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Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento CARLOS JOSÉ DE LIMA Desenvolvimento de Novos Cateteres com Fibras Ópticas para a Aplicação em Diagnóstico e Terapia Laser São José dos Campos - SP 2008
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Universidade do Vale do Paraíba
Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento
CARLOS JOSÉ DE LIMA
Desenvolvimento de Novos Cateteres com Fibras Ópticas para a
Aplicação em Diagnóstico e Terapia Laser
São José dos Campos - SP
2008
CARLOS JOSÉ DE LIMA
Desenvolvimento de Novos Cateteres com Fibras Ópticas para a
Aplicação em Diagnóstico e Terapia Laser
Tese defendida no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, como complementação dos créditos necessários para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Biomédica.
Orientadores: Prof. Dr. Marcos Tadeu T. Pacheco
Prof. Dra. Stella Regina Zamuner
São José dos Campos - SP
2008
L697d
Lima Carlos JoséDesenvolvimento de novos cateteres com fibras ópticas pÍra aaplicação em
diagnóstico e terapia a laser/ Carlos José de lima. Orientadores: Prof. Dr. MarcosTadzu Tavares kcheco;Profa.Dra. Stela Regina Zamuner. São Jose dos Campos,2008.
1 Disc laser:color
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação emEngenhariaBiomédica do Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento daUniversidade do VaIe do ParaÍba 2008.
1. Cateter / Diagnóstico 2" C-ateter/Terapia 2. Fibra Opti* 3. Raman4.Terapíaa laser. 5. I. Pacheco, Marcos Tadeu T. , Orient. II. Zamuner,Stella Regrna. Orient. III. Títrúo
CDU:615.472.5
Autoúo exclusivamente para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou
parcial desta dissertação, por processos fotocopiadores ou transmissão eletrônica,
desde que citada a fonte.
Assinatura do aluno:
,A*êt LData: 14 deìlovembro de 2008
CARLOS JOSÉ DE LIMA
OODESENVoLvIMENTo DE Novos CATETERES COM FIBRAS ÓPTTCAS PARA A
ArLICAçÃo EM DlAcNÓsrlco E TERAPIA A LASER"
Tese aprovada como requisito parcial à obtenção do grau de Doutor efiÌ Engenharia Biomédica,
do programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, do Instituto de Pesquisa e
Desenvolvimento da Universidade do Vale do Paraíba, São Jose dos Campos, SP, pela seguinte
banca examinadora:
Prof. Dr. ANTONIO G. J. BALBIN VILAVERDE (UNIVAP
Prof. Dr. MARCOS TADEU TAVARES PACHECO (UNIVAP
Prof. Dra. STELLA REGII\A ZAMUNER (UNIVAP
Prof. Dr. JOSE ROBERTO RIOS LEITE (UFPE
Prof. Dr. MURILO ARAUJO ROMERO (USP
Prof. Dra. Sandra Maria Fonseca da Costa
Diretora do IP&D - UniVap
São José dos Campos, 14 de novembro de 2008.
Dedico este trabalho
A minha filha Marcela, ligação eterna através do amor,
A minha esposa Marisa, eterna companheira e amor da minha vida,
À meus pais, que sempre foram exemplo de estímulo e perseverança,
À meus irmãos, pela união da família
Agradecimentos
A Deus, que me deu o presente da vida, e que neste mundo eu seguirei através de minha
filha e sobrinhos.
A minha esposa Marisa, pelo apoio, incentivo e compreensão.
À meus pais, eterna gratidão.
A minha irmã Lia, que sempre me apoiou neste trabalho, e por ser uma guardiã de
minha filha a todo tempo.
Ao Prof. Dr. Marcos Tadeu T. Pacheco,pela amizade e por ter mostrado o caminho
certo durante esta jornada.
Ao Prof. Dr. Antonio G. J. Balbin Villaverde,pela amizade e por ter ajudado em muito
durante as abordagens dos conteúdos do trabalho.
A Profa. Dra. Stella Regina Zamuner, amiga e pelo apoio, incentivo nos momentos
durante a abordagem biológica do trabalho.
Ao Prof. Dr. Leonardo Marmo Moreira, amigo e companheiro que ajudou em muito a
elaboração dos trabalhos científicos.
A Profa. Dra. Juliana Lyon, amiga sempre de prontidão para ajudar.
Ao Prof. Dr. Landulfo Silveira Jr., por co-participar durante os experimentos de
espectroscopia.
Ao Prof. Dr. Álvaro José Damião (IEAv./CTA), amigo que durante minha recuperação
de minha lesão, me apoiou e ajudou em muito no desenvolvimento do trabalho.
Aos amigos, Joeli Ferraz e Luiz Carlos Lavras (IEAv./CTA), pela disponibilidade e
companheirismo durante a realização dos experimentos.
Ao Prof. Dr. José Edimar Barbosa de Oliveira (ITA/CTA), por ser amigo e companheiro
desde longa data.
Ao Prof. Dr. Baptista Gargione Filho, Reitor da Univap, e ao e Prof. Dr. Renato Amaro
Zângaro pela confiança depositada em mim tornando possível à realização deste
trabalho.
“The land of opportunity, the golden chance for me, and my future looks so
bright, now I think I see the light”
Desenvolvimento de Novos Cateteres com Fibras Ópticas para a Aplicação em
Diagnóstico e Terapia Laser
RESUMO
As técnicas de espectroscopia Raman, Fluorescência e Refle tância, utilizando o cateter com fibras ópticas, representam uma associação interessante de “ferramentas” com potencial muito grande na aplicação clínica em termos de diagnóstico e terapia óptica. A presente tese inicia a partir de um artigo de revisão focalizado no estado da arte envolvendo as propriedades dos cateteres com fibras ópticas e suas conseqüentes aplicações em espectroscopia biomédica. Subsequentemente, foi elaborado um estudo avaliando o desenvolvimento optomecânico como também os melhoramentos das técnicas de instrumentação óptica e espectroscópica associado à espectroscopia Raman. Este artigo permite analisar a evolução do cateter com respeito ao seu emprego clínico. Em adição, o cateter com fibras ópticas foi desenvo lvido para ser aplicado em espectroscopia Raman com o objetivo de aumentar a relação sinal ruído (SNR). De fato, este avanço experimental, especificamente focalizado sobre a superfície da extremidade da fibra óptica, foi feito através da deposição de filmes finos, objetivando a elaboração de um filtro óptico do tipo “passa-banda”. A partir deste guia, foi montado um cateter espectroscópico, o qual foi comparado através de medidas de espectroscopia Raman com outro cateter sem filtro.Os resultados desta análise, demonstraram uma significante diminuição do ruído gerado pela fibra óptica devido às propriedades do novo cateter. Durante o processo de deposição do filtro óptico mencionado anteriormente, foi realizado uma metodologia para o desenvolvimento de um sistema para medir filtros ópticos fixados sobre substratos em miniatura como também sobre a extremidade de uma fibra óptica. Estes processos de projeto e montagem destes dispositivos optomecânicos foram adaptados a um espectrofotômetro de absorção tradiciona l com “varredura” de 190 até 1100 nm. Esta técnica de medida demonstrou resultados excelentes com o objetivo de melhorar as aplicações biomédicas de espectroscopias diversas, semelhante como a espectroscopia Raman, envolvendo a otimização das propriedades espectroscópicas do filtro óptico. Este trabalho mostrou também o desenvolvimento de um mecanismo que permite o controle de encurvamento da extremidade distal do cateter com fibras ópticas. De fato, este movimento é feito por um ajuste mecânico externo, resultando na aplicação clínica direta sem qualquer dependência de endoscópio ou outro sistema guia. A tese presente fornece dados originais e relevantes envolvendo engenharia biomédica e outras áreas multidisciplinares e interdisciplinares implicando em perspectivas futuras auspiciosas. Os resultados obtidos neste trabalho são discutidos, em detalhes, em acordo com relatórios recentes da literatura.
Palavras-chave: cateter, filtro óptico, dispositivo optomecânico, mecanismo de
encurvamento.
Development of New Catheters with Optical Fibers for Diagnostic and Laser
Therapy Applications
ABSTRACT
The Raman, fluorescence and reflectance spectroscopy techniques, employing optical fibers catheters, represent an interesting association of “tools” with very large potential in clinical applications in terms of diagnostic and optical therapy. The present thesis initiates from of an article of review focused on the state-of-art involving optical fibers catheter properties and their consequent biomedical spectroscopy applications. Subsequently, it was elaborated a study evaluating the optomechanical development as well as the improvements of the optics and spectroscopic instrumentation techniques associated to Raman spectroscopy. This article allows analyzing the evolution of the catheter with respect to its clinical employment. In addition, optical fibers catheter was developed to be applied in Raman spectroscopy in order to increase the Signal to Noise Ratio (SNR). Indeed, this experimental advancement, specifically focused on fiber optic end surface, was made through a deposition of thin films, aiming the elaboration of a type “band-pass” optical filter. From this guide, it was assembled a spectroscopic catheter, which was compared with another similar unfiltered probe through Raman spectroscopy measurements. The results of this analysis demonstrated a significant decrease of noise generated from the optical fiber due to the properties of the novel probe. During the optical filter deposition process above mentioned, it was realized a development methodology of a system to measure optical filters fixed on miniaturized substrate as well as on the end of optical fiber. These processes of design and assembly of optomechanical devices were adapted to the traditional absorption spectrophotometer with scanning of 190 to 1100 nm. This measurement technique demonstrated excellent results in order to improve the biomedical applications of several spectroscopies, such as Raman spectroscopy, involving the optimization of the spectroscopic properties of the optical filter. This work showed also the development of a mechanism that allows the control of the distal tip bending from the optical fiber catheter. In fact, this movement is made by external mechanical adjustment, resulting in direct clinical applications without any dependence of endoscope or other guide system. The present thesis furnishes original and relevant data involving biomedical engineering and other multidisciplinary and interdisciplinary areas, implying in auspicious future perspectives. The results obtained in this work are discussed, in details, in agreement with recent reports from literature.
Keywords : catheter, optical filter, optomechanical device, mechanism of bending.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 -Análise das ocorrências para cirurgia de grande porte em ambiente clínico ___12
Tabela 2 -Análise das ocorrências para cirurgia utilizando a técnica de
vídeolaparoscopia ________________________________________________13
Tabela 3 - Análise das ocorrênc ias para cirurgia de grande porte em ambiente clínico___14
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Imagem exemplificando a utilização de cateter a fim de acessar órgão para
procedimentos clínicos_____________________________________________________16
Figura 2- Configuração do Cateter Espectroscópico com Fibras Ópticas_____________17
Figura 3- Sistema de Espectroscopia utilizando o Cateter com Fibras Ópticas_________18
Figura 4- Espectro Raman utilizando o Cateter Espectroscópico com Fibras Ópticas, como
amostra foi utilizada válvula cardíaca___________________________________ 21
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ___________________________________________________13
1.1 O Cateter com Fibras Ópticas ______________________________________ 16
1.2 Aplicação Clínica do Cateter _______________________________________ 18
1.3 A Espectroscopia Raman e o Cateter Espectroscópico com Fibras Ópticas _19
1.4 Desenvolvimento de Filtros Ópticos no Cateter Espectroscópico
de Fibras Ópticas_________________________________________________ 21
1.5 Aplicações do Cateter Espectroscópico com Fibras
Óptica sem Terapia Laser__________________________________________21
2OBJETIVO _______________________________________________________23
2.1 Objetivo Geral___________________________________________________23
3RESULTADOS ____________________________________________________24
3.1Artigo Aceito ____________________________________________________ 24
3.2 Artigo Publicado _______________________________________________ 39
3.3 Artigo Aceito ____________________________________________________ 56
3.4 Artigo Submetido ________________________________________________ 78
4 DISCUSSÃO _____________________________________________________ 103
5 CONCLUSÃO ____________________________________________________106
6 TRABALHOS FUTUROS __________________________________________107
REFERÊNCIAS ____________________________________________________108
13
1 INTRODUÇÃO
A medicina em tempos atuais, evoluiu muito em disponibilizar diagnósticos precisos
não invasivos, o que acarretam especificar tratamentos clínicos adequados para patologias
diversas. Entretanto, há doenças que afetam diversos órgãos internos humanos, em que
muitas vezes, demandam procedimentos cirúrgicos para permitir o acesso até o local e
permitir a avaliação clínica necessária, para posterior tratamento específico compatível a fim
de eliminar por completo a patologia diagnosticada. A partir da obtenção de um quadro
clínico, e consequentemente quando há a necessidade de cirurgia de grande porte, vide
tabela 1, resulta não somente em conseqüências não interessantes para o hospital, mas
principalmente acarreta problemas maiores que podem comprometer a integridade física e
consequentemente a qualidade de vida do paciente.
Tabela 1- Análise das ocorrências para cirurgia de grande porte em ambiente clínico.
Ocorrência Grau da Ocorrência
Infecção Alto Risco
Metástase Alto risco
Transfusão de Sangue Probabilidade Elevada
Pós-Operatório Longo
Cicatrizes Tamanho Significativo
Anestesia Geral Necessária
Equipe Médica Grande
Custo Elevado
Tempo de Internação Longo
Necessidade de UTI Grande
14
Outra técnica cirúrgica denominada Vídeo Laparoscopia, apresenta grau de
invasividade menor, conforme tabela 2 a seguir, demonstra ser um procedimento menos
traumático para o paciente, o que também acarreta uma atenuação dos fatores clínicos
críticos em comparação com a tabela 1, esta técnica, ainda sim, apresenta algumas
desvantagens, como por exemplo, a necessidade de pelo menos três incisões junto ao
paciente, e também a rigidez mecânica do sistema não permite acessar determinados órgãos
para o tratamento clínico.
Tabela 2- Análise das ocorrências para cirurgia utilizando a técnica de vídeo
laparoscopia.
Ocorrência Grau da Ocorrência
Infecção Médio Risco
Metástase Médio Risco
Transfusão de Sangue Probabilidade Média
Pós-Operatório Médio
Cicatrizes Tamanho Discreto
Anestesia Geral Necessária
Equipe Médica Média
Custo Médio
Tempo de Internação Médio
Necessidade de UTI Médio
15
Muitas vezes, os tratamentos cirúrgicos, podem ser minimizados em sua invasividade
com a utilização de cateteres, o que entre outras coisas, resulta numa diminuição
considerável do tempo de recuperação da saúde do paciente, tabela 3.
Tabela 3- Análise das ocorrências para cirurgia de grande porte em ambiente clínico.
Ocorrência Grau da Ocorrência
Infecção Risco Mínimo
Metástase Risco Mínimo
Transfusão de Sangue Inexistente
Pós-Operatório Curto
Cicatrizes Muito Discreta
Anestesia Geral Local
Equipe Médica Pequena
Custo Baixo
Tempo de Internação Curto
Necessidade de UTI Inexistente
O cateter em geral apresenta características de diâmetro pequeno e flexibilidade, com
isso, a partir de uma incisão epidérmica muito discreta junto ao paciente, vide figura 1, e
através de um guiamento obedecendo o itinerário anatômico necessário, torna-se possível o
acesso ao órgão desejado em que objetiva-se desenvolver o diagnóstico e/ou tratamento
clínico. Assim, diversos procedimentos cirúrgicos com invasividades muito pequenas
podem ser realizados como por exemplo em cardiologia, urologia, pneumologia, etc..
16
Figura 1 - Imagem exemplificando a utilização de cateter a fim de acessar órgão para procedimentos clínicos.
1.1 O Cateter com Fibras Ópticas
A evolução da tecnologia, hoje, através das técnicas da óptica, espectroscopia, lasers,
ciência dos materiais, etc., disponibilizam a utilização do cateter com fibras ópticas para as
aplicações clínicas, pois, estes guias ópticos apresentam características adequadas de
flexibilidade e diâmetro externo muito pequeno, resultando assim, em uma ferramenta com
potencial significativo para aplicações biomédicas. Est a sonda óptica, permite sua aplicação
médica, em que uma de suas extremidades com invasividade epidérmica mínima, e seguindo
o itinerário segundo a anatomia humana, possibilita o acesso até o órgão, com isso, através
de excitação óptica via laser, disponibiliza uma imagem espectroscópica do tecido biológico
referenciado, assim, com a análise deste dado espectral utilizando-se de técnicas diversas de
tratamento de sinais, é possível a obtenção precisa do diagnóstico tecidual referente à
patologia do órgão considerado.
O cateter óptico para aplicação em espectroscopia, é constituído de fibras ópticas
envoltas em um tubo de polímero flexível biocompatível, esta sonda, aliada com um sistema
de espectroscopia, e através da obtenção de uma imagem espectroscópica, permite a análise
do material biológico a ser estudado [1-5]. A flexibilidade do cateter, aliada ao seu diâmetro
externo de calibre pequeno, apresenta características de acessibilidade evidentes, em termos
de obtenção das medidas espectroscópicas em locais específicos de sistemas operacionais
17
que demandam interferência mínima [6-10]. A extremidade do cateter que acessa o material
a ser analisado através da espectroscopia, recebe a denominação de extremidade distal,
nesta, há uma disposição de fibras ópticas sob forma geométrica regular, em que, num
destes guias ópticos, normalmente centralizado, emerge uma radiação óptica (laser) com
intuito de incidir sobre o material e gerar retro-espalhamento óptico, ainda neste guia, ele se
encerra em outra extremidade denominada excitação laser, é nesta em que há o acoplamento
óptico para ser guiado até a amostra, figura 2.
Figura 2 – Configuração do Cateter Espectroscópico com Fibras Ópticas.
Voltando na extremidade distal do cateter, as outras fibras ópticas excedentes, são
utilizadas para a coleta do sinal óptico de retro-espalhamento proveniente da material a ser
analisado, esta luz, é então guiada até uma terceira extremidade do cateter e
consequentemente acoplar esta radiação até o espectrômetro, figura 3, esta extremidade
recebe a denominação de extremidade proximal, o sinal coletado é acoplado a um fotosensor
do tipo CCD (Charge Coupled Device) de sensibilidade elevada, o qual através de um
sistema eletrônico de interface, disponibiliza o sinal coletado a um computador sob forma
espectral de comprimento de onda versus intensidade.
18
Figura 3 – Sistema de Espectroscopia utilizando o Cateter com Fibras Ópticas.
1.2 Aplicação Clínica do Cateter
Após os estudos evidenciando a utilização do cateter com fibras ópticas em
instrumentação espectroscópica em geral, iniciou-se trabalhos e publicações objetivando-se
a aplicação do dispositivo na área médica [11-15], pois, verificou-se, que devido ao cateter
apresentar flexibilidade e diâmetro pequeno, seria viável o acesso em um determinado órgão
humano, considerando uma invasividade mínima e anatomia fisiológica. Diversos trabalhos
envolvendo estudos de desenvolvimento de cateteres, mostraram diferentes tipos de
montagem na extremidade distal do dispositivo com diferentes quantidades de fibras ópticas
utilizadas [16-20], procurando assim, maximizar a coleta de intensidade de sinal
espectroscópico, sem comprometer as características de flexibilidade, invasividade mínima,
não interrupção dos eventos fisiológicos ocorrentes no local e materiais utilizados de
características biocompatíveis. Em termos de acessibilidade do cateter em órgãos
endoluminais com diâmetros internos pequenos (artérias, brônquios, etc.), há a necessidade
de que este guia óptico, apresente um calibre com valor compatível em relação à
19
aplicabilidade clínica mencionada anteriormente, adicionalmente, em casos onde se deseja
acessar a parede interna deste tipo de órgão, o cateter que apresenta visada lateral em sua
extremidade distal mostra características de medidas espectroscópicas adequadas sem o
comprometimento da atuação fisiológica do órgão [21]. Estudos também evidenciam a
obtenção de cateteres mais eficientes, em que, através da combinação mais adequada de
fibras ópticas utilizadas em termos de abertura numérica [22], associado também ao uso de
materiais constituintes do dispositivo com características de biocompatibilidade e absorção
de luz espalhada entre as partes constituintes do cateter, possibilitem a aquisição de medida
espectral permitindo uma maior relação sinal ruído na instrumentação espectroscópica. Até
recentemente, a aplicação clínica do cateter para acesso a órgãos internos, através das
imagens espectrais via espectroscopia de fluorescência, refletância e Raman, ficava limitado
somente para a obtenção de diagnósticos de patologias diversas com a dependência a outros
sistemas [23-30], adic ionalmente para utilização in vivo, com o objetivo de acessar o órgão a
ser analisado obedecendo todo um itinerário seguindo a anatomia humana, o cateter não
apresentava autonomia para esta aplicação, ou seja, fica dependente de um endoscópio ou
outro sistema de guiamento para permitir a aproximação até o tecido biológico do órgão
desejado.
1.3 A Espectroscopia Raman e o Cateter Espectroscópico com Fibras Ópticas
A técnica de espectroscopia Raman, representa uma “ferramenta” de potencial muito
grande em termos de obtenção de diagnósticos clínicos provenientes de tecidos biológicos,
sua imagem espectral disponibilizada é uma “impressão digital” do órgão a ser analisado
[31-45], permitindo assim uma análise bioquímica do meio biológico acessado, a avaliação
qualitativa e quantitativa do sinal Raman vindouro da amostra, além de poder especificar
patologias sob forma precoce, também possibilita evidenciar eventos bioquímicos gerados
pela atividade biológica [46-52]. Em comparação com a radiação de excitação laser, o sinal
Raman gerado na amostra biológica, apresenta intensidade muito menor, ou seja, para cada
106 a 109 fótons que chegam até o tecido, apenas um fóton representa o espalhamento
Raman obtido [53-54]. A utilização de cateteres espectroscópicos com fibras ópticas, aliado
20
ao espalhamento Raman proveniente da amostra, proporciona excelente aplicabilidade em
termos de diagnóstico clínico. Um inconveniente deste sistema, é que ocorre uma geração de
sinal intra-cateter, que na verdade é devido ao espalhamento Raman do próprio material que
constitui a fibra óptica (sílica), esta radiação gerada, compromete sob forma significativa a
relação sinal ruído do sistema de instrumentação [55-56], a figura 4 a seguir, mostra o
espectro Raman de uma artéria coronária impregnada com cálcio, o gráfico obtido foi
através da utilização de um cateter espectroscópico com fibras ópticas em conjunto com o
sistema de espectroscopia Raman já citado anteriormente [22], pode-se observar a presença
de um pico posicionado em 960 cm-1, em que este é específico do próprio cálcio, neste
espectro observa-se a diferença significativa de intensidade entre o espalhamento Raman
intracateter e o do sinal a partir da amostra, o que compromete em termos de instrumentação
a relação sinal ruído. 96
0cm
-1
0
7500
15000
22500
30000
37500
45000
350 600 850 1100 1350 1600
Deslocamento Raman (cm-1)
Inte
ns. (
u.a.
)
Figura 4 – Espectro Raman a partir de uma amostra artéria coronária com pontos impregnados de calcificação, medida espectral obtida com o cateter Raman de Fibras Ópticas em conjunto com o sistema Raman de espectroscopia.
Algumas técnicas de filtragem ópticas têm sido desenvolvidas, onde se tem posicionado
na extremidade distal do cateter, substratos com filtros ópticos depositados a fim de
minimizar o ruído proveniente do cateter [57-58].
21
1.4 Desenvolvimento de Filtros Ópticos no Cateter Espectroscópico de Fibras
Ópticas
No cateter com fibras ópticas para a espectroscopia Raman, é importante o
desenvolvimento de filtros ópticos para a maximização da relação sinal ruído, com isso,
tem-se desenvolvido trabalhos a fim de fixar em frente à fibra óptica central do cateter, um
filtro óptico do tipo “passa-banda” centrado no comprimento de onda específico da luz do
laser de excitação, ou seja, toda a radiação excedente, principalmente o espalhamento
Raman gerado pelo próprio material do guia na fibra (sílica), fica minimizado. Devido ao
retro-espalhamento da radiação laser a partir da amostra biológica, deve-se evitar que esta
luz acople-se junto às fibras ópticas de coleta, pois, caso contrário, haverá geração de sinal
Raman nestes guias, assim, é necessário que em frente a estas fibras, posicione-se um filtro
óptico do tipo “passa - alta” com comprimento de onda de corte no valor da linha da
radiação laser, assim, apenas o sinal Raman proveniente da amostra, prioritariamente, será
guiado até o espectrômetro [59-64]. Um dos métodos de desenvolvimento destes filtros
ópticos, é feito através de deposições de filmes finos sob forma alternada de dióxido de
silício (SiO 2) e dióxido de titânio (TiO 2) sobre substratos em miniatura para posterior
montagem junto a extremidade distal do cateter espectroscópico com fibras ópticas. Uma
outra opção de montagem desta sonda óptica com os filtros ópticos já citados anteriormente
seria interessante, pois, para a aplicação clínica, é extremamente importante minimizar o
calibre da extremidade distal do cateter, e também tornar mais simples sua construção em
termos de montagem junto à extremidade distal do dispositivo.
1.5 Aplicações do Cateter Espectroscópico com Fibras Ópticas em Terapia Laser
22
A espectroscopia Raman associada ao cateter com fibras ópticas em aplicações clínicas,
permite uma análise bioquímica precisa a partir do tecido biológico acessado, com o avanço
tecnológico do sistema de instrumentação espectroscópico, atualmente, já é possível o
diagnóstico através da técnica de “biopsia óptica”, significa que através da obtenção
espectral a partir da amostra, resulta-se em aquisição de padrão sem a necessidade de
realizar a biópsia tradicional [48] . Em um futuro não muito longínquo, será possível
desenvolver um sistema automatizado (“smart laser system”), em que uma vez obtido o
diagnóstico pelo sistema instrumental, o próprio, se encarregará de emitir uma terapia óptica
compatível em relação à patologia diagnosticada, pode-se citar como exemplo as técnicas de
ablação laser [65-68], “PhotoDynamic Therapy” PDT (Terapia Fotodinâmica) [69-74], e
fotobioestimulação [75-84]. Com isso, é importante disponibilizar uma fibra óptica do
cateter para estas técnicas citadas, procurando contudo, não comprometer a qualidade de
sinal espectral obtido.
23
2 OBJETIVO
2.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo geral, em mostrar as técnicas “optomecânicas” e
ópticas desenvolvidas junto ao cateter espectroscópico de fibras ópticas, a fim de promover
sua evolução em termos de aplicabilidade clínica em diagnóstico e terapia laser em geral.
Estas técnicas estão mostradas detalhadamente conforme as publicações científicas anexadas
junto a este relatório.
24
3 RESULTADOS
3.1 Artigo Publicado
Lima, Carlos José de et al. Optical Fiber Catheter with Distal End Bending Mechanism Control for Raman Biospectroscopy. Instrumentation Science & Technology, v 36, I 1, p 43-55, 2008.
Nesta publicação, foi mostrado o desenvolvimento de um cateter espectroscópico de
fibras ópticas com um sistema mecânico, que permite através de um controle externo via
manopla, flexionar sua extremidade distal, isto acarreta um avanço significativo em termos
de aplicabilidade clínica. Adicionalmente nesta publicação, mostra-se a viabilidade de
utilizar-se uma fibra óptica das de coleta do cateter para terapia a laser, os resultados
evidenciam o não comprometimento da instrumentação em termos de relação sinal ruído.
39
3.2 Artigo Aceito
Lima, Carlos José de et al. Catheter with Dielectric Optical Filter Deposited Upon the Fiber Optic End for Raman In Vivo Biospectroscopy Applications. Spectroscopy. 2008 [in print].
Nesta publicação, foi mostrado o desenvolvimento de um filtro óptico depositado
diretamente sobre a superfície da extremidade na fibra óptica, sendo esta utilizada no cateter
para a guiagem da radiação laser até a amostra. Os resultados evidenciam um aumento na
relação sinal ruído, o que resulta na melhor qualidade do sinal espectroscópico obtido.
56
3.3 Artigo Aceito
Lima, Carlos José de et al. Catheters: Instrumental Advancements in Biomedical Applications of Optical Fibers. Spectroscopy , 2008 [in print].
Este artigo trata de uma revisão (“review”) que aborda o cateter espectroscópico com
fibras ópticas para aplicação biomédica, esta publicação inicia com uma citação básica da
constituição desta sonda óptica, bem como também sua integração com o sistema
espectroscópico e aplicabilidade na área médica em termos de diagnóstico. O texto do
artigo, faz uma abordagem evidenciando o “status quo” do que se tem desenvolvido em
termos de cateteres com tecnologia mais avançada, mostrando também o que o nosso grupo
de pesquisa de Engenharia Biomédica da UNIVAP tem colaborado nesta área.
78
3.4Artigo Submetido
Lima, Carlos José de et al. A Novel Opto-Mechanical System Coupled to a Spectrophotometer for Measuring Coa tings on Small Size Substrates and Optical Fiber Filters Instrumentation Science & Technology 2008.
Este artigo, mostra uma opção de técnica em instrumentação espectroscópica, que permite a
partir de um espectrofotômetro de absorção convencional, a medida de espectro de filtro
óptico depositado em uma superfície da extremidade de uma fibra óptica. Este método de
medição demonstrou também a viabilidade de obter-se espectro de um filtro óptico
depositado sobre a superfície de um substrato em miniatura. Esta técnica, evidenciou ser
importante no desenvolvimento de cateteres com fibras ópticas para a espectroscopia
Raman, em termos de maximização da relação sinal ruído.
103
4 DISCUSSÃO
O cateter com fibras ópticas é uma sonda extremamente importante, pois, em
conjunto com o sistema de espectroscopia, permite a aquisição de sinal espectral
proveniente do tecido biológico, sendo que através de sua análise, resulta em obtenção de
diagnóstico médico. As características de flexibilidade e calibre pequeno do cateter,
disponibilizam sua aplicação clínica resultando em invasividade mínima e acessibilidade até
o órgão desejado. Para a sua utilização in vivo, em que é necessário avaliar
espectroscopicamente a parede interna de um órgão endoluminal com diâmetro pequeno
(artérias, brônquios, etc.), o cateter tradicional de visada frontal não é viável, para isso, o
cateter de visada lateral [21] apresenta uma opção importante para este tipo de aplicação,
especificamente neste tipo de trabalho, toda a montagem realizada e proposta na
extremidade distal deste tipo de cateter, mostra uma geometria e construção em peça única
sem nenhuma interface de sobreposição de substratos, o que além de acarretar maior
confiabilidade mecânica, mostra também um número de reflexões ópticas mínimas na
extremidade distal deste cateter, o que resulta em menor geração de ruído intra-cateter. Com
o resultado mostrado neste trabalho, evidenciando o sistema mecânico que permite o
controle de encurvamento da extremidade distal do cateter através de uma manopla externa,
fica dispensado portanto, quando da utilização clínica, do sistema para guiamento prévio
através de um endoscópio ou outro sistema guia para permitir que o cateter acesse o órgão,
assim, esta sonda pode ser diretamente introduzida no paciente obedecendo um itinerário
anatômico, além disso, durante este processo de incisão, o cateter apresenta características
de visibilidade ao sistema de raio X, pois, o mesmo apresenta características radiopacidade,
possibilitando a monitoração durante este processo clínico. Os cateteres de visada lateral já
tradicionalmente veiculado na literatura cientifica [57], para a utilização clínica em paredes
internas de órgãos endoluminais com diâmetros pequenos, convencionalmente utilizam
sistema “balão” para permitir o encosto da extremidade distal do cateter na parede interna do
órgão, a fim de obter a medida espectral, isto acarreta uma obstrução no canal considerado,
o que fisiologicamente não é adequado, a vantagem do sistema de encurvamento proposto
neste trabalho, é que a própria flexão exercida no cateter já permite que a extremidade distal
104
encoste junto à parede interna do órgão não acarretando em obstrução do canal. O cateter de
visada lateral, associado ao sistema de filtros ópticos depositados diretamente nas
extremidades das fibras ópticas, viabiliza o cateter de espectroscopia Raman para a
aplicação clínica, seria possível através de um substrato pequeno de quartzo (cilindro com 1
mm de diâmetro), reproduzir a semi-esfera via fusão laser com lapidação e polimento do
plano de 450, em que esta parte, seria fixada com adesivo óptico junto às fibras já com os
filtros depositados.
O cateter espectroscópico com fibras óptic as em conjunto com o sistema de controle
de encurvamento, como mostrado, apresenta em sua região da extremidade distal um valor
de diâmetro externo de 1,7 mm, adicionalmente ele apresenta características de
radiopacidade para a monitoração durante a incisão até o órgão, o cateter proposto por Motz
[58] já com a filtragem óptica através de substratos fixados em conjunto com as fibras, sem
nenhum sistema autônomo de guiamento para aplicações clínicas apresenta um diâmetro
externo de 2mm.
O cateter de fibras ópticas com filtragem para a espectroscopia Raman proposto
neste trabalho, evidencia a fixação direta dos filtros ópticos sobre as extremidades polidas
das fibras ópticas, esta opção permite uma montagem mais simplificada na extremidade
distal do cateter, possibilitando também um calibre externo menor desta sonda óptica.
Durante a deposição dos materiais (TiO 2 e SiO2) sobre as extremidades das fibras para a
obtenção do filtro “passa-banda”, posicionou-se também no sistema de deposição de filmes
finos juntamente com as fibras ópticas, um substrato de quartzo de tamanho aproximado de
25 mm de diâmetro, sendo que este também recebeu a deposição dos mesmos materiais
dielétricos já citados anteriormente, uma fita de aderência elevada foi fixada neste filtro
óptico fixado no substrato, após a remoção desta, realizaram-se testes visual e
espectroscópico onde se mostrou a preservação da integridade deste “coating”, isto
evidencia a boa aderência do filtro depositado sobre as fibras ópticas, adicionalmente,
também se sabe das propriedades de biocompatibilidade destes materiais dielétricos
utilizados para o desenvolvimento deste filtro óptico.
Em termos de obtenção de um cateter espectroscópico com fibras ópticas que
minimize o ruído intrafibra, torna-se necessário a implantação de um filtro óptico do tipo
“passa-alta” junto às extremidades das fibras de coleta, resultados preliminares
105
demonstraram proximidade com relação ao filtro adequado. Além disso, para a efetiva
integração deste cateter em termos de maximização da relação sinal ruído, há a necessidade
de utilizar-se fibras ópticas com “blindagem óptica”, o que significa o uso de um guia óptico
com proteção externa metálica, o que comercialmente já é disponível, com isso, evita-se que
“modos vazados” entre as fibras ópticas acabem gerando radiação Raman nestes próprios
guias [58].
As técnicas desenvolvidas neste trabalho com relação ao cateter com fibras ópticas
para a espectroscopia, além de permitir utilizar o sistema Raman para a análise da amostra
biológica, também possibilita realizar esta mesma medida através da espectroscopia de
fluorescência e refletância. Com a disponibilidade de usar uma fibra óptica proveniente do
cateter como já mostrado anteriormente neste trabalho, criou-se a possibilidade de se
desenvolver um sistema de espectroscopia automatizado, que já disponibilize pós
diagnóstico, a terapia a laser via fibra óptica sobre o tecido biológico analisado, este sistema
pode utilizar as várias técnicas de tratamentos ópticos já conhecidos, como por exemplo, a
ablação, a “fotobiestimulação” e o PDT (“Photodynamic Therapy”) (Terapia Fotodinâmica).
106
5 CONCLUSÃO
Os resultados alcançados neste trabalho, através das publicações científicas anexadas
a este relatório, evidenciaram técnicas que permitiram a evolução do cateter espectroscópico
de fibras ópticas para a aplicação biomédica. Os resultados mostraram a viabilidade de
utilizar-se esta sonda óptica para a utilização clínica em termos de disponibilizar diagnóstico
e tratamento óptico via laser.
Com este cateter, torna-se possível a obtenção de informações a partir do tecido
biológico pertencente ao órgão humano, estes dados são imagens espectrais em que através
de sua análise, permite um diagnóstico confiável para a identificação da patologia. A
disponibilidade de uma fibra óptica do cateter, viabiliza tratamento óptico via laser através
das técnicas já citadas.
A técnica desenvolvida junto ao cateter que permite a partir de manopla externa,
seja feito um controle de encurvamento da extremidade distal desta sonda óptica, com isso,
todos os procedimentos clínicos anteriores para acessar o órgão ficam abolidos.
As técnicas de deposição e medição dos filtros ópticos diretamente sobre a superfície
da extremidade da fibra óptica, viabilizaram maior simp licidade em termos de montagem do
cateter para aplicação em espectroscopia Raman.
107
6 TRABALHOS FUTUROS
- Desenvolver o filtro óptico “passa-alta” para as fibras ópticas de coleta de sinal
Raman proveniente do tecido biológico.
- Planejar e especificar a técnica de montagem do cateter já com os filtros
desenvolvidos.
- Desenvolver junto à extremidade distal do cateter, um sistema de “espaçador
óptico” a fim de permitir melhor interação entre as aberturas numéricas das fibras ópticas de
excitação laser e coleta de sinal espectral.
- Aquisição de fibra óptica com “blindagem óptica”, ou seja, este guia apresenta um
revestimento externo protetor de metal (ouro ou alumínio), a espessura desta cobertura é
muito pequena, o que mantém ainda pequeno o diâmetro externo da fibra e
consequentemente o do cateter. Este “coating” metálico protetor evita que modos de luz
“vazados” gerem espalhamento Raman nas fibras ópticas, o que seria prejudicial para a
relação sinal ruído.
- Montagem e testes de um cateter de visada lateral com os filtros ópticos
depositados nas fibras, adicionalmente junto a esta sonda óptica, será realizado também uma
adaptação do sistema mecanismo de controle de encurvamento da extremidade distal do
cateter.
108
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