Soluções Piezoelétricas para Monitoramento de Sinais Vitais

Quando uma tira de película de polímero de PVDF piezoelétrico (película piezoelétrica) é esticada, ela gera um sinal elétrico (carga ou tensão) entre as superfícies superior e inferior do eletrodo, proporcional à quantidade de alongamento. Os materiais piezoelétricos geralmente respondem bem à pressão, mas no caso da película piezoelétrica, a geometria do elemento significa that níveis muito altos de tensão podem ser atingidos na seção transversal da película quando uma força muito baixa for aplicada na direção longitudinal, enquanto o mesmo nível de força aplicado sobre uma área maior da superfície da película geraria uma tensão muito menor. Portanto, a película piezoelétrica demonstra sensibilidade fenomenal em relação à tensão dinâmica, normalmente na região de 10 a 15 mV por microtensão (alteração de ppm no comprimento) para PVDF com espessura de 28 μm. A expressão tensão “dinâmica” é usada porque a carga elétrica gerada por uma alteração na tensão vaza para o circuito elétrico conectado à película e, portanto, as condições estáticas da tensão não podem ser realmente detectadas. Isso pode ser uma vantagem positiva nos casos em que o sensor pode ser colocado sob vários níveis de pré-carga. A película vê apenas alterações de tensão que variam com o tempo , com uma resposta de frequência que pode começar a partir de 0,1 Hz. A película piezoelétrica também é leve, fina,
altamente flexível e não requer nenhuma energia externa para funcionar. Esta combinação exclusiva de propriedades possibilita que uma ampla variedade de aplicações médicas seja abordada onde sinais mecânicos de nível muito baixo devem ser detectados. Obviamente é uma tecnologia de grande interesse onde a energia disponível é limitada (pode até mesmo gerar quantidades bem pequenas de energia em algumas configurações). Também é extremamente durável, capaz de suportar centenas de milhões de ciclos de flexões, e resistente a choques.

Explorando as propriedades da película piezoelétrica como um “extensômetro dinâmico”, um elemento pode ser facilmente colado diretamente na pele (por exemplo, na parte interna do pulso). A TE fabrica um sensor de uso geral que já possui adesivo sensível à pressão em um lado, mas o adesivo não é classificado para biocompatibilidade, portanto, para testes de curto prazo, um patch de 3M 9842 (fita fina de poliuretano com revestimento adesivo) foi fixado na pele e o sensor de película piezoelétrica aplicado por cima. A Figura 1 mostra um sinal de pulso, obtido usando um amplificador de carga com limite de baixa frequência definido para 1 Hz e sensibilidade de 1 mV/pC. A saída de aproximadamente 130 mV pk-pk corresponde a uma tensão de circuito aberto de cerca de 100 mV pk-pk, que por sua vez, pode ser interpretada como uma tensão dinâmica de aproximadamente 8 με. Este sinal foi gravado enquanto a mão estava em repouso. Flexionar ou girar o pulso pode gerar sinais de amplitude muito mais altos, especialmente quando um limite de frequência mais baixo foi selecionado no pré-amplificador. Como exemplo, a Figura 2 mostra a resposta do sensor enquanto um objeto agarrado e solto repetidamente, indicando uma amplitude of de cerca de 3 V em circuito aberto ou cerca de 250 με.

Essa capacidade da película de detectar sinais físicos muito pequenos e também movimento bruto surge do fato de que a resposta piezoelétrica na película PVDF é linear em uma faixa dinâmica muito grande (estimada em até 14 ordens de magnitude). Em muitos casos, os sinais menores podem ser extraídos por filtragem, desde que a larguras de banda do sinal alvo e do “ruído” estejam suficientemente bem preparadas. Sensores autoadesivos semelhantes foram usados para detectar movimentos musculares e da pele do tórax, perna e pálpebra durante o estudo do distúrbio do sono. Além disso, a resposta de um músculo (por exemplo, entre o polegar e o indicador) a uma estimulação elétrica deliberada pode ser detectada como um indicador da eficácia da anestesia (conhecido como transmissão neuromuscular).

O Minisense 100 é um componente padrão que emprega um design cantiléver carregado em massa com material rígido de PCB que forma o grampo e permite a montagem dos pinos de conexão. A massa adicionada faz com que o sensor responda inercialmente sob a influência da aceleração. O elemento da película se dobra quando a massa fica parada, levando a uma sensibilidade de tensão extremamente alta (cerca de 1 V/g). Uma variante deste componente detecta sinais vitais quando um “crachá inteligente” (equipado com telemetria de RF) é usado por um membro da equipe ou paciente e possibilita que um sinal periódico seja transmitido para fins de rastreamento ou localização. O crachá entra no modo de suspensão quando o sensor detecta que o crachá foi retirado de uma pessoa viva, mas é mantido “acordado” por tremores musculares, movimentos corporais grosseiros ou mesmo vibração do pulso. O sensor padrão pode revelar detalhes dos “sons” do coração quando segurado contra o peito usando uma tira elástica leve. Com um limite de frequência muito baixo selecionado na interface eletrônica, também é possível ver a frequência respiratória (Figura 3). Nessa forma de onda, o movimento da parede torácica aparece como um sinal periódico lento com aproximadamente um período de quatro segundos , enquanto os batimentos cardíacos individuais podem ser vistos em torno de 1/s (60 bpm). Para eliminar o sinal respiratório e remover algum ruído, é possível aplicar filtros em 1 Hz (inferior) e 10 Hz (superior) para obter sinais em tempo real (Figura 4). Observe que os traços na forma de onda da Figura 4 são todos obtidos de um paciente em repouso. Naturalmente, usando um acelerômetro, , o movimento corporal pode facilmente dominar os sinais do batimento cardíaco. De fato, uma pequena implementação (dimensões do sensor ativo 1,3 x 3 mm) de um sensor de aceleração de feixe cantiléver
é usada dentro de um marcapasso para detectar o nível da atividade física do paciente, para que a frequência de estimulação possa ser ajustada de acordo.

Vários estetoscópios eletrônicos usam a película piezoelétrica como elemento sensor ativo, devido à sua robustez, alta sensibilidade e ampla largura de banda. Aqui, o elemento de detecção deve ser mantido com alguma “força de reação” contra o corpo – normalmente usando um design de sino maciço convencional como para um estetoscópio acústico direto. Uma vez que o sinal de pressão dinâmica foi convertido em um sinal elétrico, o conteúdo da informação pode ser aprimorado por filtragem ou amplificação seletiva, reproduzido como um sinal de áudio, analisado usando algoritmos mais complexos para detectar condições específicas, transferido por link de dados para estação base remota para posterior análise e armazenamento, e assim por diante. O uso de um sensor acústico compacto significa que mais de um ponto pode ser monitorado simultaneamente.

Afastando-se do contato direto com o corpo, tanto a película piezoelétrica quanto o cabo piezoelétrico foram usados como parte de um colchão para detectar batimentos cardíacos, respiração e movimento corporal de um paciente. Um conjunto de sensores pode ser integrado a um cobreleito de colchão que mede passivamente as informações do paciente enquanto ele está deitado ou sentado sobre esses dispositivos de coleta, fornecendo medições precisas mesmo através de roupas, aventais ou lençóis. A “presença” estática é detectada por interruptores flexíveis, enquanto os elementos da película piezoelétrica convertem todos os sinais dinâmicos vitais do paciente em sinais elétricos correspondentes, que podem ser exibidos em uma unidade de cabeceira do leito com lógica de alarme. O sistema pode alertar antecipadamente sobre anormalidades de frequência cardíaca ou respiratória, bem como sobre a saída não autorizada do leito, tudo sem contato direto com o paciente.