Contrôle par instrumentation

Muitos fatores influenciam a escolha da freqüência de operação em sistemas biotelemétricos, alguns sendo de ordem técnica e outros de ordem prática.

Benedetti, Birrer e Neukomm (1995) apresentaram um estudo detalhado, onde desenvolveram dez circuitos acoplados indutivamente com várias freqüências de operação. Considerando aspectos físicos, como a distância de transmissão entre as partes, e aspectos técnicos, como a potência do sinal elétrico a ser fornecida a dispositivos remotos implantáveis, a eficiência de cada circuito foi levantada. Dentre os dez circuitos alguns sofreram modificações consideráveis, pois o foco deste trabalho foi a análise em função da variação da distância com freqüências entre 428 kHz e 7,8 MHz e, então, uma comparação pode ser estabelecida, devido a similaridade que os mesmos apresentavam.

A tabela 2-1 apresenta os resultados obtidos comparando a eficiência dos circuitos nas diferentes freqüências utilizadas. Observa-se que a eficiência vai diminuindo com o aumento da freqüência. Um dos fatores que concorrem para isto é a maior estabilidade que os dispositivos que operam em baixas freqüências apresentam; outro fator são os valores de capacitância envolvidos nos circuitos, proporcionalmente maiores que as respectivas capacitâncias parasitas. Aliás, estudos recentes envolvendo acoplamentos indutivos trabalhando na faixa de 400 kHz indicaram a presença de capacitâncias parasitas consideráveis, alterando as características fundamentais dos indutores envolvidos (SCHNEIDER JR., 2004).

Mas as considerações anteriores não podem ser tomadas como definitivas, pois o ruído atmosférico é um dos maiores limitantes para a transmissão em baixas freqüências. De maneira geral, um receptor pode ser concebido para apresentar valores de ruídos muito baixos, porém, quando uma antena é conectada a ele fontes de ruído fora do controle do projetista podem aparecer (MACKAY, 1993)

Tabela 2-1: Análise da eficiência da cada circuito versus a faixa de freqüência utilizada

(adaptado de BENEDETTI, BIRRER e NEUKOMM 1995).

freqüência eficiência 428 kHz 99% 760 kHz 67% 3 MHz 25% 4 MHz 33% 7,8 MHz 5%

Meinzer (1997) fez algumas considerações quanto às faixas de freqüência a serem escolhidas, mencionando as distâncias características de seu alcance e algumas de suas propriedades. De maneira geral, a faixa de 100 kHz até 1 MHz permite transmissões a distâncias de alguns metros, podendo penetrar em tecidos orgânicos com certa facilidade, porém esta faixa é passível de sofrer interferência em larga escala. A faixa de 1 MHz a 100 MHz não é muito utilizada, em virtude do seu comprimento de onda (de 300 a 3 m, respectivamente), que demandam grandes antenas. De 100 MHz a 1 GHz, o tamanho das antenas já é bem menor e a distância das transmissões podem chegar a alguns quilômetros,

mas é nesta faixa que muitos equipamentos industriais, científicos e hospitalares operam, tornando-se fácil a ocorrência de interferências. Acima de 1 GHz a complexidade dos circuitos eleva-se bastante, possibilitando um elevado grau de interferências eletromagnéticas de várias fontes.

Este quadro geral indica que a escolha da faixa de freqüências desejada é uma relação de compromisso entre alguns objetivos. Os de cunho físico, como a profundidade em que o sensor vai ser anexado ao indivíduo monitorado (na pele ou no interior de um músculo), ou ainda a distância em que o sistema irá transmitir, bem como os objetivos técnicos, envolvendo tamanhos de sensores, potência de transmissão do sinal e tamanhos de antena desejados.

Numa análise mais apurada, Mackay (1993) faz observações importantes sobre a escolha da freqüência a ser utilizada e os campos próximo e distante gerados por ondas eletromagnéticas.

Segundo Mackay, as transmissões eletromagnéticas ocorrem sob a influência de dois campos: um que se inicia muito forte e decai rapidamente com a distância e um outro mais fraco que decai vagarosamente com a distância. O campo mais forte (chamado de “campo próximo”), se desenvolve até aproximadamente um sexto do comprimento de onda da freqüência em questão, já o campo mais fraco (chamado de “campo distante”), torna-se dominante a partir deste limite. Então, próximo da origem do sinal somente o “campo próximo” será percebido, com o aumento da distância, somente o campo distante alcançará o receptor.

Em campos distantes o aumento da freqüência tende a melhorar a concentração de energia entregue à antena e há a tendência da redução da interferência de ondas refletidas pelo solo no sinal direto. Mas, em contrapartida, há casos que trabalhando em campos próximos, o aumento da freqüência não aumenta o sinal na antena do receptor. Há de se considerar também que em altas freqüências, superfícies com comprimentos maiores que o da onda transmitida, podem atuar como espelhos, refletindo totalmente o sinal emitido, além disto, outros fatores tais como pedras ou árvores, podem criar zonas de sombra nas transmissões.

O aumento da freqüência proporciona também o aumento das perdas que o sinal pode sofrer ao passar pela madeira, por exemplo, onde o sinal é muito mais atenuado em altas

freqüências do que em baixas freqüências (MACKAY, 1993). Estas perdas manifestam-se também quando o campo eletromagnético se propaga através de meios condutores (atenuando exponencialmente com a distância de penetração). Se a incidência do sinal ocorrer sobre o tecido epitelial, à distância chamada de “profundidade da pele”, o sinal atenua em dois terços da sua energia inicial. Enfim, o fator de atenuação depende da raiz quadrada da condutividade e da freqüência, aumentando com ambas. Observando apropriadamente, a atenuação que a água salgada, ou pele humana pode proporcionar é da ordem de 55 dB / comprimento de onda. Então, lidando com sensores inseridos em tecidos biológicos, baixas freqüências são preferíveis (MACKAY, 1993). Mackay, sugere a expressão abaixo para determinar a freqüência ótima, mantendo um compromisso entre a penetração em tecidos biológicos e o acoplamento magnético: 2 2 4 π.μ.σ.x .n f_o = (2-2)

onde μ e σ são respectivamente a permeabilidade e a condutividade do meio, x é a distância de propagação e n é um fator que depende dos requisitos e das limitações do circuito. Mackay afirma que este último fator aproxima-se de um número inteiro baixo, mas em campos próximos o acoplamento indutivo não muda com a freqüência, então n tende a zero e menores freqüências são as melhores escolhas.

Em suma, a escolha da freqüência a ser utilizada em dispositivos biotelemétricos irá depender do compromisso entre o meio onde as medições serão realizadas, os limitantes técnicos da circuitaria, antenas (permitida pela legislação em vigor) e principalmente pela situação do sensor em relação ao indivíduo monitorado (anexado externa ou internamente aos tecidos biológicos).