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Programa de Ps-graduao em Biologia Geral e Aplicada Distrito de Rubio Jnior s/n CEP 18618-000 Cx Postal 510 Botucatu-SP Brasil Tel (14) 3811-6148 Fax (14) 3811-6148 posgraduacao@ibb.unesp.br
Campus de Botucatu
Instituto de Biocincias PG-BGA
BIOSUSCEPTOMETRIA DE CORRENTE ALTERNADA:
TOMOGRAFIA, VALIDAO E AVALIAO DA MOTILIDADE
FNDICA GSTRICA
MURILO STELZER
Tese apresentada ao Instituto de Biocincias, Campus de Botucatu, UNESP, para obteno do ttulo de Doutor no Programa de Ps-Graduao em Biologia Geral e Aplicada.
Orientador: Jos Ricardo de Arruda Miranda
BOTUCATU SP 2011
Programa de Ps-graduao em Biologia Geral e Aplicada Distrito de Rubio Jnior s/n CEP 18618-000 Cx Postal 510 Botucatu-SP Brasil Tel (14) 3811-6148 Fax (14) 3811-6148 posgraduacao@ibb.unesp.br
Campus de Botucatu
Instituto de Biocincias PG-BGA
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Julio de Mesquita Filho
INSTITUTO DE BIOCINCIAS DE BOTUCATU
BIOSUSCEPTOMETRIA DE CORRENTE ALTERNADA:
TOMOGRAFIA, VALIDAO E AVALIAO DA MOTILIDADE
FNDICA GSTRICA
MURILO STELZER
ORIENTADOR: JOS RICARDO DE ARRUDA MIRANDA
Tese apresentada ao Instituto de Biocincias, Campus de Botucatu, UNESP, para obteno do ttulo de Doutor no Programa de Ps-Graduao em Biologia Geral e Aplicada.
Orientador: Jos Ricardo de Arruda Miranda
BOTUCATU SP 2011
iii
FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA SEO DE AQUIS. E TRAT. DA INFORMAO DIVISO TCNICA DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAO - CAMPUS DE BOTUCATU - UNESP
BIBLIOTECRIA RESPONSVEL: ROSEMEIRE APARECIDA VICENTE Stelzer, Murilo.Biosusceptometria de corrente alternada: tomografia, validao e avaliao da motilidade fundica gstrica / Murilo Stelzer. Botucatu : [s. n.], 2011 Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista, Instituto de Biocincias de Botucatu Orientador: Jos Ricardo de Arruda Miranda Capes: 20903006 1. Sistema gastrointestinal Motilidade. 2. Estmago Tomografia. Palavras-chave: Biomagnetismo; Biosusceptometro; Motilidade Gastrca; Tomografia.
iv
Agradecimentos
Ao meu Orientador, Prof. Adjunto Jos Ricardo de Arruda Miranda por todos esses anos de trabalho juntos e pela pacincia de dedicao.
Agradeo aos amigos e colegas que ajudaram no desenvolvimento
desse trabalho: Uilian de Andreis, Paulo Roberto Fonseca,
Marcelo Agostinho, Fabiano Carlos Paixo,Ronaldo Vitor de Matos,
MadileineFrancely Amrico, Alexandre E. Zandon, Luciana Ap. Cor,
Agradeo a todos os Servidores e Docentes do
Departamento de Fsica pelo estimulo e auxlio que
permitiram a elaborao desse trabalho.
Agradeo de forma especial os
meus pas, Rubens e Nilce e minha irm Camila Helena por todo o apoio,
pacincia, carinho e dedicao que tiveram comigo durante toda a minha vida.
v
Resumo
O estudo da atividade do sistema digestrio apresenta vrios desafios, pois para termos
medidas eficientes do seu funcionamentos as tcnicas atualmente aplicadas ou so invasivas ou
apresentam o uso de radiao ionizante, o que pode causar desconforto ou outros problemas ao
individuo. ABiosusceptometria de Corrente Alternada (BAC), tem sido utilizada com sucesso no
estudo da motilidade do trato gastrintestinal, sem a necessidade de radiao ionizante e sem ser
invasiva.Essatese foi desenvolvida em trs partes, com cada parte representando um trabalho, no
primeiro foi estudado aOscilao Tnica no Estomago Proximal, no segundo foi feita a validao
da BAC in vitro e in vivo como um mtodo biomagntico para registrar contraes gstricas e
finalmente no terceiro foi iniciado o desenvolvimento de uma nova instrumentao de modo a
permitir a obteno de imagens tomogrficas utilizando a BAC. Desta forma, este trabalho
apresenta estudos de validaes da BAC para anlise das atividades de contrao tnica e fsica
do estmago e de emprego como tcnica tomogrfica.
Palavras Chave: Biomagnetismo, Biosusceptometro, Tomografia por BAC,Motilidade Gstrica.
vi
Abstract
The evaluation of gastric-intestinal activity presents a lot of challenges, because,the
techniques to obtain efficient measures or is an invasive technique or it makes use of ionizing
radiation, what could cause some discomfort or another problems related to the radiation. The
Alternated Current Biosusceptometry (ACB) has been utilized with success, in the gastric-
intestinal activity studies, without the necessity of ionizing radiation and it isnt a invasive
method. This thesis has been developed in three parts, in the first part was studied the stomach
proximal tonic oscillation, in the second was studied the validation of theACB method in vitro
and in vivo as a biomagnetic method to register the gastric contractions, and finally the third, it
was started the development of a new instrumentation capable of obtain tomography images by
means of BAC.
Key Words: Biomagnetism, Biosusceptometer, ACB Tomography, Gastric Motility.
vii
Sumrio
ndice de Figuras ............................................................................................................................ ix
Introduo ........................................................................................................................................ 1
Estudo da Oscilao Tnica no Estomago Proximal. ..................................................................... 2
Resumo ........................................................................................................................................ 2
Introduo .................................................................................................................................... 3
Objetivos ...................................................................................................................................... 5
Metodologia ................................................................................................................................. 6
Volumetria ................................................................................................................................... 6
Biosusceptometria AC ................................................................................................................. 7
Experimentao ........................................................................................................................... 9
Anlises dos sinais ....................................................................................................................... 9
Resultados .................................................................................................................................. 10
Discusso e Concluso .............................................................................................................. 13
Referncias ................................................................................................................................ 15
Validao da BAC in vitro e in vivo como um mtodo biomagntico para registrar contraes
gstricas. ........................................................................................................................................ 17
Resumo ...................................................................................................................................... 17
Introduo .................................................................................................................................. 18
Material e Mtodos .................................................................................................................... 19
Tcnicas ................................................................................................................................. 19
Experimentos In vitro ............................................................................................................ 21
Animais .................................................................................................................................. 21
Implantao ............................................................................................................................ 21
Registro da Motilidade Gastrointestinal ................................................................................ 22
Analise dos Dados .................................................................................................................. 22
viii
Resultados .................................................................................................................................. 23
Discusso ................................................................................................................................... 26
Agradecimentos ......................................................................................................................... 29
Referncias ................................................................................................................................ 30
Tomografia por Biosusceptometria AC ........................................................................................ 33
Resumo ...................................................................................................................................... 33
Introduo Tomografia por BAC .............................................................................................. 34
Material e Mtodos .................................................................................................................... 41
Biosusceptometria AC e gerao de imagens ........................................................................ 41
Multiplexao por diviso de tempo ...................................................................................... 42
Tomgrafo .............................................................................................................................. 45
Preparao dos fantomas ........................................................................................................ 47
Protocolo para Medidas in vitro ............................................................................................. 48
Reconstruo .......................................................................................................................... 48
Resultados .................................................................................................................................. 51
Discusso e Concluses ............................................................................................................. 55
Referncias bibliogrficas ......................................................................................................... 56
ix
ndicedeFiguras
Figura 1: Representao grfica do sistema de medida do pletismgrafo, mostrando o sistema de
vasos comunicantes utilizado na medida da volumetria, qualquer mudana no volume do balo
causa uma variao de nvel na cmara de expanso e na de medida, com essa alterao a
impedncia medida pelos eletrodos sofre alterao, permitindo o registro da variao de volume
do balo. .......................................................................................................................................... 7
Figura 2: Esquema de funcionamento da Biosusceptometria AC. .................................................. 8
Figura 3 Exemplo de medida simultnea BAC e volumetria. ....................................................... 10
Figura 4: Exemplo de FFTs (BAC acima e Volumetria abaixo) referentes aos sinais da Figura
3. .................................................................................................................................................... 11
Figura 5: Exemplo de correlao temporal entre BAC e volumetria dos sinais da Figura 3 ........ 12
Figura 6: Representao de um Sensor BAC ilustrando seu principio de funcionamento. As
linhas cinza representam o sinal de excitao enquanto as linhas pretas o sinal detectado. As
setas de duas pontas representam o movimento axial entre o material e sensor que gera a
modulao no sinal registrado pelo sensor. ................................................................................... 20
Figura 7: Correlao In Vitro entre os valores de amplitude dos sinais da BAC e strain-gauge. A
equao da reta mostra uma forte correlao entre as tcnicas e demonstra a sensibilidade do
mtodo magntico. ........................................................................................................................ 24
Figura 8: Tpico registro da BAC (linha slida e preta) obtido com marcador magntico
implantado e SG (linha tracejada cinza) do estomago de um rato nos perodos alimentado e
jejum. Os anexos so a correlao cruzada de ambos os sinais. ................................................... 26
Figura 9: Sinais e Espectros obtidos da BAC e SG depois da ingesto de rao magntica. Houve
uma forte correlao na amplitude e na freqncia de contrao e uma pequena diferena de fase.
Um sinal obtido depois da ingesto de material magntico em um animal sem SG implantado. . 28
Figura 10: Sistema de coordenadas utilizado na representao de uma imagem .......................... 35
Figura 11: Modelo de degradao da imagem causado pelo sistema de aquisio ....................... 36
Figura 12: Soluo do problema para um fantoma de barras com 17 mm de separao (a)
distribuio de campo (b) distribuio de condutividade .............................................................. 39
Figura 13: Soluo do problema para um fantoma de barras circular (a) distribuio de campo (b)
distribuio de condutividade ........................................................................................................ 39
Figura 14: Esquema de funcionamento ......................................................................................... 41
Figura 15: Sistema de BAC com treze sensores. .......................................................................... 41
x
Figura 16: Diagrama de blocos representando o esquema de funcionamento do sistema
multiplexador. ............................................................................................................................... 43
Figura 17: Representao grfica do sistema de movimentao recproco, colocado a frente do
sensor para permitir o deslocamento da amostra, aproximando e afastando do sensor central. ... 44
Figura 18: Fotografia do tomgrafo, mostrando as partes mecnicas. .......................................... 46
Figura 19: Esquema do circuito de driver dos motores, existem 4 circuitos desse para controlar
cada motor utilizado. ..................................................................................................................... 47
Figura 20: Varredura de um objeto e armazenamento das projees, reproduzida de [PER 2005]
....................................................................................................................................................... 49
Figura 21: Sinal registrado pelo canal 1 do sensor utilizando o sistema multiplexador. .............. 51
Figura 22: Sinal registrado pelo canal 2 do sensor utilizando o sistema multiplexador. .............. 51
Figura 23: Sinal registrado pelo canal 3 do sensor utilizando o sistema multiplexador. .............. 52
Figura 24: Reconstruo do fantoma de uma barra, colocado no centro de giro do tomgrafo. .. 52
Figura 25: Imagem reconstruda do fantoma de uma barra, colocado deslocado na mesa de giro
do tomgrafo, a esquerda do centro. ............................................................................................. 53
Figura 26: Imagem reconstruda do fantoma de duas barras, possvel perceber as duas reas
mais quentes. ................................................................................................................................. 53
Figura 27: Imagem reconstruda do fantoma de trs barras, possvel perceber as reas mais
quentes. .......................................................................................................................................... 54
Figura 28: Imagem reconstruda do fantoma de quatro barras, possvel perceber as quatro
pontas da imagem. ......................................................................................................................... 54
1
Introduo
Essa dissertao formada por trs trabalhos que foram realizados. Esto ligadas
principalmente a instrumentao e suas tcnicas, comparando e validando a BAC com outros
procedimentos, de maneira a validar sua utilizao, no estudo da motilidade do sistema
gastrointestinal, tanto em humanos como em modelos animais.
O primeiro trabalho um estudo da Oscilao Tnica no Estomago Proximal, utilizando
como mtodo de referncia a volumetria por pletismografia e a Biosusceptometria de Corrente
Alternada (BAC) para validao.
O segundo trabalho faz a validao da BAC para medida da atividade de contrao
gstrica utilizando como referncia o sistema de strain-gauge para medir a atividade de contrao
do estomago de ratos, validando o mtodo como eficiente para registrar a atividade mecnica do
estomago.
O terceiro trabalho o desenvolvimento da tcnica de tomografia utilizando a BAC,
permitindo obter imagens in-vitro de fantomas preenchidos com material magntico. A idia
que num futuro essa tcnica possa ser usada para estudos in-vivo permitindo obter imagens do
trato gastrintestinal sem a utilizao de radiao ionizante.
2
EstudodaOscilaoTnicanoEstomagoProximal.
Resumo
O presente estudo tem como objetivo o estudar a oscilao tnica no estomago proximal
e validar a tcnica de Biosusceptometria AC (BAC). Para isso foi utilizado um sistema de
volumetria por pletismografia como mtodo padro e a BAC de forma simultnea, de modo a
permitir a comparao dos dois mtodos e dessa forma validar a utilizao da BAC para registro
da atividade gstrica. Com os dados obtidos nesse trabalho possvel afirmar que a BAC uma
tcnica alternativa eficaz para o registro da atividade tnica do estomago, como tambm para
registrar as atividades de contraogstrica.
3
Introduo
O estomago possui a funo de mistura, triturao, armazenamento e controle da razo de
encaminhamento (esvaziamento) do alimento para o intestino. Estes mecanismos so controlados
por atividades eletromecnicas. estabelecido que [1], em termos mecnicos, o estmago possui
uma atividade de contrao de trs ciclos por minuto, originada atravs da atividade eltrica no
corpo do estomago que se propaga em direo ao antro, aumentando de amplitude. O estomago
distal possui a principal funo de mistura e triturao dos alimentos, enquanto que o proximal
cabe a funo de reservatrio. No estomago proximal, encontra-se uma atividade cclica em
torno de 1 ciclo por minuto, que aparentemente est relacionada com o processo de acomodao
(distenso) gstrica [2, 3]. Estas duas atividades controlam o esvaziamento gstrico.
Estes mecanismos so mecanicamente muitas vezes denominados de atividades tnicas e
fsicas. A atividade fsica mais proeminente no corpo e antro, possuindo uma definida
freqncia de 3 ciclos/minuto, enquanto que a atividade tnica (presso intragstrica) possui uma
freqncia em torno de 1 ciclo/minuto, praticamente presente apenas na regio proximal
(fndica). A grande maioria dos estudos foca a atividade fsica, enquanto que a tnica foi pouco
avaliada. Porm, estudos indicam que esta atividade est relacionada com o processo de
distenso e relaxamento gstrico e sua oscilao na freqncia de 1 ciclo/minuto pode estar
relacionada ao controle do esvaziamento gstrico. Nesse sentido, Ahluwalia ET AL, empregando
medidas com barostato determinaram que a distenso provocada pela ingesto de alimento
diminui a amplitude da presso na regio proximal, mas no afeta o valor da freqncia de
oscilao no tnus gstrico.
A origem desta oscilao sobre o tnus gstrico ainda no est estabelecida. Marca-
passos para esta atividade no foram ainda encontrados e novos estudos mioeltricos devem ser
realizados visando identificar clulas que podem definir ritimicidade paraprovocar contraes na
musculatura que provoquem alteraes no tnus gstrico. Outras hipteses foram levantadas,
como efeitos gerados fora do estmago, devido enervao vagal eferente, porm, at o
presente, nenhuma explicao plausvel foi devidamente comprovada. Por outro lado, a prpria
medida desta oscilao tnica deve ainda ser melhor avaliada, pois muitos autores ignoram estes
sinais em seus registros ou por questes tcnicas, minimizam sua intensidade por empregarem
filtros para banda com freqncia de corte superior a esta oscilao.
4
Diante disto, em termos instrumentais, o barostato considerado a metodologia padro
para esta avaliao. Este dispositivo consiste de um medidor de presso acoplado a um cateter
com um balo inflado em sua extremidade. Desta forma, mede-se o volume gstrico atravs da
variao de presso [2]. Esta instrumentao considerada invasiva e requer cuidados especiais,
alm de interferir na prpria atividade do rgo, pois por si s, pode provocar estmulo na
atividade gstrica, dificultando anlise em situao de estado prandial controlado.
Portanto, se faz necessrio empregar metodologias no invasivas e desprovidas de
interferncias locais sobre o rgo em estudo para proporcionar maior versatilidade nos
parmetros avaliados e situaes de estudo. Mtodos biomagnticos muitas vezes apresentam
estas caractersticas. O biomagnetismo engloba tcnicas totalmente no invasivas e desprovidas
de radiao ionizante para avaliar campos magnticos provenientes do sistema biolgico [4].
Algumas tcnicas detectam o campo magntico associado atividade eltrica [5], enquanto
outras realizam medidas, por meio da ingesto de materiais com propriedades ferromagnticas
[6]. As instrumentaes aplicadas em biomagnetismo envolvem detectores de campo magntico
como SQUID (SuperconductingQuanticInterferenceDevice), magnetmetro de fluxo saturado
(Fluxgate), detectores baseados no efeito hall e biossusceptmetria de corrente alternada (BAC)
[7, 8].
As aplicaes da BAC esto essencialmente focadas no estudo do trato gastrintestinal
(TGI), de suas funes motoras e de avaliao do encaminhamento (liberao) de formas de
dosagem slidas. Esta tcnica apresentou grande preciso ao avaliar o esvaziamento gstrico [9,
10], a atividade de contrao gstrica (ACG) em humanos [12] e ces [13], distribuies
intragstrica de refeies de pequenos volumes [14] e mais recentemente diversas aplicaes no
processo de Drug Delivery [15, 16].
Desta forma, este estudo foi realizado empregando a BAC associada a um sistema de
volumetria (barostato) no intuito de avaliar a atividade tnica gstrica empregando ratos como
modelo animal.
5
Objetivos
Este estudo possui os seguintes objetivos:
Realizar experimentao animal para registrar a atividade de contrao tnica e
fsica do estmago de ratos empregando as tcnicas de volumetria e BAC;
Validar a BAC como tcnica para avaliar a atividade tnica (atividade de
contrao fndica) gstrica.
6
Metodologia
Neste estudo, empregaram-se as tcnicas de volumetria e biosusceptometria de corrente
alternada (BAC).
Volumetria
Este sistema mede a variao de volume atravs de um plestimgrafo. O aparato consiste
de um recipiente no qual inserido um par de eletrodos lineares de 4 cm de comprimento. O
recipiente preenchido com uma soluo salina e os eletrodos conectados ao plestimgrafo. O
sistema mede a impedncia do liquido, aplicando um sinal alternado em um dos eletrodos,
utilizando o outro como sensor. A quantidade de sinal que detectado pelo sensor proporcional
ao volume de soluo na cmara, permitindo desse modo a medio precisa da variao de
volume do sistema.
O recipiente conectado a uma cnula que possui um balo inflvel em sua extremidade.
Ao preencher o sistema (recipiente, cnula e balo) com soluo, uma pequena alterao de
presso sobre o balo provoca uma variao no volume do recipiente, a qual registrada no
plestimgrafo. Este aparelho foi conectado a uma placa analgica/digital (NationalInstruments)
de 16 bits, possibilitando o registro contnuo da variao de volume. A Figura 1 ilustra o sistema
de volumetria.
7
Figura 1: Representao grfica do sistema de medida do pletismgrafo, mostrando o sistema de vasos comunicantes utilizado na medida da volumetria, qualquer mudana no volume do balo causa uma variao de nvel na cmara de expanso e na de medida, com essa alterao a impedncia medida pelos eletrodos sofre alterao, permitindo o registro da variao de volume do balo.
BiosusceptometriaAC
A BAC tem seu princpio fsico de funcionamento regido na Lei de Induo de Faraday.
Utiliza um par de bobinas de excitao e um par de bobinas de deteco coaxialmente arranjadas
em configurao gradiomtrica de primeira ordem separadas por uma distncia fixa (linha de
base) para monitorar um dado material com alta susceptibilidade magntica, conforme Figura 2.
Cada par de bobinas (excitao/deteco) pode ser considerado como um transformador simples
de fluxo magntico com ncleo de ar, que permite a transferncia de energia eletromagntica
devido ao campo magntico gerado pela bobina de excitao sobre a bobina de deteco. Assim,
o par mais prximo do material magntico atua como medida e o mais distante como referncia
[17].
8
Figura 2: Esquema de funcionamento da Biosusceptometria AC.
As bobinas excitadoras induzem fluxos magnticos iguais nas bobinas detectoras para
que quando no houver material magntico nas proximidades do sistema de medida, o sinal de
sada seja minimizado. Aproximando-se uma massa magntica em um dos lados do sistema,
ocorrer um desbalanceamento no fluxo magntico do sistema gradiomtrico [18].
O fluxo magntico resultante do acoplamento entre a massa magntica e a bobina
detectora permite a medida e o monitoramento deste material continuamente atravs de
amplificadores Lock-in, uma placa A/D e um computador. A BAC extremamente sensvel
variao entre a distncia do sensor e o material magntico sendo, portanto, capaz de registrar o
9
deslocamento da ferrita (traador ou marcador magntico) em um recipiente de testes ou no
interior de rgos.
Experimentao
No intuito de avaliar a resposta dos sistemas, foram realizadas medidas simultneas para
analisar a diferena de fase entre os sinais de volumetria e BAC. Para tal, uma mianga de ferrita
(2 mm) foi fixada sobre o balo de ltex. Um mono sensor BAC foi posicionado sobre o balo e
perturbaes de diferentes intensidades foram provocadas manualmente sobre o conjunto
ferrita/balo. Os sinais de volumetria e BAC foram registrados simultaneamente e a diferena de
fase entre os sinais foram quantificadas.
As medidas in vivo foram realizadas em 12 ratos machos hgidos (linhagem Wistar) com
massa entre 300 g e 350 g. Uma semana antes dos procedimentos experimentais, em cada animal
foi implantado na serosa gstrica um marcador magntico (mianga de 2 mm). O marcador foi
sempre posicionado na regio do corpo gstrico, sobre a grande curvatura.
Em cada procedimento experimental, aps um jejum de 12 horas, os ratos foram
alimentados com rao (mnimo de 3 g e mximo de 5 g) e ento, anestesiados. Uma cnula
contendo um balo de ltex foi introduzida via oral e posicionada no interior do estmago e
ento conectada ao sistema de volumetria. Aps inflar o balo com soluo a uma presso de 22
cm de gua, um sistema BAC mono sensor foi posicionado sobre a regio gstrica do animal e os
registros de ambos os sistemas foram coletados durante 20 minutos.
Anlisesdossinais
Os sinais foram processados em ambiente Matlab (Mathworks) empregando filtro
Butterword passa-banda de 2 plos com freqncia de corte entre 5 mHz a 100 mHz, 5 a 30 mHz
e 40 mHz a 100 mHz,conforme interesse de anlise no perfil do sinal geral, atividade tnica e
atividade fsica, respectivamente. Os sinais tambm foram correlacionados. Os valores foram
expressos por media +/- desvio padro e utilizou-se teste t de student para comparaes
estatsticas.
10
Resultados
Um tpico exemplo dos sinais obtidos nas medidas em ratos ilustrado na Figura 3. Nota-
se a grande semelhana entre os mtodos para registrar a atividade de contrao tnica, mas no
a fsica, onde basicamente apenas nos sinais de BAC pode ser observada com melhor qualidade
(relao sinal/rudo). Isto pode ser verificado nas figuras de FFTs (Figura 4) obtidas dos sinais
ilustrados na figura 3.
Figura 3 Exemplo de medida simultnea BAC e volumetria.
11
A Figura 5 ilustra a curva de correlao cruzada dos sinais apresentados na figura 3. Isto
refora a grande semelhana dos sinais obtidos pelas duas metodologias.
Figura 4: Exemplo de FFTs (BAC acima e Volumetria abaixo)referentes aos sinais da Figura 3.
12
A Tabela 1 mostra os dados obtidos nas quantificaes de freqncia e nas comparaes
entre os dois mtodos.
Figura 5:Exemplo de correlao temporal entre BAC e volumetria dossinais da Figura 3
13
Tabela 1: Resultados da quantificao de dados e comparao entre os dois mtodos
Animal Freqncia (mHz) Coeficiente de Correlao
Volumetria BAC
Tnica Fsica Tnica Fsica Tnica Fsica
1 17 72 17 74 0,99 0,72
2 13 - 14 68 0,965 -
3 19 74 20 76 0,97 0,65
4 18 68 18 71 0,99 0,55
5 13 - 12 68 0,78 -
6 11 75 11 77 0,99 0,45
7 16 - 17 69 0,967 -
8 15 66 14 68 0,97 0,69
9 17 - 17 73 0,845 -
10 13 71 15 75 0,94 0,49
11 18 69 18 70 0,986 0,89
12 15 - 16 67 0,94 -
Mediasd 15,422,5
0
70,713,25 15,752,63 71,333,52 0,9440,065
5
0,630,15
DiscussoeConcluso
Apesar de diversos estudos em animais e humanos que empregam diferentes
metodologias, algumas atividades bsicas do estmago ainda no esto bem definidas em termos
fisiolgicos e, principalmente, metodolgicos. Em se tratando da atividade fsica gstrica, que
possui uma freqncia bem definida em humanos de 3 ciclos/minuto, sua origem eltrica,
acoplamento eletromecnico e seu papel funcional, alm de resposta a diferentes drogas, foram
caracterizadas e de certa forma, apresenta-se bem definida, elucidada e registrada por diferentes
metodologias. Porm, as oscilaes de baixa freqncia no tnus gstrico encontrada
principalmente na regio fndica e proximal do estmago ainda necessita de uma plausvel base
de explicao fisiolgica, entendimento funcional e principalmente, metodologicamente. Para
qualquer real entendimento das origens desta atividade, se faz necessrio avali-las atravs de
mtodos confiveis e que permitam baixa invasividade, interferncia no rgo e boa relao
sinal/rudo.
14
Neste sentido, os resultados obtidos neste estudo demonstram que a BAC uma tcnica
que apresenta estas caractersticas instrumentais e pode ser empregada para registrar as
oscilaes tnicas do estmago.
Na Figura 3 e na Figura 4, identifica-se a forte semelhana entre os registros mecnicos
obtidos pelas duas metodologias. As oscilaes em torno de 1ciclo/minuto so bem definidas,
com boa relao sinal/rudo e visivelmente correlacionadas entre sinais de volumetria e
biosusceptometria. Estas figuram ilustram os resultados obtidos e apresentados na tabela I. A
forte correlao para a faixa de baixa freqncia obtida entre os mtodos (figura 5) demonstra
que a BAC pode ser empregada para registrar e avaliar as oscilaes tnicas do estmago
proximal.
Em termos metodolgicos, a BAC apresenta diversas caractersticas, as quais so
consideradas melhores. No invasiva, possibilitando avaliaes no mesmo animal em diversas
sesses de medida e no interferindo na fisiologia do estmago, isto , a presena do balo
provoca uma distenso da parede gstrica, a qual proporciona reflexos e conseqentemente pode
interferir no prprio fenmeno a ser avaliado. Por outro lado, em procedimentos cirrgicos pr-
medidas, podem ser implantados na serosa gstrica pequenos marcadores magnticos, com os
quais outras classes de medidas (outros tipos de alimentos no marcados magneticamente ou
drogas) podem ser realizados sem interferncia e sem introduo de cateter.
Desta forma, os resultados permitem concluir que a BAC uma boa tcnica alternativa
para avaliar funo tnica do estmago, aliado ao fato de avaliar bem a atividade de contrao
gstrica.Com este estudo, demostra-se que a BAC o mtodo de escolha para analisar atividades
mecnicas gstrica.
15
Referncias
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Nuevo Cimento., v. 11D, p. 12, 1989.
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17
ValidaodaBACinvitroeinvivocomoummtodobiomagnticopara
registrarcontraesgstricas.
Resumo
Fundamentos: O propsito desse estudo foi avaliar um mtodo biomagntico (biosusceptometria
de corrente alternada, BAC) para monitorar a atividade de contrao das superfcie gstrica em
ratos. Materiais e Mtodos: Invitro os foram obtidos dados para comparar a relao de amplitude
dos sinais do transdutor de fora (StrainGauge -SG) e BAC. Nos experimentos In Vivo foram
utilizados ratos anestesiados com pentobarbital com marcadores magnticos e SG previamente
implantados sobre a serosa gstrica, ou aps a administrao oral de material magntico.A
motilidade gstrica foi quantificada atravs de grficos de amplitude e de perfis de freqncia
obtidos por FFT (transformada rpida de Fourier). Resultados: A correlao entre a amplitude
dos sinais in vitro foi robusta (R=0,989). O coeficiente de correlao cruzada entre os sinais de
BAC e SG foi maior (P>0,0001) no perodo ps-prandial (88,3 9.1V) que no perodo de jejum
(31,0 16,9V). Perfis de sinais irregulares, baixas amplitudes de contrao, e baixa relao sinal
rudo explicam a fraca correlao entre as tcnicas nos registros feitos com os animais em jejum.
Quando o material magntico foi ingerido, houve uma forte correlao da amplitude e freqncia
dos sinais e uma pequena diferena de fase entre as tcnicas. As freqncias de contrao usando
BAC foram 0,068 0.007Hz (ps-prandial) e 0,058 0,007Hz(em jejum) (P
18
Introduo
Atividade motora gastrointestinal (GI) representa um grupo complexo de funes que so
essenciais para a vida e as desordens da motilidade so de grande interesse para os
pesquisadores. Diversas metodologias so utilizadas para realizar os estudos da motilidade GI.
Tcnicas que medem a presso no GI so as mais populares e informativas. Transdutores de
Fora (StrainGauge - SG) implantados em cobaias de laboratrio e tubos manomtricos so
utilizados em diversas espcies (incluindo seres humanos). Contudo, ambos os procedimentos
so invasivos, necessitando de cirurgia ou da desconfortvel insero de cateter,
respectivamente.
A manometria s registra ondas de presso de ocluso do lumem e diferentemente do SG,
incapaz de registrar todas as contraes.
A Biosusceptometria de Corrente Alternada (BAC) um mtodo biomagntico, isento de
radiao ionizante e de fcil realizao. Em humanos, a BAC j foi validada para analises da
funo motora gstrica com o uso de cintilografia, e o tempo de transito intestinal utilizando o
teste de hidrognio espirado. Em ces, as atividades motoras gstricas e colnicas registradas
com o uso da BAC apresentaram forte correlao com manometria, eletromiografia e
eletrogastrografia.
Para eleger a BAC como uma tcnica confivel para o registro da atividade de contrao
do trato GI, a validao definitiva necessita de uma comparao pontual com um mtodo que
mea o mesmo evento mecnico. O objetivo desse estudo foi validar a BAC para registrar a
atividade de contrao da parede gstrica em ratos, usando SG como mtodo ouro de padro.
19
MaterialeMtodos
Tcnicas
O principio de funcionamento da BAC, de acordo com a Lei de Induo de Faraday, est
baseado em um transformador de fluxo magntico duplo com ncleo de ar. Um nico sensor
BAC consiste de dois pares de bobinas ( = 3.0 cm) separados por uma distncia fixa (linha de
base) (Fig. 1). Cada par composto por uma bobina de excitao (externa) e uma bobina de
deteco (interna) em uma configurao gradiomtrica de primeira ordem que possui uma a
propriedade de boa relao sinal-rudo. Um par funciona como sistema de referncia e outro
como detector de medida. Basicamente as bobinas de excitao funcionam com uma
freqncia de 10khz e corrente de 15mA, que geram um campo magntico de 20G e induz um
fluxo magntico igual nas bobinas de deteco, ento, quanto uma amostra magntica
aproximada de uma das bobinas de deteco, ocorre um desbalanceamento na voltagem ocorre,
devido s variaes no fluxo diferencial entre as bobinas de deteco. Contudo o sensor BAC
pode medir os sinais magnticos gerados pela variao do fluxo magntico entre as bobinas
atravs do amplificador lock-in. Como o sinal detectado pela BAC depende da distncia entre o
sensor e o material magntico, variaes em suas posies relativas causam modulaes no sinal
registrado pelo sensor. Para medir tais sinais magnticos, a instrumentao foi desenvolvida para
aumentar a resoluo espacial e sensibilidade para estudos utilizando animais. Sinais magnticos
detectados pelo sensor BAC dependem da rea de superfcie das bobinas detectoras, nmero de
espiras, razo da variao do fluxo magnticos (isto campo aplicado), quantidade do material
magntico e a distncia entre o sensor e material magntico. O sensor BAC tem uma importante
vantagem em relao a outros dispositivos biomagnticos de medidas, pois no necessita de salas
com blindagem magnticas para funcionar. Adicionalmente, as partculas no so previamente
magnetizadas, pois nesse mtodo o material magntico no um im.16
20
Figura 6: Representao de um Sensor BAC ilustrando seu principio de funcionamento. As linhas cinza representamo sinal de excitao enquanto as linhas pretas o sinal detectado. Assetas de duas pontas representam o movimento axial entre o material e sensor que gera a modulao no sinal registrado pelo sensor.
O material magntico utilizado (Fe2MnO4) permanece completamente inerte em todos os
pH do trato GI e no pode ser absorvido pelo trato intestinal graas a sua interao
intermolecular. Este estudo foi baseado em sinais de marcadores magnticos fixados na serosa,
utilizando uma fonte magntica pontual e em sinais obtidos por traadores magnticos cujas
partculas estavam dispersas no lumem. Movimentos axiais e transversais so detectados pela
BAC, pois a magnetizao ocorre em tempo real e de forma continua e sempre na mesma
orientao.
Nesse estudo, cada SG tinha uma resistncia de 350 (Excel SensorsLtda, Emb, Brasil)
e foram produzidos como descrito anteriormente.17,18
21
ExperimentosInvitro
Um marcador magntico (toroidal com dimetro de 3,5mm e altura de 3,0mm) e um SG
(comprimento de 3,2mm e largura de 1,2mm) foram fixados dentro de um balo. Aps ser
preenchido com soluo salina, o sensor BAC foi posicionado sobre o balo a uma distncia fixa.
Um basto de vidro foi rolado sobre o balo em intervalos de 1 mm (1~12 mm) para simular os
anis de contrao e para estabelecer uma relao de amplitude entre a BAC e o SG. O balo de
ltex fora utilizado somente nos estudos in vitro para simular o estomago e para comparar as
duas tcnicas em resposta s contraes.
Animais
Catorze ratos wistar (pesando entre 300 e 350g) mantidos em caixas individuais foram
utilizados para o estudo. Todos os procedimentos experimental e cirrgico foram realizados de
acordo com o American PhysiologicalSocietysGuidingPrinciples in theCareand Use ofAnimals
e foram aprovados pelo Comit Local de tica Animal. Os animais foram mantidos em jejum de
16 horas antes dos experimentos, com livre acesso a gua.
Implantao
Foi feita laparatomia em oito ratos anestesiados pela injeo intramuscular de Ketamine
[ketaminaAgener, 30mg/kg; Unio Qumica Farmacutica Nacional, Emb-Guau, Brasil] e
xylazine (Anasedan, 15mg/kg; Vetbrands, Paulnia, Brasil). O marcador magntico e o SG foram
implantados na serosa superficial atravs de sutura com fio 6/0 (Ethilon, So Paulo. Brasil)
paralelos a camada muscular circular no corpo gstrico a 3 cm do piloro (primeiro protocolo).
Em cinco animais foram implantados apenas o SG (Segundo protocolo). Nenhum procedimento
cirrgico foi realizado em um animal.
Os fios do SG foram exteriorizados atravs da parede abdominal e guiados sob a pele at
o pescoo. Os fios exteriorizados foram protegidos por uma mola de ao para evitar mordidas.
Para todos os animais foi permitida uma recuperao de pelo menos 3 dias antes de comearem
os estudos de motilidade.
22
RegistrodaMotilidadeGastrointestinal
No primeiro protocolo cada animal implantado com um marcador magntico e um SG
fora utilizados duas vezes em dias diferentes para registro de padres de contrao em jejum e
alimentado. De forma aleatria e 20 minutos antes do incio dos experimentos, 3 gramas de rao
foi oferecida aos ratos (registros alimentados) ou no (registros de jejum). Cada rato foi utilizado
como seu prprio controle.
No segundo protocolo um grama de material magntico, em forma de p, foi incorporado
na rao e oferecidaaos animais 20 minutos antes dos experimentos.
O animal sem nenhuma interveno cirrgica, ingeriu material magntico em p (100mg)
que fora incorporado a rao e fora registrado sinal atravs da BAC.
Os animais foram anestesiados (pentobarbital, 30mg/kg; AbbotLaboratories, Chicago, II,
USA) e mantidos em posio supina por 60min. para registro do estomago sem nenhum
estmulo. Durante essa hora no houve nenhuma alterao da intensidade do sinal magntico. O
sensor foi posicionado na parte anterior do abdmen e foi feito um registro continuo foi iniciado
utilizando BAC. Para o registro do SG, os fios foram conectados a um sistema amplificador
(Amplificador Biopac DA100C; com ganho de 200, filtro passa-baixo de 300Hz). Todos os
sinais foram digitalizados, comfreqncia de amostragem de 20Hz por canal, utilizando um
registrador multicanal (Biopac MP100 System; Biopac Inc., Santa Barbara, CA, USA) e
armazenados em padro ASCII.
AnalisedosDados
Todos os dados brutos foram inicialmente analisados em ambiente Matlab (Mathworks,
Inc., Natick, MA, USA) atravs de inspeo visual e posteriormente utilizandofiltro passa banda
Butterworth bidirecional, transformada rpida de Fourier (FFT) e por analise de espectro
(RSA).19 Os sinais foram analisadosutilizando o filtro passa banda com freqncias de corte de
0,03~0,15Hz (1,8~9,0 cpm). Analise de Correlao Temporal Cruzada(R) foi utilizada
paradeterminar a correlao entre os sinais da BAC e do SG. A amplitude mdia de pico--pico
foi calculada para cada sinal para ambas as tcnicas. A significncia estatstica das diferenas
entre as amplitudes e freqncias entre a BAC e o SG em ambos os estados jejum e alimentado
23
foram calculadas utilizando os testes t de Student. As diferenas foram consideradas
estatisticamente significantes com P0,05. Os dados esto apresentados como mdia desvio
padro (SD).
Resultados
Uma forte correlao linear (R=0,989) foi observada na amplitude entre os registros in
vitro entre a BAC e o SG. Pequenas variaes geradas na amplitude do sinal tiveram igual
resposta positiva tanto pela BAC quanto pelo SG. [Figura 7] Os experimentos in vitro
demonstraram a alta sensibilidade da BAC para medir modulaes similares aquelas causadas
pelas contraes do GI.
A freqncia de contrao do estomago (ciclos por minuto) e a amplitude medidos
noprimeiro protocolo durante os perodos de jejum ou ps-prandial esto na tabela 1. As
freqncias de contrao obtidas pela BAC e SG foram altamente correlacionadas nos perodos
de jejum (3,5 0,5cpm) e ps-prandial (4,0 0,4cpm). Os registros de ambas as tcnicas exibem
altas freqncias e amplitudes no estado ps-prandialdo que os obtidos no jejum.
Registro tpicos dos estmagos dos ratos feitos pela BAC e SG tanto no estado de jejum
como ps-prandial podem ser vistos na Figura 8. A amplitude do sinal foi 71.8 16,5% mais
baixo na BAC e 82,2 17,5% mais baixo no SG quando comparado com os animais
alimentados. Os coeficientes da correlao temporal cruzada entre a BAC e o SG foi 88,3 9,1
no perodo ps-prandial e 31,0 16,9 no perodo de jejum (P < 0,0001).
24
Figura 7: Correlao In Vitro entre os valores de amplitude dos sinais da BAC e strain-gauge. A equao da reta mostra uma forte correlao entre as tcnicas e demonstra a sensibilidade do mtodo magntico.
Tabela 2: Efeito da Alimentao na Freqncia (Hz) e na Amplitude (V) dos sinais registrados pela BAC e strain-gauge com a implantao prvia de um marcador magntico.
Valores so Mdia SD;
*Jejum x Alimentado
25
O material magntico se espalha por todo o rgo, em quanto o SG se mantm pontual,
por isso, h uma pequena diferena de fase entre os sinais de BAC e SG. Registros da BAC
obtidos do animal sem SG implantando apresenta o mesmo perfil (Fig. 4).
26
Figura 8: Tpico registro da BAC (linha slida e preta) obtido com marcador magntico implantado e SG (linha tracejada cinza) do estomago de um rato nos perodos alimentado e jejum. Os anexos so a correlao cruzada de ambos os sinais.
Discusso
Nossos dados demonstram que a BAC uma tcnica interessante para monitorar a
atividade de contrao da parede gstrica usando tanto o material magntico tanto implantado
quanto ingerido. Esse estudo de validao revelou uma forte correlao entre a BAC e o SG. O
mtodo de BAC forneceu uma avaliao particularmente precisa e sensvel da atividade motora
gstrica.
As freqncias dos sinais peridicos registrados simultaneamente por BAC e SG foram
idnticos (Tabela 1), e correspondeu a bem conhecida faixa de freqncia da atividade gstrica
de ratos.3,20 Nossos resultados de freqncia no sinal ps-prandial, quer dizer contraes de alta
amplitude e forte regularidade temporal, esto de acordo com o conhecimento bem estabelecido. 3,5 razovel assumir que o perfil irregular do sinal, baixa amplitude de contrao, alm da
menor razo sinal rudo registrados pelas tcnicas da BAC e do SG no jejum justificam a baixa
correlao entre eles.[Figura 8]
Uma forte correlao entre os dados do estomago pela BAC e eletro miografia fora obtida
anteriormente, contudo isto no validou a BAC como tcnica para avaliao da atividade
contrtil GI, poisa atividade eltrica nem sempre representa um fenmeno de contratao.13,21
Nesse estudo a incrvel semelhana entre os resultados da BAC e do SG, um indicador direto da
atividade mecnica de contrao GI, fornece a validao para BAC como mtodo de avaliaoda
atividade de contrao GI. Alm disso, essa implantao no interfere com a fisiologia normal, e
a ausncia de fios externos evitam uma fonte de infeces e as complicaes associadas com as
mordidas dos ratos ou arranhes.
Embora os dados tenham sido observados em roedores, provvel que resultados
similares possam ser obtidos em outras espcies utilizando BAC, incluindo humanos. A tcnica
de BAC pode ser aplicada em roedores geneticamente modificados, em modelos tradicionais de
doena e em estudos farmacolgicos em roedores. 2, 22, 23 Atualmente, experimentos projetados
para validar e para aplicao da BAC em esvaziamento gstrico e tempo de transito orocecal em
27
pequenos animais esto em andamento. Perfis de esvaziamento gstrico podem ser obtidos pelo
movimento do material magntico: Quando ele se move para o duodeno a intensidade do
sinalmagntico diminui no estomago. Por outro lado o sinal se intensifica quando o material
chega ao ceco e isso permite a avaliao do tempo de transito orocecal.
Um sistema BAC com mltiplos sensores tem sido usado com sucesso em humanos, 10, 24mas o tamanho no adequado para a utilizao com ratos. Contudo um novo sistema est
sendo desenvolvido com mini sensores otimizados para o uso em animais de laboratrio (bobinas
de menor dimetro, otimizao do nmero de espiras, e sua relao entre o nmero de sensores)
e possvel reconhecer o segmento do trato GI por meio das freqncias das contraes.
Nessas circunstancias , a BAC tem inmeras vantagens sobre as metodologias existentes,
porque pode ser usada como uma ferramenta multmodos com potencial para registrar diversos
parmetros da motilidade GI. Dentre as vrias oportunidades oferecidas pela BAC, a avaliao
de padres de motilidade podem ser explorados em diferentes condies: padres de jejum,
atravs da implantao de material magntico e padres ps-prandiais, atravs da ingesto de
vrios tipos de material magntico, reduzindo a quantidade de material em 90% sem alterar a
qualidade do sinal da BAC.
28
Figura 9: Sinaise Espectros obtidos da BAC e SG depois da ingesto de rao magntica. Houve uma forte correlao na amplitude e na freqncia de contrao e uma pequena diferena de fase. Um sinal obtido depois da ingesto de material magntico em um animal sem SG implantado.
A anestesia com pentobarbital foi utilizada nesse estudo com o intuito de maximizar a
preciso da comparao ponto a ponto entre a BAC e o SG. Contudo, SG foi utilizado
29
anteriormente em animais despertos, isso possvel se os animais permanecerem quietos, ou que
seus movimentos sejam retirados dos sinais. A tcnica de BAC pode registrar a motilidade em
animais despertos se eles ficarem quietos.
A ACB um mtodo flexvel combinando confiabilidade com um mnimo de desconforto
e custo. Os registros de BAC so viveiscom a ingesto ou implantao do material magntico e
diversos parmetros da motilidade podem ser obtidos como contrao GI, esvaziamento gstrico
e tempo de transito orocecal. No futuro, uma cuidadosa interpretao dos dados pode revelar
algumas relaes interessantes entre aspectos da motilidade e fornecer informaes
complementares. Alm disso, a BAC fornece uma tcnica sensvel e precisa para estudos da
motilidade GI em ratos e presumidamente em outros modelos.
Agradecimentos
Este estudo foi parcialmente apoiado pelas agncias brasileiras de fomento CNPq e
FAPESP.
30
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33
TomografiaporBiosusceptometriaAC
Resumo
Mtodos de obteno de imagens so fundamentais na pesquisa e na rotina de servios
hospitalares, permitindo avaliar de forma precisa procedimentos, estruturas anatmicas e
atividade fisiolgica de rgos. Podemos destacar entre as diversas metodologias os mtodos
tomogrficos, os quais permitem a visualizao de estruturas anatmicas e ou fisiolgicas de
maneira no invasiva. Tem sido alvo de estudos recentes o desenvolvimentos de tcnicas que
permitam obter essas imagens sem a utilizao de radiao ionizante, como por exemplo as
tcnicas biomagnticas. Desta forma a Biosusceptometria de Corrente Alternada (BAC), vem
sendo utilizada em pesquisas relacionadas ao trato gastrintestinal humano de forma barata e
verstil, e mais recentemente tem sido aplicada na obteno de imagens de marcadores
ferromagnticos tanto in vivo como in vitro. O presente trabalho fez o desenvolvimento e
caracterizao de um sistema de aquisio de imagens tomogrficas utilizando como sensor a
BAC, para isso foram desenvolvidos sensores com melhor resoluo e sensibilidade, um sistema
tomogrfico para a obteno das imagens utilizadas na construo, caracterizao do sistema de
obteno de imagens, desenvolvimentos de procedimentos de restaurao e reconstruo de
imagens, utilizando mtodos de retro projeo, alm dos softwares de controle tanto do
tomgrafo como do sistema de processamento de imagem.
34
IntroduoTomografiaporBAC
As tcnicas de processamento digital de imagens so utilizadas nos mais diversos campos
do conhecimento, como por exemplo: cincias da terra, astronomia, medicina, biologia,
engenharia entre outras.
Na medicina a grande utilidade est na melhoria da qualidade de imagens do corpo
humano, as quais podem ser obtidas pelos mais diversos equipamentos existentes tais como:
raios-X, tomografia, ressonncia magntica, ultra-som, medicina nuclear (cintilografia) entre
outras. Com imagens de melhor qualidade possvel ter um diagnstico preciso de doenas e
com instrumentaes mais rpidas, avaliar eventos funcionais importantes para diagnstico e
entendimento de diversas patologias.
Na rea da biologia o processamento de imagem vem sendo utilizado na melhoria de
imagens de microscpios e tambm auxiliando o desenvolvimento de novas tcnicas de obteno
de imagens, permitindo observar estruturas e detalhes impossveis com as tcnicas
convencionais.
Uma imagem uma funo bidimensional ),( yxf onde f um valor ou ainda uma
amplitude nas coordenadas ),( yx , isto , a energia detectada pelo sensor de imageamento,
portanto, essa funo necessariamente positiva e possui um valor finito, ou seja:
35
A fim de facilitar os clculos e o processamento por computadores, as dimenses da
matriz geralmente so dadas por MxN onde M e N so potncias de 2 de modo a diminuir o
tempo de processamento.
O valor da funo tambm discretizado, isto , quantizado. Esse processo consiste em
converter o valor contnuo da funo em um valor discreto representado geralmente no intervalo
[0, 2k 1] onde k um nmero natural e 2k chamado normalmente de nmero de nveis de
cinza da imagem. Se uma imagem possui 24 nveis de cinza, significa que os valores contnuos
da imagem sero representados atravs de 16 nveis de cinza.
Existem vrios processos para se fazer a discretizao de uma imagem. Atualmente a
mais empregada atravs de dispositivos constitudos por uma matriz de sensores, os quais
fazem a quantizao da imagem em pontos de coordenas conhecidas. Outro mtodo consiste em
utilizar um nico sensor e fazer uma varredura, deslocando o sensor ou o objeto, criando desse
modo a matriz de coordenadas espaciais da imagem digital.
Esse modelo de obteno de imagem vem sendo utilizados com o sistema de aquisio
biomagntico chamado Biosusceptmetro de Corrente Alternada (BAC).
Se o sistema utilizado para a obteno da imagem fosse ideal, a representao da
imagem seria exatamente ),( yxf , mas no existe tal sistema e por isso a imagem obtida est
sujeita a distores e rudos inerentes ao sistema de aquisio, como na Figura 11.
(0,0) (0,M1)
(0,N1)
f(x,y)
Funode
Degradao(H) +
Rudo
),( yxn
f(x,y) ),( yxg
Figura 10: Sistema de coordenadas utilizado na representao de uma imagem
36
Desse modo, a imagem registrada uma verso da imagem real, dado por: ),(),(*),(),( yxnyxhyxfyxg +=
Onde
),( yxg a imagem registrada, ),( yxf e a imagem original, ),( yxh a funo de
borramento e ),( yxn o rudo e * representa a operao de convoluo.
Em termos formais, o processamento de imagem definido atravs da operao de
convoluo, a qual denotada por:
),(*),(),( yxhyxfyxg =
Em que ),( yxf a imagem original, ),( yxh uma funo de filtro ou borramento e o operador
* representa a convoluo espacial.
Essa operao, envolvendo funes bidimensionais, pode ser descrita tambm como uma
somatria dupla:
=
=
==1
0
1
0),(),(),(*),(),(
M N
yxhfyxhyxfyxg
No domnio da freqncia, a convoluo realizada atravs de uma multiplicao ponto a ponto
das matrizes, desta forma:
),().,(),(*),( vuHvuFyxhyxf
Embora possa parecer dispendioso calcular a FFT de um sinal, efetuar a multiplicao e
depois finalmente resolver a IFFT, isso no verdade devido reduo do custo computacional.
A BAC tem sido utilizada de forma promissora por demonstrar potencial para avaliar
diversos parmetros relacionados ao trato gastrintestinal (TGI) humano [COR 2003, MOR 2003,
MIR 92, BAF 95, OLI 96, MIR 97, MIR 2009]. Alm dos estudos sobre atividade motora, esta
tcnica foi empregada na obteno de imagens de objetos simuladores in vitro, empregandoum
sistema de BAC mvel com varredura (scanning) [MOR 2000]. O aperfeioamento da BAC
permitiu aumentar a sensibilidade e implementar um novo sistema multi-sensores, que
proporcionou uma melhor resoluo espacial e permitiu a aquisio simultnea dos sinais
magnticos in vivo em diferentes pontos distribudos na superfcie abdominal [COR 2009, AME
Figura 11: Modelo de degradao da imagem causado pelo sistemade aquisio
37
2007, AME 2009], alm da obteno de imagens de fantomas ferromagnticos in vitro [CHU
2003].
O sistema consiste basicamente de arranjos de bobinas para excitar um material
magntico e detectar sua presena nas proximidades do sistema, baseando-se na propriedade de
susceptibilidade magntica dos materiais. A sua principal caracterstica reside na simplicidade
instrumental e base terica, descrita pelo eletromagnetismo clssico, aliado versatilidade, no
invasividade, ser desprovida de radiao ionizante e de relativo baixo custo.
Cor et al [COR 2003, COR 2006, COR 2006a] utilizaram essa instrumentao com
multi-sensores, de maneira indita, para avaliar o processo de desintegrao de formas
farmacuticas slidas (comprimidos e cpsulas magnticas) no TGI humano e para obter
imagens magnticas deste processo [COR 2005, COR 2005a, COR 2008]. Como essas imagens
so degradadas, necessitam de um processamento para melhorar sua qualidade, para permitir
uma visualizao mais precisa do processo de desintegrao. O filtro de Wiener foi empregado
para melhorar a qualidade das imagens magnticas obtidas pela BAC, onde posteriormente
foram aplicados mtodos de segmentao para quantificar o processo de desintegrao das
formas farmacuticas slidas in vitro e in vivo.
Porm, a qualidade das imagens restauradas foi baixa, principalmente por dois motivos:
baixa resoluo dos sensores empregados e a carncia de uma informao fsica do contedo da
imagem.
O primeiro problema foi minimizado construindo um sistema de 13 sensores com
dimetro das bobinas detectoras menor, aumentando a resoluo individual de cada detector e da
matriz de sensibilidade (densidade de sensores por rea).
Recentemente, algumas tcnicas eltricas (EIT eletricinductiontomography) e
magnticas (MIT magneticinductiontomography) foram utilizadas para gerar imagens
tomogrficas baseadas nas propriedades de condutividade dos tecidos [SCH 2005, SCH 2006,
MAY2006, MER 2007, HAU 2008, MER 2008, PHA2008].Porm tais tcnicas possuem baixa
razo sinal/rudo, principalmente em aplicaes biolgicas, limitando sua real aplicao, mas
permitem por outro lado solucionar um problema da BAC que era a falta de informao do sinal
gerado pelos tecidos o qual um dos principais rudos e gerao de borramento nas imagens
obtidas pela BAC. A BAC possui grande relao sinal/rudo e empregada em diversas
pesquisas com enfoque no TGI. Desta forma, com a utilizao de modelos semelhantes queles
38
empregados em EIT e MIT pode fornecer no apenas uma melhoria na qualidade da imagem de
BAC, mas sim, uma nova tecnologia, a tomografia por biosusceptometria de corrente alternada
(tBAC).
Essa nova instrumentao para obter imagens tomogrficas poder fornecer uma
aplicao indita dentro de imagens obtidas por BAC no sentido de reconstruir imagens de cortes
tomogrficos, as quais no futuro possam permitir compreender melhor a biofsica de processos
do TGI.
Justificativa e Relevncia do Tema
A avaliao do processo de desintegrao de formas farmacuticas atravs de imagens
extremamente interessante e fornece importantes informaes sobre o processo. Igualmente
importante avaliar a distribuio de alimento no TGI fundamental para o entendimento
fisiolgico e das conseqncias de doenas sobre a motilidade.
A BAC tem contribudo fortemente nos ltimos anos para a avaliao desses processos,
devido ao aprimoramento que a tcnica sofreu em termos instrumentais (novos detectores,
melhores circuitos amplificadores) e computacionais (novos algoritmos de formao e anlise de
imagens).
A tomografia por induo magntica (MIT) um modelo fsico que pode ser empregado
em BAC. A tcnica possui a mesma instrumentao, isto , uma bobina de induo e outra de
deteco, porm mede-se a corrente induzida no tecido, como fruto da excitao do campo
magntico alternado sobre um material condutor. A equao que descreve este processo dada
por [BAS 85]:
( )dVAIAld
IAIjjv T
R
R
R
RT +
==
rr..
em que V a voltagem medida, Ar o potencial magntico, o potencial eltrico e a
freqncia de excitao.
39
Utilizando-se deste mtodo, Karbeyaz [KAR 2003] obteve um perfil de distribuio de
campo magntico e aps a soluo desta equao, resolvida para a condutividade , obteve a
imagem de condutividade para dois diferentes fantomas, conforme reproduzido na Figura 12 e
Figura 13.
As imagens de distribuio de campo magntico pela BAC j apresenta melhor razo
sinal/rudo, o que favorece os resultados da soluo do problema direto, obtida resolvendo [BAS
85]:
( ) ( ) ( )=vol
rr
signal xdxBxBxxI3
0
.1
em que Ir a corrente recproca, 0 a permeabilidade magntica no vcuo, a
susceptibilidade, Ba o campo aplicado e Br o campo magntico recproco. A soluo para
resultar em uma nova imagem, denominada de imagem por susceptibilidade.
Figura 12: Soluo do problema para um fantoma de barras com 17 mm de separao (a) distribuio de campo (b) distribuio de condutividade
Figura 13: Soluo do problema para um fantoma de barras circular (a) distribuio de campo (b) distribuio de condutividade
40
Desse modo, esse estudo utilizou outros procedimentos para o processamento de imagens
empregando BAC, incorporando novos parmetros no problema de modo a melhorar o modelo
de reconstituio da imagem. Alm de ter proporcionar a construo de uma nova
instrumentao, a qual viabiliza a aplicao dessas imagens para fins clnicos ou pesquisa.
41
MaterialeMtodos
BiosusceptometriaACegeraodeimagens
A Biosusceptometria de Corrente Alternada (BAC), tem seu princpio fsico de
funcionamento regido pela Lei de Induo de Faraday, onde um par de bobinas de excitao e
um par de bobinas de deteco so coaxialmente arranjadas em configurao gradiomtrica de
primeira ordem para monitorar um dado material com alta susceptibilidade magntica, conforme
Figura 14.
Cada par de bobinas (excitao/deteco) pode ser considerado como um transformador
de fluxo magntico com ncleo de ar, no qual h transferncia de energia eletromagntica devido
ao campo magntico gerado pela bobina de excitao sobre a bobina de deteco. Assim, o par
mais prximo do material magntico atua como sensor de medida e o mais distante como sensor
de referncia [MIR 92].
Figura 14: Esquema de funcionamento
da Biosusceptometria AC.
Figura 15: Sistema de BAC com treze sensores.
As bobinas excitadoras induzem fluxos magnticos iguais nas bobinas detectoras e na
ausncia de material magntico nas proximidades do sistema de medida, o sinal de sada
minimizado pelo arranjo gradiomtrico das bobinas detectoras. Aproximando-se uma massa
magntica em um dos lados do sistema, ocorrer um desbalanceamento no fluxo magntico do
sistema gradiomtrico [COR 2005, BAF 95].
42
O fluxo magntico resultante do acoplamento entre a massa magntica e a bobina
detectora permite a medida e o monitoramento deste material continuamente atravs de
amplificadores lock-in, uma placa A/D e um computador. A BAC extremamente sensvel
variao entre a distncia do sensor e o material magntico sendo, portanto, capaz de registrar o
deslocamento da ferrita (traador ou marcador magntico) no recipiente de testes ou no interior
de rgos.
O sistema de BAC com multi-sensores de treze canais possui um par de bobinas de
excitao ( = 17 cm) e treze pares concntricos de deteco (= 3 cm) em configurao
gradiomtrica de primeira ordem, com linha de base de 18 cm (Figura 15). Esse sistema permite
a aquisio dos sinais gerados em diferentes pontos, mapeando a distribuio dos sinais no
decorrer do tempo, semelhantemente ao sistema empregado por Cor [COR 2005a], com a
vantagem dos sensores apresentarem uma melhor resoluo espacial, possibilitando a aquisio
de imagens magnticas com melhor qualidade e maior preciso nos resultados.
Os sinais magnticos so adquiridos continuamente, digitalizados e armazenados para
posterior processamento e anlise. Conforme descrito por Cor [COR 2005], cada um dos treze
canais so representados espacialmente em uma matriz correspondente configurao dos multi-
sensores. A cada trs segundos, calcula-se a mdia de cada canal e esse valor atribudo ao
ponto da matriz correspondente ao canal. Tendo os treze pontos fixos na matriz, os demais
pontos so calculados por mdia entre vizinhos e em seguida essa matriz interpolada (256x256)
pelo mtodo spline para aumentar a resoluo espacial da imagem, que ser submetida a
subtrao de background, ajustes de contraste, restaurao(filtro de Wiener)e reconstruo
tomogrfica direta.
Multiplexaopordivisodetempo
A utilizao de vrios amplificadores lock-in nas tcnicas com mltiplos sensores pode
ser considerado o maior problemas na utilizao desse sistema.
A principal conseqncia o aumento de custos de maneira linear, quanto mais canais,
mais amplificadores, mais custos.
Uma abordagem muito utilizada em eletrnica e telecomunicao para reduzir custos com
meios de transmisso consiste em utilizar um sistema multiplexador por diviso de tempo (Time
43
Division Multiplex - TDM) de modo a utilizar um nico canal/equipamento para reduzir os
custos.
Figura 16: Diagrama de blocos representando o esquema de funcionamento do sistema multiplexador.
A idia consiste em chavear, comutar os dois dispositivos de forma sncrona, com
tal velocidade, que se criam vrios canais virtuais, aparecendo como se houvesse para cana sinal
um canal fsico e independente.
Esse principio pode ser usado, com algumas alteraes, para utilizar apenas um
amplificador lock-in para um sistema multi-sensor.
Para a realizao dos testes foi utilizado um sistema de movimentao recproco,
montado utilizando um servo motor controlado por um microcontroladorAtmel, na Figura 17
pode se ver um esquema desse sistema.
44
Figura 17: Representao grfica do sistema de movimentao recproco, colocado a frente do sensor para permitir o deslocamento da amostra, aproximando e afastando do sensor central.
Para aquisio de dados foi utilizado uma placa de aquisio National DAQ PCI-MIO
EX-10 de 16 canais, configurada para aquisio de um canal com freqncia de aquisio de x.
O amplificador lock-in utilizado foi um Stanford SR-830 com a seguinte configurao:
Amplitude: 100mV
Filtro: 6db
Constante de tempo: 3ms
Reserva Normal
Filtro Notch: 60Hz e 120Hz
Freqncia de Referencia 10KHz
Amplitude: 580mV
Como amplificador de potncia foi utilizado um CiclotronTip 800 com potncia de 400W
RMS AB com ganho de -3dB.
45
Tomgrafo
O tomgrafo utilizado nesse trabalho foi construdo para atender as seguintes
necessidades:
Executar um deslocamento preciso em um eixo (x).
Efetuar o giro de uma mesa, aonde o fantoma posicionado para medida ()
Possuir pouco metal prximo do sensor
Com essas caractersticas especificadas, utilizando o material disponvel, foi
construdo o tomgrafo, com a estrutura feita em madeira (MDF) com guias e rolamentos
metlicos.
Para fazer o deslocamento do conjunto fora utilizado um fuso com rosca mtrica
com dimetro de 12mm e passo de 1,75mm por volta, acionado por um motor de passo de 7,5
por passo, ou 48 passos por volta. Essa construo permite um deslocamento de
aproximadamente 0,0365 mm por passo.
O eixo feito utilizando-se um basto de madeira, com uma mesa redonda em
uma extremidade e o motor de passo na outra. O motor de passo utilizado possui 200 passos por
volta ou 1,8 por passo.
Na Figura 18 temos uma foto do tomgrafo.
46
Figura 18: Fotografia do tomgrafo, mostrando as partes mecnicas.
Para controlar o sistema foi montada uma placa de controle de potncia,
utilizando circuitos de driver de transistors para permitir o controle dos motores de passo,
a partir da porta paralela do micro-computador. Cada driver foi construdo com o
esquema mostrado na Figura 19.
47
Para controlar o tomgrafo foi utilizado o software TurboCNC, que interpreta a
linguagem de controle de mquinas CNC (Controlador Numrico Computacional)
chamada G-Code.
Utilizando o G-code foi gerada as instrues de movimentao do tomgrafo,
permitindo a obteno das fatias com as seguintes caractersticas:
Curso de 200mm
Passo de 2,5mm
Deslocamento angular de 3,75
Preparaodosfantomas
Para a realizao de testes de caracterizao e calibrao do sistema (in vitro) sero
confeccionados diferentes fantomas, i.e., objetos simuladores com geometria e quantidade de
material marcador conhecidas. Dentre os principais fantomas a serem construdos esto:
Fantoma de barras: 1, 2, 3 e 4 barras. Consiste em um conjunto de barras paralelas (0,5 x
10 cm) homogeneamente preenchidas com marcador ferromagntico. Diferentes separaes
Figura 19: Esquema do circuito de driver dos motores, existem 4 circuitos desse paracontrolar cada motor utilizado.
48
entre as barras permitem avaliar a resoluo espacial do sistema, enquanto que diferentes
concentraes permitem conhecer a sensibilidade do mesmo.
ProtocoloparaMedidasinvitro
A fim de obter um perfil da distribuio de campo mais preciso, necessrio aumentar a
amostragem espacial do processo de formao das imagens. Nesse caso, o dimetro das bobinas
detectoras um fator limitante na resoluo espacial do sistema de BAC. Para se obter uma
imagem com alta resoluo, necessrio realizar uma srie de medidas com espaamento
determinado pela equao [MOR 2000]:
cmamostras
bcs/66,72 =
(3)
em que a freqncia mnima de amostragem s o passo do sistema de varredura e b o
raio do sensor. Para tanto, ser utilizada uma mesa X-Y no-magntica que transladar o sensor
de BAC mono-canal ao longo do espao para obter o perfil de distribuio do campo magntico.
O uso do sistema de BAC multicanal com 13 sensores vem a colaborar neste aspecto, j
que possui maior resoluo (o dimetro das bobinas detectoras 30% menor do que o sistema
anterior) e maior nmero de detectores, o que permite a coleta de pontos em um tempo menor do
que no caso de um sistema mono sensor. Tais caractersticas so importantes quando se deseja
realizar medidas de processos tempo-dependente, como o caso dos estudos in vivo.
Reconstruo
49
Utilizando-se as projees (imagens) obtidas aps a varredura do objeto e se baseando no
teorema das seces de Fourier [KAK 99], utiliza-se o algoritmo de retro projeo filtrada para
gerar uma imagem reconstruda. Basicamente, a retro projeo filtrada consiste em utilizar as
medidas de projeo obtidas pelo conjunto fonte-detector em K ngulos com 0
50
tcnica consiste em montar os planos gerados pelas funes f(x, y, z i) para i=0, 1, 2,..., n, e ento
realizar interpolaes entre os cortes para obter um modelo 3D.
51
Resultados
Os resultados obtidos com o sistema multiplexador podem ser vistos nas fig.
Figura 21: Sinal registrado pelo canal 1 do sensor utilizando o sistema multiplexador.
Figura 22: Sinal registrado pelo canal 2 do sensor utilizando o sistema multiplexador.
52
Figura 23: Sinal registrado pelo canal 3 do sensor utilizando o sistema multiplexador.
Nas figuras abaixo podemos ver a reconstruo dos fantomas pelo sistema do tomgrafo
Figura 24: Reconstruo do fantoma de uma barra, colocado no centro de giro do tomgrafo.
53
Figura 25: Imagem reconstruda do fantoma de uma barra, colocado deslocado na mesa de giro do tomgrafo, a esquerda do centro.
Figura 26: Imagem reconstruda do fantoma de duas barras, possvel perceber as duas reas mais quentes.
54
Figura 27: Imagem reconstruda do fantoma de trs barras, possvel perceber as reas mais quentes.
Figura 28: Imagem reconstruda do fantoma de quatro barras, possvel perceber as quatro pontas da imagem.
55
DiscussoeConcluses
Observando os dados das figuras 21, 22 e 23 podemos perceber que o sistema de
multiplexao eficiente em reconstruir os sinais obtidos e os recupera de forma muito
satisfatria.
O principal problema da tcnica consiste em no poder obter os sinais simultaneamente,
isso no um problema para estudos in-vitro, ou em medidas com marcadores magnticos, mas
pode se tornar um problema em caso de sinais in-vivo com a utilizao de traador magntico.
Existem formas de se compensar esse problema, como aumento da freqncia de
aquisio, mas esbarramos na constante de tempo do lock-in.
Nos dados obtidos pelo tomgrafo, podemos verificar de forma muito clara que o sistema
consegue reconstruir os vrios fantomas, de forma degradada, porm, para imagem iniciais e sem
nenhum tipo de processamento e com sensores ainda de grande dimetro para este fim, as
imagens so consideradas boas.
No caso dos fantomas de uma e duas barras a reconstruo foi razovel, permitindo a
separao das barras na reconstruo.
J com os fantomas de trs e quatro barras houve a reconstruo, mas a resoluo do
sistema no permitiu a separao das barras, embora tenha gerado figuras que permitem inferir a
forma do objeto registrado.
Nos dados da reconstruo no foi utilizado filtros para auxiliar na reconstruo e
nenhum tipo de processamento de imagem alm do necessrio para a reconstruo das imagens a
partir das projees.
Uma possvel continuidade desse trabalho deve utilizar filtros e outras tcnicas de
processamento de imagens de modo a obter melhores reconstrues, e h ainda a possibilidade
de se desenvolver novos sensores, com melhor resoluo espacial que permita a obteno de
fatias mais precisas. Alm disto, a aplicao e resoluo do problema inverso poder contribuir
fortemente para a qualidade das imagens.
Desta forma, estes dados iniciais demonstram de tBAC uma tcnica vivel para realizar
imagens tomogrficas da susceptibilidade de materiais magnticos in vitro.
56
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