Estruturação do relatório sobre métodos de medição de impedância em seres
humanos
Introdução
A noção de impedância teve origem no estudo de circuitos elétricos. Posteriormente
foi estendido e aplicado com êxito a sistemas mecânicos. A base desse relatório é
descrever de forma simplificada o conceito de impedância elétrica e impedância
mecânica, a fim de discorrermos com certo grau de entendimento sobre a ideia por
trás dos métodos de medição de impedância elétrica e impedância mecânica sendo
que método de medição dessa última relaciona tanto a impedância mecânica quanto
a impedância elétrica no que é chamado de impedância eletromecânica. E também
pretende-se apresentar alguns exemplos da aplicação da impedância elétrica em
seres humanos como a chamada bioimpedância, e da viabilidade da impedância
eletromecânica na identificação de patologias em humanos.
Objetivo
O objetivo desse relatório é realizar uma investigação sobre os métodos de medição
de impedância aplicados em seres humanos ou que estão em estudo sobre a
viabilidade da sua aplicação no mesmo, abrangendo os conceitos da impedância
elétrica e da impedância mecânica, com a finalidade de dar embasamento teórico ao
desenvolvimento do projeto de iniciação cientifica cujo titulo é “Desenvolvimento de
um sistema embarcado no Raspberry pi para medição da impedância do calcâneo in
vivo”
Referencial teórico:
O que é impedância? Classificação
A ideia de impedância pode ser aplicada em dois diferentes contextos, a
impedância em um sistema elétrico e a impedância em um sistema mecânico
ou em um sistema hibrido que relaciona os dois conceitos.
1. Impedância elétrica
A impedância elétrica é definida em um sistema elétrico como sendo a
oposição que um circuito oferece à passagem de corrente alternada, sendo
dividida em duas partes a resistência 𝑅(parte real) e a reatância, 𝑗𝑋 (parte
imaginaria).
𝑍(𝜔) =
𝑉(𝜔)
= 𝑅 ± 𝑗𝑋
𝐼(𝜔)
𝑍(𝜔)- é a impedância elétrica
𝑉(𝜔) – é a tensão alternada
𝐼(𝜔) - é corrente alternada
1.1.
Métodos de medição de impedância elétrica
No método de medição de impedância elétrica em seres humanos se destaca
a técnica da bioimpedância, essa é uma ferramenta significativa na avaliação
de fenômenos e eventos biológicos de varias naturezas, suas aplicações vão
desde áreas clinicas, laboratoriais à medicina do esporte. Alguns exemplos de
uso da técnica são: a pletismografia que avalia o fluxo sanguíneo em artérias,
variações no volume pulmonar cardíaco, em artérias periféricas e veias; a
tomografia de impedância elétrica (EIT-Eletrical Impedance Tomography) que
pode ser utilizada para adquirir imagens dos pulmões de recém-nascidos; a
miografia por impedância elétrica ou EIM(Eletrical Impedance Miography) que
possibilita analisar músculos esqueléticos individualmente, pretendendo
diagnosticar patologias neuromusculares. Outras aplicações clinicas da
bioimpedância incluem a detecção de câncer de mama, a avaliação de dentes
com caries, do volume da bexiga, da condição de esquemia, a rejeição de
órgãos transplantados, caracterização dos tecidos biológicos etc. Também na
medicina do esporte tem-se a técnica da impedância Bioelétrica ou BIA
(Bioelectrical Impedance Analysis), utilizada para análise de compartimentos
corporais, permite estimar a composição corporal.
Tomando a técnica da bioimpedância BIA para entender o processo de
medição de impedância, esta se fundamenta em alguns princípios básicos. A
medição da composição corporal é executada através da introdução no
organismo através de eletrodos de uma pequena corrente elétrica alternada
Figura 1-Modelo de um método de medição da impedância
elétrica em seres humanos
(figura 1). A fonte de corrente é responsável por essa função, que de acordo
com certa intensidade, frequência e posicionamento, é possível captar a
tensão entre dois pontos, fazer a leitura desse sinal, e a partir dele estimar a
impedância como mostrado na equação \\.
Os tecidos que contém pouca água e eletrólitos, tais como tecido adiposo e
tecido ósseo, são maus condutores da corrente elétrica, oferecendo grande
oposição à passagem da mesma. Tecidos biológicos como sangue, as
vísceras e os músculos são bons condutores devido aos elevados conteúdos
em fluidos e eletrólitos. Portanto, indivíduos com uma boa musculatura têm
uma impedância menor do que indivíduos com elevada quantidade de tecido
adiposo.
2. Impedância mecânica
A impedância mecânica em um sistema mecânico é a relação complexa de
uma força alternada aplicada e a velocidade linear alternada resultante, na
mesma direção da força e no ponto de aplicação. A componente real 𝑅 é
chamada de resistência mecânica, e a componente imaginaria 𝑗𝑋 se chama
reatância mecânica.
𝑍(𝜔) =
𝐹(𝜔)
= 𝑅 ± 𝑗𝑋
𝑣(𝜔)
𝑍(𝜔)- é a impedância mecânica
𝐹(𝜔)- é a força alternada aplicada
𝑣(𝜔)- é a velocidade linear alternada
A impedância mecânica após a passagem para o domínio da frequência, é
uma quantidade complexa e expressa o quanto a estrutura resiste ao
movimento quando se aplica uma força. A impedância mecânica de uma
estrutura varia com a frequência. Nas frequências de ressonância, a
impedância é baixa, o que significa que menos força é necessária para
movimentar uma estrutura em uma dada velocidade. Nos sistemas mecânicos,
três grandezas básicas são relacionadas com a impedância mecânica:
amortecimento mecânico, massa mecânica e rigidez mecânica.
Um método de medir a impedância mecânica é pelo uso da técnica da
impedância eletromecânica.
3. Impedancia Eletromecânica
O conceito de impedância eletromecânica é monitorar variações da
impedância mecânica de uma estrutura causada por alguma alteração na
mesma, utilizando transdutores que convertem a resposta mecânica da
estrutura em uma resposta elétrica, logo é uma relação entre a impedância
mecânica da estrutura e a impedância elétrica do transdutor.
3.1.
Métodos de medição de impedância eletromecânica
A técnica da impedância eletromecânica utiliza sensores para monitorar
modificações na rigidez, no amortecimento e massa da estrutura. Estes
sensores são pequenas pastilhas piezoelétricas coladas na superfície da
estrutura e utilizadas para medir a resposta dinâmica local.
As pastilhas piezoelétricas possuem uma característica de gerar um campo
elétrico quando submetida a uma força mecânica, e sofrer uma deformação
mecânica quando um campo elétrico é aplicado. Assim, o mesmo elemento
pode ser utilizado como sensor e atuador, reduzindo o número de
componentes.
O método utiliza elevadas frequências aplicadas sobre a pastilha de PZT
coladas na superfície do objeto avaliado a fim de analisar as modificações dos
sinais que são capturados pelo sensor.
Figura 2-Modelo de um grau de liberdade do acoplamento do PZT à uma
estrutura
A figura 2 ilustra o modelo de um grau de liberdade do acoplamento
eletromecânico utilizado pela técnica da impedância. Considera-se que o
atuador de PZT seja posicionado em uma das extremidades dos sistemas,
enquanto a outra permanece fixa. Liang, Sun e Rogers(1994) demostraram
que a admitância 𝑌(𝜔) do atuador PZT é uma função combinada da
impedância mecânica do atuador PZT 𝑍𝑎 (𝜔) e da estrutura 𝑍(𝜔), como mostra
a Eq.\\
𝑌(𝜔) =
𝐼
𝑍(𝜔)
−𝑇
2
𝐸
= 𝑖𝑐 𝜔𝑎𝑔 (𝜀33
−
𝑑3𝑥
𝑌𝑥𝑥
)
(𝜔)
𝑉
𝑍(𝜔) + 𝑍𝑎
Onde 𝜔 é a frequência angular (2𝜋𝑓), 𝑉 é a voltagem de entrada no atuador
2
PZT, 𝐼 é a corrente de saída do PZT, 𝑎 é constante geométrica, 𝑑3𝑥
é a
−𝑇
𝐸
constante de acoplamento piezoelétrico, 𝑌𝑥𝑥
é o módulo de Young, 𝜀33
é a
constante dielétrica do PZT com tensão zero e 𝑖𝑐 é a amplitude da corrente.
Considerando que as propriedades do PZT não variam, a Eq.\\ mostra que a
impedância elétrica do PZT é diretamente relacionada à impedância mecânica
da estrutura, fato que justifica a utilização dos sinais de impedância elétrica do
PZT para a avaliação mecânica da estrutura.
Existe dois tipos de técnicas de medição baseados em impedância
eletromecânica: a técnica da impedância eletromecânica(E/M) convencional e
técnica baseada na função de resposta em frequência (FRF). A detecção do
dano é realizada por meio da comparação entre assinaturas de impedância da
estrutura considerada integra e danificada, feita utilizando-se índices de dano.
A técnica de medição da impedância E/M convencional, na qual é obtida a
impedância elétrica de um transdutor que opera simultaneamente como
atuador e sensor, configuração também conhecida como pulso-eco. A técnica
baseada na função de resposta em frequência, que faz uso de um transdutor
atuador acoplado na estrutura para a sua excitação e de outro transdutor com
função de sensor para aquisição do sinal de resposta, configuração também
conhecida como transmissão-recepção. O monitoramento da integridade
estrutural deve avaliar a presença de um dano por meio de índices métricos
que retratem a variação causada na estrutura, como a métrica do desvio do
coeficiente de correlação (correlation coeficiente deviation metric-CCDM). Os
índices métricos têm como função quantificar a comparação entre o estado
considerado integro e o estado de operação em que a estrutura se encontra
no momento da medição. Além de possuírem sensibilidade para evitar falsas
detecções.
A detecção do dano para o método de medição baseado na impedância E/M é
realizada por meio da comparação entre a parte real(resistência) da
impedancia obtida para a estrutura analisada quando havendo um dano, e da
obtida para a estrutura integra (Baseline). O uso da parte real para o método
da impedancia E/M se deve a maior sensibilidade ao dano e menor variação
causada pela temperatura. Enquanto que para o método de medição baseado
na FRF, a comparação é realizada pela assinatura do modulo da FRF do
sensor na presença de um dano e pela assinatura do módulo da FRF do
transdutor em um estado sem danos (Baseline).
Realizando buscas por pesquisas sobre a aplicação da técnica da impedância
eletromecânica em seres humanos no google acadêmico, percebe-se que são
poucos os resultados relevantes ao tema da pesquisa. Porém alguns exemplos
da aplicação da técnica da impedância eletromecânica com a finalidade de
avaliar o ser humano está: no uso do método da impedância eletromecânica
na detecção do câncer de mama[ref]; e no monitoramento das condições da
amostra de um osso humano a identificando fraturas bem como o processo de
recuperação e variações na sua densidade[ref].
Conclusão:
É significativa a importância do conceito de impedância no desenvolvimento
de métodos de medição a fim de avaliar o ser humano, diagnosticar patologias,
mensurar a composição corporal etc.
Existem várias aplicações de medição da impedância elétrica em seres
humanos, e algumas pesquisas sendo desenvolvidas sobre a viabilidade da
aplicação da técnica da impedância eletromecânica em seres humanos,
percebe-se que está última é uma área promissora ao desenvolvimento de
mais pesquisas, por ser um método não invasivo e de baixo custo.
Referências bibliográficas