Non-Invasive Hemodynamic Parameters Assessment using Optoelectronic Devices

摘要

A grande incidência das doenças cardiovasculares no mundo estimulou a procura de novas soluções que permitam a deteção precoce de processos patológicos associados a este tipo de doenças. Especial ênfase foi dada a métodos que permitem a monitorização da pressão arterial e da forma de onda de pressão arterial, que fornecem uma ferramenta precisa que complementa o diagnóstico baseado em múltiplos parâmetros. Da análise das características da forma de onda da pressão arterial, e da sua velocidade de propagação, podem ser extraídas importantes parâmetros clínicos de modo a avaliar o risco cardiovascular, a adaptação vascular e a eficácia terapêutica. O uso de múltiplos parâmetros permite minimizar erros na estimação de um dos parâmetros. As soluções emergentes para a monitorização cardiovascular têm-se afastado de tecnologias invasivas e caras para soluções não invasivas e sem contacto. Neste sentido, os sistemas ópticos apresentam uma grande vantagem devido ao grande progresso tecnológico sofrido nas últimas décadas. A natureza de não contacto desta tecnologia permite a medição sem distorção da forma da onda arterial ultrapassando as limitações dos aparelhos comerciais usados para este tipo de avaliação. O principal objetivo deste trabalho consistia em demonstrar que é possível adquirir através do uso de uma metodologia óptica, a forma da onda de pressão arterial sem contacto, com uma configuração que permite medir a velocidade onda de pulso (VOP) local e determinar os principais parâmetros usando algoritmos dedicados. Foram desenvolvidos quatro protótipos: três baseados em luz não-coerente e um em luz coerente. As sondas foram desenvolvidas usando uma configuração comum, composta por dois fotodetectores distanciados de 2 cm, o que garante a deteção da onda de pulso em dois pontos distintos e permite uma determinação rigorosa do tempo de trânsito. Nas sondas de luz não-coerente foram testados três fotodetectores: fotodíodos de avalanche, fotodíodos planares, e fotodíodos de efeito lateral (LEP). Os componentes do sistema óptico (protótipos das sondas e caixa de aquisição) foram desenhados com as características físicas que permitem o uso clínico, como a portabilidade, o tamanho compacto, leves, de baixo consumo e com materiais de baixo custo, ergonómicas para o operador e confortáveis para o paciente, de modo a serem consideradas uma solução interessante para a comercialização. Os testes in vivo permitiram a seleção da melhor combinação sonda/algoritmo para a determinação da PWV, usando o método da correlação e a sonda baseada em fotodíodos planares que demonstrou ser mais eficiente para a aquisição de sinais em humanos. O sistema óptico desenvolvido mostrou boa reprodutibilidade na avaliação inter e intra-operador. Um estudo alargado foi desenvolvido em 131 sujeitos jovens, com um valor médio PWV de 33.33±0.72 ms-1, confirmando o seu aumento com a idade. O teste comparativo entre a onda de distensão medida com o sistema óptico na carótida e o perfil da onda de pressão adquirida invasivamente por um cateter intra-arterial mostrou uma grande correlação entre as duas ondas (valor médio de 0.958), validando a capacidade das sondas ópticas para estimar a forma da onda de pulso de modo não-invasivo e sem contacto. A sonda óptica baseada em luz coerente foi testada em combinação com algoritmos de processamento de sinal baseados nos métodos short time Fourier transform e empirical mode decomposition, demonstrando ser capaz de determinar os pontos característicos da forma de onda com baixo erro (menor que 5ms). Uma configuração alternativa foi testada usando um fotodetector com uma maior área que permitiu obter o efeito de self-mixing fora da cavidade laser. Esta característica abriu a possibilidade de construir uma nova sonda adaptada a esta nova técnica de modo a melhorar a qualidade do sinal e permitir uma aplicação biomédica. Globalmente, os resultados obtidos para a metodologias desenvolvidas (protótipos e ferramentas de processamento de sinal associados) mostraram ser possível de medir a onda de pulso arterial na carótida, para determinar vários parâmetros clínicos e avaliar a condição cardiovascular.