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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phasic changes in human proximal gastric tone, Gut, v. 39, p. 757-761, 1996.

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stomach: response to distension. Am. J. Physiol. 247 (Gastrointest. Liver Physiol. 10): G265-

G272, 1984.-Th

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stomach on triggering of transient lower esophageal sphincter relaxation. Digestive Diseases and

Sciences, Vol. 49, No. 5 (May 2004), pp. 710714 (C 2004)

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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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