A crescente demanda por biossensores é uma resposta ao crescimento do mercado de saúde, inovação tecnológica, envelhecimento da população e aumento da existência de doenças graves. Embora os biossensores sejam normalmente usados para monitorar sistemas de fermentação e biocatalisadores, eles também são eficazes na detecção de materiais biológicos, como enzimas, células inteiras e tecidos. Por causa disso, os biossensores vestíveis (wearables) estão sendo adotados rapidamente no setor de saúde. Os biossensores vestíveis são dispositivos projetados para relatar dados fisiológicos em tempo real, usando marcadores bioquímicos para medições. Eles permitem que os parâmetros corporais de um indivíduo sejam monitorados local ou remotamente, possibilitando o compartilhamento de informações com profissionais de saúde em tempo real. Isso é especialmente útil para a crescente população idosa. A crescente demanda por testes no local de atendimento, medicina personalizada, testes de laboratório econômicos e sistemas analíticos integrados traz novas oportunidades de inovação. Este módulo de aprendizagem discute os conceitos básicos de biossensores vestíveis, incluindo seus tipos, operação e aplicações.
Objetivos
Após a conclusão deste artigo, você será capaz de:
- Descrever wearables e biossensores
- Compreender o conceito básico e operação de wearables e biossensores
- Discutir os diferentes tipos de biossensores
- Explicar como diferentes biossensores são aplicados em wearables
Conceitos Básicos
Um sensor é um dispositivo que converte um estímulo ou sinal, como calor, pressão ou movimento, em um sinal elétrico quantificável. Um biossensor desempenha uma função semelhante, reconhecendo analitos biológicos ou químicos específicos. Os biossensores contêm elementos chamados biorreceptores, moléculas que reconhecem analitos específicos. Exemplos de biorreceptores incluem enzimas, anticorpos, tecidos ou células, ou DNA/RNA. Os biossensores são usados em aplicações como monitoramento de doenças, detecção de poluentes e descoberta de medicamentos. Eles são classificados em diferentes grupos com base no método de transdução de sinal: óptico, eletroquímico, termométrico, piezoelétrico ou magnético.
A Figura 1 mostra um diagrama de blocos de um mecanismo de biossensor típico. O elemento biológico interage com o analito e o transdutor converte as respostas biológicas em um sinal elétrico. Um circuito de condicionamento de sinal recebe a saída do transdutor, processa-a e exibe os resultados.
Wearables são dispositivos eletrônicos que podem ser usados confortavelmente no corpo. Os wearables comuns incluem smartwatches, roupas, óculos inteligentes, patches e anéis. Os biossensores wearables, ou seja, vestíveis, são dispositivos que auxiliam no monitoramento de parâmetros biológicos vitais e são usados para rastrear atividades da vida diária. A sua utilização permite a medição contínua e constante dos dados biométricos. As informações em tempo real coletadas podem ser enviadas sem fio para provedores de assistência médica ou monitores.
Análise
Nesta seção, discutiremos vários biossensores de diferentes fabricantes e analisaremos seus princípios operacionais, recursos e usos.
Sensores Ópticos (Série SFH) da AMS OSRAM:
Os sensores da série SFH da AMS OSRAM são dispositivos optoeletrônicos compactos que usam LEDs e fotodiodos para monitorar a frequência cardíaca e a saturação de oxigênio. O LED transmite luz através das veias e artérias. O pulso do corpo cria uma pressão que causa uma mudança de volume, alterando a forma como as veias e artérias transmitem ou refletem essa luz. O fotodiodo mede a luz transmitida e refletida, fornecendo informações sobre a frequência cardíaca. A Figura 3 ilustra este mecanismo de detecção.
A saturação de oxigênio é determinada medindo a absorção de hemoglobina no sangue. A hemoglobina oxigenada (HbO2) absorve a luz de maneira diferente da hemoglobina não oxigenada (Hb). A hemoglobina não oxigenada (Hb) absorve maiores quantidades de luz vermelha, com comprimento de onda em torno de 660 nm. A hemoglobina oxigenada (HbO2) absorve maiores quantidades de luz infravermelha, possuindo comprimento de onda em torno de 960 nm. Para medir a saturação de oxigênio, LEDs vermelhos e infravermelhos iluminam a pele e um fotodetector mede a diferença na absorção. A fórmula a seguir é usada para calcular o nível de SpO2 (saturação de oxigênio) por meio do uso de diferentes níveis de absorção (Hb vs. HbO2):
O valor de SpO2 é o quociente dos valores medidos.
A absorção de luz no sangue humano depende principalmente do teor de oxigênio da hemoglobina. A Figura 4 ilustra o espectro de absorção do sangue humano, comparando a absorção de hemoglobina (Hb) e hemoglobina oxigenada (HbO2) em vários comprimentos de onda de luz. Também inclui a responsividade espectral do fotodiodo.
Há mais absorção ocorrendo em comprimentos de onda mais curtos (do azul ao amarelo), o que indica que a luz verde funciona melhor para aplicações de medição do coração. A luz vermelha e infravermelha pode ser usada para áreas com maior concentração de sangue arterial, como pontas dos dedos, orelhas e testa. As aplicações de oximetria de pulso também podem usar luz de comprimento de onda mais longo (do vermelho ao infravermelho).
O SFH 7050 é um módulo integrado que contém um oxímetro de pulso e um monitor de frequência cardíaca. A Figura 5 ilustra os diferentes blocos funcionais deste sistema de monitoramento de saúde.
Sensores de fluxo SpiroQuant H da Honeywell:
O sensor de fluxo SpiroQuant Tipo H da Honeywell é um conversor de pressão diferencial projetado para aplicações médicas, especificamente a medição do fluxo de gás respiratório. É um sensor de fluxo passivo e deve ser conectado a um medidor de pressão diferencial compatível.
Sensores de fluxo SpiroQuant A+ da Honeywell:
Os sensores de fluxo SpiroQuant A+ da Honeywell medem o volume do fluxo de gás em máquinas de anestesia e ventiladores. Eles operam com base no princípio da anemometria de fio quente de temperatura constante, que afirma que a quantidade de calor removida de um sensor de temperatura por um fluido ou gás em fluxo pode ser usada para determinar a velocidade do fluido. À medida que a temperatura do fio diminui, a resistência do fio também diminui. A mudança na resistência pode ser medida com uma ponte de Wheatstone.
O Sensor SpiroQuant A+ funciona em conjunto com o Módulo de Fluxo SpiroQuant MAX. O módulo funciona como o circuito de condicionamento de sinal do sensor. O módulo opera em modo de temperatura constante e gera um sinal proporcional ao valor real da vazão.
A Figura 8 descreve como os dados de fluxo são exibidos no sistema.
Sensor de temperatura do corpo humano (MAX30205) da Maxim:
O MAX30205 da Maxim é um sensor de temperatura que mede a temperatura corporal e fornece informações do paciente aos profissionais de saúde. A temperatura do corpo humano é um indicador primário para a saúde metabólica. Este dispositivo é uma solução simples para aplicações médicas e de fitness vestíveis.
O sensor de temperatura MAX30205 na plataforma de sensor de saúde MAXREFDES100# da Maxim (HSP) mede com precisão a temperatura externa do paciente. O MAX30205 converte medições de temperatura para um formato digital usando um conversor analógico-digital (ADC) sigma-delta de alta resolução. Sua precisão atende ASTM E1112, o padrão para termometria clínica especificado pela ASTM International. Os dados são enviados com o protocolo de comunicação I2C padrão, simplificando a integração.
A Figura 9 mostra um circuito de aplicação típico do MAX30205.
Sensores magnéticos MR da TDK:
O sensor magnético MR do tipo spintrônica da TDK é um sensor biomagnético compacto que mede sinais biomagnéticos fracos, como campos magnéticos cardíacos. Conforme mostrado na Figura 10, o elemento MR é composto por um filme fino de material não magnético colocado entre dois filmes ferromagnéticos finos. Um dos filmes ferromagnéticos é uma camada livre. A direção da magnetização na camada livre segue a direção do campo magnético externo. O outro filme ferromagnético é uma camada fixada (ou fixa). A resistência do elemento muda com a diferença na direção da magnetização entre a camada livre e a de pinos, permitindo que a intensidade do campo magnético seja determinada a partir da magnitude da corrente. Os sensores magnéticos do tipo spintrônica foram desenvolvidos pela aplicação da tecnologia de película fina, originalmente cultivada por meio da fabricação de cabeçotes de disco rígido (HDD).
Acelerômetro MEMS (ADXL362) de dispositivos analógicos
O acelerômetro ADXL362 MEMS da Analog Devices é um sistema completo de medição de aceleração de 3 eixos. Com um consumo de energia inferior a 2 µA a uma taxa de dados de saída de 100 Hz e 270 µA quando o movimento é acionado no modo de despertar, o ADXL362 é adequado para uso em dispositivos vestíveis alimentados por bateria. Ele é capaz de detectar anomalias no movimento humano, incluindo marcha instável, concussão ou queda. Ele pode até monitorar a postura enquanto o sujeito está em repouso. O acelerômetro se comunica com o protocolo SPI padrão. Possui lógica digital integrada para operação autônoma e economia de energia no nível do sistema.
Faixa de monitoramento de sono da TE Connectivity
A faixa do monitoramento de sono da TE Connectivity é uma faixa de filme Piezo (polímero PVDF piezoelétrico) com 800 mm de comprimento e 8 mm de largura. Com espessura de apenas 50 mícrons, a faixa de polímero é altamente flexível e, quando colocada sob o corpo, é quase imperceptível. A faixa de monitorar sono produz uma saída de carga ou tensão quando submetida a tensão dinâmica (mudança de comprimento). É capaz de detectar sons do coração, mudanças na carga ou mudanças no centro de gravidade causadas pela respiração. Um exame desses sinais durante um período prolongado pode indicar duração, fase e qualidade do sono. Não requer alimentação externa e é adequado para uso com equipamentos operados por bateria.
Os sinais de uma fonte piezoelétrica podem ser medidos tanto pela carga gerada (Q) quanto pela tensão (V). Desde que o sensor não esteja conectado a mais nada, essas medições estão diretamente relacionadas à capacitância do elemento sensor (C). Isso significa Q = C×V ou V = Q/C.
Inclinômetro de três eixos (SCL3300-D01) da Murata:
O inclinômetro SCL3300-D0 é um acelerômetro de 3 eixos projetado para uso em sensores de leito. Sua tecnologia é baseada no princípio balistocardiográfico (BCG); quando o coração bombeia sangue, há um movimento de recuo na direção oposta. O acelerômetro ultrassensível capta esse micromovimento e o envia para o BCGMCU-D01, um microcontrolador com algoritmos especialmente projetados que extraem a frequência cardíaca e muitos outros sinais vitais do sinal.
O sistema fornece sinais vitais, como frequência cardíaca, frequência respiratória e variabilidade da frequência cardíaca (correlaciona-se com o nível de estresse). Ele também fornece informações sobre o volume sistólico relativo (quanto sangue o coração bombeia) e indica o estado da cama (cama vazia, paciente na cama, paciente se movendo na cama). A Figura 13 mostra um sinal de saída típico do SCL3300-D01.
O SCL3300-D0 fornece a saída de ângulo com base na tecnologia capacitiva 3D-MEMS da Murata. Como um biossensor vestível, seus recursos incluem detecção de inclinação, monitoramento de integridade estrutural e um sistema de posicionamento e orientação.
Aplicações
Os biossensores estão presentes em diversas áreas, desde saúde e alimentação até aplicações ambientais. Nesta seção, discutiremos várias situações onde os biossensores são usados.
Sistemas de monitoramento de motorista (DMS):
O erro humano é uma das principais causas de acidentes de trânsito; isso inclui excesso de velocidade, direção embriagada e infrações de trânsito. Fadiga e distrações são os principais contribuintes. Um sistema de monitoramento do motorista (DMS) monitora continuamente o motorista em todos os momentos, desempenhando um papel em tornar as estradas mais seguras.
Um princípio de um DMS é monitorar os olhos do motorista. É assim que funciona. Um emissor infravermelho (IR) transmite luz infravermelha, que é refletida pela córnea dos olhos do motorista. Uma câmera equipada com um sensor de imagem CMOS captura o IR refletido. O movimento dos olhos é rastreado e o movimento usado para determinar se o motorista está alerta e focado no tráfego. O tamanho da pupila pode ser usado para indicar a vigilância do motorista. Além disso, o movimento da pálpebra do motorista é um indicador de fadiga.
A Figura 14 ilustra um DMS que usa singular emissor de infravermelho e uma câmera com o sensor infravermelho para rastrear o movimento dos olhos do motorista.
O rastreamento ocular requer um sistema de iluminação de alta qualidade. A fonte de luz deve ser potente o suficiente para realizar sua tarefa à luz do dia, mas suave e difusa para que os olhos do motorista não fiquem irritados. Os emissores de infravermelho FIREFLY® SFH 4030 da OSRAM, com um comprimento de onda de 940nm, estão agora firmemente estabelecidos para esta finalidade. Eles são compactos em design, poderosos e suportam uma variedade de ângulos de feixe. Eles incluem VCSELs (laser emissor de superfície de cavidade vertical), uma fonte de luz compacta e confiável que produz a distribuição de luz desejada. Os VCSELs emitem uma faixa muito estreita de luz, minimizando o indesejável efeito de brilho vermelho da luz infravermelha. Além disso, VCSELs podem ser usados para reconhecimento facial. Além dos recursos de segurança, o reconhecimento facial pode ser usado para recursos de conveniência, como ajuste da posição do assento ou dos espelhos para cada motorista.
Sistemas de monitoramento do sono:
Os sistemas de monitoramento do sono usam sensores capazes de monitorar parâmetros fisiológicos, como frequência cardíaca e respiratória, em conjunto com condições ambientais, como temperatura e umidade. De acordo com a Mayo Clinic, a apneia obstrutiva do sono é o distúrbio respiratório relacionado ao sono mais comum. Com a apneia do sono, o padrão respiratório do paciente é repetidamente interrompido. Os pacientes com apneia do sono às vezes roncam e muitas vezes se sentem cansados mesmo depois de uma noite inteira de sono. Os sensores usados neste sistema podem rastrear variáveis relacionadas ao sono ou à respiração, como movimentos corporais, níveis de oxigênio no sangue e fluxo de ar.
A Figura 15 mostra uma variedade de sensores para monitorar o sono, que incluem os seguintes:
- Um sensor de sono de filme piezo com função de monitoramento do sono acompanha a atividade física, frequência respiratória, frequência cardíaca e ciclos de sono. O sensor de sono de filme piezo 10184000-01 da TE Connectivity foi projetado para esse tipo de aplicação.
- Os sensores foto-ópticos de SpO2 podem medir a oxigenação do sangue por meios não invasivos. Os conjuntos emissores da série ELM-4000 da TE Connectivity são adequados para esta aplicação, pois seu design atende a aplicações médicas em que é necessária uma seleção de comprimentos de onda. O material da fonte de emissão usado nesses sensores é GaAIAs em conjunto com GaAIP.
- Os sensores de fluxo de ar de baixa pressão, como a série LMI da TE Connectivity, são usados para medir a pressão durante a inspiração e a expiração. O fluxo de gás é medido através de um canal de microfluxo integrado no chip do sensor. A tecnologia LMI da TE permite alta sensibilidade, especialmente para o fluxo de ar de pressão ultra baixa.
Glossário
- Analito: a substância que está sendo detectada ou medida.
- Anticorpos: proteínas especializadas que se ligam quimicamente a antígenos (substâncias estranhas, como bactérias e vírus, que levam o corpo a produzir uma resposta imune específica).
- ASIC (circuito integrado de aplicação específica): um microchip projetado e fabricado sob medida para uma aplicação específica.
- Biorreceptor: um elemento biológico que reconhece o analito. Enzimas, anticorpos, células e ácido desoxirribonucléico (DNA) são alguns exemplos de biorreceptores. Bioreconhecimento refere-se ao procedimento de geração de sinal (que pode incluir luz, carga, calor, mudanças no pH e mais) quando o biorreceptor reage com o analito.
- CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar): a tecnologia de semicondutor usada nos transistores fabricados na maioria dos microprocessadores, microcontroladores, chips de memória e circuitos lógicos digitais.
- Eletrocardiograma (ECG): exame que registra a atividade elétrica do coração por meio de eletrodos colocados na pele. A atividade elétrica do coração é representada em um gráfico de tensão versus tempo.
- Enzimas: substâncias que atuam como catalisadores nos organismos vivos, acelerando e regulando as reações químicas.
- GaAIAs (Gallium-Aluminum-Arsenide): um composto semicondutor usado em LEDs, lasers de diodo e certos detectores.
- GaAIP (Gallium-Aluminum-Phosphide): um composto semicondutor, frequentemente usado em LEDs.
- Anemometria de fio quente: uma técnica usada para medir a velocidade dos fluidos. Um fio quente é colocado em um fluxo de fluido; a perda de calor no fio pode ser medida e usada para determinar a velocidade e a direção do fluido.
- Imunossensores: um biossensor que combina anticorpos com um transdutor, que produz um sinal mensurável em resposta a mudanças na concentração de uma biomolécula alvo.
- Circuito Inter Integrado (I2C, I2C ou IIC): uma interface de barramento de comunicação serial síncrona, multicontrolador/multi alvo.
- MEMS (sistemas microeletromecânicos): uma tecnologia usada para criar pequenos dispositivos que combinam componentes mecânicos e elétricos. Os dispositivos MEMS podem variar em tamanho de alguns micrômetros a milímetros.
- Saturação de oxigênio (SpO2): uma medida da hemoglobina saturada de oxigênio em relação à hemoglobina total no sangue.
- pH (potencial de hidrogênio): uma medida da acidez ou alcalinidade (basicidade) de uma solução aquosa. É medido em uma escala de 0 a 14. Um valor de pH de 7 é neutro, o que significa que não é ácido nem básico. Um valor de pH inferior a 7 significa que é mais ácido e um valor de pH superior a 7 significa que é mais básico.
- Oximetria de pulso: um método não invasivo de medir a saturação de oxigênio no sangue.
- Polímero PVDF ou Difluoreto de Polivinilideno (PVDF): um polímero especial com propriedades piroelétricas e piezoelétricas usado em produtos de alta pureza, alta resistência e alta resistência química. Tem aplicações nos campos elétrico, eletrônico, biomédico e de construção.
- RS-232 (Recommended Standard 232): um padrão para transmissão de dados por comunicação serial.
- SPI (Serial Peripheral Interface): uma interface de comunicação serial síncrona usada para comunicação de curta distância.
- Esterilização: um processo que remove, mata ou desativa todas as formas de vida e outros agentes biológicos presentes em uma superfície, objeto ou fluido específico.
- Transdutor: um elemento que transforma uma forma de energia em outra. O transdutor dentro de um biossensor muda a resposta de bio-reconhecimento para um sinal elétrico mensurável.
- VCSEL (Vertical-cavity Surface-emitting Laser): um diodo laser baseado em semicondutor que emite verticalmente um feixe óptico de sua superfície superior.
Conclusão
As tecnologias e dispositivos de biossensores vestíveis discutidos neste módulo de aprendizado podem ser usados para monitorar vários parâmetros, incluindo frequência cardíaca, temperatura corporal, SpO2, nível de glicose no sangue e fadiga. Sua natureza não invasiva e flexível torna os pacientes mais confortáveis, uma vantagem vital para o diagnóstico e tratamento de doenças. Os biossensores vestíveis permitem testes em tempo real e multifuncionais e podem realizar monitoramento contínuo e de longo prazo em cuidados médicos clínicos.
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* Texto originalmente publicado em: link, adaptado pela Equipe Embarcados
