Tehnici folosite în explorarea biomedicală. Traductoare

 

1. Introducere

2. Traductoare mecanoelectrice

3. Traductoare termoelectrice

4. Traductoare fotoelectrice

5. Traductoare magnetoelectrice

6. Traductoare pentru radiaţii radioactive

 

Introducere

 

O serie de tehnici frecvent utilizate în explorarea biomedicală permit

obţinerea de informaţii privind sistemele biologice investigate pe baza

transformării semnalelor primite de aceste sisteme în semnale electrice, uşor de

generat, de măsurat şi de prelucrat. Dispozitivele care transformă mărimile fizice

de diverse tipuri în mărimi electrice se numesc traductoare electrice. În funcţie

de mărimea neelectrică tradusă în mărime electrică se pot distinge mai multe

tipuri de traductoare: mecanoelectrice, termoelectrice, fotoelectrice,

fonoelectrice, magnetoelectrice, pentru radiaţii radioactive.

 

Traductoarele mecanoelectrice

 

Traductoarele mecanoelectrice transformă o mărime mecanică

(deplasare, forţă, presiune etc.) într-o mărime electrică sau în variaţia unei

mărimi electrice. Dintre traductoarele mecanoelectrice fac parte traductoarele

piezoelectrice şi traductoarele electrodinamice care sunt traductoare dinamice,

adică traductoare care operează cu variaţii ale unor mărimi mecanice.

Traductoarele piezoelectrice, utilizate pentru producerea şi recepţionarea

ultrasunetelor, au la baza funcţionării lor proprietatea unor cristale (cuarţ, sarea

Seignette etc.), tăiate după anumite plane geometrice, de a separa pe feţele

opuse sarcini electrice în urma unor solicitări mecanice exterioare (figura). În

cazul în care variaţiile de presiune sunt datorate unor vibraţii mecanice de o

anumită frecvenţă (cum ar fi undele acustice din domeniul ultrasunetelor), prin

plasarea unor electrozi pe cele două feţe opuse ale cristalului se poate culege o

tensiune electrică alternativă, a cărei mărime este direct proporţională cu

presiunea aplicată.

În cazul traductoarelor electrodinamice, mărimea care duce la apariţia

unei tensiuni electromotoare într-o bobină este variaţia unui flux magnetic,

provocată de o mişcare mecanică (figura).

 

Spre deosebire de traductoarele dinamice, traductoarele mecanice statice

operează cu mărimi mecanice constante. Un asemenea exemplu este cel al

traductorului mecanoelectric cu lichid, în care mişcarea mecanică este măsurată

prin rezistenţa electrică a unui ansamblu format dintr-un fir metalic nepolarizabil

şi o soluţie de electrolit în care firul se poate cufunda mai mult sau mai puţin

(figura).

 

Traductoarele fonoelectrice sunt microfoane electrodinamice, capacitive

sau piezoelectrice, capabile să preia şi să transmită fidel semnale acustice cu

frecvenţe de până la 1000 Hz; aceste microfoane sunt prevăzute cu un inel de

cauciuc şi se aplică pe piele, în zona precordială (există şi microfoane

miniaturizate ce pot fi introduce în vasele de sânge sau în inimă cu ajutorul unor

sonde).

 

 

Traductoarele termoelectrice

 

Traductoarele termoelectrice îşi bazează funcţionarea pe modificarea cu

temperatura a unor parametri electrici. Exemple de traductoare termoelectrice

sunt: termometrele cu rezistenţă metalică, termocuplul şi traductoarele pentru

termografie.

Termometrele cu rezistenţă metalică se bazează pe dependenţa de

temperatură a rezistenţei unui fir metalic: R = R0 (1 + aDT).

Termocuplul funcţionează pe baza efectului Seebeck. Dacă două

joncţiuni a două metale diferite (de ex. Cu şi Ni) sunt menţinute la temperaturi

diferite, între cele două joncţiuni va lua naştere o tensiune electromotoare direct

proporţională cu diferenţa celor două temperaturi. Dacă una dintre joncţiuni este

menţinută la o temperatură constantă (de obicei 00C, prin plasarea ei într-un

termos ce conţine un amestec de apă şi gheaţă), numită temperatură de

referinţă, t.e.m. măsurată va da informaţii privind modificările de temperatură ale

zonei în care este plasată cealaltă joncţiune (figura). Folosind termocupluri

miniaturizate se pot măsura în acest fel temperaturi ale unor volume foarte mici

de ţesut.

Traductoarele pentru termografie sunt detectoare de radiaţii infraroşii

realizate din aliaje speciale (In/Sb sau HgTe/CdTe); aceste detectoare sunt

sensibile la radiaţiile infraroşii din domeniile de temperatură caracteristice

corpului uman (în jur de 37°C). Detectorul este menţinut la 70 K cu ajutorul

azotului lichid. Suprafaţa corpului este baleiată (parcursă punct cu punct),

folosindu-se un sistem optic şi mecanic, prevăzut cu oglinzi şi lentile în infraroşu

iar imaginea care arată distribuţia temperaturii pielii apare pe ecranul unui

monitor.

 

 

Traductoarele fotoelectrice

 

Traductoarele fotoelectrice transformă semnalele luminoase în semnale

electrice. Din această categorie de traductoare fac parte celula fotoelectrică,

fotomultiplicatorul, fotorezistenţele, fotodiodele, fototranzistoarele şi

fotoelementele. Traductoarele fotoelectrice pot fi întâlnite în componenţa unor

dispozitive complexe, utilizate în imagistica medicală.

 

Celula fotoelectrică funcţionează pe baza efectului fotoelectric. Efectul

fotoelectric constă în apariţia sau variaţia unui curent electric într-un circuit sub

acţiunea radiaţiilor luminoase care cad pe unul din elementele ce compun acel

circuit. În varianta ei cea mai simplă, celula fotoelectrică constă dintr-o incintă de

sticlă, de formă sferică, vidată, în care se află cei doi electrozi conectaţi la un

circuit exterior (figura). Catodul este reprezentat de un strat de metal

fotosensibil (de regulă un metal alcalin – potasiu, cesiu, aliaj de potasiu-cesiu,

cadmiu etc.) depus pe o parte a peretelui interior al incintei. Prin iluminare,

fotocatodul emite, în toate direcţiile, electroni care sunt captaţi de anod, astfel

încât în circuitul exterior va apărea un curent electric. Prin aplicarea unei

diferenţe de potenţial (asigurată de o sursă exterioară) între electrozi, la o

anumită valoare a tensiunii aplicate, toţi electronii emişi de fotocatod vor intra în

circuitul exterior. Curentul fotoelectric intră în regimul de saturaţie, astfel încât se

poate asigura proporţionalitatea curentului cu fluxul luminos care cade pe catod.

Fotomultiplicatorul, spre doesebire de celula fotoelectrică, are interpus

între fotocatod şi anod un dispozitiv de multiplicare a electronilor, constituit dintr-

o serie de electrozi intermediari, numiţi dinode (figura). Prin lovirea primei dinode

de către un electron emis de fotocatod, vor fi smulşi alţi electroni. La rândul lor,

aceşti electroni vor smulge, fiecare, alţi electroni din dinoda următoare ş.a.m.d.

Dinodele sunt conectate la potenţiale crescătoare, astfel încât, între doi electrozi

succesivi, particulele vor fi accelerate şi, prin creşterea energiei lor cinetice, vor fi

capabile să smulgă unor număr de electroni din ce în ce mai mare. Va rezulta un

efect de multiplicare (1010) şi electronii emişi din ultima dinodă vor fi culeşi pe

anod, unde vor da naştere unui puls electric foarte scurt (10 -8 s). Acest puls va fi

înregistrat de un dispozitiv electronic, înserat într-o instalaţie cu un grad de

complexitate mai mic sau mai mare, în funcţie de scopul în care se utilizează

respectivul sistem de traducere a semnalului luminos în semnal electric.

Fotorezistenţele sunt semiconductori care îşi modifică rezistenţa

electrică  proporţional cu fluxul luminos care cade pe ele. Pentru a deveni

traductori fotoelectrici, fotorezistenţele trebuie incluse într-un circuit electric

prevăzut cu sursă de curent continuu şi cu ampermetru destinat măsurării

curentului care trece prin fotorezistenţă. Fotorezistenţele sunt sensibile la o

gamă largă de frecvenţe ale radiaţiilor electromagnetice, de la radiaţiile infraroşii

până la radiaţiile X.

În cazul fotodiodelor şi fototranzistoarelor, curentul electric se obţine

prin iluminarea joncţiunilor dintre semiconductori. Ele trebuie, de asemnea, să fie

inserate într-un circuit electric prevăzut cu o sursă exterioară de alimentare cu

curent continuu.

Fotoelementele (celule fotovoltaice sau celule cu strat de baraj)

(figura) sunt dispozitive fotoelectrice care nu au nevoie de o sursă exterioară de

curent pentru a funcţiona. La iluminare, între electrozii fotoelementului ia naştere

o diferenţă de potenţial care poate fi măsurată cu un voltmetru. Un asemenea

fotoelement este cel cu oxid cupros (Cu2O). Pe o placă de Cu, care reprezintă

unul dintre electrozi, se aplică un strat subţire de oxid cupros, iar peste acesta un

strat de Au foarte subţire, transparent pentru lumină. Stratul de Au constituie al

doilea electrod. Iluminând stratul de Cu2O (prin stratul transparent de Au), acesta

va emite fotoelectroni care se deplasează spre stratul de Cu. Stratul de baraj este

stratul de contact dintre Cu2O şi Cu care permite trecerea electronilor într-un

singur sens (efect de redresare). Prin unirea capetelor celor doi electrozi cu un fir

conductor, în circuit apare un curent electric măsurabil. Un fotoelement care

funcţionează în mod asemănător este celula cu seleniu.

 

Traductoarele magnetoelectrice

 

Traductoarele magnetoelectrice sunt utilizate pentru detectarea variaţiilor

câmpului magnetic asociat biocurenţilor electrici; ele permit realizarea unor

magnetograme (magnetocardiograme, magnetoencefalograme etc.) care aduc

informaţii suplimentare faţă de electrogramele corespunzătoare (EKG, EEG etc.).

Traductorul magnetoelectric este un magnetometru supraconductor, care

utilizează una sau mai multe spire răcite sub temperatura critică (ce le asigură

calitatea de supraconductor) şi plasate în apropierea organului investigat, fără a

intra în contact cu corpul pacientului. Variaţiile fluxului magnetic generează în

spire curenţi electrici induşi care sunt amplificaţi şi înregistraţi.

 

Traductoarele pentru radiaţii radioactive

 

Traductoarele pentru radiaţii radioactive (sau detectoarele de

radiaţii) sunt utilizate în diferite tehnici medicale, în special în cele imagistice. În

general, pentru detectarea radiaţiilor radioactive, se utilizează fie proprietatea

acestor radiaţii de a ioniza gazele prin care trec, fie proprietatea de a produce

luminescenţa unor substanţe solide sau lichide (scintilaţii).

Principiul de funcţionarea a detectoarelor cu gaz este următorul: într-o

incintă conţinând un gaz se află doi electrozi cărora li se aplică o tensiune U

constantă. Dacă prin această incintă trece o particulă radioactivă, se produce

ionizarea gazului cu formare de perechi de ioni. În absenţa unui câmp electric

ionii se recombină şi nu se va decela nici un efect. Dacă, însă, electrozii sunt

conectaţi la o anumită tensiune, ionii pozitivi şi negativi se vor deplasa către cei

doi electrozi şi vor modifica tensiunea la borne, generând un semnal electric. În

funcţie de tensiunea aplicată, se disting trei regimuri de funcţionare, respectiv

trei tipuri de detectoare cu gaz: camerele de ionizare, contoarele proporţionale şi

contorul Geiger-Müller. Mai frecvent utilzate sunt camerele de ionizare şi contorul

Geiger-Müller.

 

În camera de ionizare (figura) se aplică o tensiune care permite

culegerea de către electrozi a tuturor ionilor formaţi la trecerea unei particule

radioactive. Deoarece numărul de ioni produşi de o particulă este mult prea mic

pentru a produce o cantitate de electricitate detectabilă, camera de ionizare se

foloseşte pentru măsurarea dozei incidente într-un interval de timp dat, prin

măsurarea efectelor cumulate în acest interval de timp. Camerele de ionizare pot

fi utilizate, de exemplu, pentru măsurarea dozei adiministrate în radioterapie.

În contorul Geiger-Müller, tensiunea aplicată electrozilor este suficient de

mare pentru ca ionii produşi prin ionizarea primară (rezultatul direct al trecerii

radiaţiei ionizante) să capete energia necesară pentru a smulge la rândul lor alţi

electroni ai atomiilor gazului prin care trec şi a produce astfel o ionizare

secundară. Detectorul Geiger- Müller este un tub cilindric ce conţine un gaz (sau

un amestec de gaze) izolat de aerul atmosferic. Peretele metalic sau metalizat al

cilindrului este electrodul negativ, cel pozitiv fiind un fir central (dispus pe axul

cilindrului) iar diferenţa de potenţial între electrozi este de 500 - 1000 V.

Pătrunderea în cilindru a unui electron ß sau a unui foton X sau gamma este

urmată de apariţia unei perechi de ioni, rezultaţi din smulgerea unui electron

aparţinând unei molecule de gaz. Cei doi ioni sunt atraşi de electrozii cu semn

contrar şi, în drumul către ei, ciocnesc şi ionizează multe alte molecule de gaz.

Noii ioni astfel produşi sunt, la rândul lor, atraşi de electrozi, rezultatul fiind o

ionizare în avalanşă, care duce la o cădere bruscă de tensiune în circuit (sesizată

ca un impuls, de către un numărător de impulsuri, şi producând un pocnet într-un

difuzor). Numărul de impulsuri este proporţional cu doza incidentă, iar numărul

de impulsuri pe unitatea de timp măsoară debitul dozei incidente (figura).

 

Detectoarele cu scintilaţie sunt, în momentul de faţă, cel mai frecvent

utilizate detectoare de radiaţii în aparatura biomedicală. În tehnicile imagistice

ele sunt întâlnite, de exemplu, la instalaţiile de tomografie computerizată cu

radiaţii X sau cu emisie de pozitroni ori la cele scintigrafice. Părţile principale ale

unui detector cu scintilaţie sunt cristalul scintilator şi fotomultiplicatorul (figura).

Cristalul scintilator este, de regulă, un cristal de NaI, activat cu thaliu. În urma

interacţiunii radiaţiei incidente cu cristalul, în acesta au loc ionizări şi excitări ale

moleculelor sale. Moleculele excitate revin pe nivelul fundamental emiţând

radiaţii luminoase (scintilaţii) vizilbile sau în UV apropiat. Radiaţiile luminoase cad

pe fotocatodul fotomultiplicatorului şi acesta emite electroni care sunt amplificaţi

de către dinode. La anod se culege un puls electric care poate fi înregistrat într-

un dispozitiv electronic (numărător de impulsuri).

Există şi scintilatori lichizi care se folosesc în cazul în care proba

urmărită este un emiţător de radiaţii b foarte slab. În acest caz, proba se

amestecă cu lichidul de scintilaţie şi nivelul luminescenţei acestuia va fi

proporţional cu numărul de radiaţii b (electroni) emise.

Pentru supravegherea expunerii la radiaţii a personalului din unităţile

nucleare, se utilizează dozimetre bazate fie pe gradul voalării unui film fotografic

(fotodozimetru), fie pe apropierea foiţelor unui electroscop miniaturizat,

încărcat în prealabil (stilodozimetru), ambele dozimetre fiind la purtător şi

cercetate periodic pentru notarea dozei de radiaţie încasate.