Publicação

Translation of medical devices: thermal properties of biological tissues and a nasogastric tube detector device

Detalhes bibliográficos
Resumo:	A translação de equipamentos médicos surge como complemente ao nível científico e de desenvolvimento dos mesmos. Ao nível do seu desenvolvimento surge a investigação e, consequentemente, a otimização de novos produtos para mercado médico. Esta dissertação de mestrado aborda a otimização de equipamentos já no mercado, os quais necessitam de maior desenvolvimento, de modo a colmatar falhas inerentes. Adicionalmente, a dissertação aborda o desenvolvimento de um novo dispositivo médico, nomeadamente na validação do conceito para a sua conceção. Aplicações hipertérmicas são procedimentos que utilizam energia eletromagnética de modo a induzir um aumento de temperatura para modificar ou destruir tecidos alvo, como tumores. A interação do campo eletromagnético com o tecido biológico e determinada pelas propriedades dielétricas e térmicas do tecido. Enquanto que as propriedades térmicas determinam a distribuição do calor e o aumento da temperatura nos tecidos biológicos. A caraterização das propriedades dielétricas e térmicas e importante no desenvolvimento de planos de tratamento aquando da utilização de aplicações hipertérmicas. Diversos estudos tem sido desenvolvidos de modo a caracterizar as propriedades dielétricas do tecido. Contudo, muito poucos estudos foram realizados de modo a determinar as propriedades térmicas dos tecidos (condutividade térmica, capacidade volumétrica calorifica especifica e difusidade térmica), nomeadamente a sua dependência com a temperatura e composição de água. Os estudos realizados modelam as propriedades térmicas dependentes da temperatura baseando-se em equações lineares. Adicionalmente, a determinação das propriedades térmicas esta limitada a estudos a temperatura ambiente ou corporal, sem ter em conta as suas alterações com o aumento de temperatura, perfusão sanguínea ou da composição de agua no tecido. A caraterização das propriedades térmicas de diversos tecidos biológicos foi realizada neste estudo. Foi utilizado fígado de ovino ex vivo, de modo a estudar a alteração das propriedades térmicas dependendo da sua temperatura, desde a temperatura ambiente ate 95º C. Os resultados mostram que não se verificam alterações nas propriedades térmicas ate aproximadamente 90º C, observando-se significativamente o seu aumento depois da referida temperatura. Adicionalmente, foi realizado um estudo para determinar o comportamento das propriedades térmicas num período de arrefecimento. Deste modo, o tecido foi aquecido até uma temperatura entre 90º C e 95º C, e depois as propriedades térmicas foram medidas ao longo de um arrefecimento controlado. Os resultados mostram que as propriedades térmicas seguem o mesmo comportamento do que havia sido observado durante o seu aquecimento. Ao longo do estudo, a densidade e água perdida devido ao aquecimento do tecido foi avaliada. Os resultados mostram que a densidade do tecido permanece aproximadamente igual ao longo do seu aquecimento. Esta igualdade com a temperatura surge devido a mecanismos de compensação que inter-relacionam a perda de água devido a sua vaporização e o encolhimento do tecido devido a essa perda, resultando numa diminuição do volume relativamente proporcional a percentagem de água perdida. A maior percentagem de perda de água foi observada para temperaturas superiores a 80º C, coincidente com as alterações observadas para as propriedades térmicas do tecido. Um estudo adicional foi conduzido em diferentes tipos de tecidos biológicos, nomeadamente: pulmão, fígado, músculo e rim de ovino ex vivo e em medula óssea de bovino ex vivo. O estudo determinou as propriedades térmicas dos tecidos a temperatura ambiente e corporal. Resultados semelhantes foram obtidos para as propriedades térmicas do fígado, rim e músculo. Estes três tecidos apresentam caraterísticas semelhantes ao nível de densidade e composição de água. Contudo tal semelhança não se verificou para a medula óssea (que apresenta baixa composição de agua) e para o pulmão (que apresenta baixa densidade). Esta caraterização implica que em aplicações ao nível de hipertermia diferenças na condução de calor permanecem iguais independentemente da temperatura. Um método de deteção de uma sonda nasogástrica foi desenvolvido durante esta dissertação de modo a facilitar a sua deteção no interior do organismo. Sondas nasogástrica são utilizadas por pacientes que tem dificuldade de deglutição ou que estão a ser ventilados por mecanismos externos. Estas sondas, tem como principal função alimentar e fornecer medicação via oral aos pacientes que estão internados. As sondas são introduzidas via cavidade nasal ate ao estomago, sendo a sua colocação complexa, visto que na laringofaringe a sonda pode ser introduzida erroneamente, entrando assim nas vias respiratórias. Estatisticamente, cerca de 3-4 % das sondas nasogástrica são introduzidas incorretamente em pacientes. Neste momento, apenas dois métodos de deteção são recomendados: um teste pH feito ao fluido aspirado pela sonda, ao qual se verifica a sua acidez comprovando que se encontra no estomago; o estomago apresenta um pH muito mais acido que os pulmões. Outro teste recomendado e a radiografia ao tórax, no qual se observa o trajeto do tubo ao longo do organismo, e se verifica onde se encontra a sua ponta. Ambos os testes apresentam grande ocorrência de falso positivos, e adicionalmente, impõem ao paciente grandes tempos de espera, sem este ser alimentado ou medicado, de modo a confirmação da correta posição da sonda nasogástrica. O método de deteção foi primordialmente desenvolvido de modo a validar o conceito de deteção. Foi utilizado como deteção um mecanismo de indução eletromagnética entre dois indutores que estão dimensionados para oscilarem a mesma frequência de ressonância. Deste modo, um simples circuito LC – circuito recetor – foi criado para ser colocado no interior da ponta da sonda nasogástrica, enquanto um outro circuito de maiores dimensões – circuito transmissor – foi desenvolvido para se acoplar ao circuito recetor. Ao circuito transmissor e aplicada uma corrente alternada com frequência igual a frequência de ressonância. Quando existe transferência de energia entre os dois circuitos, significa que ambos os circuitos estão acoplados, evidenciando onde se encontra anatomicamente o circuito recetor, ou seja, onde se encontra a ponta da sonda nasogástrica. Devido às diferenças anatómicas de localização dos órgãos em causa é possível identificar externamente ao organismo, se a ponta da sonda se encontra no estomago ou nos pulmões. Este método de deteção facilita a confirmação da posição da sonda nasogástrica num período de tempo bastante curto, e possibilita a sua reconfirmação ao longo do tempo. Apresenta ainda como vantagens a diminuição da radiação a que os pacientes são expostos, não sendo necessário radiografias para confirmar a posição da sonda. Adicionalmente, apresenta vantagens ao nível de custos e recursos ao nível do sistema de saúde. Tanto a caraterização das propriedades térmicas ao nível dos tecidos biológicos, nomeadamente a sua dependência com a temperatura como composição de água, assim como, o conceito de prova demonstrados, permitirão avanços tecnológicos ao nível do desenvolvimento e otimização de equipamentos médicos, obviamente especializados a cada uma das áreas.
Autores principais:	Silva, Nuno Pereira da
Assunto:	Aplicações hipertérmicas Propriedades térmicas Sonda nasogástrica Indução magnética Teses de mestrado - 2019
Ano:	2019
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	A translação de equipamentos médicos surge como complemente ao nível científico e de desenvolvimento dos mesmos. Ao nível do seu desenvolvimento surge a investigação e, consequentemente, a otimização de novos produtos para mercado médico. Esta dissertação de mestrado aborda a otimização de equipamentos já no mercado, os quais necessitam de maior desenvolvimento, de modo a colmatar falhas inerentes. Adicionalmente, a dissertação aborda o desenvolvimento de um novo dispositivo médico, nomeadamente na validação do conceito para a sua conceção. Aplicações hipertérmicas são procedimentos que utilizam energia eletromagnética de modo a induzir um aumento de temperatura para modificar ou destruir tecidos alvo, como tumores. A interação do campo eletromagnético com o tecido biológico e determinada pelas propriedades dielétricas e térmicas do tecido. Enquanto que as propriedades térmicas determinam a distribuição do calor e o aumento da temperatura nos tecidos biológicos. A caraterização das propriedades dielétricas e térmicas e importante no desenvolvimento de planos de tratamento aquando da utilização de aplicações hipertérmicas. Diversos estudos tem sido desenvolvidos de modo a caracterizar as propriedades dielétricas do tecido. Contudo, muito poucos estudos foram realizados de modo a determinar as propriedades térmicas dos tecidos (condutividade térmica, capacidade volumétrica calorifica especifica e difusidade térmica), nomeadamente a sua dependência com a temperatura e composição de água. Os estudos realizados modelam as propriedades térmicas dependentes da temperatura baseando-se em equações lineares. Adicionalmente, a determinação das propriedades térmicas esta limitada a estudos a temperatura ambiente ou corporal, sem ter em conta as suas alterações com o aumento de temperatura, perfusão sanguínea ou da composição de agua no tecido. A caraterização das propriedades térmicas de diversos tecidos biológicos foi realizada neste estudo. Foi utilizado fígado de ovino ex vivo, de modo a estudar a alteração das propriedades térmicas dependendo da sua temperatura, desde a temperatura ambiente ate 95º C. Os resultados mostram que não se verificam alterações nas propriedades térmicas ate aproximadamente 90º C, observando-se significativamente o seu aumento depois da referida temperatura. Adicionalmente, foi realizado um estudo para determinar o comportamento das propriedades térmicas num período de arrefecimento. Deste modo, o tecido foi aquecido até uma temperatura entre 90º C e 95º C, e depois as propriedades térmicas foram medidas ao longo de um arrefecimento controlado. Os resultados mostram que as propriedades térmicas seguem o mesmo comportamento do que havia sido observado durante o seu aquecimento. Ao longo do estudo, a densidade e água perdida devido ao aquecimento do tecido foi avaliada. Os resultados mostram que a densidade do tecido permanece aproximadamente igual ao longo do seu aquecimento. Esta igualdade com a temperatura surge devido a mecanismos de compensação que inter-relacionam a perda de água devido a sua vaporização e o encolhimento do tecido devido a essa perda, resultando numa diminuição do volume relativamente proporcional a percentagem de água perdida. A maior percentagem de perda de água foi observada para temperaturas superiores a 80º C, coincidente com as alterações observadas para as propriedades térmicas do tecido. Um estudo adicional foi conduzido em diferentes tipos de tecidos biológicos, nomeadamente: pulmão, fígado, músculo e rim de ovino ex vivo e em medula óssea de bovino ex vivo. O estudo determinou as propriedades térmicas dos tecidos a temperatura ambiente e corporal. Resultados semelhantes foram obtidos para as propriedades térmicas do fígado, rim e músculo. Estes três tecidos apresentam caraterísticas semelhantes ao nível de densidade e composição de água. Contudo tal semelhança não se verificou para a medula óssea (que apresenta baixa composição de agua) e para o pulmão (que apresenta baixa densidade). Esta caraterização implica que em aplicações ao nível de hipertermia diferenças na condução de calor permanecem iguais independentemente da temperatura. Um método de deteção de uma sonda nasogástrica foi desenvolvido durante esta dissertação de modo a facilitar a sua deteção no interior do organismo. Sondas nasogástrica são utilizadas por pacientes que tem dificuldade de deglutição ou que estão a ser ventilados por mecanismos externos. Estas sondas, tem como principal função alimentar e fornecer medicação via oral aos pacientes que estão internados. As sondas são introduzidas via cavidade nasal ate ao estomago, sendo a sua colocação complexa, visto que na laringofaringe a sonda pode ser introduzida erroneamente, entrando assim nas vias respiratórias. Estatisticamente, cerca de 3-4 % das sondas nasogástrica são introduzidas incorretamente em pacientes. Neste momento, apenas dois métodos de deteção são recomendados: um teste pH feito ao fluido aspirado pela sonda, ao qual se verifica a sua acidez comprovando que se encontra no estomago; o estomago apresenta um pH muito mais acido que os pulmões. Outro teste recomendado e a radiografia ao tórax, no qual se observa o trajeto do tubo ao longo do organismo, e se verifica onde se encontra a sua ponta. Ambos os testes apresentam grande ocorrência de falso positivos, e adicionalmente, impõem ao paciente grandes tempos de espera, sem este ser alimentado ou medicado, de modo a confirmação da correta posição da sonda nasogástrica. O método de deteção foi primordialmente desenvolvido de modo a validar o conceito de deteção. Foi utilizado como deteção um mecanismo de indução eletromagnética entre dois indutores que estão dimensionados para oscilarem a mesma frequência de ressonância. Deste modo, um simples circuito LC – circuito recetor – foi criado para ser colocado no interior da ponta da sonda nasogástrica, enquanto um outro circuito de maiores dimensões – circuito transmissor – foi desenvolvido para se acoplar ao circuito recetor. Ao circuito transmissor e aplicada uma corrente alternada com frequência igual a frequência de ressonância. Quando existe transferência de energia entre os dois circuitos, significa que ambos os circuitos estão acoplados, evidenciando onde se encontra anatomicamente o circuito recetor, ou seja, onde se encontra a ponta da sonda nasogástrica. Devido às diferenças anatómicas de localização dos órgãos em causa é possível identificar externamente ao organismo, se a ponta da sonda se encontra no estomago ou nos pulmões. Este método de deteção facilita a confirmação da posição da sonda nasogástrica num período de tempo bastante curto, e possibilita a sua reconfirmação ao longo do tempo. Apresenta ainda como vantagens a diminuição da radiação a que os pacientes são expostos, não sendo necessário radiografias para confirmar a posição da sonda. Adicionalmente, apresenta vantagens ao nível de custos e recursos ao nível do sistema de saúde. Tanto a caraterização das propriedades térmicas ao nível dos tecidos biológicos, nomeadamente a sua dependência com a temperatura como composição de água, assim como, o conceito de prova demonstrados, permitirão avanços tecnológicos ao nível do desenvolvimento e otimização de equipamentos médicos, obviamente especializados a cada uma das áreas.