3.1.1 Introdução
A atividade motora gastrintestinal é importante para sustentar a vida [1] e dispõe de um conjunto de tarefas complexas, incluindo o esvaziamento do estômago [2]. O funcionamento ina- dequado do trânsito gastrointestinal ou da contratilidade são comumente associados com doenças (como por exemplo, diabetes e Parkinson) [3], e pode levar à péssima qualidade de vida [4]. A cintilografia é a técnica padrão ouro para avaliação do esvaziamento gástrico em humanos [5]– [8]. No entanto, este método é relativamente caro, expõe o paciente à radiação ionizante, requer licença para tratar materiais radioativos, e oferece resolução espaço temporallimitada[9].
A biossusceptometria é um método complementar, relativamente barato,não ionizante e minimamente invasivo para avaliação gastrointestinal (GI)[10], [11]. Além disso,mostrouboa correlação comtécnicas padronizadaspara avaliaçãodo trânsitoGIem humanos ecães[10], [12],e, mais recentemente,foi validadopara o monitoramento da contratilidadegástricaem ratos[13],
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Medições in vivo
[14],etempo de esvaziamento GI,emratosutilizando refeiçõessólidas e líquidas[9], [15].O transdu- tor híbrido combina oBAC com um transdutorultrassônico para aprimorar as medições biossus- ceptométricas[16], [17], ou seja, a localização espacial da fonte magnetizada(seção 1.1). Técnicas de ultrassom, como omodo Doppler e elastográfico[18]–[20], podem ser usadas para rastrear o movimento induzido nas partículas magnéticas por um gradiente de campo magnético externo proveniente das bobinas doBAC.
O objetivo deste estudo apresentadofoi monitorar o esvaziamento do estômago em ratos utilizando o transdutor magnetoacústico para verificar a complementaridade dos sistemas de ul- trassom e BAC, ea viabilidade de sua aplicação in vivo.
3.1.2 Materiais e métodos
3.1.2.1 Preparação dos animais
Para isso,foram utilizados quatro ratos Wistar machos individualmente (pesando 310- 350g). Os animais ficaram em jejum por 12 horas (com livre acesso a água), foram anestesiados (Hidrato deCloral 4%) e então passaram pelo procedimento de tricotomia6da superfície abdómen, para melhorar o acoplamento acústico. Uma agulha ou cateter de gavagem foi utilizado para inje- tar uma quantidade de 4 mldoalimento marcadodiretamente no estômago.O alimento marcado consistiu de partículas de ferrita (diâmetro entre 37 e 70µm; TH 50, Thornton Eletrônica, Vinhe- do, SP, Brasil) misturado com iogurte de chocolate (Chandelle, Nestle SA, Vevey, Suíça) a uma concentração de 10% em massa. A ferritapossui uma elevada susceptibilidade magnética e fica magnetizada quando submetida a um campo magnético externo.
3.1.2.2 Configuração do transdutor magnetoacústico
Neste estudo, o transdutor sistema híbrido foi composto por um BAC e um transdutor deultrassom microconvexo EC9-5 / 10. O uso do transdutor microconvexo deve-se ao fato desse possuir uma frequência central menor (7,5MHz), o que proporciona maior penetração. As bobi- nas de excitação foram energizadas a 35Hz por um sistema composto por um gerador de sinal HP 33120A e um amplificador de áudio (Cíclotron, pág.17). Os sinais susceptométricos foram adqui- ridos (30 amostras por aquisição) através de um amplificador lock-inconectado a um computador através de comunicação GPIB, utilizando uma interface de controle desenvolvida em Labview®
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(seção2.3.2, pág. 27). Usando uma plataforma de ultrassom,modelo Sonix RP,adquiram-seos ma- pas de RF e imagens no modo Power Doppler com 7 e 5MHz de frequência de emissão e2 e 0,5kHzde frequênciade repetição do pulso (PRF), respectivamente.
3.1.2.3 Aquisição dos dados
Durante a realização do experimento, o transdutor híbrido foi fixado a um sistema de ei- xos 2D (não magnéticoXZ) e colocado sobre a região do estômago do rato(Figura 3.1). Aplicou- se gel de ultrassom na pele do rato para manter acoplamento acústico do transdutor ultrassônico.
Figura3.1:Configuração experimental em que o transdutor híbrido (A) foi fixado àum sistema de eixos 2D (C). O rato (B) repousava sobre uma mesa não magnética, sem contato mecânico com o transdutor híbrido.
Os dados de RF foram adquiridos 1 minuto após gavagem usando uma plataforma de a- quisição desenvolvida pelo Grupo de Inovação em Instrumentação Médica e Ultrassom (GII- MUS)em linguagem C/C++ e Qt®(Digia Plc., Helsinki,Finlândia.)[21]. A técnica de subdivisão dos elementos do transdutor em setor[22], sincronizada com a excitação magnética, foi emprega- da para obter os dados de RF, aumentando assim a frequência de aquisição (Apêndice A).Os da- dossusceptométricos foram adquiridos a cada 1 minuto durante 20 minutos, após gavagem. As
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Medições in vivo
imagens Power Doppler foram adquiridas em1, 10 e 20 minutos também após a gavagem, cole- tando 100 frames7 para cada conjunto de dados.Uma sequência de aquisições no plano transver- sal, com variação espacial de 1mm na direção craniocaudal, também foirealizada na região do estômago do rato nº 4 usando o sistema de eixos. Todos os dados foram transferidos para o com- putador para pós-processamento no Matlab®.
3.1.2.4 Processamento dos dados.
No pós-processamento, os dados do BACpassaram por uma média temporal normalizada, ou seja, a cada 1 minuto foicalculada uma média dos valores e no final as medias foram normali- zadas pelo maior valor inicial[23].
A partir dos dados de RF, adquiridos para rato nº4, calculou-se o mapa de velocidade8 u- sando o algoritmo de rastreamento de movimento (speckle tracking) com base em correlação cru- zada complexa [24] (Apêndice B), com janela de rastreiocom 2,0mm, 50% de sobreposição. As variações deamplitude, dos pixels desse mapa, no tempo (frequência de vibração) foram avaliadas por transformada de Fourier e uma máscara foi criada para selecionar apenas aquelasgeradas pela excitação magnética, ou seja, em 35Hz. A faixa de frequênciaselecionada pela máscara foi de 65 a 75Hz, pelo fato da frequência de vibração ser o dobro da frequência de excitação [17], [25].Os pixels selecionados(imagem USMM) foram sobrepostos à imagem modo-B.
Com os dados do modo Power Doppler, selecionaram-se as regiões destacadas pela técni- ca em cada frame das aquisições e, então, estimou-se a área média dessas regiões em cada aquisi- ção.Também foi reconstruída uma imagem volumétrica a partir dos pixels destacados pelo modo Power Doppler nas aquisições sequenciais do plano transversal da região do estômago.
3.1.3 Resultados e Discussão
A Figura 3.2a) mostra a imagem no modo-B, sobreposto pela imagemUSMM após a apli- cação da máscara. Como o rato passou por uma restrição alimentar de 12 horas e a aquisição o- correu logo após a gavagem, e na amplitude do pico da excitação magnética, o estômago do rato foi preenchido somente com o alimento magnético. A velocidade das partículas ferromagnéticas
7 Frame(emPortuguês: quadro ou moldura) é cada um dos quadros ou imagens fixas de umproduto audiovisual. No caso da ultrassonografia, é uma imagem em um dado instante.
8 Imagem na qual a amplitude de cada pixel(normalmente representado por escala de cores) representa o deslocamen- to instantâneo (entre dois frames consecutivos), também chamado de velocidade
38 Medições in vivo
ao longo do tempo, em 4 diferentes locais do estômago, e este no espaço dasfrequências, são a- presentados na Figura 3.2.b e Figura 3.2c, respectivamente.
a) b) Lateral (mm) A xi al ( m m ) 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 mm.s-1 -3 -2 -1 0 1 2 3 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 V el oc id ad e (m m /s ) Tempo (ms)
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c)
Figura3.2:a) Imagem modo-B sobreposto pelo mapa velocidade das partículas (imagem USMM). b) Variação daamplitu- deno tempo, de 4 pixels selecionados aleatoriamentena região destacada em (a). c) Transformar de Fourier normalizada de sinais mostrados em (b).
Embora a respiração e os batimentos cardíacos sejam dominantes nos mapas de velocida- de das partículas, o alimento magnético vibra à uma frequência específica (o dobro da frequência de magnetização, verseção1.3.1), e pode ser selecionada a aplicação de uma máscara baseada na resposta de frequência de cada pixel.
A Figura 3.3mostra as imagens Power Doppler adquiridasdurante a excitação magnética, em um intervalo de 20 min, na região do estômago; a mesma determinada a partir do mapa de velocidade de partículas Figura 3.2 a).
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0,2 0,4 0,6 0,8 1 A m pl itude N or m al iz ada Frequência (Hz) 70,3 Hz
41 Medições in vivo Figura 3.3: Ima- gens no modo Power Doppler de estô- mago de ratos preenchi- dos com iogurte contendo partículas de ferrita. As ima- gens foram obtidas antes e durante a excitação do campo magnéti- co, a 1, 10, 20 minutos após a adminis- tração por son- da. A região de interesse foi sele- cionada onde os pixels coloridos foram visualiza- dos. A área destacada diminuiu depois de 20 min devido ao esvazia- mento do estômago e este será o parâme- tro de análise.
42 Medições in vivo
Os modos B e Power Dopplerpodem ser usados para avaliar, em tempo real a distribuição do alimento com partículas magnéticas no estômago e a informação anatômica. A partir das ima- gens na Figura 3.3, podemos ver que apenas o modo-B não seria eficiente para localizar o estô- mago. A modalidade Power Doppler foi capaz de detectar o deslocamento das partículas magné- ticas, devido à força magnética a partir de bobinas de excitação BAC. As áreas coloridas nas i- magens diminuíram após 20 minutos, em todos os ratos, devido ao esvaziamento do estômago.
O sinal susceptométrico do BACtambém foi utilizado para avaliar o esvaziamento do es- tômago, ver Figura 3.4. A amplitude do sinal diminuíaem função da concentração de partículas de ferrita ou do volume do alimento marcado com esta [17], isto é, foi proporcional ao esvaziamento do estômago. No experimento realizado, 20 minutos após agavagem,o sinal diminuiu em mais de 4% em comparação com o sinal inicial para todos os ratos.
Figura3.4:Perfil de esvaziamento gástrico típicos da mediçãosusceptométricaobtido para os ratos nº1, 2, 3 e 4.
O decaimento do sinal doBAC foi consistente com o esperado para o esvaziamento do es- tômago em ratos [13]. 5 10 15 20 0,96 0,97 0,98 0,99 1 Tempo (min) A m pl itu de n or m al iz ad a do s in al d o B C A Rato 1 Rato 2 Rato 3 Rato 4
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A área média estimada, da região destacada pelo Power Doppler em cada aquisição, foi comparada com a variação de amplitude do sinal de BAC. Dessa maneira avaliou-se o método de obtenção da taxa de esvaziamento do estômago pelo transdutor magnetoacústico.
A variação média da intensidade normalizada do sinal do BAC (Figura 3.4) e a área des- tacada pelo modo Power Doppler (Figura 3.3), a 1, 10, e 20 minutos de aquisição, foram coeren- tes, como mostrado naFigura 3.5.A intensidade BAC e a área Power Doppler diminuíram 4,6 ± 0,1% e 4,5 ± 0,2%, respectivamente, em função do esvaziamento do estômago.
Figura3.5:Variação média da intensidade normalizada sinal do BAC (Figura 3.4) e a área destacada pelo modo Power Doppler (Figura 3.3), a 1, 10, e 20 minutosapós a gavagem.
As imagens transversais sequenciais (varrendo a superfície) da região do estômagopossi- bilitaram a reconstrução volumétrica (3D- três dimensões). AFigura 3.6 mostra uma imagem em 3D do estômago de ratonº4 após5 minutosdo procedimento de gavagem. Estas imagens fornece- ram informações sobredistribuição espacial do alimento no estômago. Consequentemente, as i- magens também podem fornecer informações da parede do estômago como deformidades anatô- micas que causam o mau funcionamento do processo digestivo. Portanto, o transdutor magnetoa- cústico pode realizar um procedimento alternativo para fornecer imagens anatômicas de uma de- terminadaregião. 1 10 20 94 95 96 97 98 99 100 % Tempo (min)
Área Power Doppler
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Figura3.6:Sequência de rotação de imagem volumétrica do estômago do rato 4após5 minutos do procedimento de gava- gem. Este tipo de imagem fornece informações sobre a distribuição espacial do alimento no estômago.
O BAC quantifica a concentração de material magnético no bolo alimentar (refeição em sistema de GI); no entanto, é limitado para obter informações sobre a sua distribuição espacial. A USMM localiza a região marcada com partículas magnéticas, orientando o melhor posicionamen- to do BAC na região gástrica, e fornecendo a informação anatômica, como por exemplo, a volu- metria do estômago. Estes dois transdutores, oBAC e o ultrassônico, em conjunto, podem forne- cer informações sobre o processamento de alimento em sistema GI, com base na distribuição es- pacial do meio marcado e na concentração de partículas magnéticas.
Além disso, a partir da USMMobtém-se informações sobre o movimento induzido por partículas imersas no alimento. Estas informações poderiam ser usadas para estimar propriedades mecânicas do bolo alimentar (elasticidade e viscosidade) [20], o que é uma informação adicional sobre a atividade do GI [26].No caso da imagem 3D aprimorada, poderá revelar detalhes da pare- de do estômago, que são importantes para avaliar anomalias gástricas.
3.1.4 Conclusão
Este estudo mostrou a viabilidade para avaliar o esvaziamento do estômago, in vivo, utili- zando o transdutor híbrido.O transdutor híbrido permitirá no monitoramento invivo do trânsito alimentar, preservando as condições fisiológicas (minimamente invasiva), dispensando o uso de radiação ionizante, o que potencialmente pode facilitar a manipulação e aplicação em ambiente ambulatorial.
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