Lista de Exercícios N 02 Instrumentação Biomédica (Sistema de instrumentação biomédica, medição de biosinais, precisão e sensibilidade, quantização e amostragem) - UFMG

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João Vitor Silva Gama 2019027709 
1. Descreva cada um dos blocos da figura abaixo, que representa um sistema de instrumentação 
biomédica. 
a) Measurand: quantidade/propriedade biológica/química/física de interesse a ser medida. 
Pode ser medida diretamente, ou a partir de medidas indiretas, como fórmulas 
matemáticas a partir de outros dados coletados. 
b) Radiation, eletric current, or other applied energy: As vezes, o measurand do sistema não 
está disponível ao sensor na ausência de determinado procedimento, por exemplo, para 
se medir um potencial de ação num neurônio em repouso, deve-se inserir uma corrente 
elétrica para despolarizá-lo. 
c) Calibration signal: Um procedimento importantissimo para se obter dados realmente fiéis 
ao measurand é a calibração. 
d) Primary sensing element: Um sensor é um aparato que transforma um sinal qualquer 
(concentração, potencial elétrico, temperatura) num sinal elétrico. No entanto, alguns 
primary sensing elements na verdade transformam um sinal de entrada qualquer em um 
sinal de saída que não é elétrico. Então, esse aparelho não é classificado como sensor, e 
sim como um primary sensing element. 
e) Variable conversion element: Como mencionado anteriormente, quando se faz uso de um 
primary sensing element, devemos utilizar um variable conversion element capaz de 
transformar esse sinal intermediário qualquer, em um sinal final elétrico. 
f) Signal processing: Trata-se do condicionamento de sinal, ou seja, amplificação, retirada de 
ruídos e digitalização do mesmo, para que esse possa ser usado pelo sistema, sem 
interferências e fidedigno ao real sinal biológico. 
g) Output display: Dispositivo que realiza a interface entre o dado e o operador do sistema 
de instrumentação, de forma que este seja capaz de compreendê-lo. Pode ser um sinal 
gráfico, um número, um sinal sonoro, entre outros. 
h) Data storage: Dados produzidos pelo sistema podem armazenados para uso futuro, como 
um banco de dados de pacientes; ou podem ser utilizados para um processamento de 
sinais, como um filtro, de forma a atenuar as variações instantêneas do sinal. 
i) Data transmission: O sinal, ou fração deste, pode ser trasmitido para um banco de dados 
remoto por protocolos wireless, caso desejado, como bluetooth. 
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j) Power source: fonte de alimentação para os dispositivos componentes do sistema de 
instrumentação biomédica. Frequentemente, esses componentes precisam de 
alimentação para funcionar. 
k) Control and feedback: Coleta de dados para análise da fidelidade do sistema, para que se 
possa refinar a máquina cada vez mais. 
2. Evidencie e comente as principais diferenças da Instrumentação Eletrônica/Industrial da 
Instrumentação Biomédica. 
R: A instrumentação eletrônica é o ramo que projeta, constrói, testa e especifica instrumentos, 
sistemas e dispositivos que realizam medições, baseadas em circuitos eletrônicos. O que distingue a 
instrumentação industrial/eletrônica da biomédica, é que nesta última, a fonte do sinal medido é 
proveniente de um tecido vivo, ou energia aplicada a ele. 
3. Quais são as classificações das grandezas de medição pela acessibilidade? E a classificação 
generalizada? 
R: As classificações das grandezas de medição pela acessibilidade são: internas (precisam de 
métodos invasivos para captação do sinal), externa (método não invasivo), que emanam do corpo, e 
obtidas a partir de amostras do corpo. Já a classificação generalizada pode ser distribuída em medições 
de: potenciais bioelétricos, pressão, deslocamento (velocidade, aceleração, força), impedância 
elétrica (tomografia), temperatura, concentração química, dimensão, e fluxo. 
4. Comente as principais classificações dos Instrumentos Biomédicos. 
R: Especialidade clínica (especialidades como pediatria, obstetrícia, cardiologia...), pelo 
sistema dos órgãos (sistema cardiovascular, respiratório...), pela utilidade do sensor (sensor 
de temperatura, de pressão), pelo princípio do transdutor (baseado em sensores indutivos, 
resistivos, capacitivos..). 
5. Qual a definição de Exatidão, Precisão e Sensibilidade, segundo o INMETRO? 
a) Exatidão: Também chamado de acurácia, é uma unidade de medida entre 0 e 1 (ou 0-100%) 
que relaciona o valor real da grandeza, e o valor que medimos. Seu valor é dado através da 
diferença entre o valor verdadeiro e o valor medido, dividido pelo valor verdadeiro. 
b) Precisão: segundo o INMETRO, preciso é a propriedade de sistemas com baixa dispersão de 
resultados de ensaios independentes com repetibilidade e reprodutibilidade, ou seja, para 
várias medições de amostras padrão, o resultado esperado deve sofrer pouca, ou nenhuma 
alteração 
c) Sensibilidade: a sensibilidade de um instrumento determina o quão pequeno a variação do 
parâmetro medido pode ser detectada. 
6. Nas tabelas a seguir estão apresentados os resultados de dois protocolos de teste em uma célula de 
carga, a fim de verificar suas características estáticas. Após a análise das tabelas, conclua 
qualitativamente sobre as características estáticas desta célula de carga (Exatidão, Precisão, 
Sensibilidade, Resolução e Histerese). Se possível, determine uma equação para ser inserida no 
sistema computacional para que a saída do Display seja na unidade de medida [g], gramas. A 
primeira coluna indica o peso padrão colocado sobre a célula de carga, e a segunda coluna o valor 
apresentado do display. 
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a) Histerese: Ao analisarmos a “curva 
ascendente” (faixa crescente de pesos 
adicionados a célula de carga), vemos que essa 
se assemelha muito a “curva descendente” 
(quando os pesos são retirados pouco a 
pouco). Portanto, dizemos que a célula de 
carga não possui histerese significativa. 
b) Sensibilidade: Vemos que a célula de 
carga é capaz de detectar alterações na faixa 
de 0,1 grama, o que para aplicações cotidianas 
é uma sensibilidade adequada (por ser a 
menor subdivisão disponibilizada pela tabela, 
sabemos que sua sensibilidade é de no 
mínimo 0,1 grama). 
c) Precisão: Para analisarmos essa propriedade, olhamos para o protocolo/tabela 2. Para diferentes 
ensaios controlados e reproduzido 10 vezes (mesma massa), o resultado oferecido pela célula de 
carga foi de alta precisão, onde o desvio padrão da média foi cerca de 0,15 mV, ou seja, menos de 
1% do valor médio. 
d) Exatidão: Usando um linear fitting disponibilizado pelo SciDAVis, temos com grande fidelidade 
(𝑟2 = 0,99999999 …) a equação que transforma o sinal de entrada (gramas) num sinal de saída 
(mV). Dada através do gráfico: Tensão (mv) =4,3*Peso(gr) +13,3. Assim, vemos que a partir das 
amostras, ao utilizarmos a função de transferência, obtemos o valor exato (ou muito próximo 
dele). 
e) Resolução: a resolução do display é de 0,1 mV, também adequado para a faixa utilizada. 
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7. Comente mais três características estáticas de um 
instrumento que devem ser levadas em consideração. 
R: linearidade, escala ou faixa de medição (região sob 
a qual o instrumento é funcional, seja pela capacidade 
inerente do sensor de realizar a medição, ou por fora dessa 
banda a função que transforma o sinal de entrada em saída 
deixa de ser fidedigna, e, portanto, tornando a medição 
imprecisa) e impedância de entrada (um número que indica 
o quão o real sinal biológico é interferido pela medição). 
8. O que é quantização e amostragem? 
R: Quantização e amostragem são dois processos 
distintos (mas que podem ocorrer simultaneamente na etapa 
de processamento de sinais), que atuam sobre um sinal de 
entrada físico (contínuo e analógico). Como trabalhamos 
majoritariamente com sistemas digitais, devemos adequar 
esse sinal para que nosso processador seja capaz de utilizar 
essa informação, assim transformamos um sinal analógico 
em digital através de um conversor AD, limitando as posições 
bem delimitadas que o sinal podeocupar no eixo y 
(quantização). Já o processo de amostragem, é diretamente 
dependente da compatibilidade do sinal com nosso sistema e com o parâmetro físico. A amostragem 
transforma um sinal contínuo num sinal discreto. 
9. Qual a resolução de um instrumento o qual em seu circuito possui um estágio de amplificação de 
1000V/V e um conversor AD de 12bits com faixa de entrada de 3V? 
R: Como o conversor AD possui 12 bits, ele é capaz de transformar o sinal (analógico) de 
entrada em um sinal de saída (digital) com 4096 diferentes valores. Assim, sua sensibilidade Resolução 
é de 3 𝑉 / 4096 = ±732 𝜇𝑉. Dessa forma, a resolução desse instrumento é o menor incremento 
(nesse caso, 732 𝜇𝑉) que pode assegurar numa mudança de leitura. Como a função que relaciona a 
entrada e a saída do sistema é uma multiplicação por um fator 1000, a resolução desse instrumento 
é 732 𝜇𝑉 ∙ 1000 = 732 𝑚𝑉.