Tehnici folosite in explorarea biomedicala. Traductoare

Tehnici folosite in explorarea biomedicala. Traductoare

1. Introducere

2. Traductoare mecanoelectrice

3. Traductoare termoelectrice

4. Traductoare fotoelectrice

5. Traductoare magnetoelectrice

6. Traductoare pentru radiatii radioactive

Introducere

O serie de tehnici frecvent utilizate in explorarea biomedicala permit obtinerea de informatii privind sistemele biologice investigate pe baza transformarii semnalelor primite de aceste sisteme in semnale electrice, usor de generat, de masurat si de prelucrat. Dispozitivele care transforma marimile fizice de diverse tipuri in marimi electrice se numesc traductoare electrice. In functie de marimea neelectrica tradusa in marime electrica se pot distinge mai multe tipuri de traductoare: mecanoelectrice, termoelectrice, fotoelectrice, fonoelectrice, magnetoelectrice, pentru radiatii radioactive.

Traductoarele mecanoelectrice

Traductoarele mecanoelectrice transforma o marime mecanica (deplasare, forta, presiune etc.) intr-o marime electrica sau in variatia unei marimi electrice. Dintre traductoarele mecanoelectrice fac parte traductoarele piezoelectrice si traductoarele electrodinamice care sunt traductoare dinamice, adica traductoare care opereaza cu variatii ale unor marimi mecanice.

Traductoarele piezoelectrice, utilizate pentru producerea si receptionarea ultrasunetelor, au la baza functionarii lor proprietatea unor cristale (cuart, sarea Seignette etc.), taiate dupa anumite plane geometrice, de a separa pe fetele opuse sarcini electrice in urma unor solicitari mecanice exterioare (figura).  In cazul in care variatiile de presiune sunt datorate unor vibratii mecanice de o anumita frecventa (cum ar fi undele acustice din domeniul ultrasunetelor), prin plasarea unor electrozi pe cele doua fete opuse ale cristalului se poate culege o tensiune electrica alternativa, a carei marime este direct proportionala cu presiunea aplicata.

In cazul traductoarelor electrodinamice, marimea care duce la aparitia unei tensiuni electromotoare intr-o bobina este variatia unui flux magnetic, provocata de o miscare mecanica (figura).

Spre deosebire de traductoarele dinamice, traductoarele mecanice statice opereaza cu marimi mecanice constante. Un asemenea exemplu este cel al traductorului mecanoelectric cu lichid, in care miscarea mecanica este masurata prin rezistenta electrica a unui ansamblu format dintr-un fir metalic nepolarizabil si o solutie de electrolit in care firul se poate cufunda mai mult sau mai putin (figura).

Traductoarele fonoelectrice sunt microfoane electrodinamice, capacitive sau piezoelectrice, capabile sa preia si sa transmita fidel semnale acustice cu frecvente de pana la 1000 Hz; aceste microfoane sunt prevazute cu un inel de cauciuc si se aplica pe piele, in zona precordiala (exista si microfoane miniaturizate ce pot fi introduce in vasele de sange sau in inima cu ajutorul unor sonde).

Traductoarele termoelectrice

Traductoarele termoelectrice isi bazeaza functionarea pe modificarea cu temperatura a unor parametri electrici. Exemple de traductoare termoelectrice sunt: termometrele cu rezistenta metalica, termocuplul si traductoarele pentru termografie.

Termometrele cu rezistenta metalica se bazeaza pe dependenta de temperatura a rezistentei unui fir metalic: R = R₀ (1 + aDT).

Termocuplul functioneaza pe baza efectului Seebeck. Daca doua jonctiuni a doua metale diferite (de ex. Cu si Ni) sunt mentinute la temperaturi diferite, intre cele doua jonctiuni va lua nastere o tensiune electromotoare direct proportionala cu diferenta celor doua temperaturi. Daca una dintre jonctiuni este mentinuta la o temperatura constanta (de obicei 0⁰C, prin plasarea ei intr-un termos ce contine un amestec de apa si gheata), numita temperatura de referinta, t.e.m. masurata va da informatii privind modificarile de temperatura ale zonei in care este plasata cealalta jonctiune (figura). Folosind termocupluri miniaturizate se pot masura in acest fel temperaturi ale unor volume foarte mici de tesut.

Traductoarele pentru termografie sunt detectoare de radiatii infrarosii realizate din aliaje speciale (In/Sb sau HgTe/CdTe); aceste detectoare sunt sensibile la radiatiile infrarosii din domeniile de temperatura caracteristice corpului uman (in jur de 37°C). Detectorul este mentinut la 70 K cu ajutorul azotului lichid. Suprafata corpului este baleiata (parcursa punct cu punct), folosindu-se un sistem optic si mecanic, prevazut cu oglinzi si lentile in infrarosu iar imaginea care arata distributia temperaturii pielii apare pe ecranul unui monitor.

Traductoarele fotoelectrice

Traductoarele fotoelectrice transforma semnalele luminoase in semnale electrice. Din aceasta categorie de traductoare fac parte celula fotoelectrica, fotomultiplicatorul, fotorezistentele, fotodiodele, fototranzistoarele si fotoelementele. Traductoarele fotoelectrice pot fi intalnite in componenta unor dispozitive complexe, utilizate in imagistica medicala.

Celula fotoelectrica functioneaza pe baza efectului fotoelectric. Efectul fotoelectric consta in aparitia sau variatia unui curent electric intr-un circuit sub actiunea radiatiilor luminoase care cad pe unul din elementele ce compun acel circuit. In varianta ei cea mai simpla, celula fotoelectrica consta dintr-o incinta de sticla, de forma sferica, vidata, in care se afla cei doi electrozi conectati la un circuit exterior (figura). Catodul este reprezentat de un  strat de metal fotosensibil (de regula un metal alcalin - potasiu, cesiu, aliaj de potasiu-cesiu, cadmiu etc.) depus pe o parte a peretelui interior al incintei. Prin iluminare, fotocatodul emite, in toate directiile, electroni care sunt captati de anod, astfel incat in circuitul exterior va aparea un curent electric. Prin aplicarea unei diferente de potential (asigurata de o sursa exterioara) intre electrozi, la o anumita valoare a tensiunii aplicate, toti electronii emisi de fotocatod vor intra in circuitul exterior. Curentul fotoelectric intra in regimul de saturatie, astfel incat se poate asigura proportionalitatea curentului cu fluxul luminos care cade pe catod.

Fotomultiplicatorul, spre doesebire de celula fotoelectrica, are interpus intre fotocatod si anod un dispozitiv de multiplicare a electronilor, constituit dintr-o serie de electrozi intermediari, numiti dinode (figura). Prin lovirea primei dinode de catre un electron emis de fotocatod, vor fi smulsi alti electroni. La randul lor, acesti electroni vor smulge, fiecare, alti electroni din dinoda urmatoare s.a.m.d. Dinodele sunt conectate la potentiale crescatoare, astfel incat, intre doi electrozi succesivi, particulele vor fi accelerate si, prin cresterea energiei lor cinetice, vor fi capabile sa smulga unor numar de electroni din ce in ce mai mare. Va rezulta un efect de multiplicare (10¹⁰) si electronii emisi din ultima dinoda vor fi culesi pe anod, unde vor da nastere unui puls electric foarte scurt (10^-8 s). Acest puls va fi inregistrat de un dispozitiv electronic, inserat intr-o instalatie cu un grad de complexitate mai mic sau mai mare, in functie de scopul in care se utilizeaza respectivul sistem de traducere a semnalului luminos in semnal electric.

Fotorezistentele sunt semiconductori care isi modifica rezistenta electrica  proportional cu fluxul luminos care cade pe ele. Pentru a deveni traductori fotoelectrici, fotorezistentele trebuie incluse intr-un circuit electric prevazut cu sursa de curent continuu si cu ampermetru destinat masurarii curentului care trece prin fotorezistenta. Fotorezistentele sunt sensibile la o gama larga de frecvente ale radiatiilor electromagnetice, de la radiatiile infrarosii pana la radiatiile X.

In cazul fotodiodelor si fototranzistoarelor, curentul electric se obtine prin iluminarea jonctiunilor dintre semiconductori. Ele trebuie, de asemnea, sa fie inserate intr-un circuit electric prevazut cu o  sursa exterioara de alimentare cu curent continuu.

Fotoelementele (celule fotovoltaice sau celule cu strat de baraj)(figura) sunt dispozitive fotoelectrice care nu au nevoie de o sursa exterioara de curent pentru a functiona. La iluminare, intre electrozii fotoelementului ia nastere o diferenta de potential care poate fi masurata cu un voltmetru. Un asemenea fotoelement este cel cu oxid cupros (Cu₂O). Pe o placa de Cu, care reprezinta unul dintre electrozi, se aplica un strat subtire de oxid cupros, iar peste acesta un strat de Au foarte subtire, transparent pentru lumina.  Stratul de Au constituie al doilea electrod. Iluminand stratul de Cu₂O (prin stratul transparent de Au), acesta va emite fotoelectroni care se deplaseaza spre stratul de Cu. Stratul de baraj este stratul de contact dintre Cu₂O si Cu care permite trecerea electronilor intr-un singur sens (efect de redresare). Prin unirea capetelor celor doi electrozi cu un fir conductor, in circuit apare un curent electric masurabil. Un fotoelement care functioneaza in mod asemanator este celula cu seleniu.

Traductoarele magnetoelectrice

Traductoarele magnetoelectrice sunt utilizate pentru detectarea variatiilor campului magnetic asociat biocurentilor electrici; ele permit realizarea unor magnetograme (magnetocardiograme, magnetoencefalograme etc.) care aduc informatii suplimentare fata de electrogramele corespunzatoare (EKG, EEG etc.). Traductorul magnetoelectric este un magnetometru supraconductor, care utilizeaza una sau mai multe spire racite sub temperatura critica (ce le asigura calitatea de supraconductor) si plasate in apropierea organului investigat, fara a intra in contact cu corpul pacientului. Variatiile fluxului magnetic genereaza in spire curenti electrici indusi care sunt amplificati si inregistrati.

Traductoarele pentru radiatii radioactive

Traductoarele pentru radiatii radioactive (sau detectoarele de radiatii) sunt utilizate in diferite tehnici medicale, in special in cele imagistice. In general, pentru detectarea radiatiilor radioactive, se utilizeaza fie proprietatea acestor radiatii de a ioniza gazele prin care trec, fie proprietatea de a produce luminescenta unor substante solide sau lichide (scintilatii).

Principiul de functionarea a detectoarelor cu gaz este urmatorul: intr-o incinta continand un gaz se afla doi electrozi carora li se aplica o tensiune U constanta. Daca prin aceasta incinta trece o particula radioactiva, se produce ionizarea gazului cu formare de perechi de ioni. In absenta unui camp electric ionii se recombina si nu se va decela nici un efect. Daca, insa, electrozii sunt conectati la o anumita tensiune, ionii pozitivi si negativi se vor deplasa catre cei doi electrozi si vor modifica tensiunea la borne, generand un semnal electric. In functie de tensiunea aplicata, se disting trei regimuri de functionare, respectiv trei tipuri de detectoare cu gaz: camerele de ionizare, contoarele proportionale si contorul Geiger-Müller. Mai frecvent utilzate sunt camerele de ionizare si contorul Geiger-Müller.

In camera de ionizare (figura) se aplica o tensiune care permite culegerea de catre electrozi a tuturor ionilor formati la trecerea unei particule radioactive. Deoarece numarul de ioni produsi de o particula este mult prea mic pentru a produce o cantitate de electricitate detectabila, camera de ionizare se foloseste pentru masurarea dozei incidente intr-un interval de timp dat, prin masurarea efectelor cumulate in acest interval de timp. Camerele de ionizare pot fi utilizate, de exemplu, pentru masurarea dozei adiministrate in radioterapie.

In contorul Geiger-Müller, tensiunea aplicata electrozilor este suficient de mare pentru ca ionii produsi prin ionizarea primara (rezultatul direct al trecerii radiatiei ionizante) sa capete energia necesara pentru a smulge la randul lor alti electroni ai atomiilor gazului prin care trec si a produce astfel o ionizare secundara. Detectorul Geiger- Müller este un tub cilindric ce contine 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 diferenta de potential intre electrozi este de 500 - 1000 V. Patrunderea in cilindru a unui electron ß sau a unui foton X sau gamma este urmata de aparitia unei perechi de ioni, rezultati din smulgerea unui electron apartinand unei molecule de gaz. Cei doi ioni sunt atrasi de electrozii cu semn contrar si, in drumul catre ei, ciocnesc si ionizeaza multe alte molecule de gaz. Noii ioni astfel produsi sunt, la randul lor, atrasi de electrozi, rezultatul fiind o ionizare in avalansa, care duce la o cadere brusca de tensiune in circuit (sesizata ca un impuls, de catre un numarator de impulsuri, si producand un pocnet intr-un difuzor). Numarul de impulsuri este proportional cu doza incidenta, iar numarul de impulsuri pe unitatea de timp masoara debitul dozei incidente (figura).

Detectoarele cu scintilatie sunt, in momentul de fata, cel mai frecvent utilizate detectoare de radiatii in aparatura biomedicala. In tehnicile imagistice ele sunt intalnite, de exemplu, la instalatiile de tomografie computerizata cu radiatii X sau cu emisie de pozitroni ori la cele scintigrafice. Partile principale ale unui detector cu scintilatie sunt cristalul scintilator si fotomultiplicatorul (figura). Cristalul scintilator este, de regula, un cristal de NaI, activat cu thaliu. In urma interactiunii radiatiei incidente cu cristalul, in acesta au loc ionizari si excitari ale moleculelor sale. Moleculele excitate revin pe nivelul fundamental emitand radiatii luminoase (scintilatii) vizilbile sau in UV apropiat. Radiatiile luminoase cad pe fotocatodul fotomultiplicatorului si acesta emite electroni care sunt amplificati de catre dinode. La anod se culege un puls electric care poate fi inregistrat intr-un dispozitiv electronic (numarator de impulsuri).

Exista si scintilatori lichizi care se folosesc in cazul in care proba urmarita este un emitator de radiatii  b foarte slab. In acest caz, proba se amesteca cu lichidul de scintilatie si nivelul luminescentei acestuia va fi proportional cu numarul de radiatii b (electroni) emise.

Pentru supravegherea expunerii la radiatii a personalului din unitatile nucleare, se utilizeaza dozimetre bazate fie pe gradul voalarii unui film fotografic (fotodozimetru), fie pe apropierea foitelor unui electroscop miniaturizat, incarcat in prealabil (stilodozimetru), ambele dozimetre fiind la purtator si cercetate periodic pentru notarea dozei de radiatie incasate.