altas voltagens, e com bom tempo de recuperação, produzidas por defibrilamento ou oscilações da rede ou do equipamento acoplado ao medidor.

Duas aplicações características de amplificadores de ECG são em instrumentos como marca-passos e defibriladores.

3.2 Eletroencefalograma (EEG)

É o biopotencial mais tênue e complexo existente, tem como características marcante a baixíssima amplitude (ordem de microvolts), portanto eletrodos banhados a ouros são colocados diretamente no escalpo para um contato de muito baixa resistência (impedância).

Um sistema de posicionamento do eletrodos, chamado 10-20 sondas (10-20 probes, figura abaixo) é utilizado com boa aceitação. Como reflete a ação de milhões de neurônios, é extremamente difícil de ser interpretado, pois inclui sinal do tecido cerebral, do fluido e do escalpo. Porém alguns comportamentos podem ser interpretados através da modificação do comportamento da onda e principalmente através da modificação das frequências emitidas, que podem traduzir os diferentes estados do sono e eventuais patologias associadas ou uso de medicamentos.

© 2007 .. 2008 Soft-dynamics.de

Figura 3: Sistema internacionalmente adotado para realização de EEG simples. Créditos: © 2007 .. 2008 Soft-dynamics.de

Como é o sinal mais sutil, normalmente refere-se às dificuldades de obtenção de sinais de biopotenciais quando se fala nele, embora as dificuldades sejam presentes em todos os casos, mesmo que nesse elas sejam mais determinantes. Os maiores desafios para uma boa obtenção de sinal são as fontes de ruídos fisiológico, ambiental e eletrônico.

Os fisiológicos são distorções de movimento, ruído muscular, do movimento dos olhos e até mesmo de batida do coração. As eletrônicas são as linhas de força (60Hz), indução eletromagnética e radiofrequências. Além disso, componentes eletrônicos do próprio amplificador podem aumentar o ruído. Bons design e técnicas de medição podem mitigar os efeitos de ruídos e interferências.

3.3 Eletromiograma (EMG)

Menos popular e de comportamento diferente (não-periódico) dos anteriores. Um sinal elétrico é produzido quando um músculo se contrai, esses sinais são de alta frequência e podem prover alguma informação sobre a força exercida pelo músculo.

Podem ser medidos, por exemplo, com 4 eletrodos, 2 nos bíceps e 2 nos tríceps (figura abaixo), nesse caso sem referência, e esses eletrodos podem ser dos tipos revestidos de prata ou banhados a ouro para uma melhor medição, mas podem ser usados eletrodos de ferro inoxidável mais baratos. Como o sinal é de mais alta frequência e amplitude, é menos suscetível a distorções devido ao potencial da pele ou a movimentos. Esse fator pode ser reduzido ainda filtrando o sinal de frequências abaixo dos 20 Hz com um passa-alta.

Figura 4: Ilustração de uma maneira típica de obter EMG. Créditos: Fonte 5

3.4 Eletrooculograma (EOG)

O movimento dos globos oculares no ambiente condutor do crânio gera um campo elétrico. Pode ser pensado como um dipolo se movimentando e produzindo um sinal, que pode ser usado para identificar a movimentação dos olhos e disfunções na mesma. Possui baixa amplitude (10 – 100 μV) e baixa frequência (essencialmente DC a 10 Hz), portanto se faz imperioso o uso de amplificadores com alto ganho, boa resposta a baixas frequências e estabilidade DC. A combinação eletrodo-gel deve produzir baixos níveis de potencial de junção, poucas distorções de movimento e pequeno desvio no sinal DC, isso em conjunto com o nível de segurança que se deve ter com eletrodos próximos aos olhos faz com que eles sejam de baixa vida útil. Os eletrodos são posicionados acima e abaixo dos olhos e dos dois lados de ambos (figura a seguir).

Figura 5: Mapeamento da diposição d eletrodos na face para um exame de EOG. Fonte 6

4. Princípios da Medição de Biopotenciais

Um estudo completo de eletrodos que se ajustem a cada um dos casos citados acima, bem como considerações de filtragens e de amplificações em determinada faixa de frequências deve ser feito. Essas técnicas e cuidados serão abordados posteriormente, são 3 os princípios fundamentais e genéricos na medição de qualquer biopotencial e que devem ser sempre levados em consideração, são eles:

Projeto (design) dos eletrodos e ligação condizentes com a aplicação desejada;

Projeto do circuito do amplificador para amplificação condizente do sinal e rejeição de ruídos e interferências;

Boas práticas de medição para mitigar efeitos de distorções, ruído e interferência.

5. Otimização da Medida

5.1 Eletrodos

Existem diferentes tipos de eletrodos que se adequam melhor a um tipo de medida ou ou a um projeto em específico. Examinaremos agora os tipos de eletrodo de maior destaque caso a caso.

Figura 6: Ilustração da região de contato entre eletrodo e a pele e a eletrônica envolvida

Figura 6: Ilustração da região de contato entre eletrodo e a pele e a eletrônica envolvida. Créditos: Fonte 2

5.1.1 Prata e Prata/Cloreto de Prata

São os eletrodos que possuem os mais baixos e estáveis potenciais de junção. Potenciais de junção são causados pela interface de duas superfícies eletroliticamente diferentes, e são causadores de distorções da medida na movimentação de eletrodos. Compostos de prata no interior revestidos de cloreto de prata ou então sinterizados de prata e cloreto de prata, são utilizados com gel composto de cloreto de sódio ou de potássio para produzir uma boa condutividade e baixo potencial de junção. Bastante utilizados para obter eletrocardiograma.

5.1.2 Banhados a Ouro

Eletrodos banhados a ouro são bons condutores e inertes. Produzidos em formatos pequenos para serem usados em EEG sendo presos no escalpo (colados de preferência onde não há cabelo) e com espaço para conter o gel condutor pelo formato produzido (formato de “copo”, há um certo volume entre o eletrodo e a pela), tem como desvantagem potenciais de junção mais altos (do que os de prata-cloreto de prata) e maior custo.

Figura 7: Colocação de sondas desse tipo em exames de EEG

Figura 7: Colocação de sondas desse tipo em exames de EEG. Créditos: Fonte 2

5.1.3 Polímeros Adesivos

É interessante desenvolver eletrodos que já sejam adesivos por si só, portanto alguns são feitos com polímeros que têm essa propriedade e que podem ser condutores se forem introduzidos íons metálicos em sua estrutura. Recobertos com uma camada metálica de alumínio ou prata na parte externa para fechar o contato, esses eletrodos possuem grande resistividade e não são recomendados para sinais de alto ruído ou suscetíveis a erros de medida por movimento. Têm como vantagem o seu baixo custo.

Figura 8: Estrutura de um eletrodo de polímero adesivo

Figura 8: Estrutura de um eletrodo de polímero adesivo. Créditos: Fonte 2

5.1.4 Agulhas

Na verdade essa categoria se distingue mais pela geometria e pela técnica de medição, que é invasiva, ou seja, colocada dentro do corpo. Esse eletrodo invasivo é utilizado apenas quando é absolutamente necessário obter o sinal do órgão em si. Conseguem captar potenciais bem baixos e são utilizados tipicamente em músculos, com uma agulha feita de aço. Para fins de pesquisa podem até mesmo ser utilizados diretamente no músculo cardíaco.

5.2 Amplificadores de Biopotenciais

Biopotenciais exibem baixa amplitude e frequência e são prejudicados por ruído biológico e do ambiente. As considerações de projeto levam em conta alta impedância de entrada, amplificação apropriada e largura de banda, estabilidade ante flutuações de tensão e temperatura. A chave para a aquisição de biopotenciais é o amplificador de instrumentação. Cada tipo de biopotencial requer uma especialização nos amplificadores de instrumentação.

Figura 9: Conexão entre eletrodo e amplificador diferencial (esquemático)

Figura 9: Conexão entre eletrodo e amplificador diferencial (esquemático). Fonte 2

5.2.1 ECG:

Podem ser construídos a partir de um amplificador de instrumentação simples com filtros ativos para frequências abaixo de 0.05 Hz e acima de 100 Hz adicionados normalmente. O isolamento elétrico é essencial, pois mesmo vazamentos de correntes de 10 μA podem ser fatais devido a conexões de baixa ou alta resistência diretas ao coração. Com isso, isolando da rede e do terra da terra, evitando passagens de corrente em situações normais ou de falhas razoáveis. Esse isolamento é obtido através de acoplamentos ópticos ou por transformadores, lembrando que esses designs devem preservar a linearidade da amplificação. O circuito deve ser protegido contra defibrilamentos.

5.2.2 EEG:

Deve ser adaptado para lidar com sinais muito baixos, provendo um altíssimo ganho. Deve ser desenvolvido com um cuidado para que os componentes produzam baixo ruído térmico e eletrônico (tensão e corrente). Também deve possuir um sistema de isolamento elétrico anti-defibrilamentos.

Figura 10: Sistema de amplificação inicial em um EEG, devidamente protegido

Figura 10: Sistema de amplificação inicial em um EEG, devidamente protegido. Créditos: Fonte 2

5.2.3 EMG:

Utilizados normalmente com o intuito de investigar performance muscular, doenças neuromusculares ou então desenvolvimento de próteses inteligentes, requerem quase sempre circuitos de pós-processamento.

5.2.4 EOG:

Além de alto ganho, o amplificador deve possuir boa resposta frente a baixas frequências ou até mesmo sinal DC. Problema de deriva na característica eletrônica do circuito deve ser considerado.

5.3 Melhorias no Circuito

Os amplificadores de biopotenciais juntamente com um projeto adequado são suficientes para uma boa aquisição de sinal normalmente. Porém, para aplicações inusitadas são necessários tipicamente outros refinamentos para: redução de interferência elétrica, filtragem de ruído e redução de erros de medida, isolamento elétrico do amplificador e proteção anti-defibrilamento.

5.3.1 Redução de Interferência Elétrica:

Interferência elétrica está sempre presente, devido à rede dentre outros, e é interessante reduzi-la no sistema sonda-instrumento-pessoa através do aterramento da pessoa e do instrumento. Interferência induzida no corpo através dos eletrodos é chamada de taxa de interferência de modo comum. Pode ser evitada com um amplificador instrumental ou diferencial com alto CMRR (common mode rejection ratio). A sonda da perna direita é convencionada como terra (caso do ECG), inteligentemente se utiliza o princípio de realimentá-la com o modo comum recebido pelo sinal obtido no primeiro estágio, amplificado e invertido. O que reduz o modo comum de interferência para

Tensão de interferência

Tensão de Interferência

Isso, juntamente com um CMRR do amplificador e filtragens permitem boa qualidade medida de biopotenciais.

5.3.2 Filtragem:

Além desses cuidados, é interessante filtrar no extremo da sonda reduzindo a largura de banda medida. Pequenos indutores ou contas de ferrita nos fios da sonda ajudam a bloquear interferência de frequências muito altas. Pequenos capacitores entre cada sonda e o terra filtram as RF. O uso de passa-altas nos primeiros estágios de amplificação são recomendados para evitar os potenciais DC provocados pela pele que poderiam saturar a amplificação (tendo cuidado com o potencial a ser medido). Passa-baixas em vários estágios de amplificação são recomendados, para atenuar a interferência RF e sinais dos músculos. Interferências da rede a 50 ou 60 Hz e seus harmônicos são um problema central. Uma alternativa é filtrar especificamente essas frequências, o que pode não comprometer medidas de sinal de baixa frequência como EEG e EOG, mas pode ser altamente deletério para medidas com sinal nessa faixa de frequências, portanto a filtragem deve ser usada com critério.

5.3.3 Redução de distorções na medida:

Uma das principais fontes de erro de medida é o potencial de interface eletrodo-pele. Mudanças lentas de patamar podem ser causadas por variações nesse potencial de junção e então, em algumas situações, saturar o amplificador. Movimentação poder causar distorções na medida, detectáveis de pronto, que seriam evitados por filtragens, mas como vimos esse filtros tipicamente passa-altas podem também prejudicar a medida. O que pode ser eventualmente solucionado via software com um pós-processamento do sinal. Certamente, as fontes de distorções em um caso podem ser desejadas em outros, como por exemplo o erro causado pelo piscar dos olhos em um EOG pode ser altamente desejado em um EEG. O próprio sinal do EMG, que é o que se deseja quando se faz essa medida, deve ser suprimido em todos os outros.

5.3.4 Isolamento Elétrico:

Isolamento elétrico evita a passagem de corrente de fuga do instrumento para o paciente. Sinais elétricos, corrente de fuga, de dispositivos atrelados ao paciente e ligados ao terra devem ser, em contrapartida, evitados de serem transmitidos para o paciente. Essa passagem pode ser fatal se for diretamente ligada ao coração. O isolamento pode ser feito eletricamente introduzindo um transformador no meio do caminho do sinal ou opticamente introduzindo um acoplador óptico.

Como o modo primário e o secundário do transformador estão eletricamente isolados, não há caminho direto para o terra. O problema é que o transformador é um dispositivo de alta frequência, portanto uma solução pode ser modular o biopotencial por uma onda de alta frequência. Uma alternativa é utilizar um isolamento óptico, com a conversão do sinal do amplificador em luz por um LED. Esse sinal óptico é modulado em proporção ao sinal elétrico e enviado ao detector. Um fotodetector então capta esse sinal luminoso e converte novamente em elétrico, que é demodulado para reobter o sinal original. O sinal óptico é tipicamente pulso-modulado para envolver a não-linearidade envolvida pela combinação LED-fototransistor.

5.3.5 Proteção de Defibrilamento:

Altas voltagens como, por exemplo, os sinais de defibriladores podem ser enviadas ao detector danificando o mesmo. Para regular a corrente recebida resistores podem ser usados, para altas voltagens diodos e diodos Zener podem ser soluções. Como sinais de mais alta voltagem normalmente devem ser evitados, tubos de descarga de gás de baixa pressão como neon são utilizados, estes descarregam a tensões de 100 V e fornecem uma via alternativa para o terra. Os componentes de isolamento devem ser protegidos por um interruptor de faísca.

6. Práticas de Medida

Medições de biopotenciais consistem principalmente de boas e factíveis amplificações. Isso, em conjunto com bons eletrodos e aplicação dos mesmos, além de boas práticas de medida, garantem uma boa medição.

6.1 Uso de Eletrodos

O uso ponderado de eletrodos de acordo com cada situação deve ser considerado: mais seguros (mais fortes e menos irritantes adesivos), mais condutores (de metais nobres), de menos susceptibilidade a erros de medida (de prata). O gel do eletrodo pode ser de fundamental importância para manter uma alta qualidade de interface entre a pele e o eletrodo. Gel de alta condutividade pode ajudar a medição nos eletrodos, mas pode ser bastante irritante também. Movimentos podem modificar o potencial de junção causando distorções na medida, posicionamento de eletrodos em cima de regiões ósseas com menor massa muscular evitam interferência de sinal EMG e distorções de movimento. Em alguns casos, como no EEG, devem ser grudados à pele.

6.2 Preparação da Pele

O potencial existente na superfície da pele, atribuído à superfície das células do tecido epidérmico, causam um alto sinal DC e podem ser extremamente prejudiciais à medida, como por exemplo no sinal do EOG (de baixa frequência). Qualquer perturbação na pele pode modificar esse potencial. Glândulas sudoríparas podem prejudicar a medida também. A abrasão da pele pode reduzir esses efeitos, como alguns métodos de lixamento. Uma alternativa menos violenta e eficaz é a passagem de um cotonete com álcool na pele. Como sinais baixos são medidos, a resistência da pele deve ser reduzida a algo abaixo dos 2 kΩ. Obviamente a redução de movimentos e de atividade muscular auxilia também.

6.3 Redução de Interferência Ambiental

Radiação eletromagnética da rede, RF produzidas pelas máquinas, campo magnético induzido nas sondas e potencial elétrico induzido no corpo interferem na medida. Blindagem dos amplificadores dos eletrodos e até da pessoa podem ser muito eficazes para reduzir sinais induzidos. A blindagem dos eletrodos pode ser feita enrolando-os juntamente.

O próprio amplificador deve possuir filtros de radiações eletromagnéticas indesejadas ao longo de sua construção. Altas frequências podem ser filtradas utilizando estranguladores ou indutores no extremo da sonda. Interferência eletrostática pode ser evitada aterrando o instrumento. O caráter CMRR do amplificador é essencial para reduzir e interferência de modo comum causada pela corrente induzida no corpo devido às interferências elétricas do ambiente. Esse efeito pode ser ainda mais reduzido pelo uso do método da perna direita (referência), descrito anteriormente.

7. Estado da Arte

A ciência e os princípios básicos da tecnologia para medição de EEG são os mesmos desde que surgiu há quase 1 século (1929), mas a tecnologia empregada nos circuitos, nos processos e nos materiais permite medidas cada vez mais refinadas e de melhor conteúdo. É um biopotencial mais sutil que os outros devido à composição do crânio, e portanto mais complexo de medir.

Portanto, o estado da arte na medição de biopotenciais se apresenta para eletroencefalograma. Diversos cuidados devem ser tomados e um projeto integrando diversas etapas na medição deve ser pensado. O eletrodo, bem como os terminais de entrada, é muito importante e escolher o material adequado pode ser essencial. Eletrodos podem ser produzidos em diferentes geometrias. Como discos ou copos, ou então internos, como agulhas, com fios de aço inoxidável ou platina e para utilizações clínicas mais específicas.

Existe um material na interface do eletrodo com a pele, em forma de gel ou pasta, um eletrólito para aumentar a condução. O biopotencial se manifesta através de uma corrente que flui do material extracelular e do tecido até a sonda.

Em eletrodos com formato de copo há bastante volume para a contensão de eletrólito, nessa geometria o eletrodo nunca toca a pele. A impedância depende de muitos fatores, como cama de interface do eletrodo, área de superfície do mesmo, temperatura do eletrólito, dentre outros. O contato eletrodo-pele tem propriedades resistivas e também capacitivas, que vão interferir na dependência com a frequência.

O contanto eletrodo-eletrólito faz com que íons se acumulem em placas na interface produzindo o potencial de meia-célula (o que pode fazer com que a tolerância do amplificador tenha que ser maior), descrito pela equação de Nernst:

Equação de Nenstr Alternativa

onde ɛ é o potencial de meia-célula, ne são os elétrons transportados (número de mols) e Q é a razão de íon de dentro pelos de fora.

O sistema 10/20 é um sistema de posicionamento de eletrodos padrão e muito utilizado. Existem 75 localizações nesse sistema, mas 8 a 32 eletrodos já são suficientes para algumas aplicações de interface computador cérebro (BCI), mas não para imageamento de fonte elétrica (ESI) em que mais de 100 eletrodos são necessários, lobos frontais, parietais, oscitais, temporais e outros. Existem configurações de até 345 eletrodos, mas não são muito comuns.

Adquirir sinais biopotenciais adequadamente significa principalmente segurança e alta razão sinal-ruído (SNR), sem perda de dados. A seguir estão descritas as sugestões para se atingir medidas de maior refinamento e eficácia, ou o estado da arte em medição de biopotenciais, veremos que elas não são absolutamente genéricas e algumas só contribuem em conformidade com o projeto desenvolvido, são elas:

A - Segurança do paciente/amostra: Devido à corrente de fuga no sistema e defibriladores (quando usados), a segurança do paciente é necessária, para isso o terminal de entrada do circuito do paciente e o terra devem ser separados. Aumentar a razão rejeição de modo de isolamento só amplificador reduz a influência da tensão modo de isolamento.

B – Proteção de EMI: A utilização de dispositivos eletro-eletrônicos e lâmpadas fluorescentes causa interferência EM e deve ser evitado, pois distorce o sinal de EEG e corrompe-o com ruído. O amplificador de instrumentação ameniza esse problema.

C – Ausência de movimentos do paciente: Movimento musculares como piscar de olhos e movimentos de perna prejudicam seriamente a medida, pois produzem outros potenciais. E isso pode prejudicar a interpretação desses sinais.

D – Proteção de ESD: Componentes eletrônicos ativos devem possuir proteção a descargas eletrostáticas de pelo menos 2 kV, ou então o paciente pode se ferir e/ou o equipamento sofrer danificações.

E – Aterramento adequado: Caixas de metal devem ser conectadas a placas ou hastes de metal enterradas na terra. Isso aumenta a razão sinal-ruído pois diminui ruídos.

F – Eletrodos: escolher material e montagem adequados é essencial e deve ser considerado de acordo com a aplicação. Além de eletrodos ativos, eletrodos DC acoplados ou eletrodos “secos” podem ser usados. O número e o posicionamento desses eletrodos também é importante.

Figura 11: Eletrodos ativos, possuem um sistema de amplificação junto ao eletrodo

Figura 11: Eletrodos ativos, possuem um sistema de amplificação junto ao eletrodo. Créditos: Fonte 2

G – Impedância de contato do eletrodo: A impedância deve estar entre 1 kΩ, abaixo disso distorções no sinal são provocadas, e 10 kΩ, acima disso curto entre eletrodos são causados. A impedância deve ser medida antes da medição e o sinal do EEG deve ser acompanhado. Com a tecnologia atual, utilizando chips amplificadores de impedância de entrada da ordem de 1 GΩ ou a abordagem de eletrodos ativos, a impedância de contato perde em importância. Evidentemente, os eletrodos não devem ser movidos.

H – Imunidade a Ruídos: Técnicas de redução de ruídos devem ser consideradas e impressas no desenvolvimento da placa. Cartões eletrônicos e cabos de conexão devem ser colocados em caixas metálicas para reduzir ao máximo os ruídos. Cabos torcidos e misturados dão bons resultados. Como sinais de EEG são da ordem de microvolts, eles são muito sensíveis a ruídos, que não devem passar dos 2 microvolts pico-a-pico.

I – Condições ambientais: O sistema deve ser o mais indiferente possível a intervenções externas, por exemplo blindagem para campos magnéticos intensos se for utilizado em simultâneo com um exame de RMN, ou então imune a interferência de campos elétricos fortes durante uma cirurgia com eletro-cauterização em que o paciente deve ter sua atividade cerebral monitorada. Deve ser independente a temperatura do ambiente também.

J – Redução de sinais de modo comum: Devem ser utilizados amplificadores de instrumentação com CMRR acima dos 80 dB para boa SNR.

K – Modo de armazenamento: O usuário deve poder utilizar o medidor de acordo com seu interesse e decidir como a informação é gravada: unipolar (referência comum), bipolar (uma referência para cada) ou uma referência média.

L – Referência e posicionamento do eletrodo terra: Esses posicionamentos são importantes e normalmente a referência é localizada no topo da cabeça e o terra no(s) lóbulo(s) da(s) orelha(s).

M – Manutenção da originalidade do sinal: Amplificadores com resposta linear e sem distorções devem ser utilizados, ou então a performance pode cair.

N – Evitando Saturação do Amplificador: Se o amplificador satura, a perda de sinal analógico é inevitável. Saturação é causada principalmente por alto sinal de entrada devido a movimentações. Na amplificação, amplificadores que usem filtro passa-alta devem ser ajustados para um ganho ótimo para evitar nível de saturação. Já para DC esse risco de saturação não ocorre, porém o número de bits efetivos de resolução cai.

O – Rejeição de Conversa Cruzada: Em medidores de mais de um canal, rejeição de interferência entre eles deve ser alta.

P – Impedância de Entrada: Impedância de entrada deve ser grande o suficiente. Para sinais DC, valores acima de 1 GΩ dão bons resultados. Baixos valores de impedância carregam o sinal e causam distorções.

Q – Corrente de tendência de entrada: Correntes de entrada do amplificador devem ser o mais baixas possível (pA), ou então carregam os biopotenciais e também podem causar distorções no sinal.

R – Banda de Frequências: Escolher o filtro adequado de frequências (banda deve ir ao menos de 0.5 Hz a 70 Hz) é importante também para digitalização e armazenamento de dados. Taxa de amostragem (>140 Hz) e de transferência também deve ser garantido. Nível DC deve ser removido para bom processamento em software e hardware.

S – Digitalização: Suficiente (e ótima) resolução digital (>10 bits para amplificação AC e >20 bits para DC) deve ser disponibilizado para o conversor ADC. Se baixa resolução for utilizada, erros de quantização aumentam.

T – Mesmos Instantes de Amostragem: Se um sistema multicanais é projetado e/ou utilizado, não deve haver tempo de atraso entre eles. Para um multiplicador analógico isso deve ser um problema, mas para um digital, não. Para amostrar em um mesmo instante de tempo, circuitos de espera e amostragem devem ser usados. Se cada um possuir seu próprio ADC, isso pode ser feito com controle de tempo de ADC.

U – Tempo de armazenamento: Suficiente (e ótimo) tempo de armazenamento é requerido. Longos tempos de aquisição (mais de 2 horas) causam secamento do eletrólito, transpiração e ansiedade no paciente, prejudicando a medida. Porém curtos tempos de aquisição podem causar aquisição insuficiente de dados.

V – User Friendly: O sistema de hardware e software devem ser bem integrados e “usuário-amigáveis”.

W – Baixo Consumo de Energia: Importante especialmente para sistemas com bateria.

X – Baixo Custo: O sistema deve ser de eficiente em custo, e o componentes devem ser disponibilizáveis.

Figura 12: Medição de um Biopotencial com alguns cuidados em termos de eletrônica evidenciados para que a medida seja mais adequada.

Figura 12: Medição de um Biopotencial com alguns cuidados em termos de eletrônica evidenciados para que a medida seja mais adequada. Créditos: Fonte 2

8. Conclusão

O princípio básico para a obtenção de sinais biopotenciais é o mesmo desde os seus primórdios, o que muda para que se atinja um estágio de sofisticação, o que proporciona uma riqueza maior de detalhes e melhor compreensão do corpo, de medida são as soluções de engenharia. Está claro que em um projeto devem ser considerados diversos parâmetros para se obter um sinal aceitável, sem ruídos e distorções, desde cuidados com a escolha do material do eletrodo até o momento da aplicação do exame, passando pelo desenvolvimento de um amplificador de instrumentação adequado.

Tudo isso deve ser pensado de acordo com o objetivo do medidor em questão, para ECG um sistema eletrônico com bom tempo de recuperação pode ser fundamental, para um EMG a filtragem de baixas frequências é importante para um sinal limpo, já o EOG ao contrário deve possuir boa resposta DC. O eletroencefalografia como sinal mais sutil, complexo e rico em informação é o que deve confluir harmonicamente uma série de cuidados com a medida, descritos acima, para que se possa extrair sem distorções e ruídos a maior quantidade de informação sobre a atividade cerebral.

9. Referências

Conteúdo e Imagens:

Webster, John et al. Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. Boca Raton, Florida: CRC Press LLC. 2000.

Ali Bulent Usakli, “Improvement of EEG Signal Acquisition: An Electrical Aspect for State of the Art of Front End,” Computational Intelligence and Neuroscience, vol. 2010, Article ID 630649, 7 pages, 2010. doi:10.1155/2010/630649

Quillfeldt, Jorge A. Origem dos Potenciais Elétricos das Células Nervosas. Departamento de Biofísica da UFRGS (em aberto)

Imagens:

4. http://www.academiamedica.com.br/wp-content/uploads/eletrocardiograma.jpg

5. https://www.adinstruments.com/sites/default/files/images/rcexp_Intramuscular-EMG.jpg

6. http://wg11.sc29.org/mpeg-v/wp-content/uploads/2012/09/eog.png

630649.fig.001.jpg - Figura 6: Ilustração da região de contato entre eletrodo e a pele e a eletrônica envolvida (18,8 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

630649.fig.003d.jpg - Figura 7: Colocação de sondas desse tipo em exames de EEG (18,4 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

630649.fig.004.jpg - Figura 8: Estrutura de um eletrodo de polímero adesivo (23,4 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

630649.fig.005a.jpg - Figura 9: Conexão entre eletrodo e amplificador diferencial (esquemático) (14,1 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

eletrocardiograma.jpg - Figura 1: Sinal característico de um ECG, com alguns processos biológicos associados (32,8 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

ECGcolor.svg.png - Figura 2: Sistema padrão de disposição de sondas para medição de ECG (60,7 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

Brain_TaskMap_en.PNG - © 2007 .. 2008 Soft-dynamics.de (108,6 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

rcexp_Intramuscular-EMG.jpg - Figura 4: Ilustração de uma maneira típica de obter EMG (70,8 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

630649.fig.005c.jpg - Figura 10: Sistema de amplificação inicial em um EEG, devidamente protegido (12,3 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

eog.png - Figura 5: Mapeamento da diposição d eletrodos na face para um exame de EOG (36,2 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 08:58

630649.fig.003b.jpg - Figura 11: Eletrodos ativos, possuem um sistema de amplificação junto ao eletrodo (11,8 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 09:07

630649.fig.006.jpg - Figura 12: Medição de um Biopotencial com alguns cuidados em termos de eletrônica evidenciados para que a medida seja mais adequada. (23,1 KB) Leonardo Alves, 28/05/2013 09:07

eq1.png - Equação de Nernst (1,7 KB) Leonardo Alves, 04/06/2013 00:16

eq2.png - Equação de GHK (3,7 KB) Leonardo Alves, 04/06/2013 00:16

eq3.png - Tensão de interferência (1,4 KB) Leonardo Alves, 04/06/2013 00:16

eq4.png - Equação de Nenstr Alternativa (1,4 KB) Leonardo Alves, 04/06/2013 00:16

Fonte: 

http://cta.if.ufrgs.br/projects/instrumentacao-fisica/wiki/Medi%C3%A7%C3%A3o_de_Biopotenciais_-_o_Estado_da_Arte